Митохондриальное окисление. Функции митохондрий

Митохондриальное окисление — мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны и электроны на кислород с образованием молекулы воды.

Все ферменты митохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов — никотинамидная   дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует «дыхательный ансамбль» («дыхательную цепь»), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата, затем передаются последовательно от одного переносчика к другому, и, наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды.

Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке   переносчиков. Эта последовательность определяется величиной редокс-потенциала (окислительно-восстановительный — ОВП) каждого звена. ОВП — это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроны. Выражается в вольтах (V). Вещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны), вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом. Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий — у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода  идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении — в порядке возрастания их ОВП: от -0.32V у никотинамидных дегидрогеназ (первого компонента главной цепи МтО) до 0.82V у О2, обладающего самым высоким редокс-потенциалом.

На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н+ и электроны. Протоны остаются временно в окружающей среде, а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О2. Кислород является конечным акцептором электронов.

O2 + 4e → 2O2 (полное восстановление кислорода)

Все реакции, происходящие в дыхательной цепи, сопряжены. Переносчики водорода и электронов расположены в строгом порядке, в соответствии с величиной их редокс-потенциала.

В настоящее время различают три варианта дыхательных цепей:

• Главная (полная) цепь
• Укороченная (сокращенная) цепь
• Максимально укороченная цепь

Митохондриальное окисление. ГЛАВНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Главная дыхательная цепь — это три мультиферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. Обозначаются они латинскими цифрами – I, III и IV.

СХЕМА ГЛАВНОЙ (ПОЛНОЙ) ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

DmH+ — положительная величина. Его можно выразить как в вольтах (V), так и в единицах энергии (кДж/моль). Изменение значения pH на одну единицу соответствует 0,06V или 5,7 кДж/моль.

Энергия DmH+ используется для следующих процессов:

• Синтез АТФ.
• Получение тепла (особенно важно для бурого жира и для мышечной ткани птиц).
• Выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).
• Мышечная работа (в некоторых случаях).
• Для человека наиболее важен синтез АТФ.

В полной цепи при окислении субстрата два атома водорода переносятся на НАД – кофермент никотинамидных дегидрогеназ.

Как видно из приведенной схемы, в полной цепи при передаче двух атомов водорода на кислород воздуха, в межмембранном пространстве оказываются 10 протонов, перенесенных сюда из матрикса.

Все переносчики встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, кроме никотинамидных дегидрогенказ. Они составляют дыхательный ансамбль, тысячи таких ансамблей существуют в митохондрии и потребляют 90-95% кислорода, который используется клеткой. Два атома водорода отнимаются от субстрата и передаются на О2 с образованием Н2О. Разность потенциалов на двух концах полной цепи составляет 1.14V.

Митохондриальное окисление. НИКОТИНАМИДНЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ (НАДГ)

Небелковая часть этих ферментов представляет собой динуклеотид: НИКОТИНАМИД-АДЕНИНДИНУКЛЕОТИД (НАД+) или НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИДФОСФАТ (НАДФ+).

Студенты обязаны знать формулу НАД(Ф) и механизм присоединения к нему водорода. НАД(Ф) содержит производное витамина РР — никотинамид. (см. раздел «Витамины»).

НАД+ и НАДФ+ входят в состав каталитического центра НАДГ. Они являются КОФЕРМЕНТАМИ, так как связаны с белковой частью слабыми типами связей — могут легко диссоциировать. Они присоединяются к белковой части только в момент протекания реакции. Реакция, которую катализируют НАДГ — это реакция окисления субстрата.

Известно около 150 НАДГ, которые различаются по строению белковой части (апофермента).

Апоферменты большей части НАДГ способны присоединять или только НАД, или только НАДФ, и лишь немногие способны соединяться и с тем, и с другим коферментами.  НАДГ, участвующие в митохондриальном окислении, находятся в матриксе митохондрий, в отличие от большинства других участников дыхательной цепи, которые встроены во внутреннюю мембрану. НАДГ можно встретить и в цитоплазме клеток. Мембрана митохондрий непроницаема для НАД(Ф), поэтому митохондриальный и цитоплазматический НАД(Ф) никогда не смешиваются. В митохондриях содержится очень много НАД и почти нет НАДФ, а в цитоплазме — наоборот — очень много НАДФ и почти нет НАД.

Из матрикса митохондриальный НАД×Н2 отдает два атома водорода на «комплекс I», встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий.

Митохондриальное окисление. КОМПЛЕКС I

В составе комплекса находится 26 полипептидных цепей общей массой 800 кДа. Комплекс содержит следующие небелковые компоненты: Флавинмононуклеотид (ФМН), 5 центров FeS (железо-серные центры): FeS1a, FeS1b FeS2, FeS3, FeS4.

В транспорте водорода по дыхательной цепи в этом комплексе принимает участие ФМН.

Одновременно с протонами транспортируются и электроны. Наибольшие перепады редокс-потенциала наблюдаются между железо-серными белками, расположенными в следующем порядке:

ФМН → FeS1a → FeS1b → FeS3 → FeS4 → FeS2

Комплекс I – интегральный белковый комплекс. Используя энергию, выделяющуюся при переносе электронов по дыхательной цепи, он транспортирует 4 протона из матрикса в межмембранное пространство – комплекс I работает как протонный генератор. Точный механизм этого транспорта до сих пор неизвестен.

Далее комплекс I восстанавливает промежуточный переносчик KoQ (убихинон).

Это жирорастворимое низкомолекулярное вещество, содержащее длинную изопреновую цепь, не имеет белковой части. КоQ принимает водород от комплекса I. Образовавшийся КоQH2 отдает водород на комплекс III.

Митохондриальное окисление. КОМПЛЕКС III.

В своем составе содержит цитохромы – сложные белки, содержащие небелковый компонент — простетическую группу, сходню по строению с небелковой частью гемоглобина – гемом.

1) Цитохромы b, имеющие в своем составе два типа простетических групп тетрапиррольной структуры — «гем». Известно два гема цитохромов: be, обладающий низким окислительно-восстановительным потенциалом и bh  с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Строение простетической группы цитохромов  группы b, похожей на гем белка гемоглобина, представлено на рисунке. Его необходимо выучить.

2)FeSIII – железо-серный кластер.

Цитохром С1. Имеет в своем составе особый гем типа «с».

Друг от друга цитохромы могут отличаться:

Строением белковой части;

Значением окислительно-восстановительного потенциала;

Строением радикалов, расположенных по периферии гема;

Присоединением гема к белковой части – в некоторых случаях гем присоединен к ней ковалентной связью за счет радикалов цистеина, что характерно для цитохромов c1 и c.

От двух атомов водорода, которые переносятся на комплекс III от KoQ, дальше по цепи транспортируются только электроны, два протона (H+)комплекс III выбрасывает в межмембранное пространство вместе с еще одной парой протонов, которые подхватываются комплексом из матрикса. Таким образом, комплекс  III в сумме выбрасывает в межмембранное пространство 4 протона. Поэтому комплекс III, как и комплекс I, является протонным генератором, и целью его работы также является создание DmH+.

Митохондриальное окисление. КОМПЛЕКС IV.

Комплекс IV называется цитохромоксидазой. Он способен захватывать из матрикса 4 протона. Два из них он отправляет в межмембранное пространство, а остальные передает на образование воды.

Благодаря многоступенчатой передаче энергия в дыхательной цепи выделяется не мгновенно, а постепенно (маленькими порциями) при каждой реакции переноса. Эти порции энергии не одинаковы по величине. Их величина определяется разницей между ОВП двух соседних переносчиков. Если эта разница небольшая, то энергии выделяется мало — она рассеивается в виде тепла. Но на нескольких стадиях ее достаточно, чтобы синтезировать макроэргические связи в молекуле АТФ. Такими стадиями являются:

Стадии	Разность потенциалов
НАД/ФАД	0.25V
Цитохромы b/cc1	0.18V
aa3/O2	0.53V

Значит, на каждую пару атомов водорода, отнятых от субстрата, возможен синтез 3-х молекул АТФ.

АДФ + Ф + ЭНЕРГИЯ → АТФ + Н2О

Макроэргическая связь — это такая ковалентная связь, при гидролизе которой выделяется не менее 30 кДж/моль энергии. Эта связь обозначается знаком ~.

Синтез АТФ за счет энергии, которая выделяется в системе МтО, называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. Основная роль АТФ — обеспечение энергией процесса синтеза АТФ.

Для оценки эффективности работы системы МтО при окислении вычисляют КОЭФФИЦИЕНТ P/O. Он показывает, сколько молекул неорганического фосфата присоединилось к АДФ в расчете на один атом кислорода.

Для главной (полная) цепи Р/О=3 (10H+/2H+(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H+ (затраты на транспорт фосфата)) = 3,3 (округляют до 3-х)), коэффициент полезного действия системы — 65%, для укороченной P/O=2 (6H+/2H+(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H+ (затраты на транспорт фосфата)) = 2, для максимально укороченной  P/O=1 (4H+/2H+(затраты на освобождение АТФ из комплекса с ферментом) + 1H+ (затраты на транспорт фосфата)) = 1.

Система МтО потребляет 90% кислорода, поступающего в клетку. При этом в сутки образуется 62 килограмма АТФ. Но в клетках организма содержится всего 20-30 граммов АТФ. Поэтому молекула АТФ в сутки гидролизуется и снова синтезируется в среднем 2500 раз (средняя продолжительность жизни молекулы АТФ — полминуты).

Митохондриальное окисление. Автономная саморегуляция системы 

Если клетка организма находится в условиях покоя, то АТФ мало используется и накапливается. Поэтому снижается концентрация АДФ и Ф. В этих условиях АТФ-синтетаза уже не получает из цитоплазмы достаточно фосфата и АДФ для синтеза АТФ. Её активность понижается, и скорость движения протонов из межмембранного пространства в матрикс по протонному каналу этого фермента тоже падает. Поэтому сохраняется высокий градиент концентраций протонов на внутренней мембране митохондрий. В этих условиях энергии переноса водорода по цепи митохондриального окисления уже не хватает для выталкивания Н+ из матрикса в межмембранное пространство. Перенос водорода по цепи МтО тормозится и прекращается окисление субстратов.

Метаболизм в клетке регулируется отношением АТФ/АДФ. Это отношение характеризует ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ.

В норме ЭЗК = 0.85-0.90. Может изменяться от 0 до 1. Высокий ЭЗК тормозит синтез АТФ, и активирует использование АТФ (АТФ → АДФ + Ф)

Митохондриальное окисление. Биологическая роль 

Главная его функция — обеспечение организма запасами энергии в форме АТФ.

Именно митохондрии поставляют клетке большую часть необходимого ей АТФ.

В сутки синтезируется до 62 кг АТФ,  хотя одновременно в организме никогда  не  бывает  больше  30-40  граммов  этого вещества. Т.е.   наблюдается  очень  быстрое  восстановление расходуемых молекул АТФ.

Митохондриальное окисление. Функции митохондрий

МИТОХОНДРИИ: ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА,  СТРОЕНИЯ.

Митохондрии — органеллы клеток. Они имеют 2 мембраны наружную гладкую и внутреннюю  с многочисленными складками – кристами, внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом.

Наружная мембрана содержит много белка порина, образующего гидрофильные каналы, которые пропускаю через мембрану неорганические ионы, метаболиты и даже небольшие белки (меньше 10кДа). Также она содержит ферменты: элонгазы (удлиняют молекулы насыщенных жирных кислот), кинуренингидроксилазу, моноаминооксидазу (маркер) и др.

Межмембранное пространство митохондрий содержит аденилатциклазу, нуклеозиддифосфаткиназы.

Внутренняя мембрана высокоспецифична, состоит на 70% из белков, которые выполняют каталитическую (окислительное фосфорилирование) и транспортную функцию. Внутренняя мембрана содержит ферменты: а). цепи окислительного фосфорилирования (цитохромоксидаза – маркер) б). СДГ в). β-оксибутират ДГ; г). карнитинацилтрансферазу, д). карнитинацилтранслоказу.

Внутренняя мембрана на 30% состоит из фосфолипидов, из них 20% приходиться на кардиолипин, который делает мембрану непроницаемой для всех ионов.

Матрикс на 50% состоит из белка и содержит сотни различных ферментов. Это ферменты: а). ЦТК; б). β-окисления жирных кислот; в). аминотрансферазы АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ д). фосфоенолпируваткарбоксилазу е). пируват ДГ. Также матрикс содержит несколько копий митохондриальной ДНК, митохондриальные рибосомы и тРНК.

В клетке содержится от сотни до тысячи митохондрий, их размер 2-3 мкм в длину и 1 мкм в ширину.

Метаболические и гомеостатические функции митохондрий

В митохондриях происходит: синтез АТФ и теплопродукция в реакция окислительного фосфорилирования; β-окисления жирных кислот; реакции ЦТК, через ЦТК протекают некоторые реакции глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема, осуществляется интеграция белкового, липидного и углеводного обмена.

Причины и последствия повреждений митохондрий

Повреждение внутренней мембраны митохондрий химическими и физическими факторами приводит разобщению окислительного фосфорилирования, нарушению синтеза АТФ, торможению анаболических реакций, межмембранного транспорта и всех видов обмена веществ.

Митохондриальное окисление.
Оксидазный путь использования кислорода в клетке

Оксидазный путь потребления кислорода протекает в митохондриях, потребляет 90% О₂  и обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.
Окислительное фосфорилирование — синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии движении электронов по дыхательной цепи.
Окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Хемиосмотическая теория Митчелла
Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1.  Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.
2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих   транспорт  необходимых  метаболитов  и  неорганических ионов.
3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.
4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровож­дается синтезом АТФ.

Теория сопряжения окисления и фосфорилирования Питера Митчелла.

 

 

 

 

 

 

 

Известно, что через мембрану митохондрии могут свободно проникать только небольшие незаряженные молекулы, а также гидрофобные молекулы. Энергия, которая выделяется при переносе электронов по цепи МтО, приводит к переносу протонов (Н+) из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Поэтому на внутренней мембране митохондрий образуется градиент концентраций протонов: в межмембранном пространстве Н+ становится много, а в матриксе остается мало. Образуется разность потенциалов 0.14V — наружная часть мембраны заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Накопившиеся в межмембранном пространстве Н+ стремятся выйти обратно в матрикс по градиенту их концентраций, но митохондриальная мембрана для них непроницаема. Единственный обратный путь в матрикс для протонов — через протонный канал фермента АТФ-синтетазы, которая встроена (built-in) во внутреннюю мембрану митохондрий. При движении протонов по этому каналу в матрикс их энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Синтезируется АТФ в матриксе митохондрий.

После синтеза АТФ переносится в цитоплазму путем облегчённой диффузии по градиенту концентраций, поскольку основные процессы, в которых АТФ потребляется, протекают в цитоплазме.

Как происходит транспорт АТФ из митохондрий в цитоплазму?

Для этого используется специфический для АТФ транспортный белок — АТФ/АДФ-транслоказа. Это интегральный белок, локализован во внутренней мембране митохондрий.

Во внутренней мембране митохондрий есть белок-переносчик — АТФ/АТФ-транслоказа, который имеет 2 центра связывания: со стороны матрикса для АТФ, снаружи — для АДФ. При изменении конформации АТФ/АДФ-транслоказы АДФ переносится в матрикс, а АТФ — в межмембранное пространство, а затем — в цитоплазму, где используется.

Для образования АТФ в матрикс всё время должен поступать неорганический фосфат (Ф). Для этого во внутренней мембране митохондрий есть транспортная система, которая обеспечивает перенос фосфата в матрикс сопряженно с переносом Н+. Это белок-переносчик, который имеет 2 центра связывания: для Ф и Н+. Ф и Н+ вместе переносятся из межмембранного пространства в матрикс.

Известны некоторые вещества, которые способны разобщать процессы окисления и фосфорилирования, приводя тем самым к уменьшению коэффициента р/о. К ним относятся йодсодержащие гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин), а также некоторые ксенобиотики (например, 2,4-динитрофенол). Такие вещества известны под общим названием «РАЗОБЩАЮЩИЕ ЯДЫ». Как действуют вещества-разобщители окисления и фосфорилирования? Они могут образовывать собственные протонные каналы во внутренней мембране митохондрий. Поэтому часть протонов, вместо того, чтобы идти обратно в матрикс по протонному каналу АТФ-синтетазы, уходит туда по каналам веществ-разобщителей. В результате АТФ образуется меньше, и часть энергии выделяется в виде тепла.

Современные представления о механизме окислительного фосфорилирования
В настоящее время открыты все основные компоненты окислительного фосфорилирования, изучено их строение и свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, регуляция и механизмы некоторых стадий.

Митохондриальное окисление.
Транспорт веществ через мембрану митохондрий

1). Внутренняя мембрана митохондрии проницаема для незаряженных простых молекул О₂, Н₂О,

СО₂, NH₃, а также для монокарбоновых кислот. Эти вещества проходят мембрану самостоятельно по градиенту концентраций.

2). Для ионов мембрана не проницаема, через мембрану их переносят специальные насосы за счет энергии электрохимического потенциала. Только на транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти всей энергии электрохимического потенциала.

Симпортом с Н⁺ в матрикс перемещается ПВК и Са²⁺.

Антипортом перемещаются:

В результате обменных механизмов антипорта поддерживается осмотическое равновесие.

Митохондриальное окисление. Теплопродукция

30-35% свободной энергии рассеива­ется в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание темпе­ратуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при paзобщении дыхания и фосфорилирования в бурой жировой ткани. Она содержит много митохондрий с большим количеством дыхательных ферментов и разобщающего бе­лка термогенина (РБ-1, около 10% всех белков). Ра­зобщение окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду.

У взрослых людей важную роль в термогенезе при переохлаждении играют жирные кислоты. Охлаждение стимулирует выделение норадреналина, который активирует липазу в жировой ткани и гидролиз ТГ. Образующиеся свободные жирные кислоты способны не только быть топливом  дыхательной цепи, но и переносить протоны через мембрану в матрикс митохондрий разобщая дыхание и фосфорилирование. Обратно жирные кислоты в ионизированной форме возвращаются  с помощью переносчиков.