stringtranslate.com

Митохондриальный матрикс

В митохондриях матрикс – это пространство внутри внутренней мембраны . Слово «матрица» происходит от того факта, что это пространство вязкое по сравнению с относительно водной цитоплазмой. Митохондриальный матрикс содержит митохондриальную ДНК , рибосомы , растворимые ферменты , небольшие органические молекулы, нуклеотидные кофакторы и неорганические ионы . [1] Ферменты в матрице облегчают реакции, ответственные за производство АТФ , такие как цикл лимонной кислоты , окислительное фосфорилирование , окисление пирувата и бета-окисление жирных кислот . [1]

Состав матрицы, основанный на ее структуре и содержании, создает среду, которая позволяет благоприятно протекать анаболическим и катаболическим путям. Цепь переноса электронов и ферменты матрикса играют большую роль в цикле лимонной кислоты и окислительном фосфорилировании . Цикл лимонной кислоты производит НАДН и ФАДН2 посредством окисления, которые будут восстанавливаться при окислительном фосфорилировании с образованием АТФ . [2] [3]

Цитозольный компартмент межмембранного пространства имеет более высокое содержание воды: белка, около 3,8 мкл/мг белка, по сравнению с содержанием в митохондриальном матриксе, где такие уровни обычно составляют около 0,8 мкл/мг белка. [4] Неизвестно, как митохондрии поддерживают осмотический баланс внутренней митохондриальной мембраны, хотя мембрана содержит аквапорины , которые, как полагают, являются проводниками регулируемого транспорта воды. Митохондриальный матрикс имеет pH около 7,8, что выше pH межмембранного пространства митохондрий, составляющего около 7,0–7,4. [5] Митохондриальная ДНК была открыта Нэшем и Маргит в 1963 году. В митохондриальном матриксе присутствует одна или несколько двухцепочечных преимущественно кольцевых ДНК. Митохондриальная ДНК составляет 1% от общей ДНК клетки. Он богат содержанием гуанина и цитозина и у человека имеет материнское происхождение. Митохондрии млекопитающих имеют 55s рибосомы.

Состав

Метаболиты

Матрикс является хозяином широкого спектра метаболитов, участвующих в процессах внутри матрикса. Цикл лимонной кислоты включает ацил-КоА , пируват , ацетил-КоА , цитрат , изоцитрат , α-кетоглутарат , сукцинил-КоА , фумарат , сукцинат , L -малат и оксалоацетат . [2] В цикле мочевины используются L -орнитин , карбамоилфосфат и L -цитруллин . [4] Цепь переноса электронов окисляет коферменты НАДН и ФАДН2 . В синтезе белка используются митохондриальная ДНК , РНК и тРНК . [5] В регуляции процессов используются ионы ( Ca 2+ / K + / Mg + ). [6] Дополнительными метаболитами , присутствующими в матрице, являются CO 2 , H 2 O , O 2 , АТФ , АДФ и Pi . [1]

Ферменты

Ферменты, отвечающие за процессы, происходящие в матрице. Цикл лимонной кислоты облегчается пируватдегидрогеназой , цитратсинтазой , аконитазой , изоцитратдегидрогеназой , α-кетоглутаратдегидрогеназой , сукцинил-КоА-синтетазой , фумаразой и малатдегидрогеназой . [2] Цикл мочевины облегчается карбамоилфосфатсинтетазой I и орнитинтранскарбамилазой . [4] В β-окислении используются пируваткарбоксилаза , ацил-КоА-дегидрогеназа и β-кетотиолаза . [1] Производство аминокислот облегчается трансаминазами . [7] Метаболизм аминокислот опосредуется протеазами , такими как протеаза препоследовательности . [8]

Компоненты внутренней мембраны

Внутренняя мембрана представляет собой фосфолипидный бислой , содержащий комплексы окислительного фосфорилирования. который содержит цепь переноса электронов , которая находится на кристах внутренней мембраны и состоит из четырех белковых комплексов и АТФ-синтазы . Этими комплексами являются комплекс I (НАДН: кофермент Q оксидоредуктаза), комплекс II (сукцинат: кофермент Q оксидоредуктаза), комплекс III (коэнзим Q: цитохром с оксидоредуктаза) и комплекс IV (цитохром с оксидаза). [6]

Контроль внутренней мембраны над составом матрицы

Цепь переноса электронов отвечает за создание pH и электрохимического градиента , который облегчает выработку АТФ посредством перекачки протонов. Градиент также обеспечивает контроль концентрации ионов, таких как Ca 2+, за счет потенциала митохондриальной мембраны. [1] Мембрана позволяет проникать в матрицу только неполярным молекулам, таким как CO 2 и O 2, и небольшим незаряженным полярным молекулам, таким как H 2 O. Молекулы входят и выходят из митохондриального матрикса посредством транспортных белков и переносчиков ионов . Молекулы затем могут покинуть митохондрии через порины . [9] Эти приписываемые характеристики позволяют контролировать концентрации ионов и метаболитов , необходимых для регуляции, и определяют скорость производства АТФ. [10] [11]

Процессы

Цикл лимонной кислоты

После гликолиза цикл лимонной кислоты активируется за счет выработки ацетил-КоА. Окисление пирувата пируватдегидрогеназой в матриксе приводит к образованию CO 2 , ацетил-КоА и НАДН. Бета-окисление жирных кислот служит альтернативным путем катаболизма , который производит ацетил-КоА, НАДН и ФАДН 2 . [1] Производство ацетил-КоА запускает цикл лимонной кислоты, в то время как вырабатываемые коферменты используются в цепи переноса электронов . [11]

Синтез АТФ, как видно с точки зрения матрицы. Условия, создаваемые взаимосвязями между катаболическими путями (цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование) и структурным составом (липидный бислой и цепь переноса электронов) матрикса, облегчают синтез АТФ.

Все ферменты цикла лимонной кислоты находятся в матриксе (например, цитратсинтаза , изоцитратдегидрогеназа , α-кетоглутаратдегидрогеназа , фумараза и малатдегидрогеназа ), за исключением сукцинатдегидрогеназы , которая находится на внутренней мембране и является частью белкового комплекса II в матриксе . цепь переноса электронов . Цикл производит коферменты НАДН и ФАДН 2 посредством окисления углерода в двух циклах. Окисление НАДН и ФАДН 2 приводит к образованию ГТФ из сукцинил-КоА-синтетазы. [2]

Окислительного фосфорилирования

НАДН и ФАДН 2 производятся в матриксе или транспортируются через порины и транспортные белки, чтобы подвергнуться окислению посредством окислительного фосфорилирования. [1] НАДН и ФАДН 2 подвергаются окислению в цепи переноса электронов путем переноса электронов для регенерации НАД + и ФАД . Протоны втягиваются в межмембранное пространство за счет энергии электронов, проходящих через цепь переноса электронов. Четыре электрона наконец принимаются кислородом в матрице, завершая цепь переноса электронов. Протоны возвращаются в митохондриальный матрикс через белок АТФ-синтазу . Энергия используется для вращения АТФ-синтазы, которая облегчает прохождение протона, производя АТФ. Разница pH между матриксом и межмембранным пространством создает электрохимический градиент, благодаря которому АТФ-синтаза может благоприятно передавать протон в матрикс. [6]

Цикл мочевины

Первые два этапа цикла мочевины происходят в митохондриальном матриксе клеток печени и почек. На первом этапе аммиак превращается в карбамоилфосфат за счет взаимодействия двух молекул АТФ. Этому этапу способствует карбамоилфосфатсинтетаза I. На втором этапе, которому способствует орнитин-транскарбамилаза, карбамоилфосфат и орнитин превращаются в цитруллин . После этих начальных шагов цикл мочевины продолжается во внутреннем мембранном пространстве до тех пор, пока орнитин снова не попадет в матрикс через транспортный канал, чтобы продолжить первый этап внутри матрикса. [12]

Трансаминирование

α-кетоглутарат и оксалоацетат могут превращаться в аминокислоты внутри матрикса в процессе трансаминирования . Этим реакциям способствуют трансаминазы, которые производят аспартат и аспарагин из оксалоацетата. Трансаминирование α-кетоглутарата приводит к образованию глутамата , пролина и аргинина . Эти аминокислоты затем используются либо внутри матрикса, либо транспортируются в цитозоль для производства белков. [7] [13]

Регулирование

Регуляция внутри матрицы в первую очередь контролируется концентрацией ионов, концентрацией метаболитов и энергетическим зарядом. Наличие ионов, таких как Ca 2+, контролирует различные функции цикла лимонной кислоты. в матриксе активирует пируватдегидрогеназу , изоцитратдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу , что увеличивает скорость реакции в цикле. [14] Концентрация промежуточных продуктов и коферментов в матриксе также увеличивает или уменьшает скорость производства АТФ из-за анаплеротических и катаплеротических эффектов. НАДН может действовать как ингибитор α -кетоглутарата , изоцитратдегидрогеназы , цитратсинтазы и пируватдегидрогеназы. Концентрация оксалоацетата, в частности, поддерживается на низком уровне, поэтому любые колебания этой концентрации способствуют ускорению цикла лимонной кислоты. [2] Производство АТФ также служит средством регуляции, действуя в качестве ингибитора изоцитратдегидрогеназы, пируватдегидрогеназы, белковых комплексов цепи переноса электронов и АТФ-синтазы. АДФ действует как активатор . [1]

Синтез белка

Митохондрии содержат собственный набор ДНК, используемый для производства белков, участвующих в цепи переноса электронов. Митохондриальная ДНК кодирует только около тринадцати белков, которые используются в процессинге митохондриальных транскриптов, рибосомальных белков , рибосомальной РНК , транспортной РНК и белковых субъединиц , обнаруженных в белковых комплексах цепи переноса электронов. [15] [16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdefg Voet, Дональд; Воэт, Джудит; Пратт, Шарлотта (2013). Основы биохимии жизни на молекулярном уровне . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр. 582–584. ISBN 978-1118129180.
  2. ^ abcde Страйер, Л; Берг, Дж; Тимочко, Дж. Л. (2002). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. стр. 509–527, 569–579, 614–616, 638–641, 732–735, 739–748, 770–773. ISBN 978-0-7167-4684-3.
  3. ^ Митчелл, Питер; Мойл, Дженнифер (14 января 1967 г.). «Хемиосмотическая гипотеза окислительного фосфорилирования». Природа . 213 (5072): 137–139. Бибкод : 1967Natur.213..137M. дои : 10.1038/213137a0. PMID  4291593. S2CID  4149605.
  4. ^ abc Соболл, С; Шольц, Р; Фрейсл, М; Элберс, Р; Хелдт, HW (1976). Распределение метаболитов между митохондриями и цитозолем перфузируемой печени . Нью-Йорк: Эльзевир. стр. 29–40. ISBN 978-0-444-10925-5.
  5. ^ Аб Порчелли, Анна Мария; Гелли, Анна; Занна, Клаудия; Пинтон, Паоло; Риццуто, Росарио; Руголо, Микела (28 января 2005 г.). «Разница pH на внешней митохондриальной мембране, измеренная с помощью мутанта зеленого флуоресцентного белка». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 326 (4): 799–804. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.11.105. ПМИД  15607740.
  6. ^ abc Димрот, П.; Каим, Г.; Мэтью, У. (1 января 2000 г.). «Решающая роль мембранного потенциала для синтеза АТФ с помощью F (1) F (о) АТФ-синтаз». Журнал экспериментальной биологии . 203 (Часть 1): 51–59. дои : 10.1242/jeb.203.1.51. ISSN  0022-0949. ПМИД  10600673.
  7. ^ аб Кармен, А.; Вроблевски Ф.; Ладью, Дж. С. (1 января 1955 г.). «Активность трансаминаз в крови человека». Журнал клинических исследований . 34 (1): 126–131. дои : 10.1172/JCI103055. ISSN  0021-9738. ПМК 438594 . ПМИД  13221663. 
  8. ^ Кинг, Джон В.; Лян, Вэньгуан Г.; Шерпельц, Кэтрин П.; Шиллинг, Александр Б.; Мередит, Стивен С.; Тан, Вэй-Джен (8 июля 2014 г.). «Молекулярные основы распознавания и деградации субстратов протеазой препоследовательности человека». Состав . 22 (7): 996–1007. doi :10.1016/j.str.2014.05.003. ISSN  1878-4186. ПМК 4128088 . ПМИД  24931469. 
  9. ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Робертс, Кейт; Питерс, Уолтер; Рафф, Мартин (1994). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: ISBN Garland Publishing Inc. 978-0-8153-3218-3.
  10. ^ Андерсон, С.; Банкир, AT; Баррелл, Б.Г.; де Брёйн, МХЛ; Коулсон, Арканзас; Друэн, Дж.; Эперон, ИЦ; Нирлих, ДП; Роу, бакалавр искусств (9 апреля 1981 г.). «Последовательность и организация митохондриального генома человека». Природа . 290 (5806): 457–465. Бибкод : 1981Natur.290..457A. дои : 10.1038/290457a0. PMID  7219534. S2CID  4355527.
  11. ^ Аб Ючи, С.; Лин, ECC (1 июля 1993 г.). «Адаптация Escherichia coli к окислительно-восстановительной среде путем экспрессии генов». Молекулярная микробиология . 9 (1): 9–15. doi :10.1111/j.1365-2958.1993.tb01664.x. ISSN  1365-2958. PMID  8412675. S2CID  39165641.
  12. ^ Тухман, Мендель; Планте, Роберт Дж. (1 января 1995 г.). «Мутации и полиморфизмы в гене орнитинтранскарбамилазы человека: дополнение к обновлению мутации». Человеческая мутация . 5 (4): 293–295. дои : 10.1002/humu.1380050404 . ISSN  1098-1004. PMID  7627182. S2CID  2951786.
  13. ^ Кирш, Джек Ф.; Эйхеле, Грегор; Форд, Джеффри К.; Винсент, Майкл Г.; Янсониус, Йохан Н .; Геринг, Хайнц; Кристен, Филипп (15 апреля 1984 г.). «Механизм действия аспартатаминотрансферазы, предложенный на основе ее пространственной структуры». Журнал молекулярной биологии . 174 (3): 497–525. дои : 10.1016/0022-2836(84)90333-4. ПМИД  6143829.
  14. ^ Дентон, Ричард М.; Рэндл, Филип Дж.; Бриджес, Барбара Дж.; Купер, Рональд Х.; Керби, Алан Л.; Паск, Хелен Т.; Северсон, Дэвид Л.; Стэнсби, Дэвид; Уайтхаус, Сьюзен (1 октября 1975 г.). «Регуляция пируватдегидрогеназы млекопитающих». Молекулярная и клеточная биохимия . 9 (1): 27–53. дои : 10.1007/BF01731731. ISSN  0300-8177. PMID  171557. S2CID  27367543.
  15. ^ Фокс, Томас Д. (1 декабря 2012 г.). «Синтез, импорт и сборка митохондриального белка». Генетика . 192 (4): 1203–1234. дои : 10.1534/генетика.112.141267. ISSN  0016-6731. ПМЦ 3512135 . ПМИД  23212899. 
  16. ^ Гривелл, Луизиана; Пель, HJ (1994). «Синтез белка в митохондриях» (PDF) . Мол. Биол. Представитель . 19 (3): 183–194. дои : 10.1007/bf00986960. PMID  7969106. S2CID  21200502.