Строение митохондрий

Митохондрии являются органеллами клеток. Наружная мембрана проницаема для многих малых молекул и ионов, поскольку содержит много митохондриальных поринов – белков с молекулярной массой 30-35 кДа (называются также VDAC). Электрозависимые анионные каналы VDAC регулируют поток анионов (фосфаты, хлориды, органические анионы и адениловые нуклеотиды) через мембрану. Внутренняя мембрана митохондрий не проницаема для большинства ионов и полярных молекул. Имеется ряд специальных переносчиков для АТФ, пирувата и цитрата через внутреннюю мембрану митохондрий. Во внутренней мембране митохондрий выделяют матриксную (N) поверхность и цитозольную (Р) поверхность.

Митохондрии содержат собственную кольцевую ДНК, которая кодирует синтез ряда РНК и белков. Человеческая митохондриальная ДНК содержит 16569 пар оснований и кодирует 13 белков цепей переноса электронов. Митохондрии также содержат также ряд белков, которые кодируются ядерной ДНК.

Компоненты дыхательной цепи

Митохондриальная дыхательная цепь состоит из серии последовательных переносчиков электронов, большинство из которых являются интегральными белками с простетическими группами, способными принимать и отдавать один или два электрона. Различают три типа переноса электронов: 1) прямой перенос электронов, например, за счет восстановления Fe³⁺ в Fe²⁺; 2) перенос атомов водорода (Н⁺ и е¯ ); 3) перенос гидрид-иона (:Н^-), который содержит два электрона.

Электроны для дыхательной цепи образуются в результате действия ферментов дегидрогеназ – пиридинзависимых дегидрогеназ и флавиновых ферментов, которые собирают электроны от субстратов катаболических путей и аккумулируют их в универсальных акцепторах электронов – никотинамидных нуклеотидах (НАД⁺ или НАДФ⁺) или флавиновых нуклеотидах (ФМН или ФАД).

Пиридинзависимые дегидрогеназы

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – сложные ферменты, у которых в качестве кофактора выступает НАД⁺ или НАДФ⁺.

2. НАД⁺ или НАДФ⁺ являются водорастворимыми коферментами, которые свободно диссоциируют от апофермента. Их специфичность определяется апоферментом.

3. Ферменты локализованы в матриксе митохондрий и цитозоле. Для некоторых их них имеются митохондриальные и цитозольные изоферменты.

4. Уравнение реакции, катализируемой пиридинзависимыми дегидрогеназами, можно изобразить следующим образом:

SН₂ + НАД⁺ ↔ S + НАДН + Н⁺

SН₂ + НАДФ⁺ ↔ S + НАДФН + Н⁺

5. Активной частью НАД⁺ (НАДФ⁺) является никотинамидное кольцо (витамин РР, ниацин), которое в окисленном состоянии является ароматическим и имеет положительный заряд (поэтому окисленная форма кофермента обозначается НАД⁺ (НАДФ⁺), хотя суммарный заряд отрицательный).

6. Под действием пиридинзависимых дегидрогеназ от субстрата отщепляется 2 атома водорода. В пара-положение (по отношению к атому азота) никотинамидного кольца переносится протон и 2 электрона (гидрид-ион, Н^-). Второй протон остается в среде. Восстановленную форму НАД⁺ обозначают НАДН+Н⁺.

7. НАД⁺ может получать восстановительные эквиваленты от субстратов, которые окисляются НАДФ-зависимыми дегидрогеназами в реакции, катализируемой никотинамиднуклеотид-трансгидрогеназой:

НАДФН + НАД⁺ ↔ НАДФ⁺ + НАДН

8. Суммарная концентрация НАД⁺+НАДН в тканях составляет около 10^-5 моль, НАДФ⁺+НАДФН в 10 раз меньше. В большинстве клеток и тканей отношение НАД⁺/НАДН является высоким, что способствует окислению субстратов и переносу гидрид-иона к НАД⁺. В то же время, количество НАДФН превышает количество окисленной формы, что обеспечивает перенос гидрид-иона от НАДФН к субстрату.

Метаболическая роль коферментов: НАД⁺ используется в окислении, которое является частью катаболических процессов, НАДФН используется как восстановитель в анаболических реакциях (биосинтезы, обезвреживание).

Некоторые ферменты могут использовать оба кофермента, но большинство ферментов имеют один из пиридинзависимых коферментов.

9. НАДН и НАДФН не проходят через внутреннюю мембрану митохондрий, но могут передавать электроны в митохондрию через специальные механизмы.