Сущность митохондрий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь УО

«Мозырский государственный педагогический университет им. И.П. Шамякина»

Факультет: Биологический

Отделение: Биология. Охрана природы

Контрольная работа по Биохимии

Студентки 2 курса 2 группы

Заочного отделения

Кузьменковой Анны Викторовны

Мозырь 2013

Содержание

1. Митохондрии: структура и энергетические функции

2. Окислительное фосфолирование и энергетическая характеристика аэробной и анаэробной фазы углеводного обмена

Литература

митохондрия клетка фосфолирование

1. Митохондрии: структура и энергетические функции

Митохондрии - органеллы эукариотических клеток, осуществляющие аэробное дыхание клетки.

Число митохондрий в клетке очень непостоянно. Оно зависит от вида организма и от природы клетки. В клетках, в которых потребность в энергии велика, содержится много митохондрий. Например, в одной печёночной клетке их может быть около одной тысячи. В менее активных клетках митохондрий меньше. Чрезвычайно сильно варьируют также размеры и форма митохондрий. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными. В более активных клетках они обычно крупнее. Длина митохондрий может быть ~1,5 ч 10 мкм, а ширина - ~0,25 ч 1,00 мкм.

Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые митохондрии могут также перемещаться в особо активные участки клетки. Такое перемещение, которому способствует поток цитоплазмы, позволяет клетке сосредоточивать большее число митохондрий в тех местах, где выше потребность в АТФ.

Каждая митохондрия окружена двумя мембранами. Наружную мембрану отделяет от внутренней расстояние ~6 ч 10 нм. Внутренняя мембрана заключает в себе полужесткий матрикс митохондрии. Эта мембрана образует многочисленные гребневидные складки - кристы (от лат.: crista - гребень). Полагают, что наружная митохондриальная мембрана проницаема для веществ с молекулярной массой меньше 21000 и что именно такие вещества через нее диффундируют. Кристы внутренней мембраны существенно увеличивают ее поверхность, обеспечивая место для размещения мультиферментных систем и облегчая доступ к ферментам, находящимся в митохондриальном матриксе. Внутренняя мембрана отличается избирательной проницаемостью, т.е. пропускает лишь определенные вещества. Известно, что активный транспорт АДФ и АТФ через внутреннюю митохондриальную мембрану осуществляют особые ферменты, называемые транслоказами. На той стороне внутренней митохондриальной мембраны, которая обращена к матриксу, присутствуют особые «элементарные частицы». Каждая такая частица состоит из головки, ножки и основания. Элементарные частицы полностью погружены в мембрану. Головки частиц ответственны за синтез АТФ. Это АТФаза , обеспечивающая сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями в дыхательной цепи. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты самой дыхательной цепи. Они размещены по отношению друг к другу строго упорядоченным образом. В митохондриальном матриксе содержится большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса и в окислении жирных кислот. Здесь же находятся митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы, а также ряд различных не очень крупных белков.

Митохондриальная ДНК несет информацию для синтеза около тридцати белков. Этого, однако, недостаточно, так как для построения новой митохондрии требуется большее число белков. В какой-то мере, следовательно, образование новых митохондрии должно зависеть от ядерной ДНК, от цитоплазматических ферментов и от некоторых других молекул, поставляемых клеткой.

На протяжении ста с лишним лет, т. е. со времени первых работ Кёлликера (1850), наблюдавшего гранулы в саркоплазме поперечнополосатых мышц, велись кропотливые морфологические исследования, которые постепенно подготавливали почву для всестороннего изучения природы митохондрий. Но только в 1949 г.

Кеннеди и Ленинджер установили, что в митохондриях протекает цикл окислительного фосфорилирования, т.е. что митохондрий служат местом генерирования энергии. С этого момента начинается новая эра в изучении митохондрий -- эра, в которой блистательные открытия следуют одно за другим.

В короткий срок были открыты осмотическая, сократительная, регуляторная и генетическая функции митохондрий и найдены многие из тех молекулярных структур, которые служат первичным субстратом 'этих функций. Было показано также, что митохондрий обеспечивают интеграцию многочисленных процессов клеточного обмена. Эти исследования еще не, завершены, но они могут служить примером плодотворности нового подхода к изучению живого, того подхода, который отличает молекулярную биологию.

В развитии молекулярной биологии за последнее время наметился новый этап. До сих пор это были исследования главным образом, на уровне однородных молекул белков и нуклеиновых кислот, исследования, посвященные их структуре, функции и биосинтезу. Теперь же исследователь не довольствуется этим и переходит к изучению специфически организованных надмолекулярных комплексов, каковыми являются клеточные органеллы.

Некоторые функции этих органелл также могут быть истолкованы на уровне индивидуальных молекул, например молекул отдельных ферментов. Но главная особенность клеточных органелл -- это интеграция ферментативных процессов.

Так, благодаря наличию в составе митохондрий различных белков, липидов, нуклеиновых кислот и углеводов, соединению их между собой и упорядоченному размещению в пространстве в виде трехслойных мембран эти образования приобретают свойства, которые исчезают при их расчленении на отдельные молекулы. Свойства эти: векторный характер действия митохондриальных ферментов (в отличие от скалярного, т. е. не зависящего от направления, действия растворимых ферментов), способность к непосредственному преобразованию энергии окисления в осмотическую и механическую энергию, способность к автономному синтезу белков и т. д. Каждое из этих свойств определяется не простой суммой реакций, катализируемых отдельными ферментами, а обусловлено взаимодействием точно ориентированных ферментных и неферментных макромолекул. Само собой разумеется, что глубокое исследование и познание природы клеточных органелл возможно лишь путем расчленения их на отдельные молекулы с последующей реконструкцией.

Ультраструктура митохондрии

Общие принципы организации.

Внутренне пространство митохондрии окружено двумя непрерывными системами мембран, каждая из которых представляет собой замкнутый мешок; эти мешки расположены так, что всю митохондрию можно представить себе, как мешок внутри мешка. Просвет внутреннего мешка не сообщается с пространством между двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные впячивания, которые в самом простом случае имеют форму перегородок, но могут принимать крайне сложные очертания. Палад назвал эти впячивания митохондриальными кристами. Другой характерный компонент структуры митохондрии - это матрикс, который заполняет просвет, окруженный внутренней мембраной. Известно, что он содержит много белка и некоторое количество липидов; по-видимому, он обладает определенной организацией и более или менее жесткой структурой. Наконец, митохондрии, фиксированные осмием часто содержат в матриксе ряд мелких гранул. Число, диаметр и плотность этих внутримитохондриальных гранул изменяются в зависимости от состояния обмена веществ в тканях.

Особенности строения мембраны митохондрии.

Так как наибольшее практическое значение представляют внутренние мембраны митохондрии, содержащие дыхательные ансамбли, имеет смысл более детально познакомиться с ультраструктурой митохондриальной мембраны. При детальном анализе было выявлено, что митохондриальные мембраны содержат 35-40 % липидов, преимущественно фосфатидов, и 60 - 65 % белка. Небольшие различия, которые иногда наблюдаются обусловлены различными условиями получения при использовании различных физических и химических способов разрушения структуры митохондрии.

Митохондрии печени крысы содержат значительные количества фосфатидилэтаноламина, фосфатидилхолина, инозитфосфатидов, кардиолипина и фосфатидилсерина; содержание плазмалогена и сфингомиелина невелико, иногда они вовсе отсутствуют. Характерное содержание и количественное содержание липидов в митохондриальной мембране, вероятно обусловлены необходимостью поддержания термодинамически устойчивого двойного слоя липидов, образующего остов мембраны, который служит опорой для дыхательных ансамблей. По- видимому, большое значение имеет тот факт, что практически все липиды митохондриальной мембраны экстрагируются смесью хлороформ - метанол. Это указывает на наличие лишь незначительного числа ковалентных связей между липидами и белковыми элементами или даже на полное их отсутствие; этот факт свидетельствует о высокой степени стабилизации липидов и белков мембранных структурах. Крейн показал, что цитохром с соединяется с фосфатидилэтаноламином, образуя устойчивый комплекс. Возможно, что именно такое взаимодействие липид - белок совместно с гидрофобными связями и обеспечивает такую стабилизацию мембранной структуры. Криддл и сотрудники выделили мономерную форму, которую они назвали структурным белком митохондриальной мембраны. При нейтральном рН структурный белок находится в полимерной форме и не растворим в воде. Мономерная форма имеет молекулярный вес около 22000, но тенденция к полимеризации нарушает точность седиментационных и электрофоретических исследований. Структурный белок способен соединяться с чистыми цитохромами а, Ь, и ее образованием растворимых в воде комплексов в молярном отношении 1:1, причем условия этого взаимодействия для каждого случая различны. Предполагается, что в таких комплексах образуются преимущественно гидрофобные связи. Далее, оказалось, что структурный белок соединяется с фосфолипидами. Таким образом, структурный белок способен к взаимодействию с двумя другими основными молекулярными элементами мембраны - с переносчиками электронов и с фосфолипидами. Склонность цитохромов, флавопротеидов и структурного белка к существованию в мономерной и полимерной формах указывает на выраженную тенденцию этих молекул к образованию очень устойчивых макромолекулярных ансамблей, имеющих пластинчатую структуру.

Так как для будущих исследований наибольший интерес представляет цитохром с, то следует уделить особое внимание именно этому ферменту.

Этот цитохром отличается от остальных тем, что он легко экстрагируется из митохондрий в растворимой форме с помощью кислот и нейтральных растворов солей. Молекулярный вес кристаллического фермента 12000, изоэлектрическая точка при высоком рН; в молекулу входит одна железопорфириновая группа, которая представлена производным протопорфирина и соединена (ковалентно) с двумя цистеиновыми остатками пептидной цепи, посредством двух тиоэфирных связей.

При рН 7,0 атомы железа в положениях 5 и 6, очевидно, координированы с остатками гистидина; при нейтральных значениях рН цитохром с не имеет тенденции реагировать с кислородом. Известно, что третичная структура цитохрома с резко изменяется, как функция состояния окисления - восстановления.

Цитохром с восстанавливается тиолами, аскорбатом, хинолами, и восстановленными цитохромами b и с1, а восстановленный цитохром с окисляется феррицианидом, некоторыми красителями и цитохромом а.

Было показано, что в водных растворах цитохром с способен к полимеризации; удалось получить его димер и очистить так же тример и тетрамер. Вторичная и третичная структура цитохрома с изучается методом рентгеноструктурного анализа. Цитохром с легко соединяется с липидами, в частности с фосфатидилэтаноламином он образует комплекс, названный липоцитохромом с.

Функции митохондрий

Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. В клетках процессы окисления и выделения энергии, освобождающиеся в результате этого процесса, проходят в несколько взаимосвязанных этапов. При этом в качестве начальных субстратов используются различные углеводы, жирные кислоты, аминокислоты. Первые этапы окисления приводят кроме образования АТФ к появлению промежуточных продуктов, конечное окисление которых в митохондриях дает возможность клетке использовать этот процесс для синтеза основного количества АТФ.

Начальные этапы окисления углеводов происходят в гиалоплазме и не требуют участия кислорода. Поэтому они называются анаэробным окислением, или гликолизом. Главным субстратом окисления при анаэробном получении энергии служат гексозы и в первую очередь глюкоза; некоторые бактерии обладают свойством извлекать энергию, окисляяя пентозы, жирные кислоты или аминокислоты. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет около 680 ккал на 1 моль (т.е. на 180 г глюкозы); эта энергия освобождается при полном окислении глюкозы согласно следующей реакции:

С6Н12О6 + 6О2Ю 6Н2О + 6СО2 + 680 ккал

В живой клетке это огромное количество энергии не освобождается одновременно, как при горении в пламени. Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и не связано с переходом энергии химической связи в тепло, как при горении, а с переходом ее в макроэнергетическую связь в молекуле АТФ, которая синтезируется при использовании освобождающейся энергии из АДФ и фосфата.

В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. В результате гликолиза глюкоза распадается до триоз, при этом тратятся 2 молекулы АТФ и синтезируются 4 молекулы АТФ. Так что в конечном результате клетка "зарабатывает" всего 2 молекулы АТФ. В энергетическом отношении этот процесс малоэффективен, поэтому из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля глюкозы, освобождается менее 10% энергии. Несмотря на низкий энергетический выход, анаэробное окисление, гликолиз, широко используется в живой природе. Он является основным поставляющим энергию процессом для многих микроорганизмов, некоторых кишечных паразитических анаэробных простейших, для клеток высших организмов на ранних стадиях эмбрионального развития, для многих опухолевых клеток, для клеток культуры ткани и др. Эритроциты млекопитающих, например, получают всю необходимую им энергию за счет гликолиза, так как у них нет митохондрий.

Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота, вовлекаются в дальнейшее окисление, происходящее уже в самих митохондриях. При этом происходит использование энергии расщепления всех химических связей, что приводит к выделению СО2, к потреблению кислорода и синтезу большого количества АТФ. Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот и с дыхательной цепью переноса электронов, где происходит фосфорилирование АДФ и синтез клеточного "топлива", молекул АТФ.

В цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты) образовавшийся в результате гликолиза пируват сначала теряет молекулу СО2 и, окисляясь до ацетата (двууглеродное соединение), соединяется с коферментом А. Затем ацетилкоэнзим А, соединяясь с оксалацетатом (четырехуглеродное соединение), образует шестиуглеродный цитрат (лимоную кислоту). Затем происходит цикл окисления этого шестиуглеродного соединения до четырехуглеродного оксалацетата, снова связывание с ацетилкоэнзимом А, и затем цикл повторяется. При этом окислении выделяются две молекулы СО2, а электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов (NAD-никотинамидадениндинуклеотид), которые вовлекают их далее в цепь переноса электронов. Следовательно, в цикле трикарбоновых кислот нет самого синтеза АТФ, а идет окисление молекул, перенос электронов на акцепторы и выделение СО2. Все описанные выше события внутри митохондрий происходят в их матриксе.

Выделенные митохондрии обладают способностью осуществлять окисление пирувата до СО2 и способны к синтезу АТФ. Если взвесь митохондрий подвергнуть воздействию ультразвука, то после разрыва митохондриальных мембран компоненты матрикса освобождаются и переходят в среду выделения. После такого разрушения можно осадить мембраны митохондрий и анализировать их функциональные активности.

Было обнаружено, что во фракции, свободной от мембран, представляющей собой компоненты матрикса, обнаруживаются ферменты, участвующие в цикле трикарбоновых кислот. Следовательно, в матриксе локализованы ферменты этого цикла, которые находятся в свободном, не связанном состоянии с митохондриальными мембранами, за исключением сукцинатдегидрогеназы. Кроме того, в состав матрикса входят ферменты окисления жирных кислот; основной продукт окисления жирных кислот - ацетилкоэнзим Б - тоже в матриксе поступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором он подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О В матриксе митохондрий происходит также окисление некоторых аминокислот, поступающих в цикл трикарбоновых кислот.

Остальные события, связанные с дальнейшим переносом электронов и синтезом АТФ связаны с внутренней митохондриальной мембраной, с кристами митохондрий.

Освободившиеся в процессе окисления в цикле трикарбоновых кислот электроны, акцептированные на коферментах, переносятся затем в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), где они соединяются с молекулярным кислородом, образуя молекулы воды.

Дыхательная цепь представляет собой ряд белковых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Существуют три главных ферментных комплекса. Первый, NADH-дегидрогеназный комплекс принимает электроны от NADH и переносит их во второй комплекс, комплекс в-С1, который в свою очередь, переносит их на цитохромоксидазный комплекс, а он их передает на кислород, в результате чего образуется вода. На этом окисление заканчивается.

Как и полагается, окисление исходного субстрата привело к выделению СО2 и воды, но при этом не выделилась тепловая энергия, как при горении, а образовались молекулы АТФ. Они были синтезированы другой группой белков, не связанных прямо с окислением. Было найдено, что во внутренних митохондриальных мембранах на поверхности мембран, смотрящих в матрикс, располагаются крупные белковые комплексы, ферменты, АТФ-синтетазы. В электронном микроскопе во фракции внутренних митохондриальных частиц видны так называемые "грибовидные" тельца сплошь выстилающие поверхность мембран, смотрящую в матрикс. Эти тельца имеют как бы ножку и головку. Диаметром 8-9 нм. Было обнаружено, что эти тельца представляют собой белковый комплекс, состоящий из 9 субъединиц - АТФ-синтетазу. Следовательно, во внутренних мембранах митохондрий локализованы ферменты как окислительной цепи, так и ферменты синтеза АТФ.

Дыхательная цепь - это главная система превращения энергии в митохондриях. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. За счет этой энергии в трех точках цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. Поэтому говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + Фн >АТФ, т.е. происходит процесс окислительного фосфорилирования.

В результате многократной оборачиваемости субстратов в цикле Кребса происходит полное окисление поступивших продуктов первичного гликолитического окисления, и затем в цепи окислительного фосфорилирования происходит максимальное использование освободившейся при окислении энергии для синтеза АТФ.

Было высказано предположение, что выделяющаяся при транспорте электронов энергия запасается в виде градиента протонов на мембране. При этом на внешней поверхности внутренней мембраны митохондрий возникает повышенная концентрация положительно заряженных ионов водорода. Возникший при этом протонный градиент является движущей силой в синтезе АТФ.

Это предположение стало затем теорией, хемиосмотической теорией сопряжения окисления субстратов с синтезом АТФ. Как оказалось, при переносе электронов в митохондриальной мембране каждый комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисление на перемещение протонов (положительных зарядов) через мембрану, из матрикса в межмембранное пространство, что приводит к образованию разности потенциалов на мембране: положительные заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные - со стороны матрикса митохондрий. При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, при этом превращает одну форму энергии в другую: образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с синтетическим, с фосфорилированием АДФ. Пока происходит окисление субстратов, пока происходит перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану - идет сопряженный с этим синтез АТФ, т.е. происходит окислительное фосфорилирование.

Эти два процесса могут быть разобщены. Можно снять разность потенциалов на митохондриальной мембране, или механически ее нарушить, или с помощью химических соединений (например, динитрофенола) сделать в ней диффузионные каналы. При этом будет продолжаться перенос электронов, будет продолжаться окисление субстрата, но синтеза АТФ уже происходить не будет. В этом случае энергия, освобождающаяся при окислении будет переходить в тепловую энергию.

2. Окислительное фосфорилирование и энергетическая характеристика аэробной и анаэробной фазы углеводного обмена

Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать значительную долю потенциальной свободной энергии окисления субстратов. Возможное объяснение механизма окислительного фосфорилирования предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных веществ (например, амобарбитал) и ядов (цианид, окись углерода) подавляют окислительное фосфорилирование, обычно с фатальными последствиями. Окислительное фосфорилирование является столь жизненно важным процессом, что нарушение его нормального хода несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему обнаружено лишь небольшое количество генетических нарушений, затрагивающих эту систему.

Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию НАДН и ФАДH2, молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от сжигания углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых НАДН и ФАДН. Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в дыхательной цепи. Taк как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТФ из AДФ и Фн, эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием.

Синтез АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих в дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса. Механизм этого процесса, впервые предложенный в 1961 году, позволил разрешить проблему, давно ставшую перед биологией клетки.

Раньше думали, что энергию для синтеза АТФ в дыхательной цепи обеспечивает такой же механизм, как и при субстратном фосфорилировании: предполагалось, что энергия окисления используется для образования высокоэнергетической связи между фосфатной группой и каким-то промежуточным соединением и, что превращение AДФ в АТФ осуществляется за счет энергии, выделяемой при разрыве этой связи. Однако, несмотря на интенсивные поиски, предполагаемый интермедиат не был обнаружен.

Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами химическими («хеми...») и транспортными (осмотическими, от греческого osmos - толчок, давление) - хемиосмотическое сопряжение.

Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 60-х годов, включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Митохондриальная дыхательная цепь, находящаяся во внутренней мембране, способна перемещать протоны; при прохождении электронов по дыхательной цепи происходит «откачивание» Н+ из матрикса.

2. Митохондриальный АТФ-синтетазный комплекс тоже перемещает протоны через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не только использовать энергию гидролиза АТФ для переноса Н + через мембрану, но при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТФ-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТФ.

3. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н +, ОН- и вообще всех анионов и катионов.

4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых НАДН и ФАДH2, по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мембраны от одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая используется для перекачивания протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство.

В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент; энергию о6ратного тока протонов «вниз» по этому градиенту используется связанный с мембраной фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование ATФ из АДФ и Фн, т.е. завершающий этап окислительного фосфорилирования.

Редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Электроны переносятся с НАДН на кислород с помощью трех больших ферментных комплексов дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения энергии в дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе лежат общие принципы. Реакция Н2 + 1/2 О2 Н2О разбита на много небольших «шагов», так что высвобождаемая энергия может переходить в связанные формы, а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае образования АТФ и НАДH при гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь прежде всего атомы водорода расщепляются на электроны и протоны. Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Когда электроны достигают конца этой электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации отрицательного заряда, возникающего при переходе электронов на молекулу кислорода.

Проследим процесс окисления, начиная с образования НАДH - главного акцептора реактивных электронов, извлекаемых при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Каждая молекула НАДH несет гидрид-ион (водородный атом + добавочный электрон, Н:-), а не просто атом водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных протонов перенос гидрид-иона в составе НАДH эквивалентен переносу двух атомов водорода или молекулы водорода (Н:- + Н+ Н2).

Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона (Н:-) от НАДH; при этом регенерируется НАД+ , a гидрид-ион превращается в протон и два электрона (Н:- Н+ + 2е-). Эти электроны переходят на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его сродство к электрону. Важно отметить, что все белки - переносчики электронов - группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий.

Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов (Н+) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения (мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН (рН) заставляет ионы Н+ переходить обратно в матрикс, а ионы ОН- из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).

Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и 30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Фн в митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в матрикс.

Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков, встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс, требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н+: протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+ , которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов.

Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ. Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким содержанием Са2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия градиента будет расходоваться на транспорт Ca2+ в матьрикс. В некоторых специализированных клетках электрохимический протонный градиент «шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы, которые наиболее важны в данный момент.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка, встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки», в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара электронов ФАДH2, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ, а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16 углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические реакции, предшествующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО2 и Н2О с общим количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в процессах биологического окисления, окажется, что эффективность преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%. Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в окружающую среду.

Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении, может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Благодаря этому высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в высокоэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки, участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть выделены без потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при этом не происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Фн. Когда сферические структуры (названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Фн.

F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны. Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий. Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной G для гидролиза АТФ.

АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза - в направлении синтеза или гидролиза АТФ, - зависит от точного баланса между изменениями свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и для синтеза АТФ в матриксе. Как уже говорилось, величина Gсинт.АТФ определяется концентрациями трех веществ в матриксе митохондрии - АТФ, AДФ и Фн. При постоянной протонодвижущей силе АТФ-синтетаза будет синтезировать ATФ тех пор, пока отношение АТФ к AДФ и Фн не достигнет такого значения, при котором величина Gсинт.АТФ станет в точности равна +15,2ккaл/мoль. При таких условиях синтез АТФ будет точно уравновешиваться его гидролизом.

Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. В этом случае Gсинт. понизится и АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не восстановится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то нового значения (при котором Gсинт.АТФ = +13,8 ккал/моль), и так далее.

Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н+ из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, для синтеза AТФ.

Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного градиента на транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте электронов. Величина электрохимического градиента влияет как на скорость, так и на направление переноса электронов, так же как и на направление действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль - это лишь часть сложной системы взаимосвязанных регуляторных механизмов с обратными связями, координирующей скорости гликолиза, расщепления жирных кислот, реакций цикла лимонной кислоты и транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения АТФ:AДФ - они возрастают, когда это отношением уменьшается в результате усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концентрации ее субстратов, т. е. .AДФ и Фн, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции, тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит к ускорению транспорта электронов.

Анаэробный метаболизм углеводов

Человек является аэробным организмом, так как основным конечным акцептором отщепляемых от окисляемых субстратов атомов водорода является кислород. Парциальное давления кислорода в тканях составляет в среднем 35-40 мм рт. ст. Но это вовсе не значит, что при определенных условиях в тканях не возникает дефицит кислорода, делающий невозможным протекание аэробных окислительных процессов.

Торможение окислительных процессов при дефиците кислорода связано с тем, что клеточный пул НАД+ и других коферментов. способных акцептировать атомы водорода от окисляемых субстратов, весьма ограничен. Как только основная их масса переходит в восстановленное состояние из-за дефицита кислорода, дегидрирование субстратов прекращается. Развивается гипоэнергетическое состояние, которое может стать причиной гибели клеток.

В подобного рода условиях в клетках различных органов и тканей включаются механизмы, обеспечивающие клетки энергией, не зависящие от наличия кислорода. Основными из них являются анаэроб- ное окисление глюкозы - анаэробный гликолиз, и анаэробное расщепление гликогена - гликогенолиз. В анаэробных условиях расщепление глюкозы и гликогена идет абсолютно идентичными по сравнению с ранее рассмотренными нами метаболическими путями вплоть до образо­вания пирувата. Однако далее эти пути расходятся: если в аэробных условиях пируват подвергается окислительному декарбоксилированию, то в анаэробных условиях пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту. Реакция катализируется ферментом лактатде- гидрогеназой:

Поскольку в ходе лактатдегидрогеназной реакции используются молекулы НАДН+Н+, ранее образовавшиеся при окислении 3-фосфоглицериноваго альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Разумеется, расщепление глюкозы до лактата сопровождается высвобождением лишь 1/12 - 1/13 всей заключенной в химических связях глюкозы энергии ( ~ 50 ккал/моль ), тем не менее на каждую распавшуюся в ходе анаэробного гликолиза молекулу глюкозы клетка получает 2 молекулы АТФ (2 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется).

При гликогенолизе клетка получит 3 молекулы АТФ на каждый остаток глюкозы из молекулы гликогена ( 1 АТФ расходуется и 4 АТФ синтезируется). Несмотря на очевидную невыгодность в отношении количества высвобождаемой энергии анаэробные гликолиз и гликогенолиз позволяют клеткам существовать в условиях отсутствия кислорода.

Анаэробный путь окисления глюкозы и анаэробное расщепление гликогена играют важную роль в обеспечении клеток энергией, во-первых, в условиях высокой экстренно возникающей функциональной нагрузки на тот или иной орган или организм в целом, примером чего может служить бег спортсмена на короткую дистанцию. Во-вторых, эти процессы играют большую роль в обеспечении клеток энергией при гипоксичеких состояниях, например, при тромбозах артерий в период до развития коллатерального кровообращения или при тяжелых шоковых состояниях с выраженными расстройствами гемодинамики.

Активация анаэробного окисления углеводов приводит к увеличению продукции лактата в клетках и тканях. При сохранении кровообращения этот наработанный в клетках лактат выносится кровью и основная его часть метаболизируется в печени или в сердечной мышце. В миокарде лактат окисляется до углекислого газа и воды; в печени же лишь примерно 1/5 поступающего лактата подвергается окислению до конечных продуктов, а 4/5 - ресинтезируются в глюкозу в ходе интенсивно идущего в печени процесса глюконеогенеза.

Если же вынос лактата из гипоксической ткани невозможен, то при его накоплении в клетках за счет повышения концентрации протонов ингибируется фосфофруктокиназа, в результате чего ингибируются и гликолиз, и гликогенолиз. Клетки, лишенные последних источников энергии, обычно погибают, что наблюдается при инфарктах различных органов, в особенности при инфаркте миокарда.

Следует заметить, что в клетках некоторых органов и тканей человека образование молочной кислоты происходит и в обычных, т.е. в аэробных условиях. Так. в эритроцитах, не имеющих митохондрий. все необходимое для них количество энергии вырабатывается в ходе гликолиза. К тканям с относительно высоким уровнем аэробного гликолиза относятся также сетчатка глаза и кожа. Высокий уровень аэробного гликолиза присущ также многим опухолям.

Аэробное окисление глюкозы

В клетках аэробных организмов основным, по крайней мере в отношении общего количества расщепляющейся глюкозы, является ее аэробный распад до углекислого газа и воды. При расщеплении 1 М глюкозы ( 180 г ) в аэробных условиях выделяется 686 ккал свободной энергии. Сам процесс аэробного окисления глюкозы можно разделить на 3 этапа:

1. Расщепление глюкозы до пирувата.

2. Окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА.

3. Окисление ацетила в цикле Кребса ( ЦТК ), сопряженное с работой цепи дыхательных ферментов.

По современным представлениям первый этап окисления глюкозы протекает в цитозоле и катализируется надмолекулярным белковым комплексом - гликолитическим метаболоном, включающим в себя до десятка отдельных ферментов.

Первый этап окисления глюкозы может быть в свою очередь разделен на 2 стадии. В реакциях первой стадии происходит фосфорилирование глюкозы, изомеризация остатка глюкозы в остаток фруктозы, дополнительное фосфорилирование уже фруктозного остатка и, наконец. расщепление гексозного остатка на два остатка фосфотриоз.

Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой. В качестве фосорилирующего агента в клетке используется АТФ. Реакция сопровождается потерей свободной энергии порядка 5,0 ккал/моль и в условиях клетки является необратимой.

На второй стадии первого этапа окисления глюкозы ФГА превращается в пируват.

Регуляция работы первого этапа аэробного расщепления глюкозы осуществляется с помощью термодинамических механизмов и с помощью механизмов аллостерической модуляции регуляторных ферментов, принимающих участие в работе этого метаболического пути.

С помощью термодинамических механизмов осуществляется контроль направления потока метаболитов по данному метаболическому пути. В описанную систему реакций включены три реакции, в ходе которых теряется большое количество энергии: гексокиназная ( G0= - 5,0 ккал/моль ), фосфофруктокиназная ( G0= -3,4 ккал/моль ) и пируваткиназная ( G0= - 7,5 ккал/моль ). Эти реакции в клетке практически не обратимы, в особенности пируваткиназная реакция, и за счет их необратимости процесс становится необратимым в целом.

Интенсивность потока метаболитов по рассматриваемому метаболическому пути контролируется в клетке за счет изменения активности включенных в систему аллостерических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Таким образом, пункты термодинамического контроля метаболического пути одновременно являются и участками, на которых осуществляется регуляция интенсивности потока метаболитов.

Главным регуляторным звеном системы является фосфофруктокиназа. Активность этого фермента подавляется высокими концентрациями АТФ в клетке, степень аллостерического ингибирования фермента АТФ усиливается при высоких концентрациях цитрата в клетке. АМФ является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы.

Гексокиназа ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями Гл-6-ф. В этом случае мы имеем делом с работой сопряженного регуляторного механизма. В клетке после угнетения активности фосфофруктокиназы высокими концентрациями АТФ накапливается Фр-6-ф, а значит накапливается и Гл-6-ф, поскольку реакция, катализируемая фосфогексоизомеразой, легко обратима. В таком случае повышение концентрации АТФ в клетке ингибирует активность не только фосфофруктокиназы, но и гексокиназы.

Очень сложно выглядит регуляция активности третьей киназы - пируваткиназы. Активность фермента стимулируется Гл-6-ф, Фр-1,6-бф и ФГА по аллостерическому механизму - так называя активация предшественником. В свою очередь, высокие внутриклеточные концентрации АТФ,НАДН,цитрата, сукцинил-КоА и жирных кислот угнетают активность фермента по аллостерическому механизму.

В целом, расщепление глюкозы до пирувата тормозится на уровне 3 указанных киназ при высокой концентрации АТФ в клетке,т.е. в условиях хорошей обеспеченности клетки энергией. При недостатке энергии в клетке активация расщепления глюкозы достигается,во первых, за счет снятия аллостерического ингибирования киназ высокими концентрациями АТФ и аллостерической активации фосфофруктокиназы АМФ и, во-вторых, за счет аллостерической активации пируваткиназы предшественниками: Гл-6-Ф, Фр-1,6-бф и ФГА.

Наконец, угнетение окисления глюкозы на уровне пируваткиназы при повышении концентрации жирных кислот направлено на сбережение глюкозы в клетке в условиях, когда клетка обеспечена другим, более эффективным видом энергетического топлива.

Литература

1. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятнадцать лет спустя.//Биохимия. - 1999 - Т.64. Вып.11 - с.1443-1456

2. Ленинджер А. Основы биохимии. - М.: Мир - 1991 - 384 с.

3. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов - М.: Высшая школа. - 1989 - 495с.

4. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования.// Биохимия. - 2000 - Т.65.Вып.9 - с.1173-1189

Размещено на Allbest.ru