та непрерывность менее очевидна в митохондриях из других источников. Внутренние поверхности крист, обращенные к матриксу, усеяны маленькими выступающими структурами, называемыми элементарными тельцами или частицами внутренних митохондриальных мембран. Эти частицы состоят

Рис. 12.7. Схематическое изображение митохондрии. Внутренняя сторона внутренней мембраны обращена к матриксу и усеяна выступающими структурными образованиями, которые в основном являются АТР-синтетазой. В матриксе растворены дигидрогеназы цикла лимонной кислоты. В матриксе наряду с другими компонентами находятся рибосомы и митохондриальная ДНК. [Wolfe S., Biology of the Cell, Wadsworth Publishing Co., Belmont. Calif., 1974.]

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. 1

419

из сферических головок, соединенных с мембраной тонкими перемычками. Итак, различают следующие основные отделы митохондрий: наружная мембрана, межмембранное пространство, внутренняя мембрана, отделяющая межмембранное пространство от мат-рикса (рис. 12.7). Поскольку митохондрии печени содержат много ферментов, не относящихся к циклу лимонной кислоты или переносу электронов, кристы в них неплотно упакованы. Митохондрии сердечной мышцы, в которых почти не происходит иных процессов, кроме реакций цикла лимонной кислоты, окисления жирных кислот и переноса электронов, характеризуются исключительно плотноупа-кованными кристамн.

Несколько типов субмитохондриальных препаратов сослужили службу в изучении функции митохондрий. Разрыв наружной мембраны может быть осуществлен посредством осмотического шока или обработки фосфолипазой. Таким образом, освобождается для исследования межмембранная жидкость. Более плотная, чем наружная, внутренняя мембрана и ограничиваемый ею матрикс могут быть отделены с помощью центрифугирования в градиенте плотности Внутреннюю мембрану удается разорвать при ее обработке такими детергентами, как дигитонин или дезоксихолат. В результате освобождаются составляющие матрикса, например ферменты цикла лимонной кислоты, а также удаляется большая часть цитохрома с и солюбилизируются различные компоненты мембраны. Если мембрана на короткое время подвергается воздействию ультразвуковых колебаний, получаются субмитохондри-альные частицы, изображенные ниже. Это пузырьки, имеющие вывернутую наизнанку по отношению к внутренней мембране ин-тактных митохондрий конфигурацию.

Такие пузырьки образуются при разрыве и вторичном замыкании внутренней мембраны, причем выступающие элементарные частицы находятся теперь на наружной поверхности пузырьков. В пузырьках заключена жидкость, представляющая собой смесь содержимого исходного матрикса, межмембранного пространства и среды, в которой находились митохондрии. Образуя такие пу-

Вне

субмиттюхонЭриаль-ные частицы

27*

420

III МЕТАБОЛИЗМ

зырькн в среде с необходимым составом, можно «загрузить» пузырек определенными материалами. Эти субмитохондриальные частицы все еще могут переносить электроны от NADH и сукцината к 02, и они сохраняют свойство сопрягать этот перенос с образованием АТР. Использование указанных методов также позволило определить локализацию различных ферментов в мнтохондриальных отделах (табл. 12.1).

Химический состав митохондрий. Наружная мембрана митохондрий печени служит в качестве защитного покрова специализированного функционального аппарата — крист. Этот покров напоминает эндоплазматическую сеть гепатоцитов по общему химическому составу, а именно распределению фосфоглицеридов, и содержит несколько (но не все) ферментов из числа связанных с микросомами, приготовленными из клеток гепатоцитов, например NADH-цитохром о5-редуктазу (гл. 3) и глюкозо-6-фосфатазу (разд. 14.3.1). Эта мембрана служит в качестве легкопроницаемого барьера для молекул, имеющих молекулярную массу ~ 10 000.

Высокогидрофобный липидный бислой внутренней мембраны состоит преимущественно из холин- и этаноламинсодержащих фосфоглицеридов; фосфоглицериды, в состав которых входят серии, инозит и глицерин, присутствуют в меньшем количестве.

Митохондрии сердца содержат много фосфатидилхолина и фос-фатидилэтаноламина, в то время как в митохондриях печени они фактически отсутствуют. Около двух третей всех жирных кислот в той или иной степени ненасыщены; в наружной мембране их относительные концентрации в два раза ниже, чем во внутренней. Почти весь кардиолипин (гл. 3) клетки находится во внутренней митохондриальной мембране, составляя около одной пятой всех липидов. Это антигенный липид; однако антитела к кардиолипину не могут реагировать с препаратами внутренних мембран или с пузырьками, приготовленными из этих мембран. Отсюда следует, что молекулы кардиолипина погружены в мембрану и поэтому недоступны для антител. Уплотненная структура внутренней мембраны, ее проницаемость и особенности свойств содержащихся в ней ферментов обусловлены исключительно высокой гидрофобностью мембраны и природой ее липидного бислоя. Хотя свойства ферментов, когда они очищены и помещены в водную среду, представляют несомненный интерес, по-настоящему важным является их поведение в безводной гидрофобной липидной среде мембраны. Примечательно, что некоторые из ферментов никогда не удается полностью освободить от липидов, и даже когда ?-оксибутиратдегид-рогеназу удалось освободить от липида, фермент в такой форме был уже не в состоянии катализировать реакцию, как это происходит в мембране (разд. 12.4.1).

Таблица 12.1

Локализация некоторых ферментов в митохондриях

Наружная мембрана

Межмембранное пространство

Внутренняя мембрана

Матрикс

Цитохром bs

Цитохром &5-редуктаза

Моноа мииоксидаза

Кинуренингидроксилаза

Ацнл-СоА-синтетаза жирных кислот

Система удлинения цепи жирных кислот

Глицерофосфат-ацилтран-сфераза

Холннфосфотрансфераза Фосфолипаза А Нуклеозид-дифосфокиназа

Аденилаткиназа

Нуклеозиддифосфокиназа

Сульфитоксидаза

Цитохромы Ь, Си с, а, аз NADH-дегидрогеназа Сукцинат дегидрогеназа Убихинон

Флавопротеид, переносящий электроны

АТР аза

?-0.???6>???3??????????-паза

Карнитин-пальмитоилтранс-фераза

Система удлинения цепи жирных кислот

ADP-АТР-транслоказа

РгОН~-транслоказа

Дикарбоксилаттранслоказа

Трикарбоксилаттранслоказа

и-Кетоглутараттранслоказа

Пируваттранслоказа

Глутамат-аспартаттрансло-каза

Пируватдегидрогеназа Цитрат-си нтаза Аконитаза

Изоцитратдегидрогеназа Фумараза

а-Кетоглутаратдегидроге-наза

Малатдсгидрогеназа

Система окисления жирных кислот

Фосфоенолпируваткарбо-ксилаза

Глутаматдогидрогеназа

Аспартат-глутаматамино-трансфераза

Орпитин-карбомоилтранс-фераза

422

[II. метаболизм

12.3.1. Перенос через внутреннюю митохондриальную мембрану

Митохондрии, суспендированные в растворе непроникающих веществ, ведут себя как прекрасные осмометры. Внутренняя мембрана, в сущности, непроницаема для молекул более крупного размера и для всех заряженных ионов. Вода, маленькие нейтральные молекулы (Ог и ??3, но не Н+, ОН" или NHJ) и несколько «проникающих» анионов (О- и ацетат-, если им сопутствуют катионы) могут самопроизвольно входить в матрикс или выходить из него. В принципе движение веществ внутрь матриксного пространства может осуществляться быстро, но происходит оно в основном как активный транспорт или облегченный обмен. Оба процесса совершаются с участием специфических высокоспециализированных белков. Такие белки называют носителями или транслоказами (разд. 11.3.2), большинство из них функционирует по типу антипорта, т. е. движение вещества через мембрану становится возможным только в обмен на какое-либо довольно специфическое вещество, имеющее тот же заряд, но двигающееся в обратном направлении, например ADP обменивается на АТР. Для транспорта с помощью транслоказы (носителя) не требуется никакой дополнительной энергии извне. По крайней мере одна из пары транспортируемых молекул, движение которой осуществляется по типу антипорта (обмена), должна двигаться вниз по значительному концентрационному градиенту. Следует отметить, что таким образом выход какого-либо основного компонента клетки по концентрационному градиенту, будь то через митохондриальную или плазматическую мембрану, может управлять движением идущего навстречу вещества против его градиента, т. е. совершать «работу» до тех пор, пока обе движущие силы не уравновесятся. На рис. 12.8 показано расположение нескольких участвующих в одной последовательности переносчиков.

Считают, что переносчик фосфата обменивает Р,- на ОН~, хотя формально этот процесс невозможно отличить от совместного транспорта (симпорта) с Н+. Транспорт Р,- — процесс с насыщением; Km понижается вместе с возрастанием кислотности. Переносчик обладает по крайней мере одной необходимой сульфгидрильной группой. Реакция с такими сульфгидрильными реагентами,"как ?-этилмалеимид, останавливает транспорт Р,.

Метаболическая роль процессов, катализируемых носителями ди- и трикарбоксилатов, обсуждается немного позднее. Здесь необходимо лишь заметить, что для работы цикла лимонной кислоты требуется только облегченный вход пирувата. Поступление малата из цитозоля — это источник дополнительных восстановительных эквивалентов (разд. 12.4.1) и способствует глюконеогене-зу (разд. 14.6). Выход цитрата — средство для экспортирования

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ I

423

Рис. 12.8. Схема последовательного действия переносчиков при транспорте метаболитов через ми-тохондриальную внутреннюю мембрану. [Fonyo ?., Palrnieri F., Quagliariello ?., Horiz. Biochem. Biophys., 2, 60—105, 1976.]

ГИЗрОКСИЛ -

СрОСфВРА

малат-

мембрана

переносчик

Pi

фосфат

• малат

цитрат

ацетильных групп (разд. 14.5.1). Носитель дикарбоксилатов обменивает Pj на малат, малат — на другие дикарбоксилаты, включая малонат, и Pi — на Pi, но не на ОН~. Транспорт дикарбоксилатов, но не Р,- ингибируется замещенными малонатами.

Переносчик трикарбоксилатов транспортирует цитрат, изоцитрат, аконитат и такие дикарбоксилаты, как малат и сукцинат (не малонат), а также фосфоенолпируват (разд. 14.4.2); в каждом случае две карбоксильные группы находятся в ^ис-конфигурации. Особая природа этого переносчика от