Kirish I bob mitoxondriyaning tuzilishi va rivojlanish tarixi

2.4 Nafas zanjirida ATF sintezi jarayonida sodir bo`ladigan o`zgarishlar.
ATF sintezi.Strukturaviy va funksional nuqtai nazardan, ATF sintaza F 1 va F 0 belgilari bilan belgilangan ikkita katta bo'lakdan iborat. Ulardan birinchisi (konjugatsiya omili F1) mitoxondriyal matritsa tomon yo'naltirilgan bo'lib, balandligi 8 nm va kengligi 10 nm bo'lgan sharsimon shakllanish shaklida membranadan sezilarli darajada chiqib turadi. U besh turdagi oqsillar bilan ifodalangan to'qqizta subbirlikdan iborat. Uchta a subbirliklarining polipeptid zanjirlari va bir xil miqdordagi b bo'linmalari tuzilishi o'xshash oqsil globullariga o'ralgan bo'lib, ular birgalikda geksamer (ab) 3 ni hosil qiladi, bu biroz yassilangan sharga o'xshaydi. Zich o'ralgan apelsin bo'laklari singari, ketma-ket joylashgan a va b bo'linmalari 120 ° aylanish burchagi bilan uch karra simmetriya o'qi bilan tavsiflangan strukturani tashkil qiladi. Ushbu geksamerning markazida ikkita cho'zilgan polipeptid zanjiridan hosil bo'lgan va taxminan 9 nm uzunlikdagi biroz deformatsiyalangan kavisli tayoqchaga o'xshash g bo'linmasi joylashgan. Bunda g subbirligining pastki qismi sferadan 3 nm ga F0 membrana kompleksi tomon chiqib turadi. Shuningdek, geksamer ichida g bilan bog'liq bo'lgan kichik bo'linma e joylashgan. Oxirgi (to'qqizinchi) kichik birlik d belgisi bilan belgilanadi va F 1 ning tashqi tomonida joylashgan.
Konjugatsiya omili F 0 deb ataladigan ATF sintazasining membrana qismi membrana orqali o'tadigan va vodorod protonlarining o'tishi uchun ikkita yarim kanalga ega bo'lgan hidrofobik oqsil kompleksidir. Hammasi bo'lib, F 0 kompleksi bitta turdagi protein bo'linmasini o'z ichiga oladi a, kichik birlikning ikki nusxasi b, shuningdek, kichik bo'linmaning 9 dan 12 nusxasi c. Subbirlik a(molekulyar og'irligi 20 kDa) membranaga to'liq botiriladi va u erda uni kesib o'tgan oltita a-spiral kesma hosil qiladi. Subbirlik b(molekulyar og'irligi 30 kDa) membranaga botirilgan faqat bitta nisbatan qisqa a-spiral bo'limni o'z ichiga oladi, qolgan qismi esa membranadan F 1 tomon sezilarli darajada chiqib turadi va uning yuzasida joylashgan d bo'linmasiga mahkamlanadi. Bo'limning 9-12 nusxasining har biri c(molekulyar og'irligi 6-11 kDa) ikki hidrofobik a-spiralning nisbatan kichik oqsili bo'lib, F 1 tomon yo'naltirilgan qisqa hidrofilik halqa bilan bir-biriga bog'langan va ular birgalikda silindr shaklida bo'lgan yagona ansamblni hosil qiladi. membrana. F 1 kompleksidan F 0 ga chiqadigan g bo'linmasi faqat shu silindrning ichiga botiriladi va unga mahkam bog'langan.

Shunday qilib, ATF sintaza molekulasida ikki guruh oqsil bo'linmalarini ajratib ko'rsatish mumkin, ular dvigatelning ikki qismiga o'xshab ko'rsatilishi mumkin: rotor va stator. "Stator" membranaga nisbatan harakatsiz bo'lib, uning yuzasida joylashgan sferik geksamer (ab) 3 va d bo'linmasini, shuningdek sub birliklarni o'z ichiga oladi. a va b membrana kompleksi F 0. Ushbu dizaynga ko'ra harakatlanuvchi "rotor" g va e bo'linmalaridan iborat bo'lib, ular (ab) 3 kompleksidan sezilarli darajada chiqib, membranaga botirilgan subbirliklarning halqasi bilan bog'langan.

ATF sintez qilish qobiliyati vodorod protonlarini F 0 orqali F 1 ga o'tkazish bilan birlashtirilgan yagona kompleks F 0 F 1 xossasi bo'lib, ikkinchisida ADF va fosfatni ATF molekulasiga aylantiradigan katalitik markazlar joylashgan. ATF sintazasining harakatlantiruvchi kuchi elektron tashish zanjirining ishlashi natijasida mitoxondriyaning ichki membranasida hosil bo'lgan proton potensialidir.
ATF sintazasining "rotorini" harakatga keltiradigan kuch, membrananing tashqi va ichki tomonlari o'rtasidagi potentsial farq > 220 mV bo'lganda yuzaga keladi va F 0 ning chegarasida joylashgan maxsus kanal orqali oqib o'tadigan protonlar oqimi bilan ta'minlanadi. sub birliklar a va c. Bunday holda, proton uzatish yo'li quyidagi tarkibiy elementlarni o'z ichiga oladi:

1. 
   Ikki to'g'rilanmagan "yarim kanal", ularning birinchisi protonlarning membranalararo bo'shliqdan F 0 muhim funktsional guruhlarga oqishini ta'minlaydi, ikkinchisi esa mitoxondriyal matritsaga chiqarilishini ta'minlaydi;
   
2. 
   Subbirliklarning halqasi c, ularning har biri o'zining markaziy qismida H + ni membranalararo bo'shliqdan biriktirishga va ularni tegishli proton kanallari orqali berishga qodir bo'lgan protonlangan karboksil guruhini o'z ichiga oladi. Subbirliklarning davriy siljishi natijasida bilan, proton kanali orqali protonlar oqimi tufayli g bo'linmasi aylanadi, subbirliklarning halqasiga botiriladi. bilan.
   

Shunday qilib, ATF sintazasining katalitik faolligi uning "rotori" ning aylanishi bilan bevosita bog'liq bo'lib, bunda g bo'linmasining aylanishi bir vaqtning o'zida barcha uchta katalitik b bo'linmalarining konformatsiyasida o'zgarishlarga olib keladi va bu oxir-oqibat fermentning ishlashini ta'minlaydi. . Bunday holda, ATF hosil bo'lganda, "rotor" soat yo'nalishi bo'yicha sekundiga to'rt aylanish tezligida aylanadi va juda o'xshash aylanish 120 ° diskret sakrashlarda sodir bo'ladi, ularning har biri hosil bo'lishi bilan birga keladi. bitta ATF molekulasi. ATF sintezining to'g'ridan-to'g'ri funktsiyasi F 1 konjugatsiya kompleksining b-subbirliklarida lokalize qilinadi. Shu bilan birga, ATF hosil bo'lishiga olib keladigan hodisalar zanjiridagi eng birinchi harakat ADF va fosfatning erkin b-kichik birlikning faol markaziga bog'lanishi bo'lib, u 1-holatda bo'ladi. tashqi manba (proton oqimi), konformatsion o'zgarishlar F 1 kompleksida sodir bo'ladi, buning natijasida ADF va fosfat katalitik markaz (2-holat) bilan mustahkam bog'lanadi, bu erda ular o'rtasida kovalent bog'lanish hosil bo'lishi mumkin bo'ladi, bu esa etakchi hisoblanadi. ATF hosil bo'lishiga olib keladi. ATF sintazasining ushbu bosqichida ferment amalda energiya talab qilmaydi, bu keyingi bosqichda fermentativ markazdan mahkam bog'langan ATF molekulasini chiqarish uchun kerak bo'ladi. Shuning uchun ferment faoliyatining navbatdagi bosqichi F1 kompleksida energiyaga bog'liq bo'lgan struktura o'zgarishi natijasida qattiq bog'langan ATP molekulasini o'z ichiga olgan katalitik b-kichik birlik 3-holatga o'tadi, bunda ATF va ATF o'rtasidagi bog'lanish. katalitik markaz zaiflashgan. Natijada, ATF molekulasi fermentni tark etadi va b-subbirlik o'zining dastlabki holatiga 1 qaytadi, bu esa fermentning aylanishini ta'minlaydi.
ATF sintazasining ishi uning alohida qismlarining mexanik harakatlari bilan bog'liq bo'lib, bu jarayonni "aylanma kataliz" deb ataladigan maxsus turdagi hodisalarga bog'lash imkonini berdi. Elektr dvigatelining o'rashidagi elektr toki rotorni statorga nisbatan harakatga keltirganidek, protonlarning ATP sintetaza orqali yo'naltirilgan o'tkazilishi F 1 konjugatsiya omilining alohida bo'linmalarining ferment kompleksining boshqa bo'linmalariga nisbatan aylanishiga olib keladi. buning natijasida bu noyob energiya ishlab chiqaruvchi qurilma kimyoviy ishlarni bajaradi - u ATF molekulalarini sintez qiladi. Keyinchalik, ATF hujayraning sitoplazmasiga kiradi va u erda energiyaga bog'liq bo'lgan turli xil jarayonlarga sarflanadi. Bunday uzatish mitoxondriyal membranaga o'rnatilgan maxsus ATF/ADF-translokaz fermenti tomonidan amalga oshiriladi, u yangi sintezlangan ATF ni sitoplazmatik ADF ga almashtiradi, bu mitoxondriya ichidagi adenil nukleotid fondining saqlanishini kafolatlaydi.
Organizmda kechadigan uzluksiz hayotiy jarayonlar energiya sarflanishi bilan amalga oshib, bu energiya asosan ATF molekulasi kimyoviy makroergik bog`lari tarzida to`plangan energiya hisobiga amalga oshadi. ATF molekulasi nukleotidlar qatoriga kirib, unda azot asosi - adenin, uglevod - riboza va uchta fosfat qoldig`i mavjud. Uchkarbon kislotalar siklining substratlar bilan ta`minlanuvi NAD+ ning NADH ga FAD+ ning FADH2 ga qadar qaytarilishiga yordam beradi, reoksidlanishda ular nafas olish zanjirini elektrolitlar bilan ta`minlaydi. So`ngra elektronlar nafas olish zanjirining (Н3) ferment komplekslari orqali suvga qaytariladigan kislorodga yetib boradilar. Mitoxondriya ikki membranalari orqali protonlar translokasiyasi jarayonida potensial gradiyenti 150-200 mV ga tiklanadigan ATF sintezi ma`lum qismlarda, ya`ni proton kanalidan iborat. ATF sintetazalarda (F1-subbirlik) amalga oshadi. Ferment protonni F0-kanal orqali olib o`tadi va ATF hosil qilish bilan ADF ni fosforlaydi, hosil bo`lgan ATF esa adenin-nukleotid translokoza (AIIT) yordamida mitoxondriyada tashiladi. AIIT-shakllar mitoxondriyaning SsA-ga sezgir poralari hisoblanadi. NADH ni kislorod bilan oksidlanishini katalizlaydigan NADH-oksidaza sistemasi N3 ning asosiy mexanizmini tashkil etadi. Bu sistema uchta ferment kompleksini o`z ichiga oladi: NADH-CoQ-reduktaza (1-komplekt), CoQH2-sitoxrom reduktaza (bc1 kompleksi yoki 3-kompleksi), sitoxrom-oksidaza (4-kompleks). Yana bir kompleks, suksinat- CoQ-reduktaza (suksinat degidrogeneza yoki 2 kompleks) suksinatdan CoQ ga NAD+ ishtirokisiz qaytarilish elementlarini o`tkazadi. NADH ning kislorod bilan oksidlanishi matriksdan mitoxondriyaning membranalararo bo`shlig`iga 10 donagacha N+-ionlarining o`tishi bilan sodir bo`ladi. Yuqorida sanab o`tilgan komplekslarning har biri membranalar orqali protonlarni translokasiya qilish xususiyatiga ega va shuning uchun DmН generator fermentlari hisoblanadi. Mitoxondriya membranalarida DmН energiya manbai hisoblanadi, membranalarsiz bo`limlarda bu vazifani ATF yoki boshqa yuqori energetik birikma bajaradi. DmN energiyasi qaytar tarzda ATF energiyasiga aylanishi mumkin. Bunday turdagi jarayonlar ATF sintetaza yordamida amalga oshadi.
Qaytariluvchi ekvivalentlar oksidlanadigan substratning redoks potensialidan kelib chiqqan holda nafas olish zanjiriga tushishi mumkin. Agar bu potensial 0.3 V (NADH/NAD+ juftining redoks potensiali) atrofida bo`lsa, u holda substratning oksidlanishida butun nafas olish zanjiri ishtirok etadi. Agar oksidlanadigan substratlarning redoks potensiali NADH/NAD+ jufti redoks potensialidan manfiyroq bo`lsa, u holda energiya hosil qilish uchun nafas olish zanjiriga vodorodni yetkazish uchun maxsus mexanizmlar qo`shiladi (a-ketoglutaratning oksidlanishi ana shunday fosforlanishga misol bo`ladi). Agar substratning redoks potensiali NAD nikiga qaraganda pastroq pastroq bo`lsa, qaytariluvchi ekvivalentlar nafas olish zanjirining o`rta yoki so`nggi qismida ko`chiriladi. Suksinat (+33 V) va asil SoA ana shu tarzda oksidlanadi. Suksinat va asil SoA-degidrogeneza nafas olish zanjirining bc1 kompleks darajasida elektronlarga to`yinadilar. Nafas olish zanjirining ma`lum komplekslarida elektrokimyoviy proton potensialini sezilarli darajada o`zgartiradigan (DYm), ion kontsentratsiyasi gradiyentini kamaytiradigan va nafas olish hamda fosforlanishini umumlashtiradigan ATF-sintetazalar ingibitorlar (oligomisin) va protonoforlar ko`rsatilgan. Bu agentlarning funksional ahamiyatlari ma`lum bo`lganligi sababli turli sharoitlarda mitoxondriya funksiyalarini sistemali analiz qilishga imkon beradi. mitoxondriyada Сa2+ to`planishi uning funksiyalari ichida muhim ahamiyatga ega, chunki sitozoldagi Сa2+ ning konsentrasiyasi hujayra ichidagi signalizasiyada muhim rol o`ynaydi. Ionlarning kirishi uniportyorlar yordamida elektrogen mexanizm asosida boshqariladi. Mitoxondriyaga kalsiyning kirishi nafas olish zanjiridan proton teshiklari orqali protonlarning chiqarib yuborilishi hisobiga muvozanatlashadi. Natijada, mitoxondriya membranasida ∆рН ning ortishi hamda DmН+-Dj ning kamayishi kuzatiladi. Bu esa mitoxondriyalarga kalsiyning kirishiga to`sqinlik qiladi.
Kalsiyning yuqori amplitudada yig`ilishi yurakda kuzatiladi, jigarda esa bu holat biroz o`zgarishlar bilan sodir bo`ladi. Mitoxondriyalarda kalsiy kiruvchi elektroforetik kirish yo`llari hamda ichki mitoxondrial kalsiyning tashqi vodorod yoki natriy bilan elektroneytral almashinish tizimining mavjudligi bu kationning ichki membrana yoki Na+/Ca2+ almashinuvi darajasida – qator gormonlar, metobolitlar almashinuvida va boshqa faktorlar ta`sirida mitoxondriyadan kalsiyning intensiv ravishda chiqishi ta`minlanadi. Bunday induktorlar safiga fosfofenilpiruvat, shavelsirka kislotasi, glyukokortikoidlar, qator pestitsidlar va boshqa birikmalar kiradi. Mitoxondriyalardagi kalsiyning tashilishiga bu agentlarning ta`sir mexanizmi klassik umumlashtirgichlar – protonoforlar, ionoforlar va nafas zanjiri buzuvchilarining ta`siridan farq qiladi. Ya`ni, ular membrana potensialini kamaytirish orqali mitoxondriyadan kalsiyning chiqishini kuchaytiradi. Mitoxondriyalarda sodir bo`ladigan transport jarayonlari ancha murakkab amalga oshiriladi. Mitoxondriyalardagi transport tizimlari 2.2-rasmda ko`rsatilgan. Ionlarning kirishi uniporterlar yordamida elektrogen mexanizm asosida boshqariladi. Mitoxondriyaga Сa2+ ning kirishi nafas olish zanjiridan proton teshiklari orqali protonlarning chiqarib yuborilishi hisobiga muvozanatlanadi. Natijada, mitoxondriya membranasida DрН ning ortishi hamda DmН ning kamayishi kuzatiladi. Bu esa mitoxondriyaga Сa2+ ning kirishiga to`sqinlik qiladi. Сa2+ ning yuqori amplitudada yig`ilishi yurakda kuzatiladi. Jigarda esa bu holat bir oz o`zgarishlar bilan sodir bo`ladi (Kаlikuloв i дr., 1999).