MITOHONDRIJA UZBŪVE UN TAJĀ NOTIEKOŠIE PROCESI

Mitohondriju ieskauj divas membrānas. Tās atdala mitohondrija matriksu un starpmembrānu telpu no citosola. Aknu šūnu mitohondrijos 67% proteīnu ir lokalizēti matriksā, 21% – iekšējā membrānā, 6% starpmembrānu telpā.

Arējā membrānā atrodas transportproteīni, jeb, porīni, kas lipīdu dubultslānī veido kanālus, pa kuriem spēj pārvietoties līdz 5000 D lielas molekulas. Šajā membrānā atrodas enzīmi, kas piedalās mitohondriālo lipīdu sintēzē, kā arī enzīmi, kas pārveido lipīdus par molekulām, ko metabolizēmatriksā.

Starpmembrānu telpa satur virkni fermentu, kas izmanto ATF molekulu fosforilācijai.

šējā membrāna veido neskaitāmas kristas, kas ievērojami palielina membrānas virsmas laukumu, un satur lielu daudzumu kardiolipīna (fosfolipīds), kurš padara to jonu necaurlaidīgu. Tajā ir arī virkne proteīnu ar dažādām funkcijām – e^- pārnesēji, elpošanas ķēdes kompleksi, ATF-āze, kā arī transportproteīni, kas nosaka selektīvu vielu transportu caur membrānai.

Matriksā notiek piruvāta un taukskābju oksidācija, kā arī Krebsa cikls. Šeit atrodamas arī vairākas mitohondriālā DNS kopijas, mitohondriālās ribosomas, tRNS un mitohondriālo gēnu ekspresiju nosakoši enzīmi.

Diferencētos šūnu tipos novērojamas mitohondriju ķīmiskā sastāva atšķirības, to veidojošo elementu procentuālās attiecības. Sirds muskuļšūnās novērojams lielāks kristu skaits kā aknu šūnās, kas izskaidrojams ar faktu, ka sirds šūnām ir nepieciešams daudz lielāks ATF daudzums. Aknu šūnu mitohondriju matriksā kodola kodēti enzīmi veic urīnvielas cikla vairākus etapus, un tam paredzētie enzīmi tiek sintezēti un importēti tikai šajos audos. Turklāt elpošanas ķēdes enzīmu kompleksi zīdītāju mitohondriju iekšējā membrānā satur vairākas audu specifiskas kodola kodētas subvienības, kas darbojas kā elektonu transporta regulatori; dažiem cilvēkiem ar ģenētiskām muskuļu slimībām ir defektīva citohromoksidāzes subvienība, bet, tā kā šī subvienība ir raksturīga tikai skeleta muskuļiem, citas šūnas (arī sirds muskulis) funkcionē normāli, tādejādi dodot iespēju indivīdam dzīvot.

2. MITOHONDRIJA DZĪVES CIKLS

Organellu daudzumu šūnā nosaka nepieciešamība – strauja mitohondriju skaita palielināšanās ir novērojama skeleta muskuļos, kad tie pēc ilgstošas pauzes tiek pakļauti aktīvai darbībai. Jaunus mitohondrijus gk. sintezē vietās, kas bagātas ar proteīniem un polisomām.

Reizi šūnas dzīves laikā mitohondrija dalās uz pusēm. Dalīšanās sākas ar iekšējās membrānas sagrumbošanos (līdzīgi kā baktērijās). Vairumam šūnu mitohondriju dalīšanās notiek interfāzes laikā, bet to DNS replikāciju nelimitē S fāze - tā (vairākkārt atkārtojoties) noris visā šūnas cikla laikā. Nemainīgos apstākļos process tiek regulēts, pierādot, ka viss DNS molekulu skaits divkāršojas katrā šūnas cikla laikā, tādejādi katrā šūnu tipā saglabājas konkrēts daudzums organellas DNS.

Mitohondriju skaitu regulē autofāgija. Process aizsākas ar endoplazmatiskā tīkla membrānas aplocīšanos ap mitohondriju, kam seko vezikulas došanās uz Goldži kompleksu un pievienošanās autofāgiskajai vakuolai. Šo vezikulu membrānās atrodas hidrolāzes, kas pievienotas mannozes 6 fosfāta receptoriem. Zemais pH izraisa hidrolāžu atdalīšanos no to receptoriem, kas tiek aizsūtīti atpakaļ uz Goldži kompleksu citās vezikulās. Pa to laiku lizosomās pazeminās pH un šūnas sāk degradēt sastāvdaļas.

3. MITOHONDRIĀLAIS GENOMS

Genoma evolūcija

Saskaņā ar endosimbiotisko hipotēzi, eikariotiskās šūnas iesākumā bija anaerobi organismi bez mitohondrijiem, līdz evolūcijas gaitā tās sāka sadarboties ar baktērijām, kuru oksido reduktīvā sistēma galu galā tika iekļauta šūnā. Mitohondriju attīstība tiek datēta ar ~1,5*10⁹ gadiem atpakaļ, kad atmosfērā parādījās skābeklis, un organismiem bija jāpiemērojas dzīvei šādos apstākļos. Tā kā lielākā daļa mitohondriālos proteīnus kodējošo gēnu atrodas kodolā, ir radīta hipotēze, ka evolūcijas gaitā notikusi gēnu pārvietošanās no mitohondrijiem uz kodolu.

Aminoskābju sekvences vairumam mitohondrija proteīnuatšķiras no attiecīgajiem proteīniem citosolā un kodolā, kas liek domāt, ka šajās organellās tikai neliela daļa olbaltumvielu ir kopīgas ar pārējo šūnu.

Aminoskābju un nukleotīdu secību analīzes deva pierādījumus mitohondriju izcelsmei no purpura fotosintezējošām baktērijām, kas tālā pagātnē ir zaudējušas spēju viekt fotosintēzi un ir saglabājušas tikai vienu elpošanas ķēdi. Microsporidia un Giardia ir divi mūsdienās sastopami eikariotiski vienšūņi, kuros nav mitohondriju. Tā kā tiem ir tikai rRNS sekvences, tas liecina par šo organismu primitīvismu uz pārējo eikariotu fona un liek domāt, ka to priekšteči ir bijuši anaerobi organismi, kuros norisinājusies mitohondriju priekšgājēju iesaistīšana šūnas sastāvā.

DNS sekvenču pētījumi norāda, ka mitohondriālajā genomā evolūcijas gaitā aizvietoto nukleotīdu ir 10 reižu vairāk kā kodola genomā. Tam par iespējamo iemeslu tiek uzskatīta neprecīzā mitohondriālā DNS replikācija vai reparācija (vai abi procesi).

Genoma raksturojums

Mitohondriju genomu veido 2 rRNS, 22 tRNS un 13 pro teīnus kodējošās gēnu sekvences.

Genoma struktūra vairāk līdzinās baktēriju genomam kā eikariotu hromatīnam. Piemēram, (tāpat kā baktērijās) nav histonu. Lai gan mitohondriālo gēnu ekspresiju regulējošās olbaltumvielas lielākoties kodē kodolā esošie gēni, proteīnu sintēzes mehānisms vairāk līdzinās prokariotos esošajam darbības mehānismam.

Vairāk kā 90 olbaltumvielas, tai skaitā ribosomālie proteīni, aminoacil-tRNS sintāzes, DNS un RNS polimerāzes, kā arī RNS procesingu un modificēšanu nosakošie enzīmi, tiek kodēti kodolā. Mitohondrijs sintezē tikai tās olbaltumvielas, kas paredzētas iRNS, rRNS un tRNS izveidei. Importētie proteīni aktīvi sadarbojas ar mitohondijos sintezētajiem proteīniem.

Mitohondriālais DNS

Mitohondriālais DNS atrodas nukleoīdā; katrs var saturēt 4 – 5mDNS kopijas.

Organellas DNS molekulas ir relatīvi mazas un vienkāršas, un (izņemot dažu aļģu un protozoju mitohondrijus) galvenokārt cirkulāras. Augos ir novērots 10–150 reižu garāks genoms kā dzīvniekos. Zīdītājos mitohondriju genoms ir ~500bp gara lineāra DNS – vairāk kā 10⁵ reižu mazāks par kodola DNS. Visi mitohondriji satur vairākas DNS kopijas, kas parasti ir izkliedētas matriksa klasteros un ir pievienojušās mitohondriju iekšējai membrānai.

Vairāku dzīvnieku genomā esošā mitohondriālā DNS satur identiskus gēnus. Cilvēka mitohondriālajā genomā gandrīz katrs nukleotīds ir gan proteīnus, gan rRNS vai tRNS kodējošo sekvenču daļa, kā rezultātā genomā ir maz regulējošo sekvenču; turklāt tikai 22 tRNS ir paredzētas mitohondriālo proteīnu sintēzei – vairākas tRNS molekulas spēj atpazīt jebkuru no četriem kodoniem un pieļauj proteīnu sintēzi ar dažām tRNS molekulām.

Kodolā esošā DNS kodētās mitohondrija daļas

Cilvēka genomā ir 16569 bp, daļa no tiem kodē virkni mitohondriālo olbaltumvielu:

• citohromoksidāzes 1., 2. un 3. subvienību

• Fo ATF-āzes 6.,7.un 9. subvienību

• CoQ HR-Citohroma C reduktāzes apocitohroma b subvienību

• septiņas NADH - CoQ reduktāzes subvienības

Kodols kodē pārējās subvienības.

Mitohondrija ribosomas un tRNS

22 tRNS

rRNS: 16S, 12S un 5S. 5S RNS tiek importēta mitohondrijos un tās funkcija vēl nav īsti noskaidrota.

Universālā koda neatbilstība

Papildus tam, 4 no 64 kodiem ir citādāks atšifrējums kā tiem pašiem kodoniem citos genomos. Turklāt mitohondriālais ģenētiskais kods airākiem organismiem var atšķirties (sk. tabulu). Kodolā esošā genoma atkodēšana pēc mitohondriālajiem principiem izraisītu šūnas bojāeju.

Mitohondriāno gēnu ekspresija

Tā kā dzīvnieku mitohondrijos tikai 16500 DNS nukleotīdi ekspresējas kā mitohondriālā RNS un olbaltumvielas, replikācijas, reparācijas, transkripcijas vai translācijas gaitā iespēja kļūdīties nukleotīda robežās ir visai augsta, nesabojājot kādu no produktiem, kuru skaits ir relatīvi niecīgs. Tas var izskaidrot, kādēļ šos procesus regulējošie mehānismi ir relatīvi vienkārši, salīdzinot ar tādu pašu procesu regulāciju citur šūnā. Valda uzskats, ka tikai 22 tRNS esamība kā arī to mazais izmērs (tās sastāda mazāk kā divas trešdaļas no E-coli rRNS) ir par iemeslu reducētajai proteīnu sintēzes precizitātei mitohondrijos.

Mitohondriālo gēnu transkripcija

Cilvēka genomā esošās mitohondriālās DNS abu ķēžu transkripcija notiek vienādā ātrumā (katrā ķēdē ir tikai viens promoters), radot divas gigantiskas RNS molekulas. Katra satur pilnu DNS ķēdes kopiju, tādejādi transkripcija ir pilnīgi simetriska. Smagās ķēdes transkripti ir paredzēti, lai ražotu divas rRNS, lielāko daļu tRNS un apmēram 10 poli-A-saturošas RNS, turpretim vieglās ķēdes transkriptiem ir lemts producēt tikai 8 tRNS un vienu mazu poliA-saturošu RNS; atlikušie ~90% transkripta acīmredzami nesatur nekādu būtisku informāciju un tiek degradēti. PoliA-saturošās RNS pilda mitohondriālās informācijas RNS funkcijas: lai gan tām 5` galā trūkst cap struktūras, 3` galā tās satur poli-A polimerāzes posttranskripcionāli pievienotu poli-A asti.

Introni

Gan cilvēka, gan vairāku augu, sēņu un raugu mitohondriālie gēni satur intronus. Lielākā to daļa satur radniecīgas nukleotīdu sekvences, kas ir spējīgas splaisēt pašas sevi ar RNS regulētas katalīzes un proteīnu piedalīšanos. Intronu klātbūtne organellā ir pārstiedzoša, ņemot vērā to, ka par mitohondriju priekštečiem uzskatītajās baktērijās introni nav konstatēti.

Raugos mitohondriālie gēni var saturēt intronus tikai vienā ķēdē. Šādi fakultatīvi introni šķiet spējīgi kustēties iekšā un ārā no genoma. No otras puses, introni Aspergillus un Neurospora mitohondriālos gēnos tika atrasti korespondējošā pozīcijā, netieši norādot, ka tie ir iedzimuši no šo triju aļģu kopīgā priekšteča. Tas vedina uz teoriju, ka intronu sekvences ir cēlušās no sena kopīga pirmavota un, lai gan zudušas vairāku baktēriju genomā, ir saglabājušās to organellu genomos, kuros RNS splaisings tiek regulēts, lai palīdzētu gēnu ekspresijai.

Citoplazmatiskā iedzimšana

Mitohondrijiem ir raksturīga citoplazmatiskā iedzimšana.

Eksperimentu gaitā tika novērots, ka pakāpeniskas mitohondriju veģetatīvās augšanas laikā mejozes ceļā veidotām šūnām mitohondriālie gēni iedzimst no tikai vienas šūnas.

Raugos divas pārejošās šūnas ir identiskas pēc izmēra un sekmē vienādus mDNS daudzumus zigotā. Mitohondriālā iedzimšana raugos ir biparentāla: abi vecāki nosaka pēcnācēja genomu, lai gan pēc vairākām veģetatīvās augšanas paaudzēm pēcnācējs parasti satur no viena vecāka mantoto mitohondriju.

Augstākajos dzīvniekos mitohondriālo iedzimšanu koordinē viens no vecākiem – 99,9% mDNS tiek mantots no mātes. Lai gan iesākumā spermatozoīda aste dod 100 mitohondrijus (bet oocīti dod 100000). Šūnai attīstoties, arvien vairāk no tēva mantotais mDNS tiek tiek „izšķaidīts” ārā. Tādejādi tēva dots mDNS sastāda mazāk kā 0,01% no kopējā mDNS daudzuma. mDNS mutācijas māte spēj nodot bērnam. Tam ir zināma organiska saistība ar zīdītāju konēšanu, lietojot somatiskās šūnas; – kodola DNS drīkst būt no donoršūnas, bet mDNS ir jābūt saimniekšūnas (tā tika konēta Dollija).

Dzīve bez mitohondriālajiem gēniem:

Bloķējot mitohondrija genoma kodēto produktu sintēzi, novēro normālu mitohondrija ārējo membrānu un vāji attīstītas iekšējās membrānas kristas. Šādi mitohondriji satur arī DNS/RNS polimerāzes, visus Krebsa cikla enzīmus un lielāko daļu iekšējās membrānas proteīnu. Tas norāda uz nenoliedzamo kodola nozīmi mitohondrija bioģenēzē. Šādas mutantas organellas spēj vairoties šūnai daloties kā arī replicēties nenoteikti vairojošos eikariotu šūnu citoplazmā. Bet tie nespēj producēt ATF.

Slimības, ko izraisa mitohondriālo gēnu mutācijas

Mitohondriālā DNS sekvence ir samērā īsa un satur daudz informācijas, tādēļ mutācijas izraisa slimības. Audu un orgānu šūnas, kas visvairāk tiek pakļautas oksidatīvajai fosforilācijai, satur simtiem mitohondriju (un tūkstošiem genoma kopiju); tādēļ mutētā mitohondrija radītais efekts var neizpausties. Turklāt jauni cilvēki var nesaslimt, jo 15% veselu mitohondriju pietiekami veselības saglabāšanai; bet tai pašā laikā vecākos pacientos var izpausties vairāku slimību fenotips.

Daži slimību piemēri:

• Lēbera iedzimto optisko neuropātiju (redzes nerva deģenerācija, kas saistīta ar akluma iestāšanos) izsauc mutācija gēnā, kas kodē NADH-CoQ reduktāzes ceturto subvienību

• „izspūrušās” muskuļšķiedras (krampjaino kustību cēlonis) izsauc mutācijas mitohondriālā lizīna tRNS.

• Kaerna-Sayre sindromu (acu defekts, nenormāla sirdsdarbība, CNS deģenerācija) izraisa vairākas lielas mDNS delēcijas.

Mitohondriālā DNS reparācija

Mgm 101p ir jaunatklāts mitohondriju nukleoīda komponents, kas saista DNS un ir paredzēts oksidatīvi traumēta mDNS reparācijai:

• Mgm 101p tika atklāts raugu šūnās, meklējot mutantus, kas zaudētu jūtību pret t°. Tas rūpējas par mitohondriālā genoma saglabāšanu.

• Pavienojot Mgm 101 zaļu fluorescentu proteīnu tika konstatēta tā lokalizācija nukleoīdā; tā pārklājās ar DNS detakcijas sistēmu.

• Pēc proteīnu atsijāšanas tika noskaidrots, ka tas ir zaudējis spējas iespaidot elpošanas ķēžu darbību; lai gan ir skaidrs, ka senāk proteīns bija nepieciešams, nav zināma tā loma šajā procesā.

• COO^- terminālais rajons ir stipri bāzisks. Tas liek domāt par Mgm 101 spēju saistīt DNS. Salīdzinot tā spēju saistīt DNS ar citu zināmu DNS saistošu proteīnu, pierādījās relatīvi augstā līdzība abu proteīnu saistīšanas spējās.

4. MEMBRĀNU (NE)CAURLAIDĪBA

Mitohondriju ārējā membrāna satur porīnus, caur kuriem proteīni, kas mazāki par 10000 D var nokļūt starpmembrānu telpā. Lielākā daļa proteīnu nespēj šķērsot iekšējo membrānu, ko šķietami necaurlaidīgu pedara kardiolipīns. Tas paredz organizētus un regulētus transporta mehānismus cauri membrānai.

Transports caur mitohondriju membrānām paredz translokāciju mašinēriju saskaņotu darbību. Ārējās membrānas mehānisms tiek saukta par Tom kompleksu (translocator outer membrane) un iekšējā membrānā esošais - par Tim kompleksu (translocator inner membrane). Proteīniem, kas paredzēti iekļūšanai matriksā, ir atpazīstamas NH₂ signālsekvences. Translokatoru darbību kontrolē un stabilizē pavadītājproteīni (tai skaitā arī hsp 70), turklāt prosess paredz ATF saistīšanu.

Arējās membrānas šķērsošanas mehānisma raksturojums

Tom komplekss satur importēšanas receptorus (te ietilpst Tom 20, Tom 22 un Tom 70), kas iesākumā atpazīst signālpeptīdu vai signālsekvenci; dažādi proteīni lieto atšķirīgus receptorus. Tad receptors nes olbaltumvielu uz reģionu, kas satur transokatorproteīnu kompleksu. To sauc par importētājporu un tā atvieglo proteīnu presekvenču translokāciju caur membrānai.

Nozīmīgs proteīns signālpeptīda atpazīsanas tā piesaistes (pie receptora) vietā ir nosaukts par MOM19. Tas sadarbojas ar MOM72, lai atpazītu un saistītu proteīnus. Tad MOM22 palīdz proteīnam nokļūt no receptora vietas uz insercijas punktu ārējā membrānā. Tas novērš defektīvu proteīnu iekļūšanu mitohondrijā.

Importētājporu veido Tom 40, Tom 5, Tom 6 un Tom 7. Visus tās komponentus ārējā membrānā noenkuro spirāliski transmembrānu segmenti (hidrofobiskie enkuri).

Tom 40 ir poras serdes elements un veido oligomērus; tas šķērso membrānu kā 14 antiparalēlubķēžu virkne, veidojot b plāksnīti, un savstarpēji mijiedarbojas ar poru škērsojošām polipeptīdu ķēdēm. Nesenos pētījumos ir noskaidrots to, kā tas ir ienācis ārējā membrānā un kļuvis par importētājporas sastāvdaļu:

• Lai Tom 40 kļūtu spējīgs translocēties, ir nepieciešams ATF un daļēji ieliekts reģions (pēdējo nosaka citosoliskais pavadītājs hsp 70).

• Tas mijiedarbojas ar virsmas receptoru, Tom 20. Te nav atpazīstama signālpeptīda, tomēr eksperimenti parādīja nepieciešamību pēc daļēji ielocīta ierosinātāja – pārnešanas informācija ir atrasta pārtrauktos saitos, kas vienkopus atrodas salocītajā domēnā.

• Tom 40 insertējas iepriekšeksistējošos Tom kompleksos, mijiedarbojoties terminālajam N.

• Dimerizācija notiek pēc iekļūšanas membrānā.

Iekšējās membrānas šķērsošanas mehānisma raksturojums

Virkne membrānā esošu pārnesējproteīnu aktīvi transportē specifiskas molekulas pret to elektroķimisko gradientu, procesam ir nepieciešama enerģijas pievade. Parasti to saņem no molekulas, kas tiek transportēta gradienta virzienā. Piemēram, ADF inportēšanu matriksā nosaka ATF-ADF antiports: uz katru ieejošo ADF molekulu, izdalās viena ATF molekula, kuru dzen sprieguma gradients. Fosfāta inportu matriksā veic pārnesējproteīni, kas saista to ar H⁺ eksportu tā elektroķimiskā gradienta virzienā. Piruvātu transportē iekšā tāpat. Elektroķīmiskais protonu gradients nosaka arī Ca²⁺ importu, kas ir jo sevišķi nozīmīgi, ja ir jāsamazina bīstami augsta tā koncentrācija citoplazmā.

Tim proteīnu iekļaušanās iekšējā membrānā

Daļai proteīnu, kas paredzēti iekšējai membrānai, piemīt atpazīstamas signālsekvences, kuras pārbauda viens vai vairāki membrānu savienojoši segmenti, kas aptur transportēšanu vai insertē polipeptīdu iekšējā membrānā pēc proteīna iekļūšanas matriksā.

Šie proteīni parasti par receptoru izmanto Tom 70. Šie proteīni ar aminotermināliem signāliem, (preproteīni vai presrkvences), parasti mijiedarbojas vispirms ar Tom 20. Lai jāizkļūtu cauri membrānai, tie tiek nosūtīti uz importētājporas kompleksu: sākumā tie mijiedarbojas ar Tom 22 un Tom 5, kas ielaiž tos porā, ko veido Tom 40; matriksā iekļūst caur porai, ko veido Tim 23 un Tim 17,kas atrodas iekšējā membrānā. Turklāt to iekļuve ir atkarīga no membrānas potenciāla, ko rada elektrontransporta kompleksi (H⁺ tiek iepumpēti starpmembrānu telpā, kā rezultātā matriksa puse kļust negativāka). Membrānu potenciāls palīdz ievilkt proteīnu Tim 23 - Tim 17 kanālos. Matriksā iekļuvušai olbaltumvielai proteāze nokniebj signālsekvenci. Mitohondriālais hsp70 matriksā sadarbojas ar Tim 44, komplektējot pilnu matriksā ienesēju: m-hsp 70 un Tim 44 patiesībā ievelk proteīnu matriksā, patērējot ATF un arī pieprasot mebrānas potenciālu. Pēc ārējās membrānas šķērsošanas caur importētājporu, tie nokļūst īpašā Tim mehānismā, kas var ietvert reakcijas ar mazo starpmembrānu telpas Tim -u un Tim 22 - Tim 54 iekšējā membrānā pašā.

Citiem proteīniem nav signālsekvenču, bet tiem parasti piemīt pozitīvi lādētu aminoskābju izstiepumi (dažreiz blakus mebrānu savienojošajam hidrofobajam reģionam), kas reizēm mēdz veidot pret matriksu vērstas cilpas. Tas sasaucas ar pozitīvi lādētās iekšpuses likumu, kad pozitīvi lādētās aminoskābes koncentrējas citosola pusē, lai pēcāk veidotu proteīnus, kam lemts nokļūt granulārajā endoplazmatiskajā tīklā ą mitohondriālie proteīni seko šim likumam, bet šajā gadījumā matriksā koncentrējas pozitīvi lādētās daļiņas.

Mitohondriālā pārneses mehānisma Tim proteīnu bioģenēze: diferencēti tergetinga mehānismi, kas sasaucas ar vispārīgo importēšanas mehānismu. Salīdzināts četru Tim proteīnu maršruts un iekļaušanās membrānā:

• Tim 23 ir viens no iekšējās mebrānas translokātorproteīniem. Tam nav amino terminālo presekvenču - targetēšanas informācija ir atrodama nobriedušā proteīnā. To veido 4 transmembrānas segmenti un 2 pozitīvi lādētas pret matriksu vērstas cilpas. Importācijas signāla nosacījumi:
  • abās cilpās pozitīvi lādētās a/sk tiek aizstātas ar alanīna atlikumiem

  • viena no šīm cilpām ir paredzēta insercijai iekšejā membrānā

  • tergetinga signāls ir atrasts divos no hidrofobajiem segmentiem.

• Tim 54 aminoterminālajā galā atrodas nespecifiskā pozitīvi lādētā sekvence. Kā savu receptoru tas izmanto Tom 70 nevis Tom 20 (ko tam būtu jāizmanto). Pēc importētājporas škērsošanas tas nokļūtst mitohondrija matriksā, pateicoties pozitīvi lādētajai sekvencei; šī procesa realizācijai ir nepieciešami pavadītājproteīni (chaperones) un ATF.

• Tim 22 ir hidrofobisks proteīns, kura receptors ir Tom 20. Tad iet pa Tim 23 maršrutu. Tam nav nepieciešms hsp70 vai ATF energija.

• mazie Tim-i parasti ir atrodami starpmembrānu telpā un nav membrānu proteīni. To receptors un nosūtītājs uz importētājporas kompleksu ir Tom 20. Tomēr Tim-i ir spējīgi iekļūt mitohondrijā arī tad, kad Tom 20 tiek iznīcināts (ar tripsīnu).

Lai proteīni tranlocētos un sasniegtu savu galamērķi, mitohondriji izmanto gan pozitīvi lādēto signālsekvenču signālus, gan membrānu aptverošās hidrofobās sekvences. Ir iespējamas vairākas signālu un insercijas vietas. Tomēr lādēto a/sk sadalīšana palīdz orientēt proteīnu, it kā pozitīvie lādiņi atrastos matriksā. Šādi notiek citohromu iekļūsana mitohondrijos.

Kopsavilkums – proteīnu iekļūšana matriksā

1. pievienojoties pavadītājproteīnam hsp70, ievadāmais proteīns atšķetinās. Čaperona saites ir ATF atkarīgas.

2. Targetēšanas sekvence piesaistās receptoram (parasti Tom20).

3. Receptors ielaiž proteīnu translokatorā, kura serdi veido Tom 40.

4. Proteīna translokāciju sekmē membrānas potenciāls. Iekšējās membrānas transportēšanas kompleksi ir sapumpējuši H⁺ starpmembrānu telpā, padarot mariksu negatīvāku. Tas pievelk proteīnus (signāls ir pozitīvi lādēts). Proteīni šķērso Tim translokatorus. Tim 44 un m-hsp70 turpina vadīt proteīnu cauri porai. ATF atkarīgs process.

5. Cits pavadītājproteīns (chperonin) hsp60 nosaka proteīna trešejās sekvences veidošanos. Arī ATF atkarīgs process.

6. Matriksā tiek nokniebta signālsekvence

5. MITOHONDRIĀLIE LIPĪDI

Jauna mitohondriju biosintēze pieprasa ne vien nukleīnskābes un olbaltumvielas, bet arī lipīdus. Mitohondriji importē lielāko daļu nepieciešamolipīdu. Dzīvnieku šūnās fosfolipīdi – fosfatidilholīns un fosfatidilserīns - tiek sintezēti endoplazmatiskajā tīklā un tad transportēti uz mitohondriju ārējo membrānu. Nozīmīgākā lipīdu biosintēzes reakcija ir importēto lipīdu pārvēršana par kardiolipīnu (biofosfatidilglicerolu). Kardiolipīns ir dubults fosfolipīds, kas satur 4 takskābju astes; mitohondriju iekšējā membrānā tas veido ~20% no kopējā lipīdu daudzuma.

6. ENERĢIJAS REZERVES ŠŪNĀ

Mitohondrijā notiekošo oksidatīvo metabolismu aizsāk piruvāta producēšana no ogļhidrātiem un taukskābēm. Piruvāts un taukskābes no citosola tiek selektīvi transportēti mitihondriju matriksā, kur tiek sašķelti līdz C₂ savienojumam – acetilkoenzīmamA; acetilgrupa tiek iekļauta Krebsa ciklā tālākai degradācijai, un procesu noslēdz elektrontranportķēde, kas nossaka ATF sintēzi.

Lai nodrošinātu nepārtrauktu oksidatīvā metabolisma norisi, dzīvnieku šūnas uzkrāj taukskābes tauku veidā un glikozi glikogēna formā. Pieauguša cilvēka uzkrātais glikogēns spēj nodrošināt normālu šūnu funkcionēšnu vienu dienu, bet tauku pietiek mēnesim. Ja cilvēka energijas rezerves glabātos lielākoties glikogēna formā, tad tā svars pieaugtu par vismaz 60 mārciņām.

Lielākā daļa tauku tiek uzglabāti taukaudos, no kuriem tie izdalās asinīs, kas tos nogādā uz citām šūnām. Vajadzība parādās pēc neēšanas perioda: nakts laikā noris tauku veidošanās – no rīta lielākā daļa acetil-CoA, kas iesaistās Krebsa ciklā, nāk no taukskābēm, turpretim pēc maltītes lielākā daļa acetil-CoA nāk no apēstās glikozes. Glikozes pārpilnība papildina glikogēna vai tauku krājumus. (Dzīvnieku šūnas nespēj vienlaicīgi konvertēt cukurus par taukiem un taukskābes par cukuriem.)

Tauku molekulu veido 3 taukskābes, kas ar estersaiti ir pievienotas glicerolam. Šiem triglicerīdiem nav lādiņa un tie nešķīst ūdenī, citosolā veidojot pilienveida ieslēgumus. Viens liels tauku ieslēgums aizpilda lielāko daļu adipocīta telpas. Daudz mazāki tauku ieslēgumi ir šūnās, kas savām enerģētiskajām vajadzībām šķeļ taukskābes, piemēram, sirds muskuļu šūnās; šie ieslēgumi galvenokārt ir lokalizēti mitohondriju tuvumā. Visās šūnās ārējās un iekšējās membrānas enzīmi regulē taukskābju pārvietošanos no ieslēgumiem uz mitohondriju matriksu.

Glikogēns ir liels, zarots glikozes polimērs, kas atrodas citoplazmā esošās granulās; tā sintēzi un degradāciju regulē nepieciešamība, kurai rodoties, šūnas sašķeļ glikogēnu, veidojot glikozes-1-fosfātu, kas tiek iesaistīts glikolīzē un pārvērsts 2 PVS molekulās. Glikogēna sintēzi regulē giklogēna sintāze, bet degradāciju – glikogēna fosforilāze.

7. ACETIL KOENZĪMA A VEIDOŠANĀS

Isumā: piruvāts tiek degradēts un savienots ar koenzīmu A, lai veidotu acetilkoenzīmuA; izdalās H₂ un CO₂:

2 PVS + NAD + CoAą 2 acetilCoA + 2 NADH + 2 CO₂

Glikolīzē veidotās piruvāta molekulas iekļūst mitohondrijā, kur tiek pārveidotas par acetilkoenzīmuA (acetilKoA). Karboksilgrupa ir atrauta CO₂ veidā, tas pēcāk difundē no šūnas. Tad atlikušais divoglekļu fragments tiek oksidēts, un ūdeņražus, kas oksidēšanas laikā tika atrauti, akceptē NAD+. Finālā acetilgrupa tiek pievienota pie koenzīmaA, kurš satur vairākas triju dažādu enzīmu kopijas.

8. KREBSA CIKLS

Sinonīmi – citronskābes cikls, Trīsoglekļu skābescikls.

Nepārtraukts cikls. Sastāda apmērām trešo daļu no kopējās C savienojumu oksidācijas vairumā šūnu; tā gala produkti ir CO₂ un enerģiski augstvērtīgi elektroni, kuri caur NADH₂ un FADH₂ nokļūst elpošanas ķēdē. CO₂ tiek izdalīts kā atkritumprodukts, bet elektroni, izejot elpošanas ķēdi, saistās ar skābekli, veidojot ūdeni.

acetilCoA + 2H₂O + 3NAD⁺ + FAD ą 2CO₂ + 3H⁺ + 3NADH + FADH₂

Nestabilā acetil CoA saite pārtrūkst un divoglekļu acetil grupa piesaistās pie četroglekļu oksaloacetāta, veidojot sešoglekļu citrātu; enzīms - citrāt sintāze.

Akonitāze izomerizē citrātu par izocitrātu;

Izocitrāts zaudē CO₂, atlikusī piecoglekļu molekula tiek oksidēta un NAD⁺ tiek reducēts; enzīms - izocitrāta dehidrogenāze.

a-ketoglutarāt dehidrogenāze oksidē četroglekļ savien. un reducē NAD⁺. Viedojas sukcinilCoA un izdalās CO₂

Enerģētiskā saite pārtrūkst un CoA radīto energiju aizstāj fosfāta grupa, kas pievienojas GDF, lai veidotuGTF un sukcinātu. GTF donē fosfātgrupu ADF, lai veidotos ATF; enzīms - sukcinil-CoA sintetāze.

Sukcināts tiek oksidēts par fumarātu un FAD tiek reducēts par FADH₂ sukcināte dehidrogenāze ir piesaistīta iekšējai membrānai. FADH₂ satur mazāk energijas kā NADH

Fumarātam fumarāze pievieno ūdeni, kurš pārvietojas ķīmiskās saites, veidojas malāts

Malāts tiek oksidēts un NAD tiek reducēts. Oksaloacetāts tiek atjaunots, lai atkal spētu iesaistīties ciklā; enzīms malāt dehidrogenāze.

2. tabula Krebsa cikla produkti

9. b OKSIDĀCIJA

Norit mitohondriju matriksā. Lai šķērsotu mitohondriju membrānu, acilgrupa tiek pārnesta no acilCoA uz karnitīnu. Pēc tam acilgrupa tiek pārnesta atpakaļ uz CoA.

Oksidēšanās notiek pie b C atoma. Katrs cikla apgrieziens saīsina taukskābes ķēdi par diviem oglekļiem, kas rada acetilCoA un vienu NADH un FADH₂ molekulu. NADH brīvi šķīst matriksā, turprettī FADH₂ paliek cieši saistīts ar tauku acil-CoA dehidogenāzi. AcetilCoA tālāk tiek oksidēts Krebsa ciklā.

10. ELPOŠANAS ĶĒDE

Reakcija NADH + H⁺ + ½O₂ ą H₂ O + NAD⁺ notiek vairākos etapos, tādejādi lielākā daļa energijas tiek konvertēta to uzkrājošā formā nevis izdalīta siltuma veidā. Ūdeņraža atoms iesākumā tiek sadalīts protonos un elektronos. Elektroni iet caur virkni elktronpārnesēju. Veirākos etapos protoni un elektroni īslaicīgi saistās; bet tikai elektrontrsansportķēdes galā elektrons atgriežas pie protona, kad pēdējais neitralizē negatīvo lādiņu, skābekļa molekulai pievienojot galējo elektronu.

NADH ir nozīmīgākais no uzturvielu oksidācijas saņemto elektronu kolektors. Katrs ūdeņraža atoms satur vienu elktronu (e^-) un vienu protonu (H⁺). Katra NADH molekula drīzāk pārnes vienu hidrīdjonu, nevis ūdeņraža atomu: proteīni ir viegli pieejami akvātiskos šķīdumos, tomēr hidrīda jona pārnese uz NADH ir ekvivalenta divu ūdeņraža atomu vai hidrogēna molekulas pānesei (H:^- + H⁺ ą H₂).

Elektrontransportēšanas process sākas hidrīda jonam atdaloties no NADH, lai reģenerētu NAD⁺, un tiekot konvertētam protonā un divos elektronos (H: ą H⁺ + 2e^-). Tie divi elektroni tiks pārnesti uz vienu no (vairāk kā) 15 dažādiem elektronpānesējiem elpošanas ķedē. Elektroni startē ar ļoti augstu energiju, ko pakāpeniski zaudē, pārvietojoties pa elektrontransportķēdi. Lielākoties elektroni tiek pārsūtīti no viena metāla pie otra, katram metāla atomam esot tieši piesaistītam pie olbaltumvielas molekulas, kuras konformācijas maina metālu atomu afinitāti pret elektroniem. Katram nākamajam elpošanas ķēdes kompleksam ir lielāka afinitāte pret elektronu kā iepriekšējam.

Elektroķimiskais protonu gradients

Elektrontransportķēdē izdalītā elektronu energija rada elekttroķīmisko protonu gradientu. Oksidatīvā fosforilācija visticamāk noris esot ciešai asociācijai starp elektronu pārnesējiem un proteīnu molekulām. Elektronu cirkulāciju, tiem dodoties no viena enzīma uz otru, novērš pārnesējproteīni. Elektronu transferācija ir saistīta ar H⁺ uzņemšanu un izdalīšanu, kā arī uz alostēriskām izmaiņām selektētām proteīnu molekulām. Enerģētiski labvēlīgā elektronu plūsma no matriksa uz starpmembrānu telpu caur membrānai pumpē H⁺; tas rada divus nozīmīgus apstākļus:

• pH gradients – matriksā pH augstāks kā citosolā un starpmembrānu telpā, kur pH= ~7;

• membrānas potenciāls(sprieguma gradients) – negatīva iekšpuse un pozitīva ārpuse.

pH gradients (DpH) dzen H⁺ atpakaļ matriksā un OH^- ārā no tā, tādejādi paaugstinot membrānas potenciāla (DV) efektu, kurš velk pozitīvos jonus matriksā, spiežot negatīvos ārā. DpH un DV kopā rada elektrokīmisko protonu grdientu.

Tas rada milivoltos izsakāmu (mV) protondzinējspēku. Tā kā 1pH vienības katra DpH efekts ir ekvivalents ar ~60 mV membrānas potenciālu, kopējais protondzinējspēks ir DV-60(DpH). Tipiskas šūnas respirējoša mitohondrija protondzinējspēks ir ~200mV, un to rada ~140mV membrānas ptenciāls un pH gradients ar ~ -1pH vienību.

Elektroķīmiskā protonu gradientā esošā energija tiek patērēta ATF produkcijā kā arī metabolītu un neorganisko jonu ietransportēšanā matriksā. Vairums energijas tiek patērēta molekulu un jonu transporta procesos, – ATF-āzes darbība patērē mazāk.

Mitohondriālā elektrontransport sistēma

Mitohondriālā elektrontransportsistēma satur četrus lielus proteīnu kompleksus, kas secīgi darbojas, pārnesot elektronus no NADH un FADH uz skābekli. Katrs komplekss satur :

• Vadošo enzīmu, kas katalizē elektronu transportēšanu

• Prostētiskās grupas, kas tieši akceptē un izdala attiecīgos elektronus

• Strukturālie proteīni, kas var regulēt H⁺ kustību pāri membrānai

Papildus tam sistēmā ietilpst arī divi mazi, kustīgi pārnesēji, kas pārnēsā elektronus starp kompleksiem. Viens no tiem ir cit_c – prostētisko grupu saturošs relatīvi mazs proteīns. Ubihinons (koezīms Q) tieši uzņem un izdala elektronus.

Enzimātisko kompleksu izvietojums membrānā ir pielāgots elektronu plūsmas virzienam.

Prostētiskās grupas

Mitohondriālajā elektrontransportēšanas sistēmā prostētiskās grupas, kas cieši iekļautas proteīnos, tieši pārnes elektronus (ubihinons ir izņēmums). Šīs prostētiskās grupas un ubihinons variē starp reducētām un oksidētām pozīcijām, kas atkarīgas no tā, vai elektrons tiek akceptēts vai izdalīts.

• Dominējošo prostētisko grupu tipu veido flavīn adenīna dinukleotīds (FAD) vai flavīna mononukleotīds (FMN).

• Citohroma prostētiskās grupas veido hēms – termiski apstrādāta tetrapirola gredzens ar tā centrā esošu dzelzs atomu. Šīs hēmu grupas pārnes elektronu pārus kā arī spēj saistīt ūdeņradi. Atkarībā no tā, vai elektrons tiek pievienots, vai zaudēts, dzelzs atoms var eksistēt gan reducētā (Fe²⁺), gan oksidētā (Fe³⁺) formā. Citohromu reducēšanai nav nepieciešams ūdeņradis. Mitohondriālo citohromu hēmu grupas – a, a₃, b, c₁ – atšķiras ar tetrapirola gredzena sānu ķedēs esošiem aizvietojumiem, ko nosaka vieds, kādā tie saistās ar proteīnu. Citohroms c atrodas mitohondriju iekšējās membrānas perifērijā. Pārējie citohromi – a, a₃, b, c₁ – ir integrēti mitohondrija iekšējā membrānā.

• Fe/S centri ir trešā dominantākā elektronu transportsistēmas grupa. Tie satur kovalenti saistītus Fe un S atomus, visbiežāk 2Fe/2S atomiem vai 4Fe/4S atomiem. Fe/S proteīna polipeptīdu ķēdē esošais sēra atomus dod cisteīna atlikumi. Atkarībā no tā, vai centrs uzņem vai izdala elektronu, Fe/S centra Fe atomi mijas starp Fe²⁺ un Fe³⁺ formām; reducēšanas procesā ūdeņradis netiek iesaistīts. Fe/S centru un to proteīnu komplementāro formu kombinācija veido Fe-S proteīnus. Mitohondrijos ir konstatēti 13 atškirīgi Fe/S centri; elektronu transporta ķēdē to ir visvairāk

• Cu centri satur vienu proteīnu struktūrā iesaistītu Cu atomu, (gk. histidīna, cisteīna vai metionīna atlikumu veidotajās sānu ķēdēs). Cu atomi mijas starp Cu¹⁺ un Cu²⁺ formām.

Ubihinons satur hinona gredzenu, kura sānu ķēde satur nepolāru grupu atkārtojumus. Ubihinonam, pārnesot abus elektronus un ūdeņradi, ir divi funkcionēšanas veidi, kuros tas var akceptēt vai izdalīt vai nu vienu elektronu un vienu ūdeņradi, vai nu elektronu un ūdeņražu pārus. Vairums ubihinonu darbojas nepolārajā membrānas iekšienes škīdumā, pāvietojot elektronus starp diviem elektrontransportsistēmas vadošajiem kompleksiem; bet virkne citu mitohondriālo hinonu var atrasties kompleksos ar citām prostētiskām grupām. Tā kā hinoni saistās ar ūdeņražiem tik pat labi kā ar elektroniem, tie spēj pārnest protonus, pārnesējkompleksos pumpējot H⁺.

Protonu pumpēšana

Mitohondriālā elektronu transporta sistēma pumpē H⁺ no matriksa uz starpmembrānu telpu, elektroniem plūstot cauri pārnesējiem no NADH un FADH uz skābekli. Izolētu kompleksu sistēma pārvieto H⁺ caur membrānai, tādejādi paaugstinot H⁺ gradientu, kas radies elektronu pārim pārvietojoties no NADH uz O₂. Vēl divus H+ izvada no matriksa apmaiņā pret katru elektronu pāri, ko ūdens radīšanai saņem skābeklis.

Kompleksa reducēšanās izraisa konformācijas izmaiņu vienā vai vairākos tā polipeptīdos, aktivējot H⁺ piesaistes vietu (līdzīgi membrānas matriksa pusei); tālākā oksidācija piesaistes vietu vērš uz pretējo membrānas pusi. Šāds stāvoklis izraisa H⁺ atbrīvošanu sterpmembrānu telpā. Tādejādi kompleksi darbojas kā transportproteīni, energiju gūstot elektronu pārnesē, nevis no ATF. Hinoni saistībā ar dažiem kompleksiem var piedalīties H⁺ piegādē uz to pumpēšanas centriem

I Kompleksa – NADH: ubihinona oksidoreduktāzes raksturojums

Komplekss atrodas eikariotu mitohondriju un purpur fotosintezējošo un tām radniecīgo respirējošo baktēriju plazmatiskajās mebrānās. Tas ir lielākais elpošanas ķēdes komplekss (kā arī viens no lielākajiem katalītiskajiem kompleksiem kopumā), tas sver 80000 D, to veido >22 polipeptīdu ķēdes, un tā forma atgādina vecu zābaku, tas var disociēt divos mazākos subkompleksos – 'zābaka stulmā un pēdā'. Stulms ir izvirzījies ārpus membrānas matriksa pusē, lai tā lielākā daļa atrastos šķidrā fāzē, un satur NAD(H) piesaistes (un ievades elektrotransportķedē) vietas. To veido FMN prostētiskā grupas (no NADH nākošo elektronu pirmā akceptētāja) un Fe/S centrus – N1, N-3, N-4. „Pēda” (hidrofobiskais proteīns) ir iesaistīta membrānā, un satur katalītisko saitu, kurā reducējas ubihinons un piesaistās inhibitors, un vairākus Fe/S centrus.

Subvienību saturs. Vismaz14 polipeptīdu ir kopīgi mitohondriālajos un bakteriālajos kompleksos. Kopīgās prostētiskā grupas ir 1FMN un 6-8 Fe/S klasteri. Mitohondriālie kompleksi satur palīgstruktūras, kurām nav baktērijās eksistējošu homologu.

Kompleksa darbības mehānisms:

NADH: ubihinona oksidoreduktāze ievada elpošanas ķēdi no Krebsa cikla NAD atkarīgās dehidrogenāzes.

NADH: Ubihinona oksidoreduktāze katalizē NADH oksidāciju, ubihinona redukciju un 4H⁺/ NADH tranferēšanu caur sajūdzošajai membrānai.

NADH + H⁺ + Q + 4H⁺_N ó NAD⁺ + QH₂ + 4H⁺_P

Komplekss saista NADH oksidāciju un ubihinona reducēšanu, lai radītu protonu gradientu, ko lieto ATF sintēzē.

II Kompleksa – sukcināt dehidrogenāzes – raksturojums

Flavoproteīns, kas satur 4 polipeptīdus, FAD un 2 Fe/S centrus. Vienīgais Krebsa cikla enzīms, kurš atrodas membrānā. Pārnes elektronu pāri no sukcināta uz FAD, un tālāk caur Fe/S klasteriem uz ubihinonu.

III Kompleksa – Ubihinola: citohroma c oksidoreduktāzes –raksturojums

Komplekss satur vismaz 8 dažādus polipeptīdu ķēdes un tiek uzskatīts par dimēru, kura masa ir ~500000 D. Katrs monomērs satur trīs hēmus, kas saistīti ar citohromiem un Fe/s proteīniem.

Funkcija. Enzīms membrānā, akceptējot elektronus, oksidē ubihinolu (ubihidrohinonu) un starpmembrānu telpā (vai baktēriju periplazmā), donējot elektronus, reducē citohromu c; lieto brīvo energiju, lai transportētu 2 (vektoriālus) H⁺/QH₂ caur membrānai no matriksa (N pusi) uz starpmembrānu telpu (P pusi), un papildus izdala 2 (skalārus) H⁺/QH₂ starpmembrānu telpā.

QH₂ + 2fericit c³⁺ + 2H⁺_N ó Q + 2ferocit c²⁺ + 4H⁺_P

Subvienību struktūra:

1) bc₁ komplekss sirds mitohondrijos

2) Rhrodobacter sphaeoides bc₁ komplekss

Komplekss ir dimērisks, pa vertikālo membrānas asi divstaru simetrija.

Dimēra dimensija ir ~300Å diametrā un 151Å augstumā, ar starpmembrānu telas rajonu 41Å, transmembrānas rajonu 35Å un matriksa reģions dod 75Å.

prostētiskās grupas. cit b₂, cit b_H (tuvu antimicīna piesasistes vietai), cit c₁, 2Fe.2S centrs. cit b₂ ą cit b_H distance ir 20Å (13Å novirsotnes līdz virsotnei), perpendikulāri membrānai. Hēmu centru pozīcijas ir praktiski vienādas visās struktūrās. Cit b₂ hēma abi monomēru attālums dimērā ir 21Å; cit b_H hēmus atdala 33Å, bet cit c₁ hēmus – 53Å.

Kompleksa darbības mehānisms:

bc₁-komplekss darbojas pēc modificēta Q-cikla mehānisma. Reakcijas katalizē 3 subvienības: cit b, saturošs divus b-veida hēmus: b_L (zema potenciāla ) un b_H (augsta potenciāla), cit c₁, saturošs hēmu c₁, un Fe/S proteīns, saturošs Fe₂S₂ centrus. hinols tiek oksidēts kompleksa Q₀ saitā. Reakcija ir augsti determinēta un tai piemīt relatīvi augsts aktivācijas līmenis. Hinola oksidācija paredz divpusēju reakciju, kurā viens elektrons tiek transferēts uz augsta potenciāla ķēdi un cits uz zema potenciāla ķēdi. Augstā potenciāla ķēde, veidota no ISP, cit c₁ un cit c (vai c₂), transferē pirmo elektronu no hinola uz akceptoru (mitohondrijos citohromoksidāze), atstājot semihinolu Q₀ nepārvietotu. Tā kā semihinolu forma ir nestabila, reakcija Q₀ saitā parādās it kā saskaņojoties elektronu transferācijai no semihinolu Q₀ saita uz Q₁ saitu, kurā hinons tiek reducēts per hinolu. Lai notiktu elektronu nokļūšana Q₁ saitā, kur notiek hinona redukcija, Q₀ saits oksidē divus hinola ekvivalentus sekojošoos apgriezīenos. Pirmais elektrons Q₁ saitā rada stabilu semihinonu, kuru nākamais elektrons reducē par hinolu. Oksidācijas un reducēšanas reakciju saistība ar H⁺ uzņemšanu vai izdalīšanu ūdens vidē, ļauj kompleksam pumpēt protonus caur membrānai. Elektronu transferācija starp abiem Q saitiem caur cit b ķēdi rada elektrogēnisku darbu.

IV komplekss – citohroma c oksidāze

To veido 3 kompleksi. Tas ir izolēts kā domērs (ar ~300000 D masu); katrs monomērs satur vismaz 9 dažādas polipeptīdu ķēdes, ieskaitot 2 cit un 2 Cu atomus.

Hēma/Cu terminālās oksidāzes katalizē O₂ redukciju par ūdeni ar 4 e^-, saistot to ar membrānas elektroķīmisko protonu gradientu.

4D_red + O₂ + 8H⁺_iekšā ą 4D_oks + 2H₂O + 4H⁺_ārā

D_red un D_ox – reducētās dimēra formas;

H⁺_iekšā un H⁺_ārā – protoni, kas tiek pumpēti no matriksa uz citosolu.

Citohromoksidāzes elektronu donors ir cit c. Enzīms satur 2Fe centrus, hēmu a (cit a) un hēmu a₃ (cit a₃), un 2Cu centrus – Cu_A un Cu_B. Subvienību skaits variē no 3 (dažās baktērijās) līdz 13 (zīdītāju mitohondrijos).

Pilnīgi oksidētu enzīmu reducē cit c ietvertās a^II₃ – Cu^I_B. O₂ reaģē ar reducēto formu, lai veidotu īslaicīgu Fe-oksi starpformu, kas tiek konvertēta tiltu veidojošā peroksīdā, kas adsorbējas 607 nm diapazonā. 1e- redukcija rezultējas feril starpformā, kas adsorbējas 580 nm; šis komplekss reducē elektronu, lai atkal veidotos oksidētais komponents. Divas vēlākās sekmīgās elektronu transferācijas tiek saistītas ar protonu translokāciju caur membrānu.

11. ATF SINTĒZE

ATF sintēze ir atkarīga no hemiosmotiskā spiediena un elektroķimiskā protonu gradienta. Mitohondriālā matriksa enzīmiem, kas piedalās Krebsa ciklā u.c. metaboliskos procesos, jābūt apgādātiem ar augstu substrāta koncentrāciju, bet ATF-āzei ir jābūt apgādātai ar ADF un fosfātu.

ATF molekulas, kas rodas citosolā hidrolizējoties ATF, strauji nonāk mitohondrijā, lai atkal tiktu uzlādētas, kamēr mitohondriju radītās ATF molekulas tiek importētas citosolā, kur to klātbūtne ir visnotaļ nepieciešama. ATF koncentrācija šūnā parasti ir 10 reižu augstāka kā ADF koncentrācija. ATF koncentrācija ir atkarīga no ADF un Pn koncentrācijas. Ja šūnā aptur mitohondriju aktivitāti, ATF līmenis krīt un šūnas energija mazinās, tādejādi galu galā enerģiju patērējošās reakcijas vairs nekoordinē ATF hidrolīze.

Katra NADH elektronu pāris ir apgādāts ar energiju, kas dod iespēju veidot ~2,5 ATF molekulas, bet FADH₂ elektronu pāris ir spējīgs formēt tikai ~1,5 ATF molekulas. Tādejādi no viņa acil-CoA Krebsa ciklā tiek radītas 10 ATF, no kā izriet, ka viena glikoze Krebsa ciklā dod 20 ATF, bet viena palmitīnskābe dod 84 ATF. Ja pieskaita energiju radošās reakcijas, kas notiek pirms acilCoA veidošanās, tad kopumā glikozes oksidācija dod 30 ATF, bet vienas palmitāta molekulas oksidācija dod 110 ATF. Šie ir maksimāli pieļaujamie skaitļi, jo patiesais radītā ATF daudzums ir atkarīgs no tā, kādā elektroķimiskā gradienta daļa ir tikusi izlietota citiem mērķiem, ne ATF sintēzei.

Brīvo enerģiju, kas pāriet no sadedzinātajiem taukiem un karbohidrātiem uz CO₂ un H₂O, saistot ar totālo biologiskās oksidācijas laikā radīto energijas daudzumu, kas uzglabājas ATF fosfātsaitēs, ir redzams, ka oksidācijas enerģija tiek konvertēta ATF saitēs ar >40% efektivitāti. Tas ir ievērojami efektīvāk kā vairumā nebioloģiskos energijas konvertēšanas mehānismos. Ja šūnas strādātu ar elektromotora efktivitāti (10-20%), tad organismam sevis apgādāšanai nepārtraukti būtu rijīgi jāēd.

F₀F₁-ATF-āzes struktūra

Metabolīti mitohondriju ārējo membrānu škērso brīvi. Iekšējā membrānā specifiskais proteīnu transports importē piruvātu, ADF un neorganisko P, bet eksportē atf. Citosolā radīto nadh iekšējā membrāna nelaiž cauri, tādejādi neļaujot tam tieši transportēties tieši uz matriksu. Atspoļveida sistēmas transportē elektonus no citosoliskā NADH uz matriksā esošo NAD. Skābeklis un CO₂ spēj difundēt caur membrānai. Piruvāta oksidācija Krebsa ciklā rada NADH un FADH₂. Elektroni no šiem reducētjiem koenzīmiem caur elektronu transportkompleksiem tiek transportēti uz skābekli saskaņā ar ūdeņražu jonu transportu no matriksa uz starpmembrānu telpu, radot protondzinējspēku, ko iejūdz F₀F₁ komplekss, lai sintezētu ATF.

F₀F₁-ATF-āze satur 24 polipeptīdu subvienības. Šo polipeptīdu komplekss ir pilnīgi savienots ar mitohondriālo membrānu. F₀F₁-ATF-āzes nosaukumu pamato fakts, ka tā var tikt sadalīta divās subvienībās. F₁ subvienību veido polipetīdu grupas, ko no mitohondriju iekšējās membrānas var atdalīt ar saudzīgu apstrādi. Turklāt F₀ subvienību var atraut, pakļaujot to membrānu iznīcinošiem deterģentiem, jo F₀ subvienību veidojošie polipeptīdi ir izšķidināti nepolārajā membrānas iekšienē. Šīs abas subvienības ir saskatāmas elektronmikroskopā kā galviņa, ko ar bazālo vienību (F₀) savieno kātiņš.

E.Coli F₀F₁-ATF āzes enzīmi satur 8 subvienības. F₁ galviņa un kātiņš ir veidoti no 5 subvienībām – a, b, g, d un e – attiecībā: a₃b₃gde. b subvienība satur saitus ADF pārvēršanai par ATF un tā izvadīšanai. F₀ bazālā vienība ir viedota no 3 subvienībām – a, b un c – attiecībā ab₂c_6–12. Kanāls, pa kuru H⁺ šķērso membrānu ir veidots no 6–12 cirkulāri izvietotām c subvienībām. ATF-āzes molekulārkopsvars ir ~529,000.

ATF āzes divvirziena darbība

ATF-āze var lietot gan ATF hidrolīzes energiju (pumpē H⁺ caur iekšējo membrānu), gan arī spēj iejūgt H⁺ plūsmu pa gradientu (veido ATF). Tādejādi tā darbojas kā atgriezeniska mašinērija, pārvēršot elektroķīmisko protonu gradientu un ķīmisko saišu enerģijas. Darbības virziens ir atkarīgs no elektroķimiskā protonu gradienta krituma un lokālā DG, lai hidrolizētu ATF.

Nosaukums ir pamatots ar to, ka tās darbību pamatā nosaka elpošanas ķēdē radītais elektroķīmiskai protonu gradients, kas determinē ATF veidošanu. ATF-āze veido vienu ATF molekulu pret 3H⁺, kas iziet caur to.

Tākā ATF-āzes darbošanās, lai sintezētu vai hidrolizētu ATF, ir atkarīga no balansa starp efektīvo brīvo enerģiju, kas pārvieto 3H⁺ caur membrānai, un neefektīvo brīvās enerģijas maiņu, kas sintezē ATF (DG_{ATF sint.}, >0). G_{ATF sint.} vērtība ir atkarīga no ATF, ADF un P_n vispārējās koncentrācijas matriksā. DG_3H⁺ vērtība ir proporcionāla protondzinējspēka vērtībai. H⁺ pārvietošanās uz matriksu pa 200mV elektroķīmisko gradientu atbrīvo 4,6 kcal/mols brīvās enerģijas(DG_3H⁺ = -13,8 kcal/mols). Tādejādi, ja protondzinējspēks paliek konstants (200mV), ATF-āze sintezēs ATF, kamēr ir sasniegta ATF:ADF+P_n proporcija; DG_{ATF sint.} = +138 kcal/mols (DG_{ATF sint.} + DG_3H⁺ = 0). Šajā punktā nenotiks tālāka ATF sintēze vai hidrolīze.

Sakarā ar lielo pēkšņi hidrolizētas ATF daudzumu citosolā izraisās ATF:ADF attiecības krišanās matriksā, kā rezultātā DG_{ATF sint.} palielināsies, un ATF-āze sāks sintezēt ATF, lai atjaunotu ATF:ADF attiecību. Turpretim, ja protondzinējspēks krītas pēkšņi un sasniedz 160 mV vērtību, DG_3H⁺ mainīsies uz -11,0 kcal/mols, kārezultātā ATF-āze sāks hidrolizēt matriksā esošo ATF, līdz jauna ATF:ADF proporcija tiek sasniegta(tad DG_{ATF sint.} = +11,0 kcal/mols) un tā tālāk.

12. BRŪNO TAUKU ŠŪNAS

Vairākās specializētās šūnās mitohondriālā respirācija ir atjūgta no ATF sintēzes. Šajās šūnās lielāka daļa oksidācijas enerģijas tiek izkliedēta siltuma veidā nevis ATF sintezē. Šo šūnu mitohondriju iekšējās membrānas satur īpašus transportproteīnus, kas ļauj olbaltumvielām pārvietoties pa elektroķīmisko gradientu bez ATF-āzes aktivācijas. Rezultātā šūnas strauji oksidē tauku rezerves un producē vairāk siltuma kā ATF. Šādas šūnas saturoši audi tādejādi kalpo kā 'siltuma polsteri', kas atdzīvina ziemguļošos dzīvniekus un pasargā jaundzimušo jūtīgās vietas no nosalšanas.

13. URĪNVIELAS CIKLS

Glutamāts no citoplazmas nonāk mitohondrijos, kur notiek tā oksidatīva dezaminēšana. To katalizē glutamāt dehidrogenāze, kura allosteriski inhibē GTP, bet aktivēATF.

Urīnvielas cikla 1. un 2. raekcija notiek mitohondriju matriksā, bet urīnviela sintezējas citoplazmā.

KOPSAVILKUMS

• Matrikss satur DNS, RNS un ribosomas, kas kodē un translē kodu atslēgproteīniem
• Mitohondriju genomā ir savādāks kodu atšifrējums
• Ārējās membrānas struktūra atpazīst mitohondriālos proteīnus un translocē tos uz starpmembrānu telpu vai pašu membrānu
• Iekšejā membrāna turpina proteīnu translokāciju uz matriksu vai pašu membrānu
• Matriksa pavadītājproteīni izspiež matriksam domātos proteīnus caur Tim
• Matriksā esošie pārnesējproteīni pabeidz proteīnu izveidi
• Iekšejās membrānas uzbūve nosaka elektronu plūsmu un ATF sintāzes funkcionēšanu
• Iekšejās membrānas stuktūra rada membrānas gradientu, kas nosaka proteīnu nokļūšanu matriksā un iekšejā membrānā
• Mitohondriālā elpošanas ķēde ir protonu translocētāja; tā pumpē ārā H⁺, kad pa to tiek transportēti elektroni.
• ATF-āze arī translocē protonu cauur iekš. membr. Esot spējīga darboties divos virzienos, tā var lietot ATF hidrolīzes energiju, lai pumpētu H+ caur membrānai, bet pietiekami augsta protonu gradienta klātbūtnē, protonu plūsma ir vērsta pretējā virzienā un vada ATF sintēzi
• Oksidatīvā fosforilēšanās ir ATF sintēze, kas notiek līdz ar elektronu pārnesi no NADH vai FADH₂ uz skābekli mitohondriju elektrontransporta (elpošanas) ķēdē.
• Elektronu transporta ķēdes komponenti atrodes energosajūdzosšās membrānās.

LITERATŪRA

Alberts B.1994. Molekular biology of the cell. NY:Garland puublisching,inc. 655-683; 704-717
http://anatomy.utmb.edu/cellbio/mitoch2.htm
http://anatomy.utmb.edu/cellbio/mitoch3.htm
http://arc-gen1.life.uiuc.edu/Bioph354/complex_I.html
http://www.life.uiuc.edu/crofts/bioph354/bc-complex_summary.html
http://arc-gen1.life.uiuc.edu/Bioph354/bc-complex_summary.html
http://bioinf.leeds.ac.uk/promise/COX.html
http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255atp/tsld014.htm
http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/acecoa.html
http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/krebpic.html
http://ntri.tamuk.edu/cell/mitochondrion/atpcalc.html
http://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/patho/diagrams/mito.htm

 

[an error occurred while processing this directive]  [an error occurred while processing this directive] 

Google

LU

LU BF

LDF

Ezeri

Sugu enciklopēdija

Bioloģisk� daudzveidība

Latvijas daba

Piekrastes biotopi

Malokologu biedrība

Bot�nikas biedrība

Meklē

Raksti mums

[an error occurred while processing this directive] Lappusi «pamatlapa.shtml» veidoja [an error occurred while processing this directive] © Ināra Andersone
sadarbīb� ar karlo@lanet.lv [an error occurred while processing this directive] 2000.06.14.