stringtranslate.com

Митохондриальный матрикс

В митохондрии матрица — 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 матриксе облегчают реакции, ответственные за выработку АТФ , такие как цикл лимонной кислоты , окислительное фосфорилирование , окисление пирувата и бета-окисление жирных кислот . [1]

Состав матрицы, основанный на ее структурах и содержании, создает среду, которая позволяет анаболическим и катаболическим путям протекать благоприятно. Цепь переноса электронов и ферменты в матрице играют большую роль в цикле лимонной кислоты и окислительном фосфорилировании . Цикл лимонной кислоты производит NADH и FADH2 посредством окисления, которые будут восстановлены при окислительном фосфорилировании для производства АТФ . [2] [3]

Цитозольное, межмембранное пространство , компартмент имеет более высокое содержание воды:белка, около 3,8 мкл/мг белка по сравнению с тем, что встречается в митохондриальном матриксе, где такие уровни обычно составляют около 0,8 мкл/мг белка. [4] Неизвестно, как митохондрии поддерживают осмотический баланс через внутреннюю митохондриальную мембрану, хотя мембрана содержит аквапорины , которые, как полагают, являются проводниками для регулируемого транспорта воды. Митохондриальный матрикс имеет pH около 7,8, что выше, чем pH межмембранного пространства митохондрий, который составляет около 7,0–7,4. [5] Митохондриальная ДНК была открыта Нэшем и Марджитом в 1963 году. В митохондриальном матриксе присутствует одна-много двухцепочечных, в основном кольцевых ДНК. Митохондриальная ДНК составляет 1% от общей ДНК клетки. Он богат содержанием гуанина и цитозина , и у людей имеет материнское происхождение. Митохондрии млекопитающих имеют 55s рибосомы.

Состав

Метаболиты

Матрица является хозяином для широкого спектра метаболитов , участвующих в процессах внутри матрицы. Цикл лимонной кислоты включает ацил-КоА , пируват , ацетил-КоА , цитрат , изоцитрат , α-кетоглутарат , сукцинил-КоА , фумарат , сукцинат , L -малат и оксалоацетат . [2] Цикл мочевины использует L -орнитин , карбамоилфосфат и L -цитруллин . [4] Цепь переноса электронов окисляет коферменты НАДН и ФАДН2 . Синтез белка использует митохондриальную ДНК , РНК и тРНК . [5] Регулирование процессов использует ионы ( Ca2 + / K + / Mg + ). [6] Дополнительные метаболиты , присутствующие в матрице, это CO 2 , H 2 O , O 2 , АТФ , АДФ и Pi . [1]

Ферменты

Ферменты из процессов, которые происходят в матрице. Цикл лимонной кислоты облегчается пируватдегидрогеназой , цитратсинтазой , аконитазой , изоцитратдегидрогеназой , α-кетоглутаратдегидрогеназой , сукцинил-КоА-синтетазой , фумараза и малатдегидрогеназой . [2] Цикл мочевины облегчается карбамоилфосфатсинтетазой I и орнитинтранскарбамилазой . [4] β-Окисление использует пируваткарбоксилазу , ацил-КоА-дегидрогеназу и β-кетотиолазу . [1] Производство аминокислот облегчается трансаминазами . [7] Метаболизм аминокислот опосредуется протеазами , такими как пресеквенсная протеаза . [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 . Эти комплексы представляют собой комплекс I (НАДН:кофермент Q оксидоредуктаза), комплекс II (сукцинат:кофермент Q оксидоредуктаза), комплекс III (кофермент Q: цитохром c оксидоредуктаза) и комплекс IV (цитохром c оксидаза). [6]

Внутренняя мембранная регуляция состава матрицы

Цепь переноса электронов отвечает за установление pH и электрохимического градиента , который облегчает выработку АТФ посредством перекачки протонов. Градиент также обеспечивает контроль концентрации ионов, таких как Ca 2+, управляемой потенциалом 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 митохондриальной матрицы через транспортные белки и ионные переносчики . Затем молекулы могут покидать митохондрии через порин . [9] Эти приписываемые характеристики позволяют контролировать концентрации ионов и метаболитов, необходимые для регуляции, и определяют скорость выработки АТФ. [10] [11]

Процессы

Цикл лимонной кислоты

После гликолиза цикл лимонной кислоты активируется путем образования ацетил-КоА. Окисление пирувата пируватдегидрогеназой в матрице приводит к образованию CO2 , ацетил-КоА и НАДН. Бета-окисление жирных кислот служит альтернативным катаболическим путем, который приводит к образованию ацетил-КоА, НАДН и ФАДН2 . [1] Образование ацетил-КоА начинает цикл лимонной кислоты, в то время как полученные коферменты используются в цепи переноса электронов . [11]

Синтез АТФ с точки зрения матрицы. Условия, создаваемые отношениями между катаболическими путями (цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование) и структурным составом (липидный бислой и цепь переноса электронов) матрицы, способствуют синтезу АТФ.

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

Окислительное фосфорилирование

NADH и FADH 2 производятся в матрице или транспортируются через порин и транспортные белки, чтобы подвергнуться окислению посредством окислительного фосфорилирования. [1] NADH и FADH 2 подвергаются окислению в цепи переноса электронов, передавая электроны для регенерации NAD + и FAD . Протоны втягиваются в межмембранное пространство энергией электронов, проходящих через цепь переноса электронов. Четыре электрона в конечном итоге принимаются кислородом в матрице для завершения цепи переноса электронов. Протоны возвращаются в митохондриальную матрицу через белок АТФ-синтазу . Энергия используется для вращения АТФ-синтазы, что облегчает прохождение протона, производя АТФ. Разница pH между матрицей и межмембранным пространством создает электрохимический градиент, с помощью которого АТФ-синтаза может благоприятно пропускать протон в матрицу. [6]

Цикл мочевины

Первые два шага цикла мочевины происходят в митохондриальном матриксе клеток печени и почек. На первом шаге аммиак преобразуется в карбамоилфосфат посредством инвестирования двух молекул АТФ. Этот шаг осуществляется карбамоилфосфатсинтетазой I. Второй шаг, осуществляемый орнитинтранскарбамилазой, преобразует карбамоилфосфат и орнитин 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 шаг внутри матрикса. [12]

Трансаминирование

α-кетоглутарат и оксалоацетат могут быть преобразованы в аминокислоты в матрице посредством процесса трансаминирования . Эти реакции облегчаются трансаминазами для получения аспартата и аспарагина из оксалоацетата. Трансаминирование α-кетоглутарата производит глутамат , пролин и аргинин . Эти аминокислоты затем используются либо в матрице, либо транспортируются в цитозоль для производства белков. [7] [13]

Регулирование

Регулирование в матрице в первую очередь контролируется концентрацией ионов, концентрацией метаболитов и энергетическим зарядом. Наличие ионов, таких как Ca2 +, контролирует различные функции цикла лимонной кислоты. в матрице активирует пируватдегидрогеназу , изоцитратдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу, что увеличивает скорость реакции в цикле. [14] Концентрация промежуточных продуктов и коферментов в матрице 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 служат для продвижения цикла лимонной кислоты вперед. [2] Производство АТФ также служит средством регуляции, действуя как ингибитор для изоцитратдегидрогеназы, пируватдегидрогеназы, белковых комплексов цепи переноса электронов и АТФ-синтазы. АДФ действует как активатор . [ 1]

Синтез белка

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

Смотрите также

Ссылки

  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 (1967-01-14). «Хемиосмотическая гипотеза окислительного фосфорилирования». Nature . 213 (5072): 137–139. Bibcode :1967Natur.213..137M. doi :10.1038/213137a0. PMID  4291593. S2CID  4149605.
  4. ^ abc Soboll, S; Scholz, R; Freisl, M; Elbers, R; Heldt, HW (1976). Распределение метаболитов между митохондриями и цитозолем перфузируемой печени . Нью-Йорк: Elsevier. С. 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 Dimroth, P.; Kaim, G.; Matthey, U. (2000-01-01). "Решающая роль мембранного потенциала для синтеза АТФ с помощью F(1)F(o) АТФ-синтаз". Журнал экспериментальной биологии . 203 (Pt 1): 51–59. doi :10.1242/jeb.203.1.51. ISSN  0022-0949. PMID  10600673.
  7. ^ ab Karmen, A.; Wroblewski, F.; Ladue, JS (1955-01-01). «Активность трансаминазы в крови человека». Журнал клинических исследований . 34 (1): 126–131. doi :10.1172/JCI103055. ISSN  0021-9738. PMC 438594. PMID  13221663 . 
  8. ^ King, John V.; Liang, Wenguang G.; Scherpelz, Kathryn P.; Schilling, Alexander B.; Meredith, Stephen C.; Tang, Wei-Jen (2014-07-08). "Молекулярная основа распознавания и деградации субстрата человеческой пресеквенционной протеазой". Структура . 22 (7): 996–1007. doi :10.1016/j.str.2014.05.003. ISSN  1878-4186. PMC 4128088. PMID 24931469  . 
  9. ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Робертс, Кейт; Питерс, Уолтер; Рафф, Мартин (1994). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Publishing Inc. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  10. ^ Андерсон, С.; Банкир, AT; Баррелл, BG; де Брейн, MHL; Коулсон, AR; Друэн, J.; Эперон, IC; Нирлих, DP; Роу, BA (1981-04-09). "Последовательность и организация митохондриального генома человека". Nature . 290 (5806): 457–465. Bibcode :1981Natur.290..457A. doi :10.1038/290457a0. PMID  7219534. S2CID  4355527.
  11. ^ ab Iuchi, S.; Lin, ECC (1993-07-01). «Адаптация Escherichia coli к окислительно-восстановительным средам 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. ^ Tuchman, Mendel; Plante, Robert J. (1995-01-01). «Мутации и полиморфизмы в гене человеческой орнитинтранскарбамилазы: дополнение к обновлению мутаций». Human Mutation . 5 (4): 293–295. doi : 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 (1984-04-15). «Механизм действия аспартатаминотрансферазы, предложенный на основе ее пространственной структуры». Журнал молекулярной биологии . 174 (3): 497–525. doi :10.1016/0022-2836(84)90333-4. PMID  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, Сьюзан (1975-10-01). "Регуляция пируватдегидрогеназы млекопитающих". Молекулярная и клеточная биохимия . 9 (1): 27–53. doi :10.1007/BF01731731. ISSN  0300-8177. PMID  171557. S2CID  27367543.
  15. ^ Фокс, Томас Д. (2012-12-01). «Синтез, импорт и сборка митохондриальных белков». Генетика . 192 (4): 1203–1234. doi :10.1534/genetics.112.141267. ISSN  0016-6731. PMC 3512135. PMID 23212899  . 
  16. ^ Grivell, LA; Pel, HJ (1994). "Синтез белка в митохондриях" (PDF) . Mol. Biol. Rep . 19 (3): 183–194. doi :10.1007/bf00986960. PMID  7969106. S2CID  21200502.