Мембрана внутренняя: Внутренняя мембрана митохондрий – Справочник химика 21

Содержание

как не ошибиться с выбором.

Попав в наш раздел мембранных курток, в первый раз там можно просто потеряться. Понимание ключевых терминов и технологии работы мембраны поможет вам разобраться в обилие курток и выбрать ту, которая подойдет и по бюджету и по параметрам.

Откуда такие цены? Покупая качественную мембранную куртку, вы платите за исследования, разработку и тесты материалов изделия. Ну, и за внешний вид, конечно. Топовые модели мембранных курток могут стоить как подержанный автомобиль, поэтому стоит разобраться, нужно ли так переплачивать.

Виды защиты от непогоды

Каждая куртка имеет свою степень защиты от непогоды, и, разбираясь в терминологии, вы сможете понять, на что рассчитана данная модель.

Влагостойкость (water-resistant) или непромокаемость (waterproof)

Мы называем куртку непромокаемой, когда она в состоянии выдержать проливной дождь в течение нескольких часов. Несмотря на то, что разные компании придерживаются разных стандартов, вы можете быть уверены, что непромокаемая куртка серьезного бренда точно выстоит многочасовой сильный ливень.

Непромокаемая/дышащая: Такая куртка не даст вам промокнуть, и в тоже время будет отводить пот от тела. Если вы планируете активно двигаться, то вам надо обратить внимание на эту куртку. В ней вам не будет «мокро» ни от дождя, ни от пота.

Влагостойкая: Чаще всего тоже дышащая, но может защитить только от небольшого дождя и мороси. Обычно эти куртки (их еще называют ветровками) ничего не весят и хорошо «держат» ветер.

Непромокаемая/не дышащая: Сюда относятся плащи и дождевики. Если вам нужно не промокнуть без активной нагрузки, например, на рыбалке, то такой вариант для вас. Такие куртки обычно стоят недорого, но работают «как надо».

Непродуваемость (windproof) и ветрозащита (wind-resistant)

Ветрозащита становится непродуваемостью, когда материал способен выдержать скорость ветра в 27 м/с.

Непродуваемость: любая непромокаемая куртка не продувается.

Ветрозащита: влагостойкая куртка защищает от ветра, но может продуваться при сильных порывах. Она компакта, легко складывается в карман. Создана для коротких прогулок и оптимистического прогноза. От них мало толку в настоящий шторм.

Куртки 3-в-1 – это мембранная куртка с утепленной подстежкой. Вы можете носить отдельно мембрану, отдельно подстежку (обычно флис) или все вместе.

Типы защиты

Понятие «защита» относятся не только к курткам, но и штанам, паркам и пончо. Это понятие больше относится к материалу, чем к виду изделия. Разобравшись в типах защиты материала, будет проще найти «свою» куртку.

Hard shell: Это альтернативное название непромокаемой и дышащей куртки. Как понятно из названия, материал в этих изделиях жестче, чем в куртках soft-shell, но это ни в коем случае не наждачка. Куртки hard-shell не утеплены, поэтому в холодную погоду под них надо надевать слой утеплителя и термобелье.

Soft shell: Сочетание утепляющего слоя с влагостойкой «шкуркой». Больше дышимости, но меньше защиты от дождя и ветра. Хороший вариант для высокой аэробной нагрузки, когда основная проблема это пот. Софт-шелл лучше тянется и облегает фигуру по сравнению с хард-шелл.

Гибрид: Чаще всего гибридами называют куртки, в которых часть сделана из материала хард-шелл, а другая часть – софт-шелл. Например, грудь и рукава сделаны из более плотной мембраны, а спина и зоны под рукавами – из более дышащего софт-шела.

Утепленные: Мембранные куртки с утеплителем, например с пухом. Они не боятся дождя и ветра, но в тоже время превосходно греют. Такие изделия часто используют в городских условиях.

Что значит дышимость?

Дышимость или паропроницаемость – это то, за что борются все производители мембранных курток. Никому не нужна куртка-сауна, никто не хочет потеть в одежде. Чтобы этого избежать, нужно отводить влагу от тела.

Отведение пота частично происходит из-за притягивания теплого влажного воздуха внутри изделия холодным и более сухим воздухом снаружи. Чем быстрее влага испаряется от тела, тем суше вам будет. Именно над ускорением этого процесса и работают все крупные производители уже несколько десятилетий. А это значит, что Gore-Tex – не панацея.

Конечно современные материалы «дышат» намного лучше, чем материалы еще десять лет назад, но все равно до сих пор не существует единого стандарта для измерения паропроницаемости.

Технологии непромокаемой дышащей одежды

Ключевым фактором непромокаемой одежды является покрытие или мембрана, которая блокирует дождь и отводит влагу от тела. Так как мембрана достаточно «нежный зверь», то ее наносят на внутреннюю сторону материала (чаще нейлон) путем ламинирования. Этот материал защищает мембрану от внешнего воздействия. С внутренней стороны мембрану защищает или специальное напыление, или еще один слой материала или сетчатая подкладка.

Почти все непромокашки имеют или покрытие, или ламинирование, хотя сам материал изделия может быть абсолютно любой.

Ламинат или покрытие

Ниже мы приведем сравнительную таблицу, в которой отображены плюсы и минусы обоих вариантов.

	Ламинирование	Покрытие
Образно	Обои поклеены на стену	На стену нанесена краска
Материал	вспененный политетрафторэтилен (еПТФЭ), полиуретан (PU) или полиэстеровая мембрана	Разные виды полиуретана (PU)
Непромокаемость	Отличная	Хорошая
Паропроницаемость	Отличная	Хорошая
Прочность	Отличная	Хорошая
Вес	Легкий	От ультралегкого до легкого
Цена	Высокая	Низкая

Пропитка DWR (Durable water repellent)

Большинство верхней одежды, включая мембранные куртки, обработаны пропиткой DWR. Когда верхний материал пропитан, капли буквально скатываются с его поверхности. Обратите внимание, это пропитка DWR и влагостойкость – это разные понятия.

Пропитка DWR уменьшает количество воды на поверхности изделия, тем самым уменьшая давления воды на мембрану. Мембране легче, вам суше.

После каждого использования осматривайте изделие на предмет образования мокрых пятен. Если такие появились, значит, в этих местах пропитка стерлась. Это не значит, что куртка сразу начнет протекать. Мембрана или покрытие все равно будут держать дождь, но промокший материал будет хуже пропускать пот и быстрее отсыревать. Куртка может начать прилипать к телу, создавая ощущение, что она протекает.

Интересный факт, что чем экологичнее пропитка DWR, тем быстрее она стирается.

Виды нанесения мембраны

Любая мембрана наносится на материал, и именно от толщины и прочности этого материала зависит вес и прочность самого изделия. Мембрана здесь абсолютно не причем. Понятие «толстая мембрана» абсолютно неверное.

Так как мембранный слой весьма уязвим, в любом изделии ему необходима защита.

Существует три вида этой защиты: 3-слойная, 2-слойная, и 2,5-слойная.

2-слойная:

Мембрана накатана на внутренний слой материала и образует с ним единое целое. Чтобы защитить мембрану с другой стороны, в изделие ставится сетчатая подкладка, которая защищает от внутреннего износа и загрязнений. Обычно изделия с такой мембраной относительно недороги. Чаще всего такие куртки покупают для города, несложных походов и загородных поездок.

2,5-слойная:

В качестве первого слоя используется прочный, но легкий материал. На него ламинируется мембранный слой. С внутренней стороны мембрану защищает или специальное напыление или защитная пленка (половинчатый слой).

Некоторые покупатели считают такие куртки «хлипкими», но это абсолютно не так. Они достаточно прочны и надежны. Если вы участвуете в забеге по пересеченной местности или в веломарафоне, вам нужна именно такая куртка. В этих условиях для вас критичнее вес, чем износостойкость.

3-слойная:

Мембрана накатана на прочный материал, а с внутренней стороны защищена еще одним слоем материала. Изделия с трехслойной конструкцией мембраны используются в самых жестких условиях, в горах, многодневных походах. Они используются тогда, когда кроме непромокаемости и паропроницаемости, важна прочность изделия. Чаще всего куртки с трехслойной защитой мембраны тяжелее аналогов с 2,5-слойной защитой, но есть и исключения, например, куртки от фирмы Sivera

Вапъ и Багр

Ниже мы приведем приблизительное сравнение всех типов защиты мембраны.

	2 слоя	2,5 слоя	3 слоя
Непромокаемость	Хорошая	Хорошая	Отличная
Паропроницаемость	Хорошая	Хорошая	Отличная
Прочность	Очень хорошая	Хорошая	Отличная
Вес	Средний	От суперлегкого до легкого	Легкий
Цена	Низкая	Средняя	Высокая

Особенности мембранных курток

Основное, за что вы платите, покупая мембранную куртку, это технологии, но не стоит забывать и о конструктивных особенностях. Чем больше в куртке всяких «фишек», тем выше цена. Не стоит забывать про вес, он тоже влияет на цену. При выборе куртки расставьте для себя приоритеты, если вам нужна легкая куртка, то может стоит пожертвовать количеством карманов или молний.

Проклеенные швы

Выкройка куртки требует большого количества швов, а чтобы куртка была полностью непромокаемая, все эти швы должны быть полностью проклеены.

Молнии

В любой мембранной куртке есть молния, а в некоторых даже не одна: фронтальная молния, молнии на карманах и вентиляционные молнии. Чтобы вода не заливала сквозь молнии, их обрабатывают резиновым покрытием или ставят защитную планку. Молнии с покрытием называют ламинированными, их труднее открывать и закрывать. Самый дорогой, но удобный и качественный вариант это тракторные молнии, как в сухих гидрокостюмах. Они не протекают, но легко расстегиваются и застегиваются.

В хорошей куртке молния сверху всегда «прячется» в небольшой карманчик, имеет, так называемую, защиту подбородка, чтобы молния не «прикусила» кожу или не терла подбородок. Часто в куртках из бюджетного сегмента ставят на молнию защитную планку.

Дизайн капюшона

Большинство капюшонов имеет козырек и регулировку сбоку и сзади. Это помогает полностью отрегулировать капюшон по голове. Капюшоны без регулировки встречаются в городских моделях. Также есть модели с отстегивающимися капюшонами или с капюшонами, которые убираются в воротник. В альпинистских куртках капюшон делают такого размера, чтобы он надевался на каску.

Вентиляция

Так как ни одна куртка не может полностью справиться с отведением влаги при интенсивных нагрузках, в штормовых куртках всегда есть дополнительная вентиляция. Чаще всего это вентиляционные отверстия на молнии в подмышках. В некоторых куртках вместо этих отверстий используются карманы. Тогда в них ставят сетчатую подкладку, и вентиляция производится через открытые карманы.

Регулировка

Кроме регулировки на капюшоне, о которой мы писали ранее, у курток есть регулировка по низу. В удлиненных моделях может быть утяжка на талии. В большинстве профессиональных курток манжеты регулируются липучками. Все эти регулировки помогают подогнать куртку по фигуре и не дать дождю затечь внутрь. Если ослабить все эти регулировки, то куртка будет лучше «дышать».

Карманы

Карманы, особенно с влагостойкими молниями, повышают стоимость изделия. В некоторых куртках столько карманов, что рюкзак можно оставить дома. В профессиональных куртках боковые карманы располагают выше талии, чтобы в них можно было попасть при застегнутом поясном ремне рюкзака.

Сейчас во многих куртках стали делать карман с выходом для наушников, а в городских куртках делают карман под защитной планкой.

Компактность

Ультралегкий материал придает курткам большую компактность. В некоторых куртках даже есть карман, куда ее можно упаковать, то есть она пакуется сама в себя. К некоторым курткам в комплекте идет мешочек для упаковки.

Офтальмологический раствор для окрашивания внутренней пограничной мембраны глаза

Витреоретинальная хирургия – один из наиболее распространенных видов операций, проводимых офтальмологами для лечения заболеваний заднего отрезка глаза, то есть стекловидного тела и сетчатки. Своевременное вмешательство позволяет предотвратить ряд негативных последствий для пациента, в том числе избежать инвалидности и слепоты.
Благодаря распространенности таких операций, методы их проведения постоянно совершенствуются, что делает их, на сегодняшний день, значительнее безопаснее. Специалисты применяют современное оборудование и препараты, среди которых – офтальмологический раствор для окрашивания внутренней пограничной мембраны (ВПМ).

Показания к проведению витреоретинальных операций

Витреоретинальные операции с применением краски для витреоретинальной хирургии проводят для лечения пациентов в ряде случаев. Чаще всего их назначают при:

Помутнении стекловидного тела;
Макулярных разрывах и макулодистрофии;
Потере объема стекловидного тела в результате травмы глаза или после проведения другой офтальмологической операции;
Выявлении макулопатии и ретинопатии;
Отслоении сетчатки глаза;
Кровоизлияниях в стекловидное тело из-за общих заболеваний.

Помимо этого, часто хирургическое вмешательство необходимо в случае осложнений после проведения других офтальмологических операций, например, после удаления катаракты или лечения отслойки сетчатки.

Какие растворы используют при операциях

Врачи, которые специализируются на витреоретинальной хирургии, стремятся сделать каждый этап процедуры максимально безопасным для пациента. Поэтому они используют качественные растворы для временного окрашивания внутренних тканей глаза в ходе офтальмологической операции.

Однако далеко не все производители подобных офтальмологических препаратов выпускают продукцию, соответствующую международным стандартам качества. Поэтому выбору таких растворов уделяют особое внимание.

View ILM – раствор окрашивающий для офтальмологической хирургии, который выбирают ведущие офтальмологи при проведении витреоретинальных операций. Этот краситель выпускается итальянским производителем AL.CHI.MI.A. S.R.L., который на протяжении многих лет поставляет офтальмологическое оборудование и расходные материалы в специализированные клиники по всей планете.

Раствор view ILM соответствует ведущим стандартам оснащения офтальмологических кабинетов, что подтверждает наличие соответствующих сертификатов. Препарат расфасовывают в шприцы объемом 0,7 мл, что делает краситель максимально эффективным в использовании.

В составе препарата полностью отсутствуют токсичные вещества, что обеспечивает его безопасность даже для людей с повышенной чувствительностью. Основной компонент View ILM – сбалансированный солевой раствор. Помимо него, в составе содержатся Ficoll 400 и краситель Blulife с высокой степенью очистки. Он на 18% безопаснее BBG.

Методика применения

Применение окрашивающего раствора не требует использования специальной аппаратуры. Для его применения хирургу сначала необходимо провести частичную витрэктомию и выполнить стимулирование задней отслойки стекловидного тела. Затем вводится сам краситель, который впоследствии удаляется зондом. Также возможно выполнение пилинга ERM. В таком случае, необходимость вводить раствор повторно отсутствует.

За счет использования раствора для временного окрашивания внутренней пограничной мембраны глаза, хирург облегчает визуализацию кортикальных слоев стекловидного тела. Это происходит благодаря блокированию красного рефлекса и повышению контрастности коаксиального освещения при проведении витрэктомии.

Мембранное разделение газов – Что такое Мембранное разделение газов?

Мембранное разделение газов – это технология, использующая принцип фильтрации газов через специальные мембраны

Основой мембранной технологии разделения газов является мембрана, с помощью которой происходит разделение газов.

Современная газоразделительная мембрана представляет собой полое волокно.

Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем.

Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна.

Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях (до 6,5 MПа).

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану.

Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов.

Современный мембранный модуль, используемый для технологии мембранного разделения газов, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 3000-3500 м² волокна на 1 м³ картриджа, что позволяет минимизировать размеры газоразделительных установок.

Газоразделительный картридж – схематичный вариант

Корпус модуля имеет 1 патрубок для входа исходной смеси газов и 2 патрубка для выхода разделенных компонентов.

Разделение смеси с помощью мембранной технологии происходит за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях половолоконной мембраны.

Газы, «быстро» проникающие через полимерную мембрану (например H₂, CO₂, O₂, пары воды, высшие углеводороды), поступают внутрь волокон и выходят из мембранного картриджа через один из выходных патрубков.

Газы, «медленно» проникающие через мембрану (например, CO, N₂, CH₄), выходят из мембранного модуля через второй выходной патрубок.

Принципиальная схема работы мембранной азотной установки

Принципиальная схема работы мембранной кислородной установки

Источник: НПК Грасис

Внутренняя мембрана – обзор

Структура и свойства митохондрий

Митохондрии присутствуют в цитоплазме аэробных эукариотических клеток. Они часто находятся в непосредственной близости от источников топлива и структур, которым требуется АТФ для поддержания и функциональной активности (например, сократительные механизмы, энергозависимые транспортные системы и секреторные процессы). Количество митохондрий в одной клетке варьируется от одного типа клетки к другому; клетка печени крысы содержит около 1000, а одна гигантская амеба – около 10 000.В данной клетке количество митохондрий также может зависеть от стадии развития или функциональной активности клетки.

Размер и форма митохондрий значительно различаются от одного типа клеток к другому. Даже внутри одной клетки митохондрии могут изменяться в объеме и форме в зависимости от метаболического состояния клетки. Как правило, они имеют ширину 0,5–1,0 мкм и длину 2–3 мкм и, как известно, объединяются встык, образуя длинные нитевидные структуры. Они подвергаются процессам слияния и деления (Глава 1).

Митохондрии состоят из двух мембран, одна окружает другую, образуя две пространственные области: межмембранное пространство и центральное пространство, называемое матрицей. Наружная мембрана имеет толщину 6–7 нм, гладкая, развернутая (рис. 13-1) и свободно проницаема для молекул с молекулярной массой ниже 10 000 . Он содержит гетерогенную группу ферментов, которые катализируют определенные реакции липидного обмена, а также реакции гидроксилирования. Межмембранное пространство (5–10 нм) содержит ферменты, катализирующие взаимное превращение нуклеотидов аденина.

Рисунок 13-1. Морфология митохондрии (поперечный разрез).

Внутренняя мембрана (толщиной 6–8 нм) имеет множество складок, направленных в сторону матрикса. Эти инвагинации, известные как кристы, увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны. Липидный компонент, почти весь состоящий из фосфолипидов, составляет 30–35% от веса внутренней мембраны. Фосфолипиды асимметрично распределены в липидном бислое, причем фосфатидилэтаноламин преобладает на стороне матрикса, а фосфатидилхолин – на стороне цитоплазмы.Семьдесят пять процентов кардиолипина присутствует на матричной стороне мембраны. Состав жирных кислот фосфолипидов зависит от вида, ткани и диеты. Во всех случаях в фосфолипидах содержится достаточно ненасыщенных жирных кислот, чтобы обеспечить очень жидкую мембрану при физиологических температурах.

Внутренняя мембрана усеяна сферами диаметром 8–10 нм каждая, которые прикреплены стеблями длиной 4–5 нм. Эти внутренние мембранные сферы присутствуют на стороне матрикса (M-сторона), но отсутствуют на цитоплазматической стороне (C-сторона).Компоненты внутренней мембраны включают белки дыхательной цепи, различные транспортные молекулы и часть аппарата для синтеза АТФ (основная часть АТФ-синтазы). Транслоказа АТФ-АДФ и АТФ-синтаза вместе составляют не менее двух третей всего белка внутренней митохондриальной мембраны. Небольшие незаряженные молекулы (например, вода, кислород, углекислый газ, аммиак и этанол) могут диффундировать через внутреннюю мембрану, но все остальные молекулы, которые проходят через них, требуют особых транспортных систем.Внешняя и внутренняя мембраны митохондрий сильно различаются по составу и функциям:

1.: Наружная мембрана содержит в два-три раза больше фосфолипидов на единицу белка;
2.: Кардиолипин локализуется во внутренней мембране; и
3.: Холестерин находится преимущественно в наружной мембране.

Проницаемость внешней мембраны для заряженных или незаряженных веществ с молекулярной массой до 10000 обусловлена пористыми структурами, которые состоят из белка (M.W. 30,000), внедренный в бислой фосфолипидов.

Матрица вязкая и содержит все ферменты цикла TCA, за исключением сукцинатдегидрогеназы, которая является компонентом электронного транспортного комплекса II и расположена внутри внутренней мембраны. Ферменты матрикса или внутренней митохондриальной мембраны опосредуют реакции окисления жирных кислот, образования и окисления кетоновых тел и биосинтеза мочевины, гема, пиримидинов, ДНК, РНК и белка. Митохондрии участвуют в апоптозе запрограммированной гибели клеток (обсуждается позже).

Структура, механизм репликации митохондриальной ДНК, а также процессы транскрипции и трансляции уникальны во многих отношениях (обсуждаемых позже).

Компоненты цепи переноса электронов

СИСТЕМА переноса электронов-9780120954612 состоит из четырех дискретных ферментных комплексов, которые катализируют следующие четыре реакции:

1.

NADH + H ++ кофермент Q (Q) → NADH- CoQ редуктаза NAD ++ Qh3

2.

Сукцинат + Q → Сукцинат-CoQ редуктаза фумарат + Qh3

3.

Qh3 + 2феррицитохром с → CoQ цитохром с редуктаза Q + 2ферроцитохром с + 2H +

4.

2 Ферроцитохром с + 2H ++ 12O2 → цитохром с оксидаза 2феррицитохром с + h3O функциональная единица, состоящая из фиксированного числа электронных носителей. Отдельные компоненты четырех комплексов прочно связаны друг с другом и не диссоциируют с помощью процедур мягкого фракционирования, тогда как связи, удерживающие в отличие от комплексов, относительно слабые и могут диссоциировать.Функциональная организация четырех комплексов внутренней митохондриальной мембраны показана на рисунке 13-2. Помимо этих комплексов, F ₀ / F ₁ -АТФаза, которая необходима для синтеза АТФ, может рассматриваться как комплекс V. Относительные соотношения комплексов I, II, III, IV и V были примерно 1: 2: 3: 6: 6. Комплексы I, II, III и IV могут быть объединены в присутствии цитохрома с (который отделяется во время фракционирования) с образованием единой единицы со всеми ферментативными свойствами интактной СИСТЕМЫ электронного транспорта-9780120954612, за исключением сопряженного фосфорилирования.

Рисунок 13-2. Схема функциональных комплексов СИСТЕМЫ транспорта электронов-9780120954612 в дыхательной цепи. F _NAD = флавопротеин НАДН-дегидрогеназы; F _s = флавопротеин сукцинатдегидрогеназы; Fe (n.h.) = Негемовое железо.

Индивидуальные переносчики электронов четырех комплексов дыхательной цепи, показанные на рисунке 13-3, расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами, при этом перенос электронов от НАДН к кислороду связан с падением потенциала на 1.12 В, а сукцината на кислород 0,8 В. В системе переноса электронов электроны могут переноситься как гидрид-ионы (H 🙂 ^– или как электроны (например, в цитохромах).

Рисунок 13-3. Митохондриальная система транспорта электронов, ox = окисленный; красный = уменьшенный.

Комплексы электронного транспорта

Комплекс I

Комплекс I катализирует реакцию NADH-CoQ редуктазы и содержит флавопротеин NADH-дегидрогеназы. Он имеет два типа электрононесущих структур: ФМН и несколько железо-серных центров.FMN представляет собой прочно связанную простетическую группу фермента дегидрогеназы, и она восстанавливается до FMNH ₂ двумя восстанавливающими эквивалентами, производными от NADH:

NADH + H ++ E-FMN↔NAD ++ E-FMNh3

. Электроны из FMNH ₂ передаются следующему электронному переносчику, коферменту Q, через центры железо-сера НАДН-CoQ редуктазы. Центры железо-сера состоят из атомов железа в паре с равным числом неустойчивых к кислотам атомов серы. Кластеры железо-сера дыхательной цепи относятся к типу Fe ₂ S ₂ или Fe ₄ S ₄.Атом железа, присутствующий в виде негемового железа, подвергается окислительно-восстановительным циклам (Fe ²⁺ ↔ Fe ³⁺ + e ^–). В комплексах Fe ₄ S ₄ центры организованы таким образом, что атомы железа и серы занимают чередующиеся углы куба. Четыре атома железа ковалентно связаны через цистеинилсульфгидрильные группы белка (рис. 13-4). Сборка железо-серного кластера опосредуется консервативным митохондриальным белком, известным как латаксин .Наследственное нейродегенеративное заболевание Атаксия Фридрейха вызывается дефицитом латаксина. Комплекс I является одним из трех сайтов, которые участвуют в транспорте протонов со стороны матрицы в межмембранное пространство. Комплекс I ингибируется ротеноном (природный токсичный растительный продукт), амобарбиталом (барбитуратом) и пирицидином А (антибиотиком), которые действуют в определенных точках и полезны при изучении транспорта электронов (структуры см. На веб-сайте) .

Рисунок 13-4.(A) Транспорт восстанавливающих эквивалентов от NADH к FMN и (B) структура белкового комплекса железо-сера, который обеспечивает перенос электронов от FMNH ₂ к CoQ. И FMN, и центры железо-сера являются компонентами NADH-CoQ редуктазы.

Комплекс II

Комплекс II содержит сукцинатдегидрогеназу и ее железо-серные центры. Сообщалось также, что комплекс содержит специфический цитохром, цитохром b ₅₅₈. Цитохромы представляют собой гемовые белки, которые подвергаются реакциям окисления и восстановления и дифференцируются на основе их апопротеиновой структуры, структуры гема и оптического поглощения в видимой области спектра.Электронная транспортная цепь митохондрий содержит по крайней мере шесть различных цитохромов, разделенных на три группы (a, b и c). Обычно указывается максимум поглощения α -полосы конкретного цитохрома (например, цитохрома b ₅₅₈). Сукцинатдегидрогеназа, FAD-содержащий фермент, является частью цикла TCA и катализирует транс-элиминирование двух атомов водорода из сукцината с образованием фумарата (глава 12).

Водороды принимаются FAD, который ковалентно связан с апопротеином через остаток гистидина.Во многих флавопротеинах нуклеотид флавина связан с апопротеином не ковалентно, а скорее через ионные связи с фосфатной группой. Восстановительные эквиваленты FADH ₂ передаются коферменту Q (CoQ или Q) через центры железо-сера. Таким образом, общая реакция, катализируемая комплексом II, показана ниже:

На конечных стадиях переноса электрона в комплексе II задействован цитохром b ₅₅₈, который обеспечивает сайты связывания для CoQ. Оксалоацетат и малонат являются конкурентными ингибиторами сукцинатдегидрогеназы и конкурируют с субстратом за связывание в активном центре.Карбоксин и теноилтрифторацетон ингибируют перенос электронов от FADH ₂ к CoQ (см. Сопутствующий веб-сайт).

Комплекс III

Комплекс III содержит цитохромы b ₅₆₂ и b ₅₆₆ (вместе называемые цитохромом b), цитохром c ₁ и железо-серный белок. Комплекс III катализирует перенос восстанавливающих эквивалентов от CoQ к цитохрому c:

Qh3 + 2Cyt c (Fe3 +) → Q + 2Cyt c (Fe2 +) + 2H +

Коэнзим Q, также называемый убихиноном из-за его повсеместного присутствия в микроорганизмах , растения и животные, является жирорастворимым и не связан прочно или ковалентно с белком, хотя он выполняет свою функцию транспорта электронов вместе со специфическими CoQ-связывающими пептидами.Он играет центральную роль в цепи переноса электронов, поскольку собирает восстанавливающие эквиваленты из NADH- и FADH ₂-связанных дегидрогеназ и передает их в терминальную систему цитохрома. CoQ представляет собой замещенный 1,4-бензохинон, содержащий полиизопреноидную боковую цепь при C ₆ (рис. 13-5). У бактерий CoQ обычно содержит шесть изопреноидных единиц (Q ₆), тогда как в митохондриях большинства млекопитающих их десять (Q ₁₀). Восстановление Q до QH ₂ (гидрохинон) требует двух электронов и двух протонов и, вероятно, происходит через одноэлектронное промежуточное соединение, как показано ниже:

Рис. 13-5.Структура и окислительно-восстановительная реакция кофермента Q. В большинстве тканей млекопитающих CoQ имеет 10 изопреноидных единиц. CoQ собирает восстанавливающие эквиваленты из НАДН-дегидрогеназы и из других флавин-связанных дегидрогеназ.

Где точка, связанная с QH, представляет неспаренный электрон (свободный радикал). Подобно комплексу I, комплекс III также перемещает протоны со стороны матрикса в межмембранное пространство. Антимицин A (антибиотик Streptomyces ) ингибирует перенос электронов от QH ₂ к цитохрому c.

Цитохром c переносит электроны от комплекса III к комплексу IV, а цитохромы a и a ₃ переносят электроны к кислороду в комплексе IV. Структура гема простетической группы (железо-протопорфирин IX) в цитохромах b, c и c ₁ такая же, как у гемоглобина и миоглобина, но отличается от гемовой группы (гем A) цитохромов a и a. ₃ (рисунок 13-6). Гемовые группы в цитохромах с и с ₁ ковалентно связаны с апопротеином тиоэфирными связями между сульфгидрильными группами двух остатков цистеина и винильными группами гема.Гем цитохромов В и А ₃ связан сильными гидрофобными взаимодействиями между гемом и апопротеином.

Рисунок 13-6. Структура гема (присутствует в цитохромах b, c и c ₁) и гема A (присутствует в цитохромах a и ₃).

Цитохромы b, c ₁, a и ₃ являются интегральными мембранными белками, тогда как цитохром c является периферическим белком, расположенным на С-стороне мембраны и легко выделяемым из митохондрий.

Комплекс IV

Комплекс IV, также называемый цитохром с оксидазой, является конечным компонентом дыхательной цепи. Он состоит из четырех окислительно-восстановительных центров: цитохрома а; цитохром А ₃; и два иона Cu. Подобно атомам гема, ионы меди действуют как одноэлектронные переносчики:

Cu2 ++ e-↔Cu +

Цитохром c переносит электроны от цитохрома c ₁, конечного компонента комплекса III, к четырем окислительно-восстановительным центрам комплекс цитохромоксидазы.Перенос четырех электронов от каждого из четырех окислительно-восстановительных центров комплекса цитохромоксидазы к молекуле кислорода происходит согласованным образом с образованием двух молекул воды:

4e- + O2 + 4H + → 2h3O

Сопровождение вышеуказанных реакций цитохром с-оксидаза также управляет переносом протонов со стороны матрикса в межмембранное пространство. Цианид, окись углерода и азид ингибируют цитохромоксидазу. Лечение цианидного отравления с помощью нитрита и тиосульфата обсуждается в главе 6.

Образование активных форм кислорода

Более 90% метаболического кислорода потребляется в реакции цитохромоксидазы. Кислород имеет нетрадиционное распределение двух валентных электронов. Эти два электрона занимают разные орбитали и не связаны спинами; таким образом, кислород является бирадикалом. Восстановление молекулы кислорода с менее чем четырьмя электронами приводит к образованию активных форм кислорода. Один перенос электрона дает супероксидный радикал (O ² -), а двухэлектронный перенос дает пероксид водорода (H ₂ O ₂).Образование свободных радикалов гидроксила (HO ^•) может происходить из перекиси водорода в присутствии хелатов двухвалентного железа или меди. Свободные радикалы O2- и HO ^• являются цитотоксическими окислителями. В митохондриальной системе транспорта электронов утечка электронов в любом из окислительно-восстановительных центров из-за старения или патологических состояний приводит к образованию супероксида. Антиоксидантные ферменты, а именно супероксиддисмутазы (СОД), каталаза и глутатионпероксидаза, участвуют в устранении токсичных метаболитов кислорода.В клетках человека присутствуют три разных СОД; они расположены в митохондриях, цитозоле и внеклеточной жидкости. Важность митохондриальной SOD (обозначенной как SOD2), которая представляет собой марганецсодержащий фермент, продемонстрирована на примере мышей, гомозиготных по SOD2. Эти мыши с нокаутом по SOD2 имеют низкий вес при рождении и умирают вскоре после рождения от дилатационной кардиомиопатии.

Окислительно-восстановительные реакции – необходимая часть нормального метаболизма. В нейтрофилах, например, уничтожение вторгшихся микроорганизмов требует образования активных метаболитов кислорода (обсуждается позже).

Окислители также участвуют в экспрессии генов (например, различных протеинкиназ) и в регуляции окислительно-восстановительного гомеостаза. Нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза вызывает окислительный стресс и может способствовать развитию хронических воспалительных заболеваний и злокачественных новообразований.

Организация цепи переноса электронов

Расположение компонентов цепи переноса электронов было установлено экспериментально. Поскольку электроны переходят только из электроотрицательных систем в электроположительные системы, носители реагируют в соответствии со своим стандартным окислительно-восстановительным потенциалом.

Комплексы I – IV дыхательной цепи асимметрично организованы во внутренней мембране (рис. 13-7) следующим образом:

Рис. 13-7. Ориентация компонентов комплексов электронного транспорта внутри внутренней митохондриальной мембраны. Fe – S = железо-серный центр; b, c, c ₁, a и a ₃ = цитохромы; Cu = ион меди.

1.: Простетические группы флавина НАДН-дегидрогеназы и сукцинатдегидрогеназы обращены на сторону M мембраны;
2.: CoQ и цитохром b комплекса III, вероятно, недоступны с любой стороны мембраны;
3.: Цитохром c взаимодействует с цитохромом c ₁ и цитохромом a, все они расположены на стороне C;
4.: Комплекс IV охватывает мембрану, причем цитохром а ориентирован в сторону С; Ионы меди и цитохром а ₃ ориентированы в сторону М.
5.: Никотинамиднуклеотидтрансгидрогеназа, которая катализирует реакцию NADPH + NAD ⁺ ↔ NADH + NADP ⁺, охватывает мембрану, но ее каталитический сайт обращен к M стороне.

Анизотропная организация электронных носителей через мембрану объясняет векторный перенос протонов изнутри наружу мембраны, который происходит при прохождении электронов. Соединение этого протонного градиента с АТФ-синтазой, передающей протоны (также известной как АТФ-синтетаза), составляет хемиосмотическое соединение при окислительном фосфорилировании.

MICOS взаимодействует с респираторными комплексами и липидами для установления архитектуры внутренней митохондриальной мембраны

1) Работа может выиграть от большего количества анализов EM или сверхвысокого разрешения локализаций белков MICOS относительно предсказанных соединений крист.В настоящее время оценки локализации белков являются косвенными (около белков комплекса Ox Phos в Figure 7D ) и имеют низкое разрешение. Важный вывод состоит в том, что комплекс Mic27 / Mic10 / Mic12 локализуется в соединениях крист независимо от Mic60. Это основано на коррелированных положениях Mic27 и респираторных комплексов, представленных на фигурах 4D и E . По крайней мере, количественная оценка (которая, по общему признанию, сама по себе проблема) близости Mic27 к Qcr2 и Atp2 и выяснение того, являются ли они более соседними друг с другом, чем с какой-либо другой митохондриальной субструктурой (нуклеоидами?), Необходима для подтверждения этого вывода.Это гарантирует, что не все расположено близко друг к другу в митохондриях, визуализируемых при таком низком разрешении. Однако лучшим решением будет иммун-Эмс .

Мы согласны с тем, что одним важным моментом, предлагаемым нашими данными, является то, что как субкомплексы Mic60, так и Mic27 / 10/12 независимо локализуются в соединениях крист. Данные, подтверждающие этот вывод, включают зависимость образования фокусов Mic27 от наличия крист, а также соседнюю локализацию фокусов Mic27 с локализованными на кристах белками респираторного комплекса ∆mic60 клеток.Мы согласны с тем, что более сомнительная поддержка будет включать данные иммуно-ЭМ, демонстрирующие более прямую локализацию Mic27 в соединениях крист. Однако иммуно-ЭМ анализ Mic27 в клетках ∆mic60 , как упоминалось в рукописи, оказался слишком технически сложным из-за низкой численности как соединений крист, так и фокусов Mic27 в клетках ∆mic60 и сложности, связанной с визуализацией крист. стыки в шлифе. Однако, чтобы определить, была ли эта проблема специфичной для клеток ∆mic60 , мы выполнили иммуно-мечение Mic60 как в клетках ∆mic19 , так и в клетках ∆MICOS.Мы получили изображения кластеров золотых частиц, специфичных для Mic60, на краях митохондрий (как наблюдается для иммуно-золотого мечения Mic27), которые, вероятно, соответствуют фокальному виду, который мы наблюдаем по флуоресценции. Однако, как было замечено ранее для Mic27, мы не могли определить, были ли они пространственно связаны с соединениями крист из-за морфологии митохондриальных мембран в этих тонких срезах.

Принимая во внимание важность этого заключения, однако, мы дополнительно проанализировали наши данные световой визуализации путем количественной оценки близости фокусов Mic27 и Mic60 к субструктурам, помеченным Qcr2 и Atp2, белки, ранее продемонстрированные как обогащенные кристами.По запросу рецензентов мы получили изображения с более высоким разрешением с помощью CMOS-камеры с ∼2x большей плотностью пикселей (см. Новый рисунок 4D-4E, рисунок 4 – дополнение к рисунку 5-6, рисунок 7D-7E и рисунок 7 – приложение к рисунку 3. ). Мы думаем, что эти изображения убедительно демонстрируют локализацию как Mic27, так и Mic60 фокусов, непосредственно прилегающих к субмитохондриально-концентрированным областям Qcr2 и Atp2. Таким образом, чтобы дополнительно проверить это, мы разработали метод объективного количественного анализа этих изображений с более высоким разрешением, который показывает, что паттерн локализации фокусов Mic27, прилегающих к кристам, помеченным Qcr2, не является случайным (см. Новые рисунки 4D-4F и 4–4). приложение 5).

2) Одной из связанных проблем является идентификация MICOS « подкомплексов » , обнаруживаемая, когда подмножества или отдельные компоненты MICOS выражаются в дельта-клетках MICOS. Могут ли фокусы Mic60 в Рис. 2 быть неправильно свернутыми агрегатами? Возможно, экспрессия Mic19 стабилизирует Mic60, позволяя ему складываться более нормально. Immuno-EM может позволить авторам поддержать утверждение, что Mic60 маркирует дискретные структуры (соединения крист?), А не формирует неспецифические агрегаты.Или, возможно, синие природные гели подтвердили бы утверждение, что Mic60 образует дискретные субструктуры. Было бы важно подтвердить или обосновать вывод авторов в конце подраздела, озаглавленного «Mic10, Mic12 и Mic27 образуют второй независимый организационный центр MICOS», что Mic60 « обладает внутренней способностью к самоорганизации » выше и выше самоагрегации. Самоагрегация может также объяснить, почему фокусы Mic60 формируются в клетках Rho0. С другой стороны, Рисунок 7C показывает, что Mic60 формирует фокальные сборки в нулевых ячейках Mic19, которые перекрываются с Mic27.Это поддерживает идею авторов о том, что Mic60 локализован в реальных субструктурах, но в Рисунок 7 (относительно Рисунок 2 ) расположение Mic60 может зависеть от других белков MICOS и предотвращать агрегацию .

Чтобы решить проблему, связанную с тем, что фокусы Mic60 представляют собой неправильно свернутые агрегаты, мы просто проверили, ведет ли Mic60 как растворимый белок при солюбилизации детергентом изолированных экстрактов митохондрий в условиях низкого содержания соли (см. Новый рисунок 2E). просто проверили, ведет ли Mic60 как растворимый белок при солюбилизации детергентом выделенных экстрактов митохондрий в условиях низкого содержания соли (см. новый рисунок 2E).В частности, мы солюбилизировали митохондрии из клеток дикого типа и клеток ∆MICOS, экспрессирующих Mic60-EGFP, с использованием 100 мМ NaCl и 1% TX-100, и выполнили вращение 50 000 г в течение 1 часа, что достаточно для осаждения агрегатов белка 60S или более (что эквивалентно ~ 2 МДа. Рибосома 60S). В этих условиях Fcj1-GFP как у дикого типа (размер от 0,6 до 1,5 МДа в опубликованной работе), так и в митохондриальных экстрактах ∆MICOS был количественно выделен во фракции супернатанта. Эти данные показывают, что фокусы Mic60-EGFP в клетках ∆MICOS не представляют собой неспецифические агрегаты и, вероятно, являются самосборками или образуются как следствие другой детерминанты.

3) Авт. Описывают, что изменения кардиолипина влияют на сборку Mic27 / 10/12, но не на субкомплекс Mic60 / 19, что согласуется с предыдущим представлением о том, что Mic27 млекопитающих связывает кардиолипин. Однако потеря кардиолипина ведет к разборке суперкомплексов дыхательной цепи, которые связаны с морфогенезом крист. Остается неясным, как авт. Отличают прямой эффект кардиолипина на Mic27 от эффекта, вызываемого дефектом сборки суперкомплексов дыхательной цепи (даже больше, поскольку они наблюдают, что нарушение сборки респираторных комплексов влияет на субкомплексы MICOS) .

В нашей модели (рис. 7F) мы включаем возможность того, что влияние кардиолипина на сборку респираторного суперкомплекса может косвенно влиять на сборку субкомплекса Mic27. В нашей модели (рис. 7F) мы включаем возможность того, что влияние кардиолипина на сборку респираторного суперкомплекса может косвенно влияют на сборку подкомплекса Mic27. Однако, хотя уменьшение кардиолипина связано с разборкой суперкомплексов дыхательной цепи, на сегодняшний день нет никакой связи между морфогенезом крист и образованием суперкомплекса в дрожжевых клетках, за исключением димеризации АТФ-синтазы, которая не изменяется при потере кардиолипина в клетках. .Однако возможно, что синтез кардиолипина может косвенно регулировать сборку субкомплекса Mic27 посредством воздействия на сборку респираторного комплекса, но не через дефекты морфогенеза крист. Не менее вероятная возможность, предлагаемая нашими данными, состоит в том, что субкомплексы Mic27 могут непосредственно ощущать кардиолипин через его аполипопротеиноподобный домен. Мы постарались не преувеличить этот вывод.

4) На основании анализа комплексов дыхательной цепи в геле авторы предполагают, что потеря комплексов MICOS влияет не на сборку, а на локализацию / позиционирование респираторных комплексов и, таким образом, ухудшает их активность.Это весьма умозрительно. Возможно ли, что в комплексе IV отсутствует дополнительный фактор (факторы) в клетках с дефицитом MICOS? Авт. Должны по крайней мере выполнить EM анализ, чтобы проверить, восстанавливают ли делеции CBS1 или MSS51 кристы в отсутствие Mic60 или MICOS .

Наши данные не позволяют окончательно определить причину респираторного дефекта в отсутствие MICOS. Наши данные не позволяют окончательно определить причину респираторного дефекта в отсутствие MICOS, за исключением того, что есть незначительный дефект в активности комплекса IV.Однако наш анализ также показывает, что респираторные комплексы и суперкомплексы не повреждены в клетках ∆MICOS. Чтобы проверить состояние состава респираторного комплекса более тщательно, мы выполнили 2D нативный SDS-PAGE гель-анализ очищенных митохондрий, растворимых в детергенте (см. Новый рисунок 6D). Эти данные не показывают явных дефектов в составе собранных респираторных комплексов ни в ∆mic60, ни в ∆MICOS клетках, указывая на то, что ∆MICOS клетки не лишены сложного IV вспомогательного фактора (ов).В настоящее время мы исследуем причину респираторной недостаточности в клетках ∆MICOS, исследуя супрессоры, но мы думаем, что это выходит за рамки настоящего исследования.

Авторы обзора также предлагают провести ЭМ-анализ клеток, дефицитных по факторам сборки Комплекса III или IV, чтобы проверить, восстанавливаются ли кристы в клетках ∆MICOS в их отсутствие. Основываясь на этом предположении, обозреватели, вероятно, неправильно поняли наши данные о клетках ∆MICOS rho0. В частности, в клетках ∆MICOS при потере респираторных комплексов (rho0) восстанавливается только аберрантная морфология митохондрий, а не структура крист (рис. 6F).Действительно, восстановление морфологии коррелирует с потерей крист в клетках rho0, что указывает на то, что аберрантные кристы, наблюдаемые при световой визуализации Qcr2, вызывают морфологические дефекты митохондрий в ∆MICOS, открытие, которое мы ранее опубликовали для клеток с делецией одной субъединицы MICOS (Hoppins et al. др. JCB 2011). Таким образом, в то время как делеция CBS1 и MSS51 частично восстанавливает морфологию канальцев в клетках ∆MICOS (рис. 6E и 6G), это не опосредуется восстановлением морфологии крист.

Были подняты еще две незначительные проблемы, которые было бы полезно решить. :

A) О том, что в аннотации субъединицы MICOS выполняют неизбыточные функции, уже сообщалось авторами и другими (Dev.Cell 21: 694, 2011; FEBS J. 280: 4943, 2013). Для полноты картины следует процитировать эти предыдущие статьи, описывающие неизбыточные функции Mic60, связанные с импортом, чтобы высветить неизбыточные генетические взаимодействия (Hoppins 2011) .

Мы благодарим рецензента за это предложение и теперь специально подчеркнули независимую от MICOS функцию импорта Mic60 во Введении. Хотя ссылка FEBS J, предложенная рецензентом, показывает специфическую для Mic60 роль в накоплении мутантного Sod1, это не обязательно связано с импортом функции Mic60, и поэтому мы не приводим ее здесь.

B) Зависимость сборок Mic27 / 10/12 от митохондриальной ДНК и их функциональной связи с респираторными комплексами очень интригует. Однако неясно, как комплексы MICOS влияют на мтДНК и наоборот. Описано восстановление структур крист при потере АТФ-синтазы ( Hoppins et al., 2011 ) или при потере мтДНК ( Itoh et al., 2013 ), и опубликованные результаты не обеспечивают значительное новое понимание молекулярной основы этих наблюдений .

Как указано выше для пункта 4, потеря АТФ-синтазы (Hoppins et al., 2011) или потеря мтДНК (Hoppins et al., 2011 и Itoh et al., 2013), как было показано, уменьшают дефекты морфологии митохондрий в отсутствие компонентов MICOS, однако, ни одна из работ не демонстрирует восстановления нормальной морфологии крист. Наши данные показывают, что митохондриальная ДНК поддерживается в клетках ∆MICOS (хотя нуклеоиды часто кажутся неправильно распределенными) (рис. 1E) и, соответственно, респираторные комплексы все еще экспрессируются и собираются в клетках ∆MICOS (рис. 6A).Однако, как указано в нашем ответе на пункт 4 выше, в клетках ∆MICOS делеция факторов сборки респираторного комплекса или потеря мтДНК вызывает потерю крист, что коррелирует с подавлением морфологических дефектов митохондрий, а не с восстановлением строение крист. Связь между присутствием респираторных комплексов и сборками Mic27 / 10/12, но не сборками Mic60, является концептуальным прорывом, поскольку предполагает, что Mic60 маркирует участки зарождающихся крист и что сборки Mic27 / 10/12 рекрутируются / собираются после биогенеза крист, управляемого АТФ. синтаза и дыхательные комплексы.

https://doi.org/10.7554/eLife.07739.025

границ | Последствия складывания внутренней мембраны митохондрий

Введение

Имеются убедительные доказательства того, что энергия является основным двигателем эволюции (Lane, 2015). Хемиосмос, вероятно, был пребиотической разработкой, адаптированной к энергетическому метаболизму ранних бактерий и переданной через одну из них первому протоэукариоту. Чтобы понять биологию и эволюцию эукариот (аспекты которых остаются загадочными), нужно оценить влияние митохондрий почти на каждую клеточную активность.Проще говоря, изобилие полезной энергии (в форме АТФ), обеспечиваемой митохондриями, сделало возможным эволюцию эукариотической клетки и привело к взрыву многоклеточной жизни за последние миллиард с лишним лет.

Поскольку структура митохондрий регулируется белками, она была оптимизирована в каждом организме и ткани за счет того же давления отбора, которое действует на сам хемиосмотический аппарат. Парадигма трансдуцирующей энергии мембраны, свернутой внутри барьерной мембраны, универсальна, хотя количество, размер и форма как органелл, так и их складок ( крист, ) сильно различаются.Чем больше энергии требуется клетке, тем большую площадь внутренней мембранной поверхности она содержит. Поскольку существуют практические ограничения на объемную долю, которую клетки могут резервировать для митохондрий, упаковка крист максимальна там, где потребность в энергии наибольшая, например, в кардиомиоцитах площадь поверхности внутренней мембраны более чем в десять раз больше, чем у внешней мембраны.

Складывание внутренней мембраны создает специализированные отсеки

Упаковка внутренней мембраны внутри митохондрий не случайна.Скорее, появляется консенсус, что крист являются специализированными микрокомпартментами, сконструированными клеткой для оптимизации биоэнергетической функции . Кристы различаются по форме, но почти всегда соединены с периферией внутренней мембраны (по отношению к внешней мембране) стыками крист . Это узкие цилиндрические или щелевидные участки мембраны, которые изменяют местную кривизну, позволяя внутренней мембране загибаться внутрь в плотный матрикс (Mannella et al., 1994; Perkins et al., 1997). Процесс генерации крист включает несколько белков, которые могут определять два различных пути (Harner et al., 2016), один из которых включает OPA1 (Mgm1 у дрожжей) (Frezza et al., 2006; Meeusen et al., 2006). Оба пути вовлекают членов комплекса MICOS (Harner et al., 2011; Zerbes et al., 2012), которые взаимодействуют с респираторными комплексами и кардиолипином (Friedman et al., 2015), а также с димерами АТФ-синтазы (Eydt et al. ., 2017).

Crista-соединения – это ступени, по которым мембранные белки диффундируют между периферическим доменом, где большая часть импортируется из цитозоля, и кристами, где собираются респираторные комплексы и суперкомплексы (например,г., Perkins et al., 1997; Гилкерсон и др., 2003; Леназ, Генова, 2009; Дудкина и др., 2010; Миленкович и др., 2017). Есть доказательства, что сборка суперкомплексов зависит от формы крист (Cogliati et al., 2013). Точно так же соединения крист являются узкими местами для диффузии растворенных веществ в микрокомпартменты и из них (Mannella et al., 1994). Компьютерное моделирование предполагает, что ограниченная диффузия может истощить внутрикристаллический АДФ, замедляя его возвращение в матрикс через транслоказу аденин-нуклеотидов и снижая скорость синтеза АТФ (Mannella et al., 2001, 2013). Также было высказано предположение, что кристы усиливают синтез АТФ за счет уменьшения диссипации протонного градиента (Mannella et al., 1998) и даже его усиления в областях с высокой кривизной мембраны (Strauss et al., 2008). Хотя боковые протонные градиенты были обнаружены внутри митохондрий (Rieger et al., 2014; Toth et al., 2020), они не зависят от топологии внутренней мембраны (Toth et al., 2020). Последнее исследование пришло к выводу, что преимущество, предоставляемое кристами при синтезе АТФ, возникает не из-за связывания протонов, а из-за непосредственной близости мест перекачки и потребления протонов на мембране.Очевидно, что необходимы дальнейшие исследования роли топологии crista в регуляции энергетического метаболизма. Например, недавнее исследование с использованием корреляционной световой / электронной микроскопии (LM / EM) показывает, что кристы быстро сужаются и расширяются в ответ на метаболические изменения, что согласуется с увеличением хемиосмотической эффективности (Dlaskova et al., 2019).

Складывание внутренней мембраны

– это встроенный механизм разрушения

Хотя интернализация хемиосмотической мембраны важна для массового производства АТФ, она создает сложную и потенциально опасную ситуацию для клетки.В частности, условия, при которых матрица набухает, заставляют внутреннюю мембрану разворачиваться и, в конечном итоге, разрывать внешнюю мембрану. Фактически, клетки используют этот механизм разрушения, когда предполагаемым результатом является смерть. Например, «грыжа» внутренней мембраны внешней мембраны наблюдается на поздних стадиях запрограммированной гибели клеток (внешний апоптоз) в FAS-активированной печени (рис. 1). Содержимое Crista, включая цитохром c , просачивается в циозоль, что приводит к необратимой потере мембранного потенциала и продукции АТФ (Mootha et al., 2001). Набухание матрицы в этом случае было приписано (Feldmann et al., 2000) переходной поре митохондриальной проницаемости, MPTP, открытие которой может управлять осмотическим притоком воды, достаточным для раскрытия внутренней мембраны и разрыва внешней мембраны (например, Rasola и Бернарди, 2011). На ранних этапах апоптоза митохондриальный цитохром c высвобождается через мегапоры во внешней мембране, образованной BAK и BAX. Этот выпуск неполный и обычно считается обратимым (Martinou et al., 1999; Mootha et al., 2001; Tait and Green, 2013) до мембранной грыжи. В недавнем элегантном исследовании апоптотических клеток MEF, включая коррелятивные LM / EM, фокусы BAK / BAX выровняли участки митохондриальной грыжи, предполагая, что локальное накопление мегапор ослабляет внешнюю мембрану, делая ее разрыв более вероятным (McArthur et al., 2018 ). Поскольку MPTP не участвовал в этом случае, внешняя мембрана, вероятно, находится под постоянным напряжением из-за расширения внутренней мембраны, возможно, вызванного ее упругой энергией деформации и небольшими осмотическими колебаниями.

Рисунок 1. Митохондриальная грыжа. (A) Электронная микрофотография печени крысы через 90 мин после активации FAS. Стрелка указывает на место грыжи, большой пузырь внутренней мембраны, выступающий через разрыв внешней мембраны. (B) Срез электронной томограммы грыжи митохондрии. (C, D) Визуализированные виды поверхности, показывающие внешнюю мембрану (красный), периферическую внутреннюю мембрану (желтый) и кристы (зеленый). Стрелки указывают на перекрестки крист.Воспроизведено из Mootha et al. (2001) с разрешения (John Wiley and Sons, Inc.).

Чрезвычайное набухание крист так же опасно для клетки, как и неконтролируемое набухание матрикса, например, общий объем нескольких полностью расширенных крист в одной митохондрии мышцы легко превышает объем, заключенный внешней мембраной. Фактически, разрыв внешней мембраны из-за набухания крист (не матрикса) происходит в летающих мышцах насекомых как прелюдия к апоптозу (Walker and Benzer, 2004). Ясно, что процесс разворачивания внутренней мембраны так же важен для выживания клеток, как и формирование складок криста, и, вероятно, регулируется так же тщательно.Учитывая окончательность результата, факторы, которые смягчают эффекты незначительного или случайного набухания на целостность внешней мембраны, дадут селективное преимущество клетке. Эти факторы и то, что известно об их регулировании, являются темой оставшейся части этого обзора.

Защитная роль VDAC в целостности внешней мембраны

Хотя, на первый взгляд, складывание большой мембраны внутри внешней мембраны, разрыв которой фатален, на первый взгляд кажется рискованным, на самом деле такая ситуация дает клетке преимущество.Когда митохондрии суспендированы в гипоосмотической среде, внешние мембраны лизируются при градиенте сахарозы , в десять раз большем , чем липосомы или везикулы внутренней митохондриальной мембраны аналогичного размера, обычно 20-30 мМ (Douce et al., 1972; Li et al., 1986 ). Эта сильная защита от осмотического стресса напрямую возникает из-за того, что внешняя мембрана является осмотически неактивной, то есть очень проницаемой для небольших растворенных веществ. Хемиосмотическая внутренняя мембрана – это митохондриальный осмометр. Набухание матрикса, вызванное осмотическим притоком воды, сжимает кристы до того, как на внешнюю мембрану будет оказано значительное давление за счет расширения внутренней мембраны наружу.Фактически, развертывание внутренней мембраны поглощает значительный осмотический стресс и задерживает необратимое повреждение митохондрий. Не менее важно, что этот непрямой механизм разрыва дает клетке возможность регулировать лизис внешней мембраны. Конечно, это преимущество зависит от внешней мембраны, что позволяет избежать прямого разрыва из-за небольших осмотических колебаний, то есть осмотическая инертность внешней мембраны защищает ее от разрыва . Чрезвычайная пассивная проницаемость внешней мембраны для мелких растворенных веществ обусловлена высокой поверхностной плотностью открытых пор VDAC (Colombini, 1979; Mannella, 1982).Закрытие VDAC, наблюдаемое in vitro и предполагаемое в некоторых физиологических состояниях (например, Ростовцева и Безруков, 2012), уменьшило бы проницаемость внешней мембраны и увеличило бы вероятность ее разрыва небольшими напряжениями in vivo . Фактически, закрытие VDAC было предложено в качестве преднамеренной тактики для индукции повреждения внешней мембраны (и утечки цитохрома c ) во время запрограммированной гибели клеток, поскольку ингибиторы VDAC, такие как димеры тубулина и глутамат, повышаются на ранних стадиях апоптоза (обзор в McCommis и Бейнс, 2012).

Свойства проницаемости изоформ VDAC высоко консервативны у эукариот, и VDAC не имеет явного прямого предка среди бактериальных поринов, которые входят в многочисленные семейства с большей селективностью и более низкой проницаемостью, чем VDAC (Bay et al., 2012; Colombini, 2012). Решение использовать одиночный β-стволовый белок с высокой поверхностной плотностью для контроля проницаемости внешней мембраны (интерфейса хозяин-эндосимбионт) было ранним событием в эволюции эукариот, которое, вероятно, совпало с интернализацией внутренней мембраны.

Внутренние мембраны регулируют объем с помощью Membrane Fusion

Митохондрии демонстрируют обратимых и скоординированных изменений в матриксе ( mat ) и внутрикристаллических ( cris ) объемах в течение промежутков времени от секунд до минут. Прототипным примером является изменение морфологии от сжатой к ортодоксальной, связанное с переходами респираторного состояния III – IV (Hackenbrock, 1966). По мере того как митохондрии совершают цикл между фосфорилирующим и нефосфорилирующим состояниями, внутренние объемы (V) обратимо регулируются примерно в четыре раза (в митохондриях печени V _mat : V _cris меняется примерно от 1: 2 до 2: 1).

Две преобладающие формы крист в митохондриях – пластинчатая ( lam ) и трубчатая ( tub ), обе соединяются с периферической областью внутренней мембраны через соединения, как описано. Кристы обоих типов определяют отдельные отсеки с различным соотношением площади поверхности S к объему с (S / V) _бак ∼ 0,2 нм ² / нм ³> (S / V) _мкм ∼ 0,1 нм ² / нм ³ в размерах митохондрий.Плоские кристы lam напоминают плоские мочевые пузыри, которые, в принципе, могут увеличивать объем до шести раз за счет расширения (снижение S / V до ∼0,02 нм ² / нм ³). Обратите внимание, что расширение даже нескольких отдельных крист lam в митохондрии мышцы до такой степени превысит объем, заключенный внешней мембраной, и вызовет ее разрыв (как это происходит в мышцах полета насекомых). Напротив, изменения объема, возможные для ванны с кристами , кажутся более ограниченными.Они обычно сохраняют диаметр соединений (20-40 нм), указывая на ограничения кривизны, а увеличение длины требует рекрутирования мембраны с периферии, которая смешивает содержимое кристовых и периферических мембранных доменов.

Был предложен механизм, который защитит митохондрии от лизиса внешней мембраны и смешения доменов внутренней мембраны во время набухания крист: слияние трубчатых крист с образованием более крупных крист, более приспособленных к изменениям объема. Слияние крист было предположено на первых ЭМ-томограммах митохондрий млекопитающих, которые выявили сложные кристы с трубчатыми и ламеллярными областями (Mannella et al., 1997; Perkins et al., 1997). Более крупные кристы чаще встречаются в конденсированных митохондриях; уменьшение объема матрикса сближает кристы, способствуя слиянию (Mannella et al., 2001). Вероятно, что слияние крист в ответ на сокращение матрикса довольно обширно. Конденсированные митохондрии печени имеют большие расширенные кристы с множеством (до семи) соединений (Mannella et al., 1997), а конденсированные митохондрии дрожжей могут иметь единственную расширенную внутреннюю полость, при которой большая часть внутренней мембраны оторвана от внешней мембраны и не имеет хорошего состояния. определены соединения крист или кристы (Mannella et al., 2001). Когда митохондрии печени обрабатываются tBID, проапоптотическим членом семейства BCL2, кристы сливаются в взаимосвязанный континуум, который удерживает внутреннюю мембрану на стыке с внешней мембраной (Scorrano et al., 2002), что важно для поддержания соединений крист (Renken et al., 2002; Harner et al., 2011). Ремоделирование tBID включает изменение кривизны внутренней мембраны (конденсированный матрикс, окруженный перевернутыми трубками криста) и расширение переходов крист в прорези. Другой внутрикристальный континуум, но с поразительной кубической симметрией, возникает в митохондриях амеб при голодании (Deng et al., 1999). Эти перестройки внутренней мембраны, включающие изменение кривизны, связаны с изменениями в составе или организации недвислойных фосфолипидов: кардиолипинов в случае tBID (Epand et al., 2002) и плазмалогенов у амеб (Deng et al., 2009).

Стабилизация Криста димерами АТФ-синтазы

Ряды изгибающих мембран димеров АТФ-синтазы наблюдаются с помощью крио-ЭМ на сильно изогнутых краях крист в митохондриях различных организмов (Strauss et al., 2008; Davies et al., 2011). Точно так же АТФ-синтаза образует димерные ряды при вставке в липосомы и вызывает кривизну в мембранах (Blum et al., 2019). АТФ-синтаза бактерий, у которых нет крист, не образуют димеров, а у дрожжевых мутантов АТФ-синтазы, не образующих димеров, кристы отсутствуют (Paumard et al., 2002). Компьютерное моделирование предполагает, что сборка димеров в ряды снижает упругую энергию деформации мембраны на несколько k _B T на димер (Davies et al., 2012). Жесткость на изгиб жидкофазных фосфолипидных мембран оценивается в ~ 20 k _B T (Picas et al., 2012), предполагая, что ряды из 10-20 димеров АТФ синтазы д. Значительно сопротивляться набуханию крист. Однако этой энергии стабилизации недостаточно, чтобы предотвратить крупномасштабное ремоделирование крист, поскольку умеренное (мОсм) осмотическое давление может вызывать латеральное натяжение 10 ⁴ –10 ⁵ k _B Тл на мкм ² поверхности мембраны ( Алам Шабли и др., 2016). Димеризация митохондриальной АТФ-синтазы не влияет на гидролизную активность фермента, хотя неизвестно, влияет ли она на скорость синтеза АТФ отдельно от эффектов на структуру крист (Hahn et al., 2016). Учитывая его повсеместную и высококонсервативную природу, способность АТФ-синтазы димеризоваться, вероятно, была критическим ранним шагом в эволюции складывания внутренней мембраны.

Модуляция набухания Кристы соединениями

Crista-переходы контролируют не только диффузию растворенных веществ, но также приток и отток воды, предполагая, что структурные изменения могут модулировать эффекты осмотических колебаний на набухание крист. Изменения формы соединения можно предсказать из мембранной механики, если предположить, что соединения являются гибкими структурами (Renken et al., 2002). Набухание матрикса увеличивает латеральное натяжение внутренней мембраны, что способствует более мелким круглым стыкам. Напротив, сжатие матрицы ослабляет натяжение мембраны, создавая соединения с более широкими отверстиями. Это должно уменьшить масштабное расширение крист за счет ускорения оттока воды, полученной из матрикса. Тем не менее, набухшие кристы обычно наблюдаются в митохондриях и, как уже отмечалось, могут вызывать разрыв внешней мембраны. Крупномасштабное набухание крист означает, что размер и форма соединений не регулируются исключительно механикой липидных мембран.Один или несколько белков, образующих соединения, вероятно, также являются структурными / регуляторными компонентами. OPA1 / Mgm1, в частности, по-видимому, действует как ворота или привязь, которые поддерживают «плотные» соединения и могут даже закрывать кристы при определенных условиях (Frezza et al., 2006). Это может объяснить недавнее наблюдение, что кристы внутри одной митохондрии функционально независимы (изолированы) на основе вариаций мембранного потенциала (Wolf et al., 2019). Молекулярная структура Mgm1 была определена и служит основой для объяснения изменений кривизны crista-соединения как функции олигомеризации белка (Faelber et al., 2019; Ян и др., 2020).

Обсуждение

Усвоение хемиосмотической мембраны сделало возможным наш энергетически дорогой образ жизни эукариот (Lane, 2015). Несомненно, были разработаны механизмы, позволяющие согласовывать топологию внутренней мембраны с потребностями клетки. Были обнаружены или теоретизированы пути, связывающие ремоделирование с апоптотической передачей сигналов (Scorrano et al., 2002; Germain et al., 2005; Cogliati et al., 2016), электрохимическим потенциалом внутренней мембраны (Chvanov, 2006; Khalifat et al., 2008), метаболизм (Patten et al., 2014; Dlaskova et al., 2019), редокс-сигналинг (Plecita-Hlavata, Jezek, 2016) и активность синапсов (Cserep et al., 2018). Раскрытие этих сетей ремоделирования обеспечит более полное понимание регуляции фундаментальных клеточных процессов. Параллельно необходимы более глубокие знания на молекулярном уровне взаимодействия между липидами и белками, которые генерируют и составляют кристальные соединения. Структура одного из этих белков известна, OPA1, названного в честь неврологического заболевания, вызванного его мутацией, доминантной атрофией зрительного нерва (Alexander et al., 2000). PINK1, мутировавший при болезни Паркинсона, взаимодействует с комплексом MICOS и регулирует размер и количество соединений крист в митохондриях нейронов (Tsai et al., 2018). Несомненно, окончательное понимание механизма, эволюционировавшего для регулирования складывания внутренней мембраны, также прольет свет на патогенез заболеваний с участием митохондрий.

Авторские взносы

Автор был единственным автором рукописи.

Финансирование

Эта статья основана на исследовании, поддержанном грантами NIH P41RR01219 и U01HLI163.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Автор выражает признательность за обсуждения с коллегами, которые привели к идеям, представленным в этой работе, самым последним из которых является В. Джонатан Ледерер. Эта статья посвящена памяти Дональда Ф. Парсонса.

Сноски

Список литературы

Алам Шибли, С.У., Гхатак, К., Сайем Карал, М. А., Монируззаман, М., Ямазаки, М. (2016). Экспериментальная оценка натяжения мембраны под действием осмотического давления. Biophys. J. 111, 2190–2201. DOI: 10.1016 / j.bpj.2016.09.043