Схема окислительного фосфорилирования (слева), в ходе
которого синтезируется АТФ. Высокоэнергетические электроны проходят по
переносящей их цепи, и часть высвобождаемой при этом энергии используется для
откачивания протонов из матрикса. На внутренней мембране возникает
электрохимический протонный градиент, благодаря чему Н+ снова возвращаются в
матрикс через АТФ-синтетазу. Этот фермент использует энергию протонного тока
для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (P). На рисунке приведены также
схема строения АТФ-синтетазы (в середине) и модель действия этого фермента.
Протоны, оставшиеся после отрыва электронов от атомов водорода, за счет энергии
электронного транспорта выталкиваются из матрикса в межмембранное пространство.
Возникающая при этом разность концентраций (градиент) ионов Н+ создает мембранный
потенциал митохондрий (Dym), энергия которого и используется для фосфорилирования
аденозиндифосфата (АДФ).
Фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование АТФ из АДФ и
неорганического фосфата, представляет собой встроенное во внутреннюю мембрану
грибовидное тельце с каналом в центре. Когда ион Н+ прорывается по этому каналу в
матрикс, энергия протонного тока идет на синтез АТФ. Других путей возвращения в
матрикс у протона нет, поскольку в нормальном состоянии
внутренняя мембрана
непроницаема для ионов. Процесс синтеза АТФ за счет энергии переноса электронов
называется окислительным фосфорилированием.
В матриксе протоны соединяются с кислородом, восстановленным в ходе работы
электронтранспортной цепи, и образуется вода. Но если он восстанавливается не
полностью, появляются активные формы кислорода (АФК): супероксидный радикал (О2·–
), перекись водорода (Н2О2) и гидроксильный радикал (ОН·). В митохондриях
образование АФК, этого побочного продукта, усиливается при повышении скорости
потока электронов, увеличении концентрации кислорода и
разобщении дыхания и
окислительного фосфорилирования веществами, которые вызывают проницаемость
внутренней мембраны.
Органеллы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки, обеспечивают и ее смерть.
При сильном стрессовом воздействии (переохлаждении; нагревании; стимуляции
образования АФК другими структурами клетки, помимо митохондрий; перекисном
окислении липидов плазматической мембраны - чаще всего при облучении) в цитоплазме
резко повышается концентрация ионов кальция. Если
кальциевые депо клетки не
справляются с его утилизацией, открывается так называемая митохондриальная пора
диаметром 2.6-2.9 нм. Она представляет собой канал, проходящий через обе
митохондриальные мембраны и состоящий из трех белков: транслокатора адениновых
нуклеотидов, потенциалзависимого анионного канала (порина) и бензодиазепинового
рецептора. Когда этот комплекс связывается с Са2+, через мембранную пору могут
проходить вещества с небольшой молекулярной массой. Это приводит к падению
мембранного потенциала и набуханию матрикса, целостность
внешней мембраны
неизбежно нарушается, и из межмембранного пространства в цитоплазму выходят белки
апоптоза. Их несколько: фактор, индуцирующий апоптоз (APOptosis-inducing factor - AIF),
вторичный митохондриальный активатор каспаз (second mitochondria-derived activator of
caspases - Smac) и некоторые прокаспазы. Индуцирующий фактор направляется прямо в
ядро, где вызывает деградацию ДНК.
Наряду со специфически апоптозными белками, из митохондрии через открытую пору
выходит цитохром с, который в норме служит конечным звеном электронтранспортной
цепи. В цитоплазме этот белок связывается с белком Apaf-1 (APOptotic protease activating
factor-1 - активирующий протеазу фактор-1) и формирует апоптосомный комплекс. Он с
помощью Smac и еще одного фактора (Omi/HtrA2) активирует прокаспазу-9, та, став
каспазой-9, превращает два других профермента в каспазы-3 и -7; а они уже расщепляют
структурные белки, приводя к появлению биохимических и морфологических признаков
апоптоза. В числе первых можно назвать, в частности, переход фосфатидилсерина в
наружный мембранный слой и фрагментацию ДНК. Из вторых признаков наиболее
характерны “отшелушивание” клетки от матрикса, сморщивание мембраны, сжатие ядра и
формирование пузырьков с клеточным содержимым - апоптозных телец.
Цитохром с электростатически и гидрофобно связан с
внутренней мембраной
митохондрий
через
фосфолипиды,
преимущественно
через
кардиолипин.
Электростатически взаимодействуют между собой положительно заряженные остатки
аминокислоты лизина в цитохроме и отрицательно заряженные фосфатные группы в
кардиолипине. За счет гидрофобного взаимодействия между углеродной цепью этого
фосфолипида и гидрофобными участками молекулы цитохрома еще более укрепляется
связь фермента с митохондриальной мембраной, что обеспечивает даже его частичное
погружение в ее слой.
Следовательно, для выхода цитохрома с в цитоплазму одного лишь нарушения
целостности митохондриальной мембраны недостаточно. Электростатически связанный
цитохром с может
оторваться от кардиолипина, если изменяется ионная сила, плотность
поверхностного заряда или рН, а связанный гидрофобно - за счет окислительной
модификации митохондриальных липидов. Последнюю реакцию как раз и вызывают
активные формы кислорода, которые неизбежно образуются при любых сильных
воздействиях (стрессах), а открывание поры усиливает этот процесс.
Однако цитохром с не всегда нужен для запрограммированной смерти. Апоптоз в
сердечной ткани, например, вообще протекает без этого фермента, он так и не выходит из
межмембранного пространства.
Достарыңызбен бөлісу: