Дашков Максим Леонидович, репетитор по биологии в Минске. Митохондрии есть у растений
Митохондрии
Строение митохондрий.
Внешняя мембранаВнутренняя мембранаМатрикс м-на, матрикс, кристы. она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок. На нее приходится около 7% от площади всех клеточных мембран. Ее толщина около 7 нм, она не бывает связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута сама на себя, так что представляет собой мембранный мешок. Наружнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10-20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии,ее матрикс или митоплазму. Характерной чертой внутренней мембраны митохондрий является их способность образовывать многочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист. Расстояние между мембранами в кристе составляет около 10-20 нм. Часто кристы могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выраженной ориентации. У простейших, одноклеточных водорослей, в некоторых клетках высших растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубок (трубчатые кристы).Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое гомогенное строение, в нем иногда выявляются тонкие собранные в клубок нити (около 2-3 нм) и гранулы около 15-20нм. Теперь стало известно, что нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК в составе митохондриального нуклеоида, а мелкие гранулы – митохондриальные рибосомы.
Функции митохондрий
1. В митохондриях происходит синтез ATP (см. Окислительное фосфорилирование)
pH межмембранного пространства ~4, pH матрикса ~8 | содержание белков в м: 67% - матрикс, 21% -наруж м-на, 6% - внутр м-на и 6% - в межм-ном пр-веХандриома – единая система митохондрийнаружная м-на: порины-поры позволяют проходить до 5 kD | внутренняя м-на: кардиолипин-делает непроницаемой м-ну для ионов | межм-ное пр-во: группы ферментов фосфорилируют нуклеотиды и сахара нуклеотидоввнутренняя м-на: матрикс: метаболические ферменты – окисление липидов, окисление углеводов, цикла трикарбоновых к-т, цикла КребсаПроисхождение от бактерий: амеба Pelomyxa palustris единств из эукариот не содержит м., живет в симбиозе с аэробными бактериями | собственная ДНК | схожие с бактериями оx процессы
Митохондриальная ДНК
Деление миохондрий
реплицируетсяв интерфазе | репликация не связана с S-фазой | во время кл цикла митох один раз делятся надвое, образуя перетяжку, перетяжка сначала на внутр м-не | ~16,5 kb | кольцевая, кодирует 2 рРНК 22 тРНК и 13 белков |транспорт белков: сигнальный пептид | амфифильный завиток | митохондриальный распознающий рецептор |Окислительное фосфорилированиеЦепь переноса электроновАТР-синтазав кл печени, м живут ~20 дней деление митохондрий путем образования перетяжки
16569пн=13белков,22тРНК,2pРНК | гладкая внешняя м-на (порины – проницаемость белков до 10 кДа) складчатая внутренняя (кристы) м-на (75% -белков: транспортные белки-переносчики, ф-ты, компаненты дыхат. цепи и АТФ-синтаза, кардиолипин) матрикс (обогащен ф-тами цитратного цикла) межм-ное пр-во
www.cellbiol.ru
Функции митохондрии и их строение
В клетках любых живых организмов есть особые органеллы, которые двигаются, функционируют, сливаются между собой и размножаются. Называются они митохондриями или хондриосомами. Подобные структуры содержатся как в клетках простейших организмов, так и в клетках растений и животных. Долгое время при изучении строения клеток изучались и функции митохондрии, потому что она представляла особый интерес.
Действительно, на клеточном уровне митохондрии выполняют конкретную и весьма важную функцию - образуют энергию в виде аденозинтрифосфата. Это ключевой нуклеотид в обмене веществ живых организмов и преобразовании его в энергию. АТФ выступает в роли универсального источника энергии, необходимой для протекания любых биохимических процессов в организме. В этом главные функции митохондрии - поддерживать жизнедеятельность на клеточном уровне за счёт формирования АТФ.
Процессы, происходящие в клетках, долгое время представляли особый интерес учёных, потому что это помогало лучше понять структуру и возможности организма. Процесс познания всегда занимает долгое время. Так Карл Ломанн в 1929 году открыл аденозинтрифосфат, а Фриц Липман в 1941 году разобрался в том, что он является основным поставщиком энергии в клетки.
Строение митохондрий
Внешний вид представляет такой же интерес, как и функции митохондрии. Размеры и формы этих органелл непостоянны и могут быть разными в зависимости от видов живых существ. Если описывать средние значения, то гранулярная и нитевидная митохондрия, состоящая из двух мембран, имеет размеры порядка 0,5 микромиллиметра в толщину, а длина может достигать 60 микромиллиметров.
Как уже было сказано выше, учёные долгое время пытались разобраться в вопросе, каково строение и функции митохондрий. Основные сложности были с недостаточно развитостью оборудования, потому что изучать микромир другими способами практически невозможно.
В клетках животных митохондрий содержится больше, чем в клетках растений, потому что для животных преобразование энергии с эволюционной точки зрения более важно. Впрочем, объяснять подобные процессы достаточно сложно, но в клетках растений подобные функции берут на себя в основном хлоропласты.
В клетках митохондрии могут располагаться в самых разных местах, где есть потребность в АТФ. Можно сказать, что у митохондрий достаточно универсальное строение, поэтому они могут появляться в разных местах.
Функции митохондрии
Основная функция митохондрий - синтез молекул АТФ. Это своего рода энергетическая станция клетки, которая за счёт окисления различных органических соединений высвобождает энергию за счёт их распада.
Главным источником энергии, т.е. соединением, используемым для распада, является пировиноградная кислота. Её в свою очередь организм получает из белков, углеводов и жиров. Есть два пути образования энергии, причём митохондрии используют оба. Первый из них связан с окислением пирувата в матриксе. Второй связан уже с кристами органелл и непосредственно завершает процесс энергообразования.
В целом данный механизм достаточно сложен и происходит в несколько этапов. Выстраиваются длинные последовательности реакций, единственная цель которых - энергообеспечение других клеточных процессов. Поддержание организма на клеточном уровне позволяет сохранить его жизнедеятельность в целом. Именно поэтому учёные долгое время пытались разгадать, как именно происходят данные процессы. Со временем многие вопросы были решены, особенно в этом помогло изучение ДНК и структуры остальных небольших клеток микромира. Без этого вряд ли можно было бы представить развитие данной науки в целом, а также изучение организма человека и высокоразвитых животных.
Митохондрии выделение - Справочник химика 21
Потенциальная активность митохондрий, выделенных из яблок, возрастает в течение климактерического периода особенно это относится к митохондриям ткани кожицы [9]. Климактерический период сопровождается резким подъемом активности малик-фермента и карбоксилазы пировиноградной кислоты, по-видимому, в результате синтеза этих ферментов. По окончании климактерического периода активность обоих этих ферментов падает параллельно с ослаблением дыхания. Происходит ли в климактерическом периоде разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях,— неизвестно. [c.533]
Митохондрии занимают значительную часть цитоплазмы почти во всех эукариотических клетках. Хотя митохондрии настолько велики, что их можно увидеть в обычный световой микроскоп, и впервые были обнаружены еще в прошлом веке, все же реальная возможность разобраться в их функции появилась только после 1948 г., когда были разработаны методы выделения интактных митохондрий. По техническим причинам большинство биохимических исследований проводилось на митохондриях, выделенных из печени [c.431] Прямое воздействие фитохрома на окислительное фосфорилирование в митохондриях исключается опытами Гордона, которому не удалось обнаружить влияние красного и дальнего красного света на фосфорный обмен митохондрий, выделенных из растений. [c.186]Схематическое изображение тонкого среза через митохондрию приведено на рис. 1.4. Митохондрии обычно имеют длину 0,7—1 мкм. Их форма непостоянна и в клетке может меняться. Форма крист в митохондриях, выделенных из различных тканей, также сильно различается, причем это относится даже к одним и тем же митохондриям, суспендированным в различных средах. [c.13]
Митохондрии, выделенные методом дифференциального центрифу-гирования и очищенные в градиенте плотности сахарозы (см. 3.3), суспендируют в 2 мл среды, содержащей 0,5 М сахарозы, 0,15 М калий- [c.163]
Митохондрии, выделенные из листьев шпината/ декарбокси-лируют глицин в соответствии со стехиометрией уравнений [c.421]
Этот фермент обнаружен в митохондриях, выделенных из артишоков и прорастающей кукурузы, но с другими ферментами растительного происхождения механизм этой реакции не изучали. Исследования, проведенные с АТФ, меченным в соответствующих положениях, показывают, что происходит прямой перенос пирофосфат-ного остатка. В этих исследованиях установлено, что конечная и средняя фосфатные группы АТФ переносятся на рибозо-5-фосфат. Фосфорибозилпирофосфат участвует в синтезе нуклеотидов [c.91]
Цитохром Ь- найден в относительно большом количестве в митохондриях, выделенных из початков Arum и Symplo arpus foetidus. Цитохром ft в растворимом виде не получен. Поскольку цитохром b самоокисляется и не реагирует с окисью углерода [c.216]
И Цыбакова высказали предположение, что этот новый тип фосфорилирования сопряжен с переходом водорода от НАД-Нг к кислороду через реакции дыхательной цепи. Последующие работы подтвердили это предположение и показали, что при переходе каждой пары водородных атомов или электронов через реакции дыхательной цепи может происходить максимум три фосфорилирования. Прямое доказательство того, что фосфорилирование происходит не только на уровне субстратов, но и на уровне переносчиков водорода, было получено в 1951 г., когда Ленинджер показал, что при окислении НАД-Нг кислородом в митохондриях печени крысы отношение Р/0 близко к трем. Фосфорилирование в дыхательной цепи у растений впервые показали Миллер, Боннер, Аксельрод и Бандурский [22], которые использовали митохондрии, выделенные из проростков маша, и кислоты цикла Кребса в качестве субстратов. Эти авторы получили более низкое отношение Р/0 по сравнению с найденным для митохондрий животного происхождения. Поэтому возникло предположение, что митохондрии растений не эффективны как фосфорилирующие системы. Более поздние исследования показали, что митохондрии растений окисляют промежуточные продукты цикла Кребса, причем отношение Р/0 сравнимо с отношением, полученным для митохондрий животных. [c.243]
Опыты на растениях (см. стр. 305), аналогичные опытам Кноона с животными, позволяют предполагать, что происходит Р-окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов. Хотя и показано, что жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов окисляются до СО-2 митохондриями, выделенными из семядолей арахиса, не представлено никаких данных о присутствии в этих митохондриях ферментов Р-окисления. [c.315]
Хьюм и др. [38] показали также, что окислительная активность митохондрий, выделенных из яблок (особенно из ткапи кожицы), повышалась на протяжении климактерического периода, причем это повышение начиналось за несколько дней до того, как усиливалось выделение СО2 в целом плоде. (Митохондриальную активность измеряли по поглощению кислорода и выделению углекислоты при добавлении сукцината и малата.) Это наблюдение наряду с тем фактом, что во время климактерического периода несколько возрастало содержание белка, привело Хьюма и его сотрудников к предположению, что в этот период происходит синтез ферментов (пируватдекарбоксилазы и малик-фермента), причем энергия, необходимая для этого синтеза, поступает за счет повышенной митохондриальной активности. Исследователи предположили, далее, что причиной конечного падения интенсивности дыхания до величины, которая остается затем почти постоянной (пока не наступит полный распад ткани), является недостаток кислотного субстрата, необходимого как для цикла Кребса, так и для малик-фермента. Нил и Хьюм [64] показали, что дыхательный коэффициент у дисков из сильно перезревших [c.488]
Некоторые разновидности п.1юдов не завершают своего созревания, если они не будут предварительно подвергнуты действию низких температур. Так, например, груши Пасс Крес-сеп должны выдерживаться в течение 11—15 недель при температуре около 0°, чтобы они могли затем окончательно вызреть при 18°. Такое же действие, как и обработка холодом, оказывает этилен. Потребность в охлаждении зависит от района произрастания груш. Обратное явление наблюдается у плодов авокадо, которые не созревают нормально при 15°, если они в течение долгого времени хранились ири 5°. Биохимические процессы, лежащие в основе такого поведения, нока не выяснены. Интересны в этом отношении опыты Романи [71], так как ему удалось показать, что температуры, действию которых подвергали плоды авокадо, влияют на устойчивость некоторых ферментов цикла Кребса в митохондриях, выделенных из этих плодов. [c.497]
С этой целью определялось окислительное фосфорилирование митохондрий, выделенных из свеженарезанной и прираневой тканей залечивающегося клубня картофеля. [c.68]
То обстоятельство, что нарушенные галоидфеноксикнслотами процессы фосфорплнровання полностью не восстанавливаются ]1])и выделении и промыванин структур, дало основания для изучения окислительного фосфорилирования митохондрий, выделенных и обработанных гербицидом растений. [c.176]
Митохондрии, выделенные из обработанных 2,4-Д растений гороха, характеризуются разобщением окислительного фосфорилирования. 2,6-Д не оказывает влияния на функции митохондрий в растениях in vivo. [c.178]
Кроме опытов по влиянию ИУК на изолированные митохондрии, исследовалось действие ауксина на свойства митохондрий, выделенных из отрезков мезокотилей, предварительно обработанных ауксином. Опыты проводили с I-сантиметровыми отрезками четырехдневных мезокотилей кукурузы. 240 отрезков помещали по 30 штук в чашки Петри с 15 жл дистиллированной воды (контроль) или с раствором мИУК в концентрации 5 мг/л. Через 1 час и 24 часа инкубации контрольные и опытные чашки переносили в холодную комнату с температурой -f 3° на 1 час. Охлажденные пробы промывали дистиллированной водой на воронке Бюхнера и растирали с 0,5 М сахарозой, приготовленной на 0,02 Ai трис-буфере (pH 7,4) с ЭДТА 5 10 М. Дальнейшее выделение фракции митохондрий проводили по описанной выше методике. У изолированных митохондрий проверяли реакцию на добавление АТФ с Mg b и способность к набуханию в гипотонической среде (0,02 М трис-буфер с pH 7,4). В митохондриях, йыделейных после инкубации с ИУК, не было обнаружено каких-либо изменений по сравнению с митохондриями контрольных отрезков ни в сократительной реакции, ни в способности к набуханию. [c.206]
У митохондрий, выделенных из отрезков мезокотилей, предварительно обработанных мИУК (5 мг/л) в течение 1 и 24 час., не было обнаружено каких-либо изменений в сократительных свойствах и в способности к набуханию, [c.208]
Высокая устойчивость структур протопласта, ответственных за запасание энергии, у капусты Амагер проявляется не только сразу после инфильтрации токсина. В митохондриях, выделенных через 4 ч после инфильтрации, активирующее действие токсина на фосфорилирование все еще сохраняется (табл. 48). [c.254]
Изменения отношения Р/О в митохондриях, выделенных из ткани капусты Амагер сразу и через 4 ч после инфильтрации токсина Botrytis inerea [c.254]
Мы не можем утверждать, что в клетке есть только те органеллы, которые идентифицированы, выделены или обогащены с помощью описанных выше методов. Более того, гомогенность некоторых препаратов органелл вызывает сомнения. Бюфоидр. [332] показали, что окислительные ферменты и белки эндоплазматического ретикулума (ЫАОРН-цитохром с-редуктаза, цитохромы Ьъ и Р-450) могут быть локализованы на мембранах, способных частично отделяться от мембран, несущих гидролитические ферменты (глюкозо-6-фосфатазу, эстеразу, р-глюку-ронидазу). Неоднократно сообщалось о гетерогенности митохондрий, выделенных с помощью центрифугирования в градиенте плотности и дифференциального центрифугирования. Гетерогенность может проявляться в неравномерном распределении ферментов в популяции частиц или в других свойствах, таких, как проницаемость для сахарозы [3710] или способность включать аминокислоты [4082]. Причиной гетерогенности митохондрий может явиться также различие в их возрасте различия в размерах этих органелл могут приводить к различиям в соотношениях между площадью мембраны и объемом матрикса, что может также проявиться в гетерогенности некоторых свойств. [c.89]
Дыхание растительных митохондрий подавляется ионами N лишь частично, что указывает на суш,ествование дополнительных терминальных оксидаз. Например, в митохондриях, выделенных из зрелых початков аронника Arum ma ulaium, устой- [c.125]
Изучение митохондрий, выделенных из грудной мышцы голубя, охлаждавшегося впервые, показало снижение коэффициента Р/О в 1,6 раза по сравнению с неохлаждавшимися животными. Второе охлаждение вызывало снижение Р/О в шесть раз, т. е. наступало почти полное разобщение дыхания и фосфорилирования. [c.179]
Группа соединений, являющихся производными бензохинона, по структуре и своей биологической активности близки витаминам Е и К. Для животных характерен убихинон, который был впервые выделен в 1955 году. У растений кроме убихинона, локализованного в митохондриях, выделен пластохинон из хлоропластов (рис. 7.5-7.7). Бензохи-ноновый скелет придает витамину Q электроноакцепторные свойства, а полиизопреноидный хвост - шпидорастворимость. [c.98]
Как оказалось, и в растительных клетках действие биомедиаторов также связано с изменением ионной проницаемости плазмалеммы и сдвигом мембранного потенциала. Ацетилхолин и биогенные амины влияют на ряд процессов и на уровне отдельных органелл. Первые исследования в этом направлении были выполнены на изолированных митохондриях, выделенных из различных органов животных. Например, обнаружено торможение набухания митохондрий (10 М). Ацетилхолин тормозил также набухание и хлоропластов в изотонической среде, причем в большей мере на свету, чем в темноте. Поскольку высокие концентрации (10 М) тормозят процесс, то можно предположить, что холиновый эфир увеличивает проницаемость хлоропластов для ионов. Но об этом подробнее мы также поговорим в последующих разделах. [c.28]
chem21.info
§17. Митохондрии. Пластиды
1. Распределите органоиды на три группы: одномембранные, двумембранные и немембранные.
Рибосомы, лизосомы, пластиды, комплекс Гольджи, вакуоли, клеточный центр, митохондрии, эндоплазматическая сеть.
Одномембранные: лизосомы, комплекс Гольджи, вакуоли, эндоплазматическая сеть.
Двумембранные: пластиды, митохондрии.
Немембранные: рибосомы, клеточный центр.
2. Как устроены митохондрии? Какую функцию они выполняют?
Митохондрии могут иметь вид округлых телец, палочек, нитей. Это двумембранные органоиды. Наружная мембрана гладкая, она отделяет содержимое митохондрии от гиалоплазмы и отличается высокой проницаемостью для различных веществ. Внутренняя мембрана менее проницаема, она образует кристы – многочисленные складки, направленные внутрь митохондрий. За счёт крист площадь поверхности внутренней мембраны существенно увеличивается. Внутренняя мембрана митохондрий содержит ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания и обеспечивающие синтез АТФ. Между наружной и внутренней мембранами имеется межмембранное пространство.
Внутреннее пространство митохондрий заполнено гелеобразным матриксом. В нём содержатся различные белки, в том числе ферменты, аминокислоты, кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и другие вещества, а также рибосомы.
Функция митохондрий – синтез АТФ за счёт энергии, высвобождающейся в процессе клеточного дыхания при окислении органических соединений. Начальные этапы окисления веществ в митохондриях происходят в матриксе, а последующие – на внутренней мембране. Таким образом, митохондрии являются «энергетическими станциями» клетки.
3. Какие типы пластид вам известны? Чем они различаются? Почему осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую?
Основные типы пластид – хлоропласты, лейкопласты и хромопласты.
Хлоропласты имеют зелёную окраску т.к. содержат основные фотосинтетические пигменты – хлорофиллы. Также в хлоропластах содержатся оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды. Обычно хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Хорошо развита внутренняя мембранная система, тилакоиды собраны в стопки – граны. Главная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.
Лейкопласты – бесцветные пластиды. Они не имеют гран и не содержат пигментов. В лейкопластах откладываются запасные питательные вещества – крахмал, белки, жиры.
Хромопласты имеют оранжевый, жёлтый или красный цвет, что связано с содержанием в них каротиноидов. Форма хромопластов разнообразная – дисковидная, серповидная, ромбическая, пирамидальная и т.п. В этих пластидах отсутствует внутренняя мембранная система. Хромопласты обусловливают яркую окраску зрелых плодов (например, томатов, рябины, шиповника) и некоторых других органов растений (например, корнеплодов моркови).
При старении листьев растений в хлоропластах происходит разрушение хлорофилла, внутренней мембранной системы, и они превращаются в хромопласты. Поэтому осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую.
4. Охарактеризуйте строение и функции хлоропластов.
Хлоропласты – зелёные пластиды, их цвет обусловлен наличием основных фотосинтетических пигментов – хлорофиллов. Хлоропласты содержат также вспомогательные пигменты – оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды.
Чаще всего хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Это двумембранные органоиды, между наружной и внутренней мембранами есть межмембранное пространство. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует впячивания, которые превращаются в замкнутые дисковидные образования – тилакоиды. Стопки лежащих друг над другом тилакоидов называются гранами.
В мембранах тилакоидов расположены фотосинтетические пигменты, а также ферменты, которые участвуют в преобразовании энергии света. Внутренняя среда хлоропласта – строма. В ней содержатся кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК, рибосомы, запасные вещества (липиды, зёрна крахмала) и различные белки, в том числе ферменты, участвующие в фиксации углекислого газа.
Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза. Кроме того, в них происходит синтез АТФ, некоторых липидов и белков.
5. Клетки летательных мышц насекомых содержат по нескольку тысяч митохондрий. С чем это связано?
Главная функция митохондрий – синтез АТФ, т.е. митохондрии являются "энергетическими станциями" клетки. Для работы летательных мышц необходимо большое количество энергии, поэтому каждая клетка содержит несколько тысяч митохондрий.
6. Сравните хлоропласты и митохондрии. Выявите черты их сходства и различия.
Сходство:
● Двумембранные органоиды. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует многочисленные впячивания, служащие для увеличения площади поверхности. Между мембранами имеется межмембранное пространство.
● Имеют собственные кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и рибосомы.
● Способны к росту и размножению путём деления.
● В них осуществляется синтез АТФ.
Различия:
● Впячивания внутренней мембраны митохондрий (кристы) имеют вид складок или гребней, а впячивания внутренней мембраны хлоропластов образуют замкнутые дисковидные структуры (тилакоиды), собранные в стопки (граны).
● Митохондрии содержат ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания. Внутренняя мембрана хлоропластов содержит фотосинтетические пигменты и ферменты, участвующие в преобразовании энергии света.
● Основная функция митохондрий – синтез АТФ. Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.
...и (или) другие существенные признаки.
7. Докажите на конкретных примерах справедливость утверждения: «Клетка представляет собой целостную систему, все компоненты которой находятся в тесной взаимосвязи друг с другом».
Структурные компоненты клетки (ядро, поверхностный аппарат, гиалоплазма, цитоскелет, органоиды) относительно обособлены друг от друга, и каждый из них выполняет специфические функции. Тем не менее, все клеточные компоненты тесно взаимосвязаны, и клетка представляет собой единое целое.
Наследственная информация клетки хранится в ядре, а реализуется на рибосомах в виде конкретных белков. Структурные компоненты рибосом (субъединицы) формируются в ядре. Некоторые рибосомы находятся в свободном состоянии в гиалоплазме, другие же прикрепляются к мембранам ЭПС и ядра. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, поступают для хранения и модификации в комплекс Гольджи. От цистерн комплекса Гольджи отшнуровываются экзоцитозные пузырьки и лизосомы. Из пузыревидных расширений ЭПС и пузырьков комплекса Гольджи формируются вакуоли. Цитоплазматическая мембрана участвует в отборе веществ, необходимых клетке. Некоторые из них могут быть использованы только после предварительного расщепления с помощью лизосом. Часть полученных веществ служит источником энергии для клетки, подвергаясь расщеплению в гиалоплазме, а затем – в митохондриях. Другие вещества используются в качестве материала для синтеза более сложных соединений. Эти процессы протекают в различных частях клетки – в гиалоплазме, ЭПС, комплексе Гольджи, на рибосомах, а энергию, необходимую для всех процессов биосинтеза, поставляют митохондрии (в виде АТФ). Внутриклеточный транспорт частиц и органоидов обеспечивают микротрубочки, сборку которых инициирует клеточный центр. Гиалоплазма объединяет все внутриклеточные структуры, обеспечивая их различные взаимодействия.
...и (или) другие примеры, иллюстрирующие взаимосвязь структурных компонентов клетки.
8. В чём заключается относительная автономность митохондрий и хлоропластов в клетке? Чем она обусловлена?
Относительная автономность митохондрий и хлоропластов обусловлена наличием собственного генетического аппарата (молекул ДНК) и системы биосинтеза белка (рибосом и всех типов РНК). Поэтому митохондрии и хлоропласты самостоятельно синтезируют ряд белков (в том числе ферментов), необходимых для их функционирования. В отличие от других органоидов, митохондрии и хлоропласты способны к размножению путём деления. Однако эти органоиды не являются полностью автономными, т.к. в целом их состояние и функционирование контролируется ядром клетки.
9. В чём проявляется взаимосвязь и взаимозависимость митохондрий и рибосом?
С одной стороны, на рибосомах происходит синтез белков из аминокислот, а энергию, необходимую для осуществления этого процесса, поставляют митохондрии в виде АТФ. Кроме того, митохондрии имеют собственные рибосомы, их рРНК кодируется митохондриальной ДНК и сборка субъединиц осуществляется непосредственно в матриксе митохондрий. С другой стороны, все белки, входящие в состав митохондрий и необходимые для функционирования этих органоидов, синтезируются на рибосомах.
Дашков М.Л.
Сайт: dashkov.by
Вернуться к оглавлению
| Следующая > |
dashkov.by
Зачем митохондриям собственные гены | Наука и жизнь
Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».
Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.
Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)
Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)
‹
›
В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.
Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.
О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов – против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?
Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.
Мы знаем, что центральная роль в добыче энергии принадлежит группе белков, входящих в так называемую электронтранспортную цепь: будучи встроены во внутреннюю стенку-мембрану митохондрий, они переносят друг от друга электроны, оторванные от окисляемой «пищевой» молекулы, с тем, чтобы в конце концов отдать их кислороду. В детали работы этого комплекса мы вдаваться не будем, скажем лишь, что здесь есть белки, выполняющие в ходе электронного переноса основные операции, и есть те, которые находятся как бы на периферии процесса. И вот, как оказалось, гены, кодирующие главные белки, с наибольшей вероятностью в ходе эволюции остаются в митохондриях; менее же главные часто отправляются в ядерный геном.
Но само по себе слово «главные» ничего (и, добавим, никогда) не объясняет. Почему именно такие белки должны синтезироваться, так сказать, по месту своей работы? В статье в Cell Systems авторы приводят несколько объяснений. Во-первых, белки, которые сидят в мембранах, обладают некоторыми физико-химическими особенностями: одна часть их молекулы гидрофильная, то есть легко взаимодействующая с водой, другая же – гидрофобная.
Частичная гидрофобность нужна для того, чтобы белок смог сидеть в мембране, а клеточная мембрана – это двойной слой липидов, и в нём может закрепиться только такая молекула, которая не будет «любить» воду, но будет «любить» жир, липиды, масло. Попадая в водную среду, гидрофобные белки ищут возможности спрятаться от воды, то есть ищут таких же, как они, гидрофобов – понятно, что их молекулы начинают слипаться друг с другом. Клетка умеет обращаться с такими белками, но всё равно – если их синтезировать в одном месте, а потом везти к митохондриям, велик риск того, что «груз» слипнется в комок так, что не разлепишь. Проще собирать их прямо в митохондриях.
Во-вторых, известно, что митохондрии – место довольно опасное с химической точки зрения. Митохондрии работают с кислородом, в качестве побочных продуктов получаются кислородные радикалы повышенной агрессивности, которые легко могут испортить биологические макромолекулы, как белки, так и ДНК. Но ДНК в зависимости от нуклеотидного состава может быть как менее, так и более устойчива к повреждениям. И вот гены, чья последовательность была особо чувствительна к агрессивной среде в митохондриях, были вынуждены уйти в ядро.
В-третьих, из-за тех же сложных условий, о которых мы только что сказали, белковые комплексы электронтранспортной цепи часто ломаются. Митохондрий же в клетке много. Если бы информация о митохондриальных белках заключалась в ядре, то клетка не могла бы быстро реагировать на то, что некоторые из «энергетических станций» вышли из строя. То, что некоторые гены остались в самих митохондриях, позволяет устранить поломку – или просто отрегулировать активность органеллы – не дожидаясь «санкции центра». Иными словами, за счёт частичного генетического самоуправления митохондрий клетка избегает управленческих проблем.
Однако несмотря на то, что митохондриальные гены остались там, где остались, они могут влиять на гены ядра: некоторое время назад сотрудники Массачусетского технологического института обнаружили, что гены митохондрий способны маскировать эффекты от мутаций, попавших в хромосомные гены.
Конечно, было бы странно, если бы митохондрии, проэволюционировав так долго вместе с клетками-хозяевами, не научились хоть как-то влиять на молекулярно-генетические процессы в ядре. Если учесть, как много всего в жизни любого эукариотического организма зависит от пресловутых «энергетических станций» (а мутации в митохондриальной ДНК чреваты тяжёлыми заболеваниями, не говоря уже об окислительном стрессе, неиссякающим источником которого являются митохондрии), то очевидно, что митохондриальные и хромосомные гены просто таки должны всё время общаться друг с другом, несмотря на расстояния, их разделяющие.
По материалам Science.
www.nkj.ru
Митохондрия — WiKi
Наружная мембрана
Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм, не образует впячиваний и складок и замкнута сама на себя. На наружную мембрану приходится около 7% площади поверхности всех мембран клеточных органелл. Основная функция — отграничение митохондрии от цитоплазмы. Наружная мембрана митохондрии состоит из липидов с вкраплениями белков (соотношение 2 : 1). Особую роль играет порин — каналообразующий белок. Он образует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа. Крупные молекулы могут проникать сквозь наружную мембрану только посредством активного транспорта с помощью транспортных белков митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов: монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А2. Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.
Межмембранное пространство
Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Его размер — 10-20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме. Крупным же белкам для транспорта из цитоплазмы в периплазматическое пространство необходимо иметь специфические сигнальные пептиды; поэтому белковые компоненты периплазматического пространства и цитоплазмы различны. Одним из белков, содержащихся не только во внутренней мембране, но и в периплазматическом пространстве, является цитохром c.
Внутренняя мембрана
Внутренняя мембрана состоит в основном из белковых комплексов (соотношение белок/липид — 3:1) и образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности и, например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран. Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина — особого фосфолипида, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. Внутренняя мембрана митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.
Матрикс
Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.
Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 105 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондриального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с-редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть транспортных РНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.
На этом фоне геном митохондрий растений значительно больше и может достигать 370000 нуклеотидных пар, что примерно в 20 раз больше описанного выше генома митохондрий человека. Количество генов здесь также примерно в 7 раз больше, что сопровождается появлением в митохондриях растений дополнительных путей электронного транспорта, не сопряжённых с синтезом АТФ.
Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, что частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время же клеточного цикла митохондрии делятся надвое путём перетяжки, образование которой начинается с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить то, что в митохондриях животных и грибов нередки отклонения от универсального генетического кода. Так, в митохондриях человека кодон ТАТ вместо изолейцина в стандартном коде кодирует аминокислоту метионин, кодоны ТСТ и ТСС, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует аминокислоту метионин. Что касается митохондрий растений, то по-видимому, они используют универсальный генетический код. Другой чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК, заключающаяся в том, что одна подобная молекула способна узнавать не один, но сразу три или четыре кодона. Указанная особенность снижает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что митохондрии требуется меньшее разнообразие типов тРНК. При этом достаточным количеством оказываются всего 22 различных тРНК.
Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70S-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.
В специализированных (не делящихся) клетках митохондрии обычно не делятся. Обновление пула митохондрий в этом случае происходит путём созревания митохондрий из протомитохондрий, имеющих исходно диаметр 0,1-0,2 микрона. Откуда берутся протомитохондрии неизвестно, но предполагается, что затравкой для них служит ДНК постмитохондрий, высвобождающаяся в цитоплазму. Протомитохондрии обладают высокой скоростью дыхания, но невысоким дыхательным контролем (Векшин Н. Л. и др. 2004—2014).
Одной из основных функций митохондрий является синтез АТФ — универсальной формы химической энергии в любой живой клетке. Как и у прокариот, данная молекула может образовываться двумя путями: в результате субстратного фосфорилирования в жидкой фазе (например, при гликолизе) или в процессе мембранного фосфорилирования, связанного с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов (ионов водорода). Митохондрии реализуют оба эти пути, первый из которых характерен для начальных процессов окисления субстрата и происходит в матриксе, а второй завершает процессы энергообразования и связан с кристами митохондрий. При этом своеобразие митохондрий как энергообразующих органелл эукариотической клетки определяет именно второй путь генерации АТФ, получивший название «хемиосмотического сопряжения». По сути это последовательное превращение химической энергии восстанавливающих эквивалентов НАДН в электрохимический протонный градиент ΔμН+ по обе стороны внутренней мембраны митохондрии, что приводит в действие мембранно-связанную АТФ-синтетазу и завершается образованием макроэргической связи в молекуле АТФ.
В целом весь процесс энергообразования в митохондриях может быть разбит на четыре основные стадии, первые две из которых протекают в матриксе, а две последние — на кристах митохондрий:
- Превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрию пирувата и жирных кислот в ацетил-СоА;
- Окисление ацетил-СоА в цикле Кребса, ведущее к образованию НАДН+ и двух молекул СО2;
- Перенос электронов с НАДН на кислород по дыхательной цепи с образованием Н2О;
- Образование АТФ в результате деятельности мембранного АТФ-синтетазного комплекса.
Ещё в цитоплазме в серии из 10 отдельных ферментативных реакций гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух трёхуглеродных молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват переносится из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс, где первоначально декарбоксилируется и превращается в ацетил-СоА. Этот процесс катализируется крупным пируватдегидрогеназным комплексом, имеющим размер, сопоставимый с размером рибосомы, и состоящим из трёх ферментов, пяти коферментов и двух регуляторных белков. Точно так же жирные кислоты, полученные при расщеплении нерастворимых триглицеридов в цитоплазме, переносятся в митохондриальный матрикс в виде ацил-СоА-производных и подвергаются бета-окислению с образованием ацетил-СоА.
На следующем этапе, также протекающем в матриксе митохондрии, ацетил-СоА полностью окисляется в цикле Кребса. В его работе задействованы четыре отдельных фермента, за каждый цикл обеспечивающие распад ацетил-СоА на два атома углерода, в виде СО2. Этот процесс обеспечивает образование одной молекулы ГТФ, а также НАДН — высокоэнергетического промежуточного соединения, которое легко отдаёт электроны в цепь переноса электронов на кристах митохондрий.
Дальнейшие процессы энергообразования в митохондрии происходят на её кристах и связаны с переносом электронов от НАДН к кислороду. В соответствии с тем, что потребление кислорода в качестве окислителя обычно называют «внутриклеточным дыханием», электронно-транспортную цепь ферментов, осуществляющих последовательный перенос электронов от НАДН к кислороду, часто называют «дыхательной цепью». При этом трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными на кристах митохондрий и осуществляющими векторный (направленный по отношению к сторонам мембраны) перенос протонов водорода из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В этом состоит принципиальное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной цепи от функционирования ферментов, катализирующих реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где вопрос о направлении реакции в пространстве не имеет смысла.
Весь процесс переноса электрона по дыхательной цепи может быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельным трансмембранным липопротеидным комплексом (I, III и IV), встроенным в мембрану кристы митохондрии. В состав каждого из названных комплексов входят следующие компоненты:
- Большой олигомерный фермент, катализирующий перенос электронов;
- Небелковые органические (простетические) группы, принимающие и высвобождающие электроны;
- Белки, обеспечивающие движение электронов.
Каждый из этих комплексов осуществляет перенос электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков. В качестве последних в дыхательной цепи митохондрий функционируют мигрирующие в плоскости мембраны жирорастворимые молекулы убихинона, а также небольшие (молекулярная масса 13 кДа) водорастворимые белки, содержащие ковалентно связанный гем и называемые «цитохромами с». При этом три из пяти компонентов, составляющих дыхательную цепь, работают так, что перенос электронов сопровождается переносом протонов через мембрану крист митохондрий в направлении из матрикса в межмембранное пространство.
Дыхательная цепь начинается с комплекса I (НАДН-убихинон-оксидоредуктаза), состоящего как минимум из 26 полипептидных цепей и имеющего молекулярную массу около 850 кДа. Функциональная активность этого комплекса определяется тем, что он содержит в своём составе более 20 атомов железа, упакованных в ячейки из атомов серы, а также флавин (флавинмононуклеотид — производное витамина рибофлавина). Комплекс I катализирует окисление НАДН, отщепляя от него два электрона, которые после «путешествия» по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I попадают на молекулу-переносчик, в качестве которой выступает убихинон (Q). Последний способен ступенчато восстанавливаться, принимая на себя по два электрона и протона и, таким образом, превращаясь в восстановленную форму — убихинол (Qh3).
Энергетический потенциал (запас энергии) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле НАДН, а разница в подобной энергии временно запасается в виде электрохимического протонного градиента. Последний возникает в результате того, что перенос электронов по простетическим группам комплекса I, ведущий к снижению энергетического потенциала электронов, сопровождается трансмембранным переносом двух протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
Восстановленный убихинол мигрирует в плоскости мембраны, где достигает второго фермента дыхательной цепи — комплекса III (цитохром bc1). Последний представляет собой димер с молекулярной массой более 300 кДа, сформированный из восьми полипептидных цепей и содержащий атомы железа как в виде железосерных центров, так и в виде комплексов с гемами b(I), b(II) и c1 — сложными гетероциклическими молекулами с четырьмя атомами азота, расположенными по углам металлосвязывающего квадрата. Комплекс III катализирует реакцию окисления двух убихинолов до убихинонов, восстанавливая две молекулы цитохрома c (гемсодержащий переносчик, находящегося в межмембранном пространстве). Отщепляющиеся при этом от убихинолов четыре протона освобождаются в межмембранное пространство, продолжая формирование электрохимического градиента.
Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c-оксидаза) с молекулярной массой около 200 кДа, состоящим из 10-13 полипептидных цепей и, помимо двух различных гемов, включающим также несколько атомов меди, прочно связанных с белками. При этом электроны, отбираемые у восстановленного цитохрома c, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды.
Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.
Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом с молекулярной массой 500 кДа. Этот комплекс, называемый АТФ-синтазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.
АТФ-синтаза
В структурно-функциональном плане АТФ-синтаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F1 и F0. Первый из них (фактор сопряжения F1) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц α и стольких же субъединиц β уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые вместе образуют гексамер (αβ)3, имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы α и β образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица γ, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы γ выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F0. Также внутри гексамера находится минорная субъединица ε, связанная с γ. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом δ и расположена на внешней стороне F1.
Мембранная часть АТФ-синтазы, называемая фактором сопряжения F0, представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода. Всего в состав комплекса F0 входит одна белковая субъединица типа а, две копии субъединицы b, а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c. Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её α-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану α-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F1 и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу δ. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных α-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F1, а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F1 в сторону F0 субъединица γ как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.
Таким образом, в молекуле АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц, которые могут быть уподоблены двум деталям мотора: ротору и статору. «Статор» неподвижен относительно мембраны и включает в себя шарообразный гексамер (αβ)3, находящуюся на его поверхности и субъединицу δ, а также субъединицы a и b мембранного комплекса F0. Подвижный относительно этой конструкции «ротор» состоит из субъединиц γ и ε, которые, заметно выступая из комплекса (αβ)3, соединяются с погружённым в мембрану кольцом из субъединиц c.
Способность синтезировать АТФ — свойство единого комплекса F0F1, сопряжённого с переносом протонов водорода через F0 к F1, в последнем из которых как раз и расположены каталитические центры, осуществляющие преобразование АДФ и фосфата в молекулу АТФ. Движущей же силой для работы АТФ-синтазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий в результате работы цепи электронного транспорта.
Сила, приводящая в движение «ротор» АТФ-синтазы, возникает при достижении разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны > 220 мВ и обеспечивается потоком протонов, протекающих через специальный канал в F0, расположенный на границе между субъединицами a и c. При этом путь переноса протонов включает в себя следующие структурные элементы:
- Два расположенных несоосно «полуканала», первый из которых обеспечивает поступление протонов из межмембранного пространства к существенно важным функциональным группам F0, а другой обеспечивает их выход в матрикс митохондрии;
- Кольцо из субъединиц c, каждая из которых в своей центральной части содержит протонируемую карбоксильную группу, способную присоединять H+ из межмембранного пространства и отдавать их через соответствующие протонные каналы. В результате периодических смещений субъединиц с, обусловленных потоком протонов через протонный канал происходит поворот субъединицы γ, погружённой в кольцо из субъединиц с.
Таким образом, каталитическая активность АТФ-синтазы непосредственно связана с вращением её «ротора», при котором поворот субъединицы γ вызывает одновременное изменение конформации всех трёх каталитических субъединиц β, что в конечном счёте и обеспечивает работу фермента. При этом в случае образования АТФ «ротор» крутится по часовой стрелке со скоростью четыре оборота в секунду, а само подобное вращение происходит дискретными скачками по 120°, каждый из которых сопровождается образованием одной молекулы АТФ.
Непосредственная функция синтеза АТФ локализована на β-субъединицах сопрягающего комплекса F1. При этом самым первым актом в цепи событий, приводящих к образованию АТФ, является связывание АДФ и фосфата с активным центром свободной β-субъединицы, находящейся в состоянии 1. За счёт энергии внешнего источника (тока протонов) в комплексе F1 происходят конформационные изменения, в результате которых АДФ и фосфат становятся прочно связанными с каталитическим центром (состояние 2), где становится возможным образование ковалентной связи между ними, ведущей к образованию АТФ. На данной стадии АТФ-синтазы ферменту практически не требуется энергии, которая будет необходима на следующем этапе для освобождения прочно связанной молекулы АТФ из ферментативного центра. Поэтому следующий этап работы фермента заключается в том, чтобы в результате энергозависимого структурного изменения комплекса F1 каталитическая β-субъединица, содержащая прочно связанную молекулу АТФ, перешла в состояние 3, в котором связь АТФ с каталитическим центром ослаблена. В результате этого молекула АТФ покидает фермент, а β-субъединица возвращается в исходное состояние 1, благодаря чему обеспечивается цикличность работы фермента.
Работа АТФ-синтазы связана с механическими движениями её отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобно тому, как электрический ток в обмотке электродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтазу вызывает вращение отдельных субъединиц фактора сопряжения F1 относительно других субъединиц ферментного комплекса, в результате чего это уникальное энергообразующее устройство совершает химическую работу — синтезирует молекулы АТФ. В дальнейшем АТФ поступает в цитоплазму клетки, где расходуется на самые разнообразные энергозависимые процессы. Подобный перенос осуществляется специальным встроенным в мембрану митохондрий ферментом АТФ/АДФ-транслоказой, который обменивает вновь синтезированную АТФ на цитоплазматическую АДФ, что гарантирует сохранность фонда адениловых нуклеотидов внутри митохондрий.
ru-wiki.org
Половое размножение препятствует крупномасштабным изменениям генома
Вероятность переноса генов из митохондрий в ядро выше у растений, размножающихся вегетативно и путем самоопыления, хотя именно таким растениям этот перенос сулит меньше всего выгод. Это говорит о том, что половое размножение затрудняет крупные геномные перестройки. Оно ведет к постоянному перекомбинированию генов, а это мешает им поддерживать достаточный уровень «взаимной приспособленности» в процессе крупномасштабных изменений. Данное открытие хорошо согласуется с идеями В. П. Щербакова о половом размножении как факторе, повышающем стабильность видов и замедляющем их эволюцию.
Митохондрии — органеллы, обеспечивающие энергией клетки всех животных и растений — как известно, являются потомками симбиотических бактерий. От своих далеких предков митохондрии унаследовали маленькую кольцевую хромосому, содержащую, правда, гораздо меньше генов, чем у любой бактерии. Геном митохондрии кодирует лишь малую часть белков, необходимых для жизни, нормального функционирования и размножения самой митохондрии (они размножаются делением, как бактерии, и не могут образовываться de novo). Все недостающие белки поступают в митохондрию извне, то есть из цитоплазмы клетки, а кодирующие их гены находятся в клеточном ядре.
На сегодняшний день твердо установлено, что практически все эти митохондриальные гены ядерной локализации когда-то располагались в митохондриальной хромосоме, а затем были перенесены в ядро. Быстрее всего процесс переноса шел на ранних этапах становления эукариотической клетки, то есть вскоре после того, как предки эукариот приобрели своих замечательных симбионтов (по разным оценкам, 1,5–3,0 млрд лет назад). У животных этот процесс зашел дальше, чем у растений. Митохондриальная хромосома человека, например, кодирует всего 13 белков и имеет размер около 16,5 тысяч пар оснований. В ней остались только те гены, которые невозможно перенести по техническим причинам: строение кодируемых ими белков не позволяет транспортировать их через оболочку митохондрий. У растений митохондриальные геномы примерно в 10-20 раз больше, и эпизодический перенос отдельных митохондриальных генов в ядро продолжается по сей день.
Остается открытым вопрос о том, зачем (или почему) митохондриальные гены переносятся в ядро. В долгосрочной перспективе ядерная локализация этих генов дает очевидные преимущества. К ядерным генам гораздо легче «пристроить» эффективные системы регуляции, которые позволяют увеличивать или уменьшать активность гена в зависимости от потребностей клетки. Ядерные хромосомы, в отличие от митохондриальной, у большинства организмов присутствуют в двух копиях (одна от отца, другая от матери). В процессе образования половых клеток парные хромосомы обмениваются между собой участками. В результате этого обмена (рекомбинации), а также вследствие слияния половых клеток (оплодотворения) в каждом поколении образуются новые сочетания генетических вариантов (аллелей). Всё это в конечном счете повышает полиморфизм популяции, ее устойчивость и приспособляемость к меняющимся условиям, создает более благоприятные условия для распространения полезных мутаций и снижает вероятность генетического вырождения вследствие необратимого накопления мутаций вредных. Митохондриальная хромосома не рекомбинирует, размножается исключительно бесполым путем («клонируется») и передается только по материнской линии. Поэтому все потомки одной женской особи имеют одинаковые митохондриальные геномы, идентичные материнскому. Очевидно, это не очень «здоровый» способ передачи наследственной информации, практически исключающий возможность прогрессивной эволюции генов, оставшихся в митохондриях, при том что скорость накопления мутаций в митохондриальной хромосоме намного выше, чем в ядерных.
Может быть, митохондриальные гены переселились в ядерный геном как раз для того, чтобы на них распространились все те преимущества, которые дает рекомбинация и половое размножение? Примерно так и рассуждают многие исследователи. Правда, в этом объяснении есть уязвимое место: преимущества, о которых идет речь, могут проявиться лишь в отдаленной эволюционной перспективе, тогда как конкретные генетические перестройки и поддерживающий их естественный отбор должны были иметь место «здесь и сейчас». Перенос гена из митохондрии в ядро едва ли может обеспечить организму или популяции мгновенную выгоду.
Более того, этот перенос должен идти поэтапно, проходя целый ряд промежуточных стадий. Сначала копия митохондриального гена должна встроиться в одну из ядерных хромосом. Затем к ней должна в результате случайных перестановок участков ДНК пристроиться подходящая регуляторная область (чтобы ген заработал), а также особый фрагмент, который будет сигнализировать клетке, что белок — продукт данного гена — следует транспортировать в митохондрию. Все митохондриальные гены ядерной локализации имеют такой сигнальный фрагмент. Только после этого исходный ген, локализованный в митохондриальной хромосоме, может быть отключен или удален.
На всех этих промежуточных стадиях любые перетасовки генетического материала, происходящие в результате рекомбинации и полового размножения, могут только помешать делу. Например, представьте себе популяцию организмов, размножающихся половым путем, в которой у одних особей митохондриальный ген в ядерной хромосоме уже «включился», а у других еще нет, у одних митохондриальная копия еще работает, у других — уже нет. Ничего хорошего от скрещивания особей с разными состояниями этих признаков явно не получится, поскольку жизнеспособными будут не все, а только некоторые из возможных сочетаний ядерных и митохондриальных геномов. С гораздо большей вероятностью подобные генетические изменения возникнут и зафиксируются у организмов, размножающихся вегетативным путем или практикующих самооплодотворение. И это не смотря на то, что таким организмам перенос митохондриальных генов в ядро, казалось бы, вовсе не нужен, поскольку он не даст им тех долгосрочных преимуществ, о которых шла речь выше.
Какой же фактор был важнее для переноса митохондриальных генов в ядро — долгосрочная выгода или сиюминутная возможность? Кстати, вопрос можно поставить и шире, ведь о многих эволюционных преобразованиях не так-то просто сказать, возникли они «зачем-то» или просто «почему-то».
Биологи из Индианского университета (Indiana University) в Блумингтоне (США) решили проверить эти гипотезы на растениях, у которых, как уже говорилось, перенос митохондриальных генов в ядро не закончился давным-давно, как у животных, а продолжается и по сей день. Если верна первая гипотеза, то есть гены переносятся ради долгосрочной выгоды, то у растений, практикующих перекрестное опыление, митохондриальные гены должны переноситься в ядро чаще, чем у самоопыляющихся или размножающихся вегетативно. Если же гены переносились не ради выгоды, а случайно, то это должно было происходить чаще у тех видов, которым это проще осуществить, то есть у самоопыляющихся или размножающихся бесполым путем.
Ученые проанализировали геномы 170 родов покрытосеменных растений, время возникновения которых и положение на эволюционном древе более или менее твердо установлены. Для каждого рода было определено количество независимых событий переноса митохондриальных генов в ядро. Оказалось, что количество таких событий значительно выше в тех эволюционных линиях, где преобладает вегетативное размножение и самоопыление. Таким образом, подтвердилась вторая гипотеза: гены чаще переносятся не у тех видов, кому это выгодно, а у тех, кому это легче осуществить.
Кроме того, оказалось, что корреляция между числом переносов и способом размножения лучше выражена для тех эволюционных событий (переносов), которые произошли сравнительно недавно, чем для более древних. Одна из возможных интерпретаций этого обстоятельства состоит в том, что отказ от нормального полового размножения — это своего рода эволюционный тупик, и растения, пошедшие по этому пути, либо довольно быстро вымирают, либо возвращаются к перекрестному опылению.
Авторы предполагают, что тем же закономерностям должен подчиняться и перенос генов из пластид в ядро (пластиды, органеллы фотосинтеза, тоже являются потомками симбиотических бактерий), и перемещения генов с одной хромосомы на другую в пределах ядерного генома. Если эти предположения подтвердятся, это будет означать, что половое размножение является мощным фактором, препятствующим крупномасштабным геномным перестройкам у эукариотических организмов. Данная идея удивительно хорошо согласуется с рассуждениями В. П. Щербакова, полагающего, что половое размножение помогает организмам противостоять эволюционным изменениям (см.: В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии).
Источник: Yaniv Brandvain, Michael S. Barker, Michael J. Wade. Gene Co-Inheritance and Gene Transfer // Science. 2007. V. 315. P. 1685.
Александр Марков
elementy.ru
