Funcția principală a mitocondriilor este sinteza ATP, o formă universală de energie chimică în orice celulă vie. Ca procariote, această moleculă poate fi formată în două moduri: ca rezultat al fosforilării substratului în faza lichidă (de exemplu, glicoliza) sau în timpul fosforilării membranei asociate cu utilizarea energiei transmembranar cu gradient electrochimic (Eng.) Din Rusia. protoni (ioni de hidrogen). Mitocondriile implementa ambele căi, dintre care prima este caracteristic proceselor inițiale ale substratului de oxidare are loc în matricea, iar a doua producție de energie și se termină procesele asociate cu cristae mitocondriale. Astfel particularitatea atat energoobrazuyuschih organite mitocondriale ale celulelor eucariote determină oa doua generație cale ATP, numită „cuplare chemiosmotic“. În esență, aceasta este o conversie secvențială a energiei chimice a echivalenților reducători ai NADH într-un gradient de proton electrochimic H + pe ambele laturi ale membranei mitocondriale interioare, care activează sintetaza ATP legată la membrană și completează formarea unei legături de înaltă energie în molecula ATP.
În general, întregul proces de formare a energiei în mitocondrii poate fi împărțit în patru etape principale, primele două dintre ele aparând în matrice, iar ultimele două - pe cristalele mitocondriilor:
Transformarea piruvatului și acizilor grași din citoplasmă în mitocondrii în acetil-CoA;
Oxidarea acetil-CoA în ciclul Krebs, conducând la formarea NADH;
Transferul electronilor de la NADH la oxigen de-a lungul lanțului respirator;
Formarea ATP ca rezultat al complexului de membrană ATP sintetază.
Chiar și în citoplasmă, într-o serie de 10 reacții enzimatice separate, o moleculă de glucoză cu șase atomi de carbon este parțial oxidat la două molecule de piruvat cu trei atomi de carbon, cu formarea a două molecule ATP. Apoi, piruvatul este transferat din citozol prin membranele exterioare și interioare către matrice, unde este inițial transformat în acetil-CoA. Acest procedeu este catalizat de un complex mare de piruvat dehidrogenază, având o dimensiune comparabilă cu mărimea ribozomului și constând din trei enzime, cinci coenzime și două proteine reglatoare. În mod similar, acizii grași obținuți prin divizarea trigliceridelor insolubile în citoplasmă sunt transferați în matricea mitocondrială sub formă de derivați de acetil-CoA.
În etapa următoare, care are loc și în matricea mitocondrială, acetil-CoA este complet oxidat în ciclul Krebs. În lucrarea sa sunt implicați patru enzime separate, pentru fiecare ciclu care asigură o scurtare a lanțului de hidrocarburi cu doi atomi de carbon, care ulterior sunt transformați în CO2. Acest proces asigură formarea unei molecule de GTP, precum și a NADH, un intermediar de mare energie care transferă cu ușurință electroni în lanțul de transfer de electroni pe cristalele mitocondriale.
Alte procese de formare a energiei în mitocondrii apar pe cristalele sale și sunt asociate cu transferul de electroni de la NADH la oxigen. În conformitate cu faptul că consumul de oxigen ca oxidant este de obicei denumit enzima „respirație intracelulară“ lanț de transport de electroni efectuarea transferului de serie al electronilor de la NADH la oxigen, este adesea numit „lanțul respirator“. Când această energie de transformare de oxidare este efectuată de către enzimele situate pe cristae mitocondrial și vectorul performante (îndreptate spre laturile membranei) transferul de protoni de hidrogen din matrice la spatiul intermembrane al mitocondrie. Aceasta este diferența fundamentală dintre lanțul respirator oxidoreductaza munca enzimelor catalizează reacțiile într-o soluție omogenă (izotrop), unde problema direcția spațiului de reacție nu are nici un sens funcțional.
Revizuirea procesului de transfer de electroni al lanțului respirator poate fi împărțit în trei etape, fiecare dintre acestea fiind catalizate de complexul specific transmembranară lipoprotein (I, III și IV), încorporate într-o membrană mitocondrii crista. Fiecare dintre aceste complexe include următoarele componente:
O enzimă oligomerică mare care catalizează transferul de electroni;
Grupuri organice (protetice) care nu primesc proteine și care eliberează și eliberează electroni;
Proteine care asigură mișcarea electronilor.
Fiecare dintre aceste complexe asigură transferul de electroni de la donator la acceptor de potențial redox gradientul printr-o serie de purtători de operare secvențial. Deoarece aceasta din urmă în funcție a lanțului respirator mitocondrial care migrează în planul membranei moleculei ubiquinone solubilă, precum și mici (greutate moleculară de 13 kDa) proteine solubile conținând hem legat covalent și denumit „citocromului c“. Cu toate acestea, trei dintre cele cinci componente care alcătuiesc rula lanț respirator, astfel încât transferul de electroni este însoțit de transferul de protoni prin membrană în direcția cristae mitocondrială a matricei la spațiul intermembrane.
Lanțul respirator începe cu complexul I (oxidadoreductază NADH-ubichinonă), constând din lanțuri polipeptidice 16-26 și având o greutate moleculară de aproximativ 850 kDa. Activitatea functionala a acestui complex este determinata de faptul ca el contine mai mult de 20 de atomi de fier incarcati in celule de atomi de sulf, precum si flavina (Fl - un derivat al vitaminei riboflavinei). Complexul I catalizează oxidarea NADH prin scindare de ea doi electroni, care, după „călătorie“ a componentelor redox ale complexului I cad pe molecula purtătoare, care acționează ca ubichinonă (Q). Cel din urmă este capabil de recuperare treptată, preluând doi electroni și un proton și astfel transformându-se într-o formă restabilită - ubiquinol (QH2).
Potențialul energetic (rezerva de energie) din molecula ubiquinol este semnificativ mai mic decât în molecula NADH, iar diferența de energie este stocată temporar sub forma unui tip special - un gradient de proton electrochimic. Acestea din urmă rezultă din faptul că transportul de electroni din gruparea prostetică a complexului I, ceea ce duce la o scădere a potențialului energetic al electronilor, urmat de doi transportul transmembranar de protoni din matricea spatiului intermembrane a mitocondrie.
Ubiquinolul recuperat migrează în planul membranei, unde ajunge la a doua enzimă a lanțului respirator - complexul III (bcl). Acesta din urmă este un dimer al subunității b și c1 având o greutate moleculară mai mare de 300 kDa, format din opt catene polipeptidice și conținând atomi de fier in celulele de sulf, precum și complecși cu gemami b (I), b (II) și c1 - complex molecule heterociclice cu patru atomi de azot localizate la colțurile pătratului de legătură metalic. Complex III catalizează reacția de reducere a ubichinonă la Ubiquinol cu transfer de electroni la atomul de fier al doilea molecule transportor (prezente în spațiul intermembrane al citocromului c). Se separă de ubiquinol, două protoni de hidrogen sunt eliberați în spațiul intermerbane, continuând formarea unui gradient electrochimic. În cele din urmă, două mai mult hidrogen proton este transferată în spațiul intermembrane al mitocondriilor în detrimentul energia electronilor care trec prin grupele protetice ale complexului III.
Ultimul pas este catalizat de complexul IV (citocrom c -oksidaza) cu o masă moleculară de aproximativ 200 kDa constând din catene polipeptidice și 10-13, în plus față de cele două pietre diferite, care cuprinde, de asemenea, mai mulți atomi de cupru, strâns legat de proteinele. În acest caz, electronii luați din citocromul redus c. trecând prin atomii de fier și cupru în compoziția complexului IV, cad în legătură în centrul activ al acestei enzime oxigen, ceea ce duce la formarea apei.
Astfel, reacția totală catalizată de enzimele lanțului respirator constă în oxidarea NADH cu oxigen pentru a forma apă. În esență, acest proces constă în transferul treptat al electronilor între atomii de metal prezenți în grupurile protetice ale complexelor proteice ale lanțului respirator, în care fiecare complex ulterior are o afinitate mai mare pentru electron decât cea precedentă. În acest caz, electronii înșiși sunt transferați de-a lungul lanțului până când se combină cu oxigenul molecular, care are cea mai mare afinitate pentru electroni. Energia eliberată în același timp este stocată sub forma unui gradient electrochimic (proton) pe ambele părți ale membranei mitocondriale interioare. Se presupune că în procesul de transport de-a lungul lanțului respirator, o pereche de electroni este pompată de la trei la șase protoni.
Etapa finală în funcționarea mitocondriilor este generarea ATP, care este realizată printr-un complex macromolecular special încorporat în membrana interioară cu o masă moleculară de 500 kDa. Acest complex, numit sintetază ATP, doar catalizează sinteza ATP prin transformarea energiei gradientului electrochimic transmembranar al protonilor de hidrogen în energia legării macroergice a moleculei ATP.
În planul structural și funcțional, sintaza ATP constă din două fragmente mari, notate cu simbolurile F1 și F0. Primul dintre ele (factorul de conjugare F1) este orientat către matricea mitocondrială și apare proeminent din membrană sub forma unei formări sferice de 8 nm și 10 nm. Se compune din nouă subunități, reprezentate de cinci tipuri de proteine. Lanțurile polipeptidice de trei subunități # 945; și atât de multe subunități # 946; plasate în globule de proteine similare structurale, care formează împreună un hexamer (# 945; # 946;) 3. arătând ca o minge ușor aplatizată. Ca și felii portocalii dens ambalate, subunități localizate succesiv # 945; și # 946; formează o structură caracterizată printr-o axă de simetrie de ordinul trei cu un unghi de rotație de 120 °. În centrul acestui hexamer este o subunitate # 947, care este format din două lanțuri polipeptidice extinse și seamănă cu o tijă curbată ușor deformată cu lungimea de aproximativ 9 nm. Partea inferioară a subunității # 947; iese din bilă la 3 nm spre complexul membranar F0. De asemenea, în interiorul hexamerului este o subunitate minoră # 949; asociate cu # 947; Ultima (nouă) subunitate este notată cu simbolul # 948; și este situat în exteriorul F1.
Partea de membrană a sintazei ATP, numită factorul de conjugare F0. este un complex proteic hidrofob, care penetrează membrana prin și are în interiorul său două jumătăți de canal pentru trecerea protonilor de hidrogen. În total, complexul F0 conține o subunitate de proteine de tip a. două copii ale subunității b. precum și de la 9 la 12 copii ale subunității superficiale c. Subunitatea a (greutate moleculară 20 kDa) este complet imersată în membrană, unde se formează șase intersectează - secțiuni elicoidale. Subunitatea b (greutatea moleculară de 30 kDa) conține doar o singură linie relativ scurtă imersată în membrană # 945 - secțiunea elicoidală, iar restul acesteia se extinde vizibil din membrană spre F1 și este fixată la subunitatea situată pe suprafața sa # 948;. Fiecare dintre cele 9-12 copii ale subunității c (greutate moleculară 6-11 kDa) este o proteină relativ mică de două hidrofobe # 945; - helixurile conectate între ele printr-o buclă hidrofilă scurtă, orientată spre F1. și împreună formează un singur ansamblu, care are forma unui cilindru imersat într-o membrană. Proeminența din complexul F1 în direcția subunității F0 # 947; Acesta este doar scufundat în interiorul acestui cilindru și este suficient de ferm încurcat pentru el.
Astfel, în molecula de sintetază ATP, se pot distinge două grupe de subunități de proteine, care pot fi asemănătoare cu două părți ale motorului: rotorul și statorul. "Stator" este nemișcat în raport cu membrana și include un hexamer sferic (# 945; # 946;) 3. situat pe suprafața și subunitatea acestuia # 948; precum și subunitățile a și b ale complexului membranar F0. Releu relativ la acest design, "rotorul" constă din subunități # 947; și # 949; care, apărând în mod proeminent din complex (# 945; # 946;) 3. sunt conectate cu un inel imersat într-o membrană a subunităților c.
Abilitatea de a sintetiza proprietatea ATP a unui singur complex F0 F1. conjugat cu transferul de protoni de hidrogen prin F0 la F1. în cele din urmă, există centre catalitice care transformă ADP și fosfat într-o moleculă ATP. Forța motrice pentru funcționarea sintezei ATP este potențialul protonic creat pe membrana interioară a mitocondriilor ca urmare a funcționării lanțului de transport al electronilor.
Forța de conducere „rotor“ ATP sintaza, are loc atunci când diferența de potențial dintre laturile exterioare și interioare ale membranei> 220 mV, și furnizează un flux de protoni care curge printr-un canal special F0. situat la limita dintre subunitățile a și c. În acest caz, calea transferului de proton include următoarele elemente structurale:
Două "semi-canale" dislocate, primul dintre acestea asigurând intrarea protonilor din spațiul intermetalonic în grupurile funcționale esențiale F0. iar cealaltă asigură eliberarea lor în matricea mitocondrială;
Inel al subunităților c. fiecare din ele cuprinzând în partea centrală o grupare carboxil protonabilă capabilă să atașeze H + din spațiul intermembranar și să le transfere prin canalele protonale corespunzătoare. Ca rezultat al deplasărilor periodice ale subunităților cu. Datorită fluxului de protoni prin canalul de protoni, subunitatea se întoarce # 947; scufundat într-un inel de subunități cu.
Astfel, activitatea catalitică a sintazei ATP este direct legată de rotația "rotorului" său, în care rotirea subunității # 947; Schimbarea simultană a conformației tuturor celor trei subunități catalitice # 946; care, în cele din urmă, asigură funcționarea enzimei. În cazul ATP „rotor“ se rotește în sensul acelor de ceasornic, la o viteză de patru rotații pe secundă, iar rotația foarte asemănătoare are loc în salturi discrete de 120 °, fiecare dintre care este însoțită de formarea unei molecule de ATP.
Funcția directă a sintezei ATP este localizată la Subunități ale complexului conjugat F1. Primul act din lanțul de evenimente care conduce la formarea ATP este legarea ADP și a fosfatului în centrul activ al # 946; subunitatea p într-o stare de 1. Din cauza sursei complexe F1 alimentare externă (protoni AC) au loc modificări conformaționale, care a dus la ADP și fosfat sunt strâns legate de centrul catalitic (starea 2), unde este posibilă formarea de legături covalente între ele, ducând la formarea ATP. În această etapă, enzima ATP-sintaze practic nu este necesară energie, ceea ce ar fi necesar în etapa următoare, pentru a elibera molecula ATP puternic legat de centrul enzimatic. Prin urmare, următoarea etapă a operării enzimei este aceea că, ca urmare a schimbării structurale volatile a complexului F1, catalizatorul Subunitatea # 946; conținând o moleculă ATP puternic legată a trecut în starea 3, în care legătura catalitică ATP este slăbită. Ca rezultat, molecula ATP părăsește enzima și Subunitatea # 946; revine la starea inițială 1, care asigură funcționarea ciclică a enzimei.
ATP-sintaze de lucru este legat de mișcările mecanice ale componentelor sale individuale, ceea ce a permis să efectueze acest proces la un tip special de fenomene numite „cataliză prin rotație.“ La fel ca și curentul electric în bobinajul motorului unități rotor în raport cu statorul dirijat transferul de protoni prin sintetazei ATP determină rotația subunităților individuale ale factorului de cuplare F1 în raport cu alte subunități ale complexului de enzime, rezultând într-un dispozitiv unic energoobrazuyuschee desfășoară activitatea chimică - sintetizeze molecule ATP . Mai târziu, ATP intră în citoplasma celulei, unde se consumă pe o mare varietate de procese volatile. Un astfel de transfer se realizează incorporat enzima membranar mitocondrial ATP / ADP translocase special care schimburile nou sintetizat ADP citoplasmatice la ATP, care asigură fondul de siguranță nucleotidele adenină în cadrul mitocondrie.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: