Mitocondriile

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 18 septembrie 2020; verificările necesită 27 de modificări .

Mitocondriile (din greacă μίτος - fir și χόνδρος - bob, bob) - un organel sferic sau elipsoidal cu două membrane, cu un diametru de obicei de aproximativ 1 micrometru. Este caracteristică majorității celulelor eucariote , atât autotrofe ( plante fotosintetice ), cât și heterotrofe ( ciuperci , animale ). Stația energetică a celulei; funcția principală este oxidarea compușilor organici și utilizarea energiei eliberate în timpul dezintegrarii lor pentru a genera un potențial electric, sinteza ATP și termogeneza . Aceste trei procese sunt efectuate datorită mișcării electronilor de -a lungul lanțului de transport de electroni a proteinelor membranei interioare . Numărul de mitocondrii din celulele diferitelor organisme diferă semnificativ [1] : de exemplu, algele verzi unicelulare ( euglena , chlorella , politomella ) și tripanozomii au o singură mitocondrie gigantică, în timp ce ovocitele și amiba Chaos Chaos conțin 300.000 și 500.000 mitocondrii, respectiv; mitocondriile sunt absente în entameba anaerobă intestinală și în alte protozoare parazitare. Celulele specializate ale organelor animale conțin sute și chiar mii de mitocondrii ( creier , inimă , mușchi ).

Originea de bază a mitocondriilor

Conform teoriei simbiogenezei , mitocondriile au apărut ca urmare a captării bacteriilor de către celulele primitive ( procariote ) . Celulele care nu puteau folosi ele însele oxigenul pentru a genera energie aveau limitări serioase în capacitatea lor de a se dezvolta; bacteriile ( progenoții ) ar putea face acest lucru. În procesul dezvoltării unor astfel de relații, progenoții, datorită eficienței energetice crescute, au transferat multe dintre genele lor în nucleul format , acum eucariote [2] . Acesta este motivul pentru care mitocondriile moderne nu mai sunt organisme independente. Deși genomul lor codifică componente ale propriului sistem de sinteză a proteinelor , multe dintre enzimele și proteinele necesare funcționării lor sunt codificate de cromozomi nucleari , sintetizați în citoplasma celulei și abia apoi transportate în organele.

Mitocondriile într-o celulă

Mitocondriile au fost descoperite pentru prima dată sub formă de granule în celulele musculare în 1850. Numărul de mitocondrii dintr-o celulă nu este constant. Sunt deosebit de abundente în celulele care au o nevoie mare de energie. După structura lor, mitocondriile sunt organite, de obicei de formă sferică, găsite într-o celulă eucariotă în cantități de la câteva sute la 1-2 mii și ocupând 10-20% din volumul său intern. Mărimea (de la 1 la 70 de microni ) și forma mitocondriilor variază, de asemenea, foarte mult. În funcție de părțile celulei în fiecare moment de timp, există un consum crescut de energie, mitocondriile sunt capabile să se deplaseze prin citoplasmă în zonele cu cel mai mare consum de energie, folosind structurile citoscheletului celulei eucariote pentru mișcare. . În celulele vegetale și animale, trei tipuri de organite mitocondriale există simultan și în cantități aproximativ egale: protomitocondriile tinere, mitocondriile mature și postmitocondriile vechi care se degradează în granule de lipofuscină [3] .

Structura mitocondriilor

Membrană exterioară

Membrana mitocondrială exterioară are o grosime de aproximativ 7 nm, nu formează invaginări sau pliuri și este închisă pe ea însăși. Membrana exterioară reprezintă aproximativ 7% din suprafața tuturor membranelor organitelor celulare. Funcția principală este de a separa mitocondriile de citoplasmă . Membrana exterioară a mitocondriilor este formată din lipide intercalate cu proteine ​​(raport 2: 1). Un rol special îl joacă porina, o proteină care formează canale. Formează găuri în membrana exterioară cu un diametru de 2-3 nm, prin care pot pătrunde molecule mici și ioni cu o greutate de până la 5 kDa . Moleculele mari pot traversa membrana exterioară numai prin transportul activ prin intermediul proteinelor de transport ale membranei mitocondriale. Membrana exterioară se caracterizează prin prezența enzimelor : monooxigenază, acil-CoA sintetaza și fosfolipaza A 2 . Membrana exterioară a mitocondriilor poate interacționa cu membrana reticulului endoplasmatic ; joaca un rol important in transportul lipidelor si ionilor de calciu .

Spațiu intermembranar

Spațiul intermembranar este spațiul dintre membranele exterioare și interioare ale mitocondriilor. Dimensiunea sa este de 10-20 nm. Deoarece membrana exterioară a mitocondriilor este permeabilă la molecule și ioni mici, concentrația acestora în spațiul periplasmatic diferă puțin de cea din citoplasmă. Proteinele mari au nevoie de peptide semnal specifice pentru transportul din citoplasmă în spațiul periplasmic ; prin urmare, componentele proteice ale spațiului periplasmatic și ale citoplasmei sunt diferite. Una dintre proteinele conținute nu numai în membrana interioară, ci și în spațiul periplasmatic, este citocromul c .

Membrana interioara

Membrana interioară constă în principal din complexe proteice (raport proteină / lipide - 3: 1) și formează numeroase pliuri asemănătoare creastei - crestae , care își măresc semnificativ suprafața și, de exemplu, în celulele hepatice reprezintă aproximativ o treime din total. membranele celulare. O trăsătură caracteristică a compoziției membranei mitocondriale interioare este prezența cardiolipinei în ea  - o fosfolipidă specială care conține patru acizi grași simultan și face membrana absolut impermeabilă la protoni . O altă caracteristică a membranei interioare a mitocondriilor este un conținut foarte mare de proteine ​​(până la 70% în greutate), reprezentat de proteine ​​de transport , enzime ale lanțului respirator , precum și complexe mari de ATP sintetază . Membrana interioară a mitocondriilor, spre deosebire de cea exterioară, nu are deschideri speciale pentru transportul moleculelor mici și ionilor; pe ea, pe partea orientată spre matrice, există molecule speciale de ATP sintetază , formate dintr-un cap, un picior și o bază. Când protonii trec prin ele , se sintetizează ATP . La baza particulelor, umplând întreaga grosime a membranei, se află componentele lanțului respirator . Membranele exterioare și interioare se ating în unele locuri, există o proteină receptor specială care facilitează transportul proteinelor mitocondriale codificate în nucleu către matricea mitocondrială.

Matrice

Matricea  este un spațiu delimitat de o membrană internă. În matricea (substanța roz) a mitocondriilor există sisteme enzimatice pentru oxidarea piruvatului , acizilor grași, precum și enzimele ciclului acidului tricarboxilic (ciclul Krebs ). În plus, aici se află și ADN-ul mitocondrial , ARN -ul și propriul aparat de sinteză a proteinelor din mitocondrie.

ADN mitocondrial

ADN -ul mitocondrial situat în matrice este o moleculă circulară dublu catenară închisă , care în celulele umane are o dimensiune de 16569 perechi de nucleotide, care este de aproximativ 10 5 ori mai mică decât ADN-ul localizat în nucleu . În general, ADN-ul mitocondrial codifică 2 ARNr , 22 de ARNt și 13 subunități de enzime ale lanțului respirator , care reprezintă nu mai mult de jumătate din proteinele găsite în el . În mod specific, sub controlul genomului mitocondrial, sunt codificate șapte subunități de ATP sintetază, trei subunități de citocrom oxidază și o subunitate de ubichinol-citocrom c-reductază . În acest caz, toate proteinele, cu excepția unuia, a două ARN-uri ribozomale și a șase ARN-uri de transport sunt transcrise din lanțul ADN mai greu (exterior), iar alte 14 ARNt-uri și o proteină sunt transcrise din lanțul mai ușor (interior).

În acest context , genomul mitocondrial al plantei este mult mai mare și poate ajunge la 370.000 de perechi de nucleotide, ceea ce este de aproximativ 20 de ori mai mare decât genomul mitocondrial uman descris mai sus. Numărul de gene aici este, de asemenea, de aproximativ 7 ori mai mare, ceea ce este însoțit de apariția în mitocondriile plantelor a unor căi suplimentare de transport de electroni care nu sunt asociate cu sinteza ATP.

ADN- ul mitocondrial se replică în interfază, care este parțial sincronizată cu replicarea ADN-ului în nucleu. În timpul ciclului celular, mitocondriile se împart în două prin constricție, a cărei formare începe cu un șanț inelar pe membrana mitocondrială interioară. Un studiu detaliat al secvenței de nucleotide a genomului mitocondrial a făcut posibil să se stabilească că abaterile de la codul genetic universal nu sunt neobișnuite în mitocondriile animalelor și ciupercilor . Astfel, în mitocondriile umane, codonul ATA din codul standard codifică aminoacidul metionină în loc de izoleucină , codonii AGA și AGG, de obicei care codifică arginina , sunt codoni stop , iar codonul TGA, care este codonul stop din codul standard. , codifică aminoacidul metionină. În ceea ce privește mitocondriile plantelor, acestea par să folosească un cod genetic universal. O altă caracteristică a mitocondriilor este caracteristica recunoașterii codonilor ARNt , care constă în faptul că o astfel de moleculă este capabilă să recunoască nu unul, ci trei sau patru codoni deodată . Această caracteristică reduce semnificația celei de-a treia nucleotide din codon și duce la faptul că mitocondriile necesită o varietate mai mică de tipuri de ARNt. În acest caz, doar 22 de ARNt diferite sunt suficiente.

Având propriul său aparat genetic, mitocondria are și propriul sistem de sinteză a proteinelor, o caracteristică a căruia în celulele animalelor și ciupercilor sunt ribozomi foarte mici , caracterizați printr-un coeficient de sedimentare de 55S, care este chiar mai mic decât cel al procariotelor. ribozomi de tip 70S. În același timp, cele două ARN-uri ribozomale mari sunt, de asemenea, mai mici decât la procariote , iar ARNr-ul mic este absent cu totul. În mitocondriile plantelor, dimpotrivă, ribozomii sunt mai asemănători cu cei procarioți ca mărime și structură.

În celulele specializate (nedivizoare), mitocondriile de obicei nu se divid. Reînnoirea fondului de mitocondrii în acest caz are loc prin maturarea mitocondriilor din protomitocondrii, care au inițial un diametru de 0,1-0,2 microni. De unde provin protomitocondriile este necunoscut, dar se presupune că acestea sunt însămânțate de ADN-ul postmitocondrial eliberat în citoplasmă. Protomitocondriile au o rată mare de respirație, dar un control respirator scăzut (Vekshin N.L. et al. 2004—2014).

Proteinele mitocondriale

Numărul de proteine ​​traduse din ARNm mitocondrial , care formează subunități ale complexelor mari de enzime, este limitat. O parte semnificativă a proteinelor este codificată în nucleu și sintetizată pe ribozomii citoplasmatici 80S. În special, unele proteine ​​sunt formate în acest fel - purtători de electroni , translocaze mitocondriale, componente ale transportului proteinelor în mitocondrii, precum și factori necesari pentru transcripția , traducerea și replicarea ADN-ului mitocondrial. În același timp, astfel de proteine ​​au peptide semnal speciale la capătul lor N-terminal , a căror dimensiune variază de la 12 la 80 de resturi de aminoacizi. Aceste situsuri formează bucle amfifile , asigură un contact specific al proteinelor cu domeniile de legare ale receptorilor de recunoaștere mitocondrială localizate pe membrana exterioară. Spre membrana mitocondrială exterioară, aceste proteine ​​sunt transportate într-o stare parțial desfășurată în asociere cu proteinele chaperone (în special, cu hsp70). După transferul prin membranele exterioare și interioare, în punctele lor de contact, proteinele care intră în mitocondrii se leagă din nou de chaperone, dar de origine mitocondrială proprie, care preiau proteina care traversează membranele, promovează retragerea acesteia în mitocondrii și controlează, de asemenea, procesul de pliere adecvată a lanțului polipeptidic. Majoritatea chaperonelor au activitate ATPaza, drept urmare atât transportul proteinelor în mitocondrii, cât și formarea formelor lor funcțional active sunt procese dependente de energie.

Funcțiile mitocondriale și producția de energie

Una dintre funcțiile principale ale mitocondriilor este sinteza ATP  , forma universală de energie chimică în orice celulă vie . Ca și în cazul procariotelor , această moleculă poate fi formată în două moduri: ca rezultat al fosforilării substratului în faza lichidă (de exemplu, în timpul glicolizei ) sau în procesul de fosforilare a membranei asociat cu utilizarea energiei gradientului electrochimic transmembranar al protoni ( ioni de hidrogen ). Mitocondriile implementează ambele aceste căi, prima fiind caracteristică proceselor inițiale de oxidare a substratului și are loc în matrice , în timp ce a doua completează procesele de producere a energiei și este asociată cu cresta mitocondrială. În același timp, originalitatea mitocondriilor ca organele care formează energie ale unei celule eucariote este determinată tocmai de a doua modalitate de generare a ATP , numită „conjugare chimiosmotică”. În esență, aceasta este o conversie secvențială a energiei chimice de reducere a echivalenților de NADH într-un gradient de protoni electrochimic ΔμH + pe ambele părți ale membranei mitocondriale interioare, care activează ATP sintaza legată de membrană și culminează cu formarea unei legături macroergice. în molecula de ATP.

În general, întregul proces de producere a energiei în mitocondrii poate fi împărțit în patru etape principale, dintre care primele două apar în matrice, iar ultimele două pe cresta mitocondrială:

  1. Transformarea piruvatului și a acizilor grași din citoplasmă în mitocondrii în acetil-CoA ;
  2. Oxidarea acetil-CoA în ciclul Krebs , ducând la formarea NADH și a două molecule de CO2 ;
  3. Transferul de electroni de la NADH la oxigen prin lanțul respirator cu formarea de H2O;
  4. Formarea ATP ca urmare a activității complexului membranar ATP-sintaza.

Chiar și în citoplasmă, într-o serie de 10 reacții enzimatice separate de glicoliză, o moleculă de glucoză cu șase atomi de carbon este parțial oxidată la două molecule de piruvat cu trei atomi de carbon cu formarea a două molecule de ATP. Piruvatul este apoi transportat din citosol prin membranele exterioare și interioare în matrice, unde este inițial decarboxilat și transformat în acetil-CoA. Acest proces este catalizat de un complex mare de piruvat dehidrogenază, comparabil ca mărime cu mărimea unui ribozom și constând din trei enzime, cinci coenzime și două proteine ​​reglatoare. În mod similar, acizii grași derivați din descompunerea trigliceridelor insolubile în citoplasmă sunt transferați în matricea mitocondrială ca derivați acil-CoA și suferă beta-oxidare pentru a forma acetil-CoA.

În etapa următoare, care are loc și în matricea mitocondrială, acetil-CoA este complet oxidat în ciclul Krebs. În activitatea sa sunt implicate patru enzime separate , pentru fiecare ciclu asigurând descompunerea acetil-CoA în doi atomi de carbon , sub formă de CO 2 . Acest proces asigură formarea unei molecule de GTP, precum și a NADH , un intermediar de înaltă energie care donează cu ușurință electroni lanțului de transport de electroni de pe cresta mitocondrială.

Procesele ulterioare de generare a energiei în mitocondrii au loc pe cresta și sunt asociate cu transferul de electroni de la NADH la oxigen. În conformitate cu faptul că consumul de oxigen ca oxidant este denumit în mod obișnuit „respirație intracelulară”, lanțul de transport de electroni al enzimelor care efectuează transferul secvenţial de electroni de la NADH la oxigen este adesea denumit „lanț respirator. ". În acest caz, transformarea energiei de oxidare este realizată de enzime situate pe cresta mitocondrială și efectuând transferul vectorului (direcționat spre părțile laterale ale membranei) al protonilor de hidrogen din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar. Aceasta este diferența fundamentală dintre activitatea oxidoreductazelor din lanțul respirator și funcționarea enzimelor care catalizează reacțiile într-o soluție omogenă (izotropă), unde întrebarea direcției reacției în spațiu nu are sens.

Întregul proces de transfer de electroni de-a lungul lanțului respirator poate fi împărțit în trei etape, fiecare dintre ele catalizată de un complex separat de lipoproteine ​​transmembranare (I, III și IV) construit în membrana cristei mitocondriale. Compoziția fiecăruia dintre aceste complexe include următoarele componente:

  1. Enzimă oligomerică mare care catalizează transferul de electroni;
  2. Grupări organice ( protetice ) neproteice care acceptă și eliberează electroni;
  3. Proteine ​​care asigură mișcarea electronilor.

Fiecare dintre aceste complexe transferă electroni de la un donor la un acceptor de-a lungul unui gradient de potențial redox printr-o serie de purtători care funcționează secvenţial. Moleculele de ubichinonă solubile în grăsimi care migrează în planul membranei , precum și proteinele mici (greutate moleculară 13 kDa) solubile în apă care conțin hem legat covalent și numite „citocromi c ”, funcționează ca acestea din urmă în lanțul respirator al mitocondriilor. În același timp, trei dintre cele cinci componente care alcătuiesc lanțul respirator funcționează în așa fel încât transferul de electroni să fie însoțit de transferul de protoni prin membrana cristei mitocondriale în direcția de la matrice către spațiul intermembranar.

Lanțul respirator începe cu complexul I (NADH-ubichinonă oxidoreductază), constând din cel puțin 26 de lanțuri polipeptidice și având o greutate moleculară de aproximativ 850 kDa. Activitatea funcțională a acestui complex este determinată de faptul că conține mai mult de 20 de atomi de fier ambalați în celule de atomi de sulf , precum și flavină (mononucleotidă de flavină - un derivat al vitaminei riboflavine ). Complexul I catalizează oxidarea NADH prin separarea a doi electroni din acesta, care, după o „călătorie” prin componentele redox ale complexului I, ajung pe o moleculă purtătoare, care este ubichinona (Q). Acesta din urmă este capabil să fie redus treptat, luând doi electroni și un proton fiecare și transformându-se astfel într-o formă redusă - ubichinol (QH 2 ).

Potențialul energetic (rezerva de energie) în molecula de ubichinol este semnificativ mai mic decât în ​​molecula NADH, iar diferența de astfel de energie este stocată temporar sub forma unui gradient de protoni electrochimic. Acesta din urmă apare ca urmare a faptului că transferul de electroni de-a lungul grupurilor protetice ale complexului I, care duce la o scădere a potențialului energetic al electronilor, este însoțit de un transfer transmembranar a doi protoni din matrice în spațiul intermembranar al mitocondriile.

Ubichinolul redus migrează în planul membranei, unde ajunge la a doua enzimă a lanțului respirator, complexul III (citocromul bc 1 ). Acesta din urmă este un dimer cu o greutate moleculară mai mare de 300 kDa, format din opt lanțuri polipeptidice și care conține atomi de fier atât sub formă de centri fier-sulf, cât și sub formă de complexe cu hemii b (I), b (II) și c 1 - molecule heterociclice  complexe cu patru atomi de azot situate la colțurile pătratului de legare metalică. Complexul III catalizează reacția de oxidare a doi ubichinoli la ubichinone, reducând două molecule de citocrom c (un purtător de hem situat în spațiul intermembranar). Cei patru protoni despărțiți de ubichinoli sunt eliberați în spațiul intermembranar, continuând formarea gradientului electrochimic.

Ultima etapă este catalizată de complexul IV (citocrom c oxidaza) cu o greutate moleculară de aproximativ 200 kDa, constând din 10-13 lanțuri polipeptidice și, pe lângă doi hemi diferiți, incluzând și mai mulți atomi de cupru puternic asociați cu proteine. În acest caz, electronii prelevați din citocromul c redus , care trec prin atomii de fier și cupru din compoziția complexului IV, cad pe oxigenul legat în centrul activ al acestei enzime, ceea ce duce la formarea apei .

Astfel, reacția globală catalizată de enzimele lanțului respirator este oxidarea NADH cu oxigen pentru a forma apă. În esență, acest proces constă într-un transfer treptat de electroni între atomii metalici prezenți în grupele protetice ale complexelor proteice ale lanțului respirator, unde fiecare complex ulterior are o afinitate electronică mai mare decât cel anterior. 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 acest caz este stocată sub forma unui gradient electrochimic (protoni) pe ambele părți ale membranei mitocondriale interioare. În acest caz, se consideră că în procesul de transport de-a lungul lanțului respirator al unei perechi de electroni, sunt pompați de la trei până la șase protoni.

Etapa finală în funcționarea mitocondriilor este generarea de ATP , realizată de un complex macromolecular special cu o greutate moleculară de 500 kDa, încorporat în membrana interioară. Acest complex, numit ATP sintetaza, catalizează sinteza ATP prin conversia energiei gradientului electrochimic transmembranar al protonilor de hidrogen în energia legăturii macroergice a moleculei de ATP.

ATP sintetaza

În termeni structurali și funcționali, ATP sintaza constă din două fragmente mari, notate cu simbolurile F 1 și F 0 . Primul dintre ele (factor de conjugare F 1 ) este orientat spre matricea mitocondrială și iese vizibil din membrană sub forma unei formațiuni sferice de 8 nm înălțime și 10 nm lățime. Este format din nouă subunități reprezentate de cinci tipuri de proteine. Lanțurile polipeptidice a trei subunități α și același număr de subunități β sunt împachetate în globule proteice similare ca structură , care împreună formează un hexamer (αβ) 3 , care arată ca o minge ușor aplatizată. La fel ca feliile de portocale dens împachetate, subunitățile α și β situate succesiv formează o structură caracterizată printr-o axă de simetrie triplă cu un unghi de rotație de 120°. În centrul acestui hexamer se află subunitatea y, care este formată din două lanțuri polipeptidice extinse și seamănă cu o tijă curbată ușor deformată de aproximativ 9 nm lungime. În acest caz, partea inferioară a subunității γ iese din sferă cu 3 nm spre complexul membranar F0 . De asemenea, în interiorul hexamerului se află subunitatea minoră ε asociată cu γ. Ultima (a noua) subunitate este notată cu simbolul δ și este situată pe partea exterioară a lui F 1 .

Partea membranară a ATP sintetazei, numită factor de conjugare F 0 , este un complex proteic hidrofob care pătrunde prin membrană și are două semicanale în interior pentru trecerea protonilor de hidrogen. În total, complexul F0 conține o subunitate proteică de tip a , două copii ale subunității b și 9 până la 12 copii ale subunității c mici . Subunitatea a (greutatea moleculară 20 kDa) este complet scufundată în membrană, unde formează șase secțiuni elicoidale α care o traversează. Subunitatea b (greutate moleculară 30 kDa) conține doar o singură regiune α-helicală relativ scurtă scufundată în membrană, în timp ce restul iese în mod vizibil din membrană spre F1 și este atașată de subunitatea δ situată pe suprafața sa. Fiecare dintre cele 9-12 copii ale subunității c (greutate moleculară 6-11 kDa) este o proteină relativ mică de două elice α hidrofobe conectate între ele printr-o buclă hidrofilă scurtă orientată spre F 1 și împreună formează o singură ansamblu având forma unui cilindru scufundat în membrană. Subunitatea γ care iese din complexul F 1 spre F 0 este doar scufundată în interiorul acestui cilindru și este destul de ferm agățată de el.

Astfel, în molecula de ATP sintetază, se pot distinge două grupuri de subunități proteice, care pot fi asemănate cu două părți ale unui motor: un rotor și un stator . „Statorul” este imobil în raport cu membrană și include un hexamer sferic (αβ) 3 situat pe suprafața sa și subunitatea 5, precum și subunitățile a și b ale complexului membranar F0 . „Rotorul”, care este mobil în raport cu acest design, este format din subunități γ și ε, care, proeminente vizibil din complexul (αβ) 3 , sunt conectate la inelul de subunități c imersate în membrană .

Capacitatea de a sintetiza ATP este o proprietate a unui singur complex F 0 F 1 , cuplat cu transferul de protoni de hidrogen prin F 0 la F 1 , în ultimul dintre care sunt localizați centri catalitici care transformă ADP și fosfatul într-o moleculă de ATP. Forța motrice pentru activitatea ATP sintetazei este potențialul de protoni creat pe membrana interioară a mitocondriilor ca urmare a funcționării lanțului de transport de electroni.

Forța care conduce „rotorul” ATP sintazei apare atunci când diferența de potențial dintre părțile exterioare și interioare ale membranei atinge > 220 mV și este asigurată de fluxul de protoni care curge printr-un canal special în F 0 situat la granița dintre subunități. a și c . În acest caz, calea de transfer de protoni include următoarele elemente structurale:

  1. Două „semi-canale” nealiniate, dintre care primul asigură fluxul de protoni din spaţiul intermembranar către grupele funcţionale esenţiale F 0 , iar celălalt asigură ieşirea lor în matricea mitocondrială;
  2. Un inel de subunități c , fiecare dintre ele conține o grupare carboxil protonată în partea centrală , capabilă să adauge H + din spațiul intermembranar și să le doneze prin canalele de protoni corespunzătoare. Ca urmare a deplasărilor periodice ale subunităților c datorită fluxului de protoni prin canalul de protoni, subunitatea γ scufundată în inelul de subunități c se rotește .

Astfel, activitatea catalitică a ATP sintetazei este direct legată de rotația „rotorului” acestuia, în care rotația subunității γ determină o modificare simultană a conformației tuturor celor trei subunități β catalitice, ceea ce asigură în cele din urmă funcționarea enzimei. . În acest caz, în cazul formării ATP, „rotorul” se rotește în sensul acelor de ceasornic cu o viteză de patru rotații pe secundă, iar rotația foarte similară are loc în salturi discrete de 120 °, fiecare dintre acestea fiind însoțită de formarea de o moleculă de ATP.

Funcția directă a sintezei ATP este localizată pe subunitățile β ale complexului de conjugare F 1 . În același timp, primul act din lanțul de evenimente care duc la formarea ATP este legarea ADP și a fosfatului de centrul activ al subunității β libere, care se află în starea 1. Datorită energiei unui sursă externă (curent de protoni) , în complexul F1 apar modificări conformaționale, în urma cărora ADP și fosfatul devin ferm asociate cu centrul catalitic (starea 2), unde devine posibilă formarea unei legături covalente între ele, conducând la formarea ATP. În această etapă a ATP sintazei, enzima practic nu necesită energie, care va fi necesară în etapa următoare pentru a elibera o moleculă de ATP strâns legată din centrul enzimatic. Prin urmare, următoarea etapă a funcționării enzimei este aceea că, ca urmare a unei modificări structurale dependente de energie în complexul F1 , subunitatea β catalitică care conține o moleculă de ATP strâns legată trece în starea 3, în care legătura dintre ATP și centrul catalitic este slăbit. Ca urmare, molecula de ATP părăsește enzima, iar subunitatea β revine la starea inițială 1, ceea ce asigură ciclul enzimei.

Lucrarea ATP sintetazei este asociată cu mișcările mecanice ale părților sale individuale, ceea ce a făcut posibilă atribuirea acestui proces unui tip special de fenomene numite „cataliza rotațională”. Așa cum curentul electric din înfășurarea unui motor electric antrenează rotorul în raport cu statorul, transferul direcționat al protonilor prin ATP sintetaza determină rotația subunităților individuale ale factorului de conjugare F 1 în raport cu alte subunități ale complexului enzimatic, așa cum rezultatul căruia acest dispozitiv unic de producere a energiei efectuează lucrări chimice - sintetizează molecule ATP. Ulterior, ATP intră în citoplasma celulei, unde este cheltuit pentru o mare varietate de procese dependente de energie. Un astfel de transfer este realizat de o enzimă specială ATP/ADP-translocază încorporată în membrana mitocondrială, care schimbă ATP nou sintetizat cu ADP citoplasmatic, care garantează conservarea fondului de adenil nucleotide în interiorul mitocondriilor.

Mitocondriile și ereditatea

ADN-ul mitocondrial este moștenit aproape exclusiv prin linia maternă. Fiecare mitocondrie are mai multe secțiuni de nucleotide în ADN care sunt identice în toate mitocondriile (adică există multe copii ale ADN-ului mitocondrial în celulă), ceea ce este foarte important pentru mitocondriile care nu sunt capabile să repare ADN-ul de la deteriorare (o rată mare de mutație ). se observă ). Mutațiile în ADN-ul mitocondrial sunt cauza unui număr de boli ereditare umane.

Istoria studiului

Istoria studiului mitocondriilor datează de aproximativ 130 de ani - de la descrierea lor în 1850 de către R. Kelliker, care le-a descoperit în mușchii insectelor și le-a numit sarcozomi (acest termen este încă folosit pentru a se referi la mitocondriile țesutului muscular) .

Aceste organite au început să fie numite mitocondrii în 1898. Cu toate acestea, studiul lor sistematic de către biochimiști și citologi a început abia în anii 40-50 ai secolului trecut, când a fost posibil să se obțină fracții mitocondriale pure folosind metode de centrifugare diferențială și să arate că enzimele în ele sunt localizate lanţul respirator, ciclul Krebs.şi fosforilarea oxidativă; în 1952–53 au fost efectuate studii ale ultrastructurii mitocondriilor. La sfârșitul secolului al XX-lea, a devenit cunoscut faptul că, prin eliberarea de molecule semnal , mitocondriile activează moartea celulelor [4] . Până în prezent, au fost acumulate numeroase date despre organizarea morfofuncțională a acestor organite.

Vezi și

Note

  1. ↑ Edward W. Daniels, Evelyn P. Breyer. Efectele înfometării asupra ultrastructurii mitocondriilor de amibe  (engleză)  // Zeitschrift für Zellforschung und Mikroskopische Anatomie : journal. - 1968. - 23 septembrie ( vol. 91 , nr. 2 ). - P. 159-169 .
  2. ↑ Leonid Popov. Energia celulară a explicat misterul apariției formelor complexe de viață . Membrană (25 octombrie 2010). Preluat la 2 mai 2015. Arhivat din original la 2 mai 2015.
  3. ↑ Belyakovici A.G. Studiul mitocondriilor și bacteriilor folosind sare de tetrazoliu p-NTP. - Pushchino: ONTI NTsBI AN URSS, 1990.
  4. ↑ D. Zorov, Mitochondria Remember They Were Bacteria . Elementy.ru (iulie 2017). Preluat la 2 iunie 2021. Arhivat din original la 2 iunie 2021.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Site-uri tematice
Dicționare și enciclopedii
 organele de celule eucariote
sistem endomembranar
citoschelet
Endosimbioți
Alte organite interne
Organele externe