ПОКАЗАТЬ ПЛАНПЕРЕЙТИ В КОНЕЦ

Лекция 2

Биоэнергетические функции митохондрий

Нарушение функций митохондрий при тканевой гипоксии

Нарушение биоэнергетических функций митохондрий - одно из наиболее ранних проявлений повреждения клеток.

Биоэнергетические функции митохондрий

Митохондрии - это везикулярные структуры, образуемые наружной и внутренней мембранами (см. рис.1). Внутренняя мембрана образует складки, или кристы, окружающие матрикс. На складках внутренней мембраны видны грибовидные выросты - это H+-АТФаза, или АТФ-синтаза, о которой будет сказано позже. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для большинства ионов, включая ионы водорода, натрия, калия, хлора. Но она, как и другие биологические мембраны проницаема для воды; поэтому объем митохондрий зависит от концентрации ионов внутри и снаружи. В норме концентрации частиц по обе стороны митохондриальной мембраны равны, при патологии концентрация внутри обычно повышается и митохондрии "набухают", к чему мы ещё вернемся.

Окислительное фосфорилирование

Митохондрии осуществляют важнейшую для клеточной биоэнергетики реакцию фосфорилирования АДФ с образованием АТФ за счет энергии окисления органических соединений, служащих субстратами окисления, молекулярным кислородом. Конечная стадия этого процесса - перенос электронов от восстановленных пиридиннуклеотидов и сукцината на молекулярный кислород осуществляется по системе переносчиков электрона, которая в совокупности называется дыхательной цепью (см. рис.2). При переносе электронов по дыхательной цепи происходит высвобождение энергии, величина которой (в электрон-вольтах) равна разности стандартных восстановительных потенциалов двух реагирующих ред-окс пар. Эти стандартные потенциалы приведены на рис.3. Энергия одного моля иона в данной среде называется, как известно, электрохимическим потенциалом. Разность электрохимических потенциалов протона между двумя водными фазами внутри и вне митохондрий описывается уравнением:
(1)
где R - газовая постоянная, T - абсолютная температура, [H+]o и [H+]i - концентрации ионов водорода вне и внутри матрикса, соответственно, F - число Фарадея, Dj - разность потенциалов между окружающей средой и матриксом. Петер Митчелл в качестве единицы энергии использовал электрон-вольты, в результате чего уравнение (1) несколько трансформируется:
(1)
Суммарная энергия окислительно-восстановительной реакции, превращенная в разность электрохимических потенциалов ионов водорода, была названа П. Митчеллом протон-движущей силой (PMF - proton motive force), по аналогии с электродвижущей силой в гальванической батарее. Заменив натуральный логарифм десятичным, легко найти величину протон-движущей силы, зная разность pH (DpH) и разность потенциалов (Dj) между средой и матриксом при комнатной температуре; выраженная в милливольтах она будет равна:
PMF (мВ) = 60 (мВ) · DpH + Dj (2)
В митохондриях основной вклад в эту сумму вносит мембранный потенциал, который в присутствии субстрата и кислорода составляет около 170-180 мВ. Созданная работой дыхательной цепи разность потенциалов DmH+ может быть использована для синтеза АТФ или переноса ионов в митохондрии. Синтез АТФ осуществляется благодаря работе АТФ-синтазы, которая представляет собой протонную АТФазу (H+-АТФазу), работающую как бы "задним ходом" (см. схему на рис.4).

Перенос ионов через мембрану митохондрий

Альтернативный путь использования накопленной в форме DmH+ энергии - транспорт ионов внутрь митохондрий. Рис.5. Поскольку внутри митохондрий при энергизации появляется отрицательный потенциал, катионы засасываются электрическим полем в матрикс, если мембрана для них проницаема. Во внутренней мембране имеется переносчик ионов кальция. Движение кальция снимает мембранный потенциал (Dj в уравнении 2), что приводит к довольно резкому возрастанию DpH, т.е. защелачиванию матрикса (см. рис.6). С другой стороны, между матриксом и окружающей средой в энергизованной митохондрии имеется разность pH (более щелочная среда внутри). Это приводит к диффузии внутрь митохондрий ортофосфата, для которого в мембране имеется переносчик, работающий по механизму антипорта: ион HPO3- обменивается на гидроксил OH- (рис.7). В водном растворе это эквивалентно симпорту (совместному переносу) H+ и HPO3-. При таком переносе не происходит переноса заряда через мембрану, и поэтому перенос не зависит от мембранного потенциала. Однако разность концентрации H+ способствует переносу фосфата в матрикс по закону диффузии для ионов гидроксила, которых в матриксе больше, чем снаружи. Таким образом, ионы кальция накапливаются в матриксе электрофоретически, при этом мембранный потенциал снимается, а разность pH на мембране возрастает. Фосфат переносится в матрикс в конечном счете в электронейтральной форме, при этом снижается разность pH, а мембранный потенциал растет. Если в среде присутствуют одновременно и ионы кальция и ортофосфат, происходит накопление обоих в матриксе, при этом снимается как мембранный потенциал, так и DpH. Ничто более не препятствует свободному прохождению ионов водорода через мембрану в точках сопряжения, и дыхательная цепь работает на полную мощность. Из теории Митчелла следует, что прекращение синтеза АТФ митохондриями (или подавление транспорта кальция и фосфата в матрикс) может произойти не только в результате повреждения дыхательной цепи (и снижения скорости дыхания, т.е. окисления субстратов кислородом), но и в случае нарушения барьерных свойств внутренней мембраны. В последнем случае происходит утечка ионов через поврежденную мембрану и падение разности потенциалов на мембране, необходимой для работы АТФ-синтазы, транспорта фосфата и ионов кальция.

Функциональные состояния митохондрий по Б. Чансу

Изучение функций митохондрий и их нарушения производится после выделения этих органелл из ткани; при этом важно не повредить митохондрии в ходе самого выделения. Один из способов изучения функции митохондрий - измерение скорости потребления кислорода суспензией органелл в различных функциональных состояниях методом полярографии. На рис.8 приведена схематизированная запись изменения концентрации кислорода в суспензии в ходе инкубации изолированных митохондрий. Наклон кривой в каждый момент времени характеризует скорость потребления кислорода (дыхания) в данном состоянии, эти величины принято обозначать как V1, V2, V3, V4 и т.д., где цифрами обозначены состояния по классификации Б. Чанса. Наиболее информативны V3 - скорость дыхания митохондрий при окислительном фосфорилировании, т.е. в присутствии субстратов окисления, АДФ и ортофосфата, и V4 - скорость дыхания митохондрий в присутствии субстратов окисления и ортофосфата, но в отсутствие АДФ (состояние дыхательного контроля). На рисунках 9.1, 9.2 и 9.3 показано, что именно происходит в митохондриях в этих состояниях. 2-6 - основные функциональные состояния, U - разобщенное состояние митохондрий. Рассмотрим вопрос подробнее.
  1. - это состояние митохондрий, к которым не добавлены ни субстраты, ни АДФ (- SH2, - АДФ). Состояние неопределенное, т.к. сколько-то эндогенных субстратов и АДФ есть в самих митохондриях;

  2. - к митохондриям добавили АДФ, но не добавили субстраты окисления (- SH2, + АДФ). Это деэнергизованное состояние, т. к. в отсутствие субстратов дыхательная цепь не работает и митохондрии не поддерживают мембранный потенциал (см. рис.9.1);

  3. - состояние окислительного фосфорилирования (+ SH2, + АДФ). Окисление субстратов приводит к энергизации митохондрий, мембранный потенциал тянет протоны внутрь через АТФ-синтазу и происходит синтез АТФ из добавленного АДФ (см. рис.9.1);

  4. - состояние дыхательного контроля (+ SH2, - АДФ): митохондрии энергизованы, но дыхание подавлено, поскольку в отсутствие АДФ высокий мембранный потенциал останавливает перенос протонов через мембрану и следовательно - перенос электронов по дыхательной цепи (см. рис.9.2);

  5. - состояние анаэробиоза (в среде кончился кислород). Митохондрии деэнергизованы и, разумеется, не фосфорилируют независимо от того, есть в среде субстраты и АДФ или нет (см. рис.9.2);

  6. - состояние ионного транспорта. При добавлении субстратов и ионов кальция последние втягиваются внутрь электрическим полем, снижая мембранный потенциал. Одновременно внутрь начинает закачиваться ортофосфат, под действием DpH. В итоге внутри накапливается фосфат кальция, а DmH+ снимается, и дыхательная цепь работает с максимально-возможной скоростью (см. рис.9.3);

U - к митохондриям добавлен переносчик протонов через мембраны (например, 2,4-динитрофенол). В результате движения протонов внутрь снимается DmH+ и дыхательная цепь работает вовсю (см. рис.9.3).

Вопросы для самоконтроля

  1. Общая схема строения митохондрий. Дыхательная цепь. Восстановительные потенциалы переносчиков. Точки сопряжения.
  2. Схема окислительного фосфорилирования по Митчеллу.
  3. Перенос ионов кальция и фосфата в митохондрии.
  4. Функциональные состояния митохондрий. Условия, скорость дыхания и мембранный потенциал в каждом из состояний.
  5. К каким изменениям в скорости дыхания приведут повреждения дыхательной цепи и нарушение барьерных свойств мембран?

ПОКАЗАТЬ ПЛАНПЕРЕЙТИ В НАЧАЛО

консультация дерматолога без записи