Mitoxondriya nima

Elektron mikroskopda olingan sutemizuvchi hayvon mitoxondriyalarining ko‘ndalang kesimini aks ettiruvchi fotosurat

Mitoxondriya (qadimgi yunoncha μίτος — ip va χόνδρος — donacha, mayda zarra) — ikki membranali, sharsimon yoki ellipssimon organoid bo‘lib, uning diametri odatda taxminan 1 mikrometrni tashkil etadi. U ko‘pchilik eukariot hujayralarda, ham avtotroflarda (fotosintez qiluvchi o‘simliklar), ham geterotroflarda (zamburug‘lar, hayvonlar) uchraydi. Mitoxondriya hujayraning energetik stansiyasidir; uning asosiy vazifasi organik birikmalarni oksidlash va ular parchalanganda ajraladigan energiyadan elektr potensialini hosil qilish, ATF sintezi va issiqlik hosil qilishfoydalanishdir. Bu uch jarayon elektronlarning mitoxondriya ichki membranasidagi elektron tashish zanjiri oqsillari vositasida ichki membranabo‘ylab o‘tkazilishi hisobiga sodir bo‘ladi. Mitoxondriyalar o‘zlarida yog‘ kislotalari biosintezini (mtFASII) ham amalga oshiradi; bu jarayon mitoxondriyalarning biogenezi va hujayraviy nafas olishiuchun zarurdir. Turli organizmlar hujayralaridagi mitoxondriyalar soni sezilarli darajada farqlanadi. Masalan, bir hujayrali yashil suvo‘tlar (xlorella, politomella), shuningdek, evglenalar va tripanosomalar faqat bitta ulkan mitoxondriyaga ega, holbuki oosit va amyoba Chaos chaos[ingl.] mos ravishda 300 000 va 500 000 ta mitoxondriyaga ega; ichakda yashovchi anaerob entamyobalar va ayrim boshqa parazit sodda organizmlarda mitoxondriyalar bo‘lmaydi. Ixtisoslashgan organ hujayralariga ega hayvonlarda yuzlab va hatto minglab mitoxondriyalar uchraydi (miya, yurak, mushaklar).

Mitoxondriyalarning kelib chiqishi

Nazariyaga ko‘ra, simbiogenezjarayonida mitoxondriyalar ibtidoiy hujayralar (prokariotlar) bakteriyalarnio‘z ichiga olishi natijasida paydo bo‘lgan. O‘zi mustaqil ravishda kisloroddan energiya ishlab chiqarishda foydalana olmagan hujayralarning rivojlanish imkoniyatlari keskin cheklangan edi; bakteriyalar esa (progenotlar) buni amalga oshira olgan. Simbioz rivojlanishi davomida progenotlar energiya samaradorligining ortishi natijasida o‘z genlarining ko‘p qismini shakllanayotgan yadroga , ya’ni endi eukariotlargao‘tkazgan. Shu sababli hozirgi mitoxondriyalar mustaqil organizm hisoblanmaydi. Ularning genomi o‘z oqsillarinisintez qilish tizimining tarkibiy qismlarini kodlasa ham, faoliyati uchun zarur ko‘plab fermentlar va oqsillar yadrodagi xromosomalarorqali kodlanadi, hujayraning sitoplazmasida sintezlanadi va shundan keyingina organoidlarga tashiladi.

2023-yildagi tadqiqotda dengizda yashovchi bakteriyalar orasidan Iodidimonas[ingl.] urug‘iga mansub turlar mitoxondriyalar bilan umumiy ajdodga ega ekani aniqlandi. Ular qadimiy endosimbiontning , ya’ni simbiogenez jarayonida 1,6—1,8 milliard yil avval yutilgan organizmning hozir yashayotgan eng yaqin qarindoshlaridir.

Hujayradagi mitoxondriyalar

Kalamush jigar hujayrasi mitoxondriyasining kesimi.

Mitoxondriyalar birinchi marta mushak hujayralarida 1850-yilda donachalar ko‘rinishida aniqlangan. Hujayradagi mitoxondriyalar soni doimiy emas. Ular, ayniqsa, energiyaga ehtiyoji yuqori hujayralarda ko‘p uchraydi. Tuzilishiga ko‘ra, mitoxondriyalar odatda sharsimon organoidlar bo‘lib, eukariot hujayrada bir necha yuztadan 1—2 mingtaga qadar uchraydi va hujayra ichki hajmining 10—20 % qismini egallaydi. Ularning o‘lchami (1 dan 70 mkmgacha) hamda shakli ham sezilarli darajada o‘zgarib turadi. Muayyan vaqtda hujayraning qaysi qismida energiya iste’moli ortishiga qarab, mitoxondriyalar sitoplazma bo‘ylab energiya eng ko‘p talab qilinadigan hududlarga ko‘cha oladi. Bunda ular eukariot hujayraning sitoskelet tuzilmalaridan foydalanadi. O‘simlik va hayvon hujayralarida bir vaqtning o‘zida, taxminan teng miqdorda, mitoxondrial organoidlarning uch turi mavjud: yosh protomitoxondriyalar, yetuk mitoxondriyalar hamda lipofussin donachalariga parchalanib borayotgan eski postmitoxondriyalar.

Mitoxondriyalarning tuzilishi

Mitoxondriya tuzilishining sxemasi

Tashqi membrana

Mitoxondriyaning tashqi membranasi taxminan 7 nm qalinlikda bo‘lib, ichkariga botgan joylar va burmalar hosil qilmaydi hamda yopiq qobiqni tashkil etadi. Tashqi membrana hujayra organoidlaridagi barcha membranalar umumiy yuzasining taxminan 7 % qismini egallaydi. Uning asosiy vazifasi mitoxondriyani sitoplazmadanajratib turishdir. Mitoxondriyaning tashqi membranasi lipidlardan va ularga singib joylashgan oqsillardan tashkil topgan (nisbat 2 : 1). Bunda porin — kanal hosil qiluvchi oqsilalohida ahamiyatga ega. U tashqi membranada diametri 2-3 nm bo‘lgan teshikchalar hosil qiladi. Bu teshiklardan massasi 5 kDagacha bo‘lgan kichik molekulalar va ionlar o‘ta oladi. Yirik molekulalar tashqi membranadan faqat mitoxondrial membranalarning tashuvchi oqsillari yordamidagi faol transport orqali o‘tishi mumkin. Tashqi membranada fermentlar— monooksigenaza, atsil-KoA-sintetaza va fosfolipaza A2mavjudligi xosdir. Mitoxondriyaning tashqi membranasi endoplazmatik to‘rmembranasi bilan o‘zaro ta’sirlasha oladi; bu lipidlar va kalsiy ionlarini tashishda muhim rol o‘ynaydi.

Membranalararo bo‘shliq

Membranalararo bo‘shliq — mitoxondriyaning tashqi va ichki membranalari orasidagi hududdir. Uning kengligi 10-20 nm. Tashqi membrana kichik molekulalar va ionlarni o‘tkazgani sababli ularning konsentratsiyasi periplazmatik bo‘shliqda sitoplazmadagidan uncha farq qilmaydi. Biroq yirik oqsillarning sitoplazmadan periplazmatik bo‘shliqqa o‘tishi uchun o‘ziga xos signal peptidlarizarur; shu sababli periplazmatik bo‘shliq va sitoplazmadagi oqsil tarkibi farqlanadi. Nafaqat ichki membranada, balki periplazmatik bo‘shliqda ham uchraydigan oqsillardan biri sitoxrom c.

Ichki membrana

Ichki membrana asosan oqsil komplekslaridan iborat (oqsil/lipid nisbati — 3:1) bo‘lib, ko‘plab taroqsimon burmalar — kristalarhosil qiladi. Ular membrana yuzasini sezilarli darajada oshiradi. Masalan, jigar hujayralarida uning yuzasi barcha hujayra membranalari yuzasining taxminan uchdan biriga teng. Mitoxondriya ichki membranasi tarkibining o‘ziga xos belgisi unda kardiolipin — alohida turdagi fosfolipidmavjudligidir. U birdaniga to‘rtta yog‘ kislotasini o‘z ichiga oladi va membranani protonlaruchun mutlaqo o‘tkazmaydigan qiladi. Ichki membrananing yana bir xususiyati unda oqsillar miqdorining juda yuqoriligi (og‘irlik bo‘yicha 70 % gacha) bo‘lib, ular tashuvchi oqsillar, fermentlar nafas olish zanjiriva yirik ATF-sintaza komplekslaridan iborat. Tashqi membranadan farqli ravishda, mitoxondriyaning ichki membranasida kichik molekulalar va ionlarni o‘tkazadigan maxsus teshiklar yo‘q. Uning matriksga qaragan tomonida ATF-sintazaning boshcha, oyoqcha va asosdan iborat maxsus molekulalari joylashadi. Ular orqali protonlar o‘tganda ATFsintezlanadi. Bu zarrachalarning asosida, membrananing butun qalinligini egallagan holda, nafas olish zanjiritarkibiy qismlari joylashadi. Ayrim joylarda tashqi va ichki membranalar bir-biriga tegib turadi. Aynan shu hududlarda yadroda kodlangan mitoxondrial oqsillarning mitoxondriya matriksiga tashilishiga yordam beruvchi maxsus retseptor oqsil mavjud.

Matriks

Matriks — ichki membrana bilan chegaralangan bo‘shliqdir. Mitoxondriya matriksida (pushti rangli moddada) piruvatva yog‘ kislotalarini oksidlovchi ferment tizimlari, shuningdek, trikarbon kislotalar sikli (Krebs sikli) fermentlari joylashgan. Bundan tashqari, bu yerda mitoxondrial DNK, RNK va mitoxondriyaning o‘z oqsil sintezlash apparati mavjud.

Mitoxondrial DNK

Mitoxondriya matriksida joylashgan mitoxondrial DNK yopiq halqa shaklidagi ikki zanjirli molekulabo‘lib, inson hujayralarida 16569 juft nukleotiddan iborat; bu taxminan 105 baravar yadrodagi DNKdan kichikdir. Umuman olganda, mitoxondrial DNK 2 ta rRNK, 22 tRNK va 13 ta nafas olish zanjirifermenti subbirligini kodlaydi. Bu mitoxondriyada aniqlangan oqsillarningko‘pi bilan yarmiga to‘g‘ri keladi. Xususan, mitoxondrial genom nazorati ostida ATF-sintazaning yettita subbirligi, sitoxromoksidazaning uchta subbirligi va ubixinol-sitoxrom-c-reduktazaningbitta subbirligi kodlanadi. Bunda bittasidan tashqari barcha oqsillar, ikkita ribosomal va oltita transport RNK DNKning og‘irroq (tashqi) zanjiridan, qolgan 14 ta tRNK va bitta oqsil esa yengilroq (ichki) zanjirdan transkripsiyalanadi.

Bu bilan taqqoslaganda, o‘simliklar mitoxondriyalari genomi ancha kattaroq bo‘lib, 370000 juft nukleotidga yetishi mumkin. Bu yuqorida ta’riflangan inson mitoxondriya genomidan taxminan 20 baravar katta. Bunda genlar soni ham taxminan 7 baravar ko‘p; natijada o‘simlik mitoxondriyalarida ATF sintezi bilan bog‘liq bo‘lmagan qo‘shimcha elektron tashish yo‘llari mavjud.

Mitoxondrial DNK replikatsiyalanishi interfazada ro‘y beradi va yadro DNKsi replikatsiyasi bilan qisman muvofiqlashgan bo‘ladi. Hujayra sikli davomida esa mitoxondriyalar ikkiga bo‘linadi. Bunda bo‘linish bo‘g‘imi ichki mitoxondrial membranada halqasimon egatcha paydo bo‘lishidan boshlanadi. Mitoxondrial genomning nukleotid ketma-ketligini batafsil o‘rganish hayvonlar va zamburug‘lar mitoxondriyalarida universal genetik koddanog‘ishlar ko‘p uchrashini ko‘rsatdi. Masalan, inson mitoxondriyasida ATA kodoni standart koddagi izoleysin o‘rniga aminokislota metioninnikodlaydi; odatda argininnikodlaydigan AGA va AGG kodonlari esa stop-kodonlarhisoblanadi. Standart kodda stop-kodon sanaladigan TGA esa metionin aminokislotasini kodlaydi. O‘simlik mitoxondriyalari, aftidan, universal genetik koddan foydalanadi. Mitoxondriyalarning yana bir xususiyati kodonlarning tRNKtomonidan tanilishidir: bunday bitta molekula bir emas, balki birdaniga uch yoki to‘rtta kodonnitaniy oladi. Bu xususiyat kodondagi uchinchi nukleotidning ahamiyatini kamaytiradi va mitoxondriyaga kamroq turdagi tRNK yetarli bo‘lishini ta’minlaydi. Buning uchun atigi 22 xil tRNK kifoya qiladi.

O‘z genetik apparatiga ega bo‘lgan mitoxondriyaning o‘z oqsil sintezlash tizimi ham mavjud. Hayvon va zamburug‘ hujayralarida bu tizimning o‘ziga xos belgisi juda kichik ribosomalarbo‘lib, ularning sedimentatsiya koeffitsiyenti 55S ni tashkil qiladi. Bu prokariot turidagi 70S ribosomalarning tegishli ko‘rsatkichidan ham past. Bunda ikkita yirik ribosomal RNK ham prokariotlarnikidankichikroq bo‘ladi, kichik rRNK esa umuman mavjud emas. O‘simlik mitoxondriyalarida esa ribosomalar o‘lchami va tuzilishiga ko‘ra prokariot ribosomalariga ko‘proq o‘xshaydi.

Ixtisoslashgan (bo‘linmaydigan) hujayralarda mitoxondriyalar odatda bo‘linmaydi. Bunday hollarda mitoxondriyalar zaxirasi dastlab diametri 0,1-0,2 mikron bo‘lgan protomitoxondriyalarning yetilishi hisobiga yangilanadi. Protomitoxondriyalar qayerdan kelib chiqishi noma’lum, ammo ularning shakllanishiga sitoplazmaga ajralib chiqadigan postmitoxondriya DNKsi boshlang‘ich asos bo‘lishi taxmin qilinadi. Protomitoxondriyalar nafas olish faolligi yuqoriligi, ammo nafas olish nazorati pastligi bilan tavsiflanadi (Vekshin N. L. va boshqalar, 2004—2014).

Mitoxondrial oqsillar

Mitoxondrial translyatsiya natijasida sintezlanadigan mitoxondrial mRNK asosida yirik ferment komplekslarining subbirliklarini hosil qiladigan oqsillar soni cheklangan. Oqsillarning katta qismi yadroda kodlanadi va sitoplazmadagi 80S ribosomalarda sintezlanadi. Xususan, ayrim elektrontashuvchi oqsillar, mitoxondrial translokazalar, oqsillarni mitoxondriyaga tashish tizimi tarkibiy qismlari, shuningdek, transkripsiya, translyatsiya va replikatsiya uchun zarur omillar shu tarzda hosil bo‘ladi. Bunday oqsillarning N-uchida maxsus signal peptidlarimavjud, ularning uzunligi 12 dan 80 tagacha aminokislota qoldig‘ini tashkil etadi. Bu qismlar amfifil spiral tuzilmalar hosil qilib, oqsillarning tashqi membranada joylashgan mitoxondrial tanib oluvchi retseptorlarning bog‘lanish domenlari bilan o‘ziga xos aloqasini ta’minlaydi. Bu oqsillar mitoxondriyaning tashqi membranasigacha qisman yozilgan holatda shaperon oqsillar (xususan, hsp70) bilan birikkan holda tashiladi. Tashqi va ichki membranalar tutashgan joylardan o‘tgach, mitoxondriyaga kirayotgan oqsillar yana shaperonlarga, bu safar mitoxondriyaning o‘zida hosil bo‘lgan shaperonlarga bog‘lanadi. Ular membranadan o‘tayotgan oqsilni qabul qilib, uni mitoxondriya ichiga tortishga ko‘maklashadi hamda polipeptid zanjirining to‘g‘ri buklanishini nazorat qiladi. Shaperonlarning aksariyati ATFaza faolligiga ega. Shu sababli oqsillarning mitoxondriyaga tashilishi ham, ularning funksional faol shaklga kelishi ham energiyaga bog‘liq jarayonlardir.

Mitoxondriyalarning vazifalari va energiya hosil bo‘lishi

Mitoxondriyalarning asosiy vazifalaridan biri ATF sintezidir. ATF har qanday tirik hujayradakimyoviy energiyaning universal shakli hisoblanadi. Prokariotlardabo‘lgani kabi, bu molekula ikki yo‘l bilan hosil bo‘ladi: suyuq muhitda substrat darajasidagi fosforlanish natijasida (masalan, glikolizjarayonida) yoki membrana orqali yuzaga kelgan elektrokimyoviy gradient energiyasiga asoslangan membranaviy fosforlanish orqali. Bunda gap protonlar ( vodorodionlari) gradienti haqida bormoqda. Mitoxondriyalar ikkala yo‘ldan ham foydalanadi. Birinchi yo‘l substrat oksidlanishining dastlabki bosqichlariga xos bo‘lib, matriksdakechadi, ikkinchisi esa energiya hosil bo‘lishini yakunlab, mitoxondriya kristalari bilan bog‘liq. Aynan shu ikkinchi yo‘l mitoxondriyaning eukariot hujayradagi energiya hosil qiluvchi organoid sifatidagi o‘ziga xosligini belgilaydi. Bu ATFhosil qilish usuli «xemiosmotik bog‘lanish» deb ataladi. Mohiyatan, u qaytaruvchi ekvivalentlarning kimyoviy energiyasi NADHdan mitoxondriya ichki membranasining ikki tomonida ΔμH+ elektrokimyoviy proton gradientiga ketma-ket aylanishidir. Bu membranaga bog‘langan ATF-sintazani ishga tushiradi va ATF molekulasida yuqori energiyali bog‘ hosil bo‘lishi bilan yakunlanadi.

Umuman, mitoxondriyalarda energiya hosil bo‘lish jarayoni to‘rtta asosiy bosqichga bo‘linadi. Dastlabki ikkitasi matriksda, keyingi ikkitasi esa mitoxondriya kristalarida kechadi:

  1. Mitoxondriyaga sitoplazmadan kelgan piruvat va yog‘ kislotalarining atsetil-KoAga aylanishi;
  2. Atsetil-KoAning Krebs siklidaoksidlanishi natijasida quyidagi mahsulotlarning hosil bo‘lishi: NADH hamda ikkita CO2;
  3. Nafas olish zanjirida elektronlarning NADHdan kislorodga o‘tishi va H2O hosil bo‘lishi;
  4. Membranadagi ATF-sintaza kompleksi faoliyati natijasida ATF hosil bo‘lishi.

Sitoplazmaning o‘zidayoq glikolizning 10 ta alohida fermentativ reaksiyasi davomida olti uglerodli glyukoza molekulasi qisman oksidlanib, uch uglerodli ikkita piruvat molekulasiga aylanadi va ikkita ATF molekulasi hosil bo‘ladi. So‘ng piruvat sitozoldan tashqi va ichki membranalar orqali matriksga o‘tadi. U yerda avval dekarboksillanib, atsetil-KoAga aylanadi. Bu jarayon o‘lchami ribosomaga yaqin bo‘lgan, uchta ferment, beshta koferment va ikkita boshqaruvchi oqsildan tashkil topgan yirik piruvatdegidrogenaza kompleksi tomonidan katalizlanadi. Xuddi shuningdek, sitoplazmada erimaydigan triglitseridlarning parchalanishidan hosil bo‘lgan yog‘ kislotalari atsil-KoA hosilalari sifatida mitoxondriya matriksiga tashiladi va beta-oksidlanish orqali atsetil-KoA hosil qiladi.

Keyingi bosqichda ham mitoxondriya matriksida atsetil-KoA Krebs siklida to‘liq oksidlanadi. Bu jarayonda to‘rtta alohida fermentqatnashib, har bir siklda atsetil-KoAdagi ikkita uglerodatomining CO2ko‘rinishida ajralib chiqishini ta’minlaydi. Bu jarayonda bitta GTF molekulasi hamda NADH — yuqori energiyali oraliq birikma hosil bo‘ladi. U mitoxondriya kristalaridagi elektron tashish zanjiriga elektronlarini osonlikcha beradi.

Mitoxondriyada energiya hosil bo‘lishining keyingi jarayonlari uning kristalarida kechadi va elektronlarning NADHdan kislorodga o‘tkazilishi bilan bog‘liq. Oksidlovchi sifatida kislorodning sarflanishi odatda «hujayra ichidagi nafas olish» deb atalganligi sababli, elektronlarni NADHdan kislorodga bosqichma-bosqich o‘tkazuvchi fermentlarning elektron tashish zanjiri ko‘pincha «nafas olish zanjiri» deb yuritiladi. Bunda oksidlanish energiyasini o‘zgartirish mitoxondriya kristalarida joylashgan fermentlar yordamida amalga oshadi. Ular vodorod protonlarini mitoxondriya matriksidan membranalararo bo‘shliqqa vektorli, ya’ni membrana tomonlariga nisbatan muayyan yo‘nalishda ko‘chiradi. Nafas olish zanjiridagi oksidoreduktazalar faoliyatining bir jinsli (izotrop) eritmada reaksiyalarni katalizlovchi fermentlardan asosiy farqi shundaki, bir jinsli eritmada reaksiyaning fazodagi yo‘nalishi tushunchasi ma’noga ega emas.

Nafas olish zanjiri bo‘ylab elektron tashilishini uch bosqichga ajratish mumkin. Har bir bosqich mitoxondriya kristasi membranasiga o‘rnashgan alohida transmembran lipoproteid kompleks (I, III va IV) yordamida katalizlanadi. Ushbu komplekslarning har biri quyidagi qismlardan iborat:

  1. Elektronlar tashilishini katalizlovchi yirik oligomer ferment;
  2. Elektronlarni qabul qiluvchi va ajratuvchi oqsil bo‘lmagan organik (prostetik) guruhlar;
  3. Elektronlar harakatini ta’minlovchi oqsillar.

Bu komplekslarning har biri elektronlarni donordan boshlab akseptorga redoks potensiali gradienti bo‘yicha ketma-ket ishlovchi tashuvchilar orqali o‘tkazadi. Mitoxondriyaning nafas olish zanjirida membrana tekisligida harakatlanuvchi yog‘da eruvchan ubixinonmolekulalari hamda suvda eruvchan, molekulyar massasi 13 kDa bo‘lgan kichik oqsillar qatnashadi. Bu oqsillar kovalent bog‘langan gem ni tutadi va «sitoxromlar c» deb ataladi. Nafas olish zanjirining beshta tarkibiy qismidan uchtasi elektronlarni uzatish bilan birga protonlarni ham mitoxondriya kristalari membranasi orqali matriksdan membranalararo bo‘shliqqa o‘tkazadi.

Nafas olish zanjiri kamida 26 ta polipeptid zanjiridan iborat, molekulyar massasi taxminan 850 kDa bo‘lgan I kompleks (NADH-ubixinon-oksidoreduktaza) bilan boshlanadi. Bu kompleksning funksional faolligi uning tarkibida 20 dan ortiq temiratomi bo‘lishi bilan bog‘liq. Ular oltingugurtatomlari hosil qilgan tuzilmalarda joylashgan. Kompleks tarkibida, shuningdek, flavin (flavinmononukleotid — riboflavin). vitaminining hosilasi) ham mavjud. I kompleks katalizatorligida NADH oksidlanadi va undan ikkita elektron ajraladi. Bu elektronlar I kompleksning oksidlanish-qaytarilish tarkibiy qismlari bo‘ylab harakatlanib, tashuvchi molekula — ubixinonga (Q) yetib boradi. Ubixinon bosqichma-bosqich qaytarilib, ikkita elektron va ikkita protonni qabul qila oladi; shu tariqa uning qaytarilgan shakli — ubixinol (QH2).

Qaytarilgan ubixinol ning energetik potensiali (energiya zaxirasi) NADH molekulasinikidan ancha past. Bu energiya farqi vaqtincha elektrokimyoviy proton gradienti ko‘rinishida saqlanadi. Mazkur gradient I kompleksning prostetik guruhlari bo‘ylab elektronlar uzatilganda yuzaga keladi: elektronlarning energetik potensiali pasayishi mitoxondriya matriksidan membranalararo bo‘shliqqa ikkita protonning membrana orqali o‘tkazilishi bilan birga kechadi.

Qaytarilgan ubixinol membrana tekisligida harakatlanib, nafas olish zanjirining ikkinchi fermenti — III kompleksga (sitoxrom bc1) yetib boradi. U dimer bo‘lib, molekulyar massasi 300 kDa dan ortiq; sakkizta polipeptid zanjiridan tashkil topgan. Tarkibida temir atomlari temir-oltingugurt markazlari sifatida ham, quyidagi gemlar b(I), b(II) va c1 bilan komplekslar holida ham uchraydi. Gemlar — to‘rtta geterosiklik tuzilmada joylashgan azotatomiga ega murakkab molekulalar bo‘lib, bu atomlar metall bog‘lovchi kvadratning burchaklarida joylashadi. III kompleks ikkita ubixinolning ubixinonlargacha oksidlanishini katalizlab, ikki sitoxrom c molekulasini qaytaradi (bu gem tutuvchi tashuvchi membranalararo bo‘shliqda joylashgan). Ubixinollardan ajralgan to‘rtta proton membranalararo bo‘shliqqa chiqariladi va elektrokimyoviy gradientning hosil bo‘lishini davom ettiradi.

Yakuniy bosqich IV kompleks (sitoxrom c-oksidaza) tomonidan katalizlanadi. Uning molekulyar massasi taxminan 200 kDa; u 10-13 ta polipeptid zanjiridan iborat bo‘lib, ikki xil gemdan tashqari oqsillar bilan mahkam bog‘langan bir necha misatomini ham tutadi. Qaytarilgan sitoxrom cdan olingan elektronlar IV kompleks tarkibidagi temir va mis atomlari bo‘ylab o‘tib, fermentning faol markazida bog‘langan kislorodga yetadi. Natijada suv.

hosil bo‘ladi. Demak, nafas olish zanjiri fermentlari katalizlaydigan umumiy reaksiya — NADHning kislorod yordamida oksidlanib, suv hosil qilishidir. Mohiyatan, bu elektronlarning nafas olish zanjiridagi oqsil komplekslarining prostetik guruhlarida mavjud metallatomlari orasida bosqichma-bosqich uzatilishidir. Har bir keyingi kompleks elektronlarga oldingisidan kuchliroq moyillikka ega. Elektronlar eng yuqori elektron moyilligiga ega molekulyar kislorod bilan birikkuncha zanjir bo‘ylab uzatiladi. Bu paytda ajralgan energiya mitoxondriya ichki membranasining ikki tomonida elektrokimyoviy (proton) gradient ko‘rinishida to‘planadi. Nafas olish zanjirida bir juft elektron o‘tkazilganda uchdan oltitagacha proton haydaladi, deb hisoblanadi.

Mitoxondriya faoliyatining yakuniy bosqichi ATFhosil qilish bo‘lib, u ichki membranaga o‘rnashgan, molekulyar massasi 500 kDa bo‘lgan maxsus makromolekulyar kompleks orqali amalga oshadi. ATF-sintaza deb ataluvchi bu kompleks vodorod protonlarining membrana orqali hosil qilgan elektrokimyoviy gradienti energiyasini ATF molekulasidagi yuqori energiyali bog‘ energiyasiga aylantirish orqali ATF sintezini katalizlaydi.

ATF-sintaza

Tuzilishi va vazifasiga ko‘ra, ATF-sintaza ikkita yirik qismdan — F1 va Fo dan iborat. Ulardan birinchisi (bog‘lovchi omil F1) mitoxondriya matriksiga qaragan bo‘lib, membranadan balandligi 8 nm va kengligi 10 nm bo‘lgan sharsimon tuzilma shaklida sezilarli darajada bo‘rtib chiqadi. U besh turdagi oqsilga mansub to‘qqizta subbirlikdan tashkil topgan. Uchta α va shuncha β subbirliklarning polipeptid zanjirlari tuzilishi o‘xshash oqsil globulalarisifatida joylashadi va birgalikda (αβ)3geksamerini — biroz yassilangan sharsimon tuzilmani hosil qiladi. Apelsinning bir-biriga zich joylashgan bo‘lakchalari kabi, α va β subbirliklar navbatma-navbat joylashib, 120° burilish burchagiga ega uchinchi tartibli simmetriya o‘qi bilan tavsiflanadigan tuzilmani hosil qiladi. Geksamer markazida ikkita uzun polipeptid zanjiridan iborat γ subbirlik joylashadi. U uzunligi taxminan 9 nm bo‘lgan biroz egilgan, shakli o‘zgargan tayoqchani eslatadi. Bunda γ subbirlikning pastki qismi shardan 3 nm chiqib, membranadagi F0. Shuningdek, geksamer ichida γ bilan bog‘langan kichik ε subbirlik ham mavjud. Oxirgi (to‘qqizinchi) subbirlik δ belgisi bilan ifodalanadi va F1.

ATF-sintazaning membranaviy qismi F0bog‘lovchi omil deb atalib, u gidrofob oqsillar kompleksidan iborat. U membranani to‘liq kesib o‘tadi va ichida vodorod protonlari o‘tadigan ikkita yarimkanal mavjud. F0 kompleksi tarkibiga bitta oqsil subbirligi turi — a, ikkita nusxadagi b, shuningdek, 9 dan 12 tagacha nusxadan iborat kichik csubbirliklari kiradi. a subbirlik (molekulyar massasi 20 kDa) membranaga butunlay botgan bo‘lib, unda membranani kesib o‘tuvchi oltita α-spiral segment hosil qiladi. b subbirlik (molekulyar massasi 30 kDa) membranaga botgan nisbatan qisqa bitta α-spiral qismga ega; uning qolgan qismi F1 tomon bo‘rtib chiqadi va uning sirtidagi δ subbirlikka mahkamlanadi. 9-12 ta nusxadagi har bir c subbirlik (molekulyar massasi 6-11 kDa) qisqa gidrofil halqa bilan tutashgan ikkita gidrofob α-spiraldan iborat nisbatan kichik oqsildir. Halqa F1tomon yo‘nalgan. Ularning barchasi membranaga botgan silindr shaklidagi yagona tuzilmani hosil qiladi. F1 kompleksidan F0 tomonga chiqib turgan γ subbirlik aynan shu silindr ichiga kiradi va unga yetarlicha mustahkam birikadi.

Shunday qilib, ATF-sintaza molekulasidagi oqsil subbirliklarni motorning ikki qismiga o‘xshatish mumkin: rotor va stator. «Stator» membranaga nisbatan harakatsiz bo‘lib, sharsimon (αβ)3geksamerini, uning sirtidagi δ subbirlikni, shuningdek, membranaviy F kompleksining a va b subbirliklarini o‘z ichiga oladi. Shu tuzilmaga nisbatan harakatlanuvchi «rotor» γ va ε subbirliklardan iborat bo‘lib, ular (αβ)0kompleksidan sezilarli darajada bo‘rtib chiqadi va membranaga botgan3c subbirliklar halqasi bilan ulanadi..

ATFni sintezlash qobiliyati — yagona F0F1kompleksining xususiyati bo‘lib, vodorod protonlarining F0 orqali F1ga tashilishi bilan bog‘liq. Aynan ikkinchi qismda ADF va fosfatni ATF molekulasiga aylantiruvchi katalitik markazlar joylashgan. ATF-sintazaning ishlashiga elektron tashish zanjiri natijasida mitoxondriya ichki membranasida yuzaga keladigan proton potensiali harakatlantiruvchi kuch bo‘lib xizmat qiladi.

ATF-sintaza «rotori»ni harakatga keltiruvchi kuch membrananing tashqi va ichki tomonlari orasidagi potensiallar farqi > 220 mV ga yetganda paydo bo‘ladi. U F0ning maxsus kanalidan oqib o‘tadigan protonlar oqimi bilan ta’minlanadi. Kanal a va csubbirliklari chegarasida joylashgan. Protonlarni tashish yo‘li quyidagi tuzilmalardan iborat:

  1. Bir o‘qda joylashmagan ikkita «yarimkanal». Birinchisi protonlarni membranalararo bo‘shliqdan F0ning muhim funksional guruhlariga olib keladi, ikkinchisi esa ularni mitoxondriya matriksiga chiqaradi;
  2. Halqa shaklida joylashgan csubbirliklar. Har birining markazida protonni bog‘lay oladigan karboksil guruhi mavjud bo‘lib, u membranalararo bo‘shliqdan H+ ni qabul qiladi va tegishli proton kanallari orqali chiqaradi. Protonlar kanal bo‘ylab oqishi tufayli csubbirliklar davriy siljib, γ subbirlikni o‘z ichiga olgan c halqasining aylanishiga sabab bo‘ladi.

Shunday qilib, ATF-sintazaning katalitik faolligi bevosita uning «rotori» aylanishiga bog‘liq. γ subbirlikning aylanishi uchala katalitik β subbirlikning konformatsiyasini bir vaqtda o‘zgartiradi va ferment faoliyatini ta’minlaydi. ATF hosil bo‘lganda «rotor» soat mili yo‘nalishida sekundiga to‘rt marta aylanadi. Bunda aylanish uzlukli 120° lik sakrashlar bilan sodir bo‘lib, har bir sakrashda bitta ATF molekulasi hosil bo‘ladi.

ATF sintezini bevosita bog‘lovchi F1kompleksining β subbirliklari bajaradi. ATF hosil bo‘lishiga olib keladigan jarayon avvalo ADF va fosfatning 1-holatdagi bo‘sh β subbirlik faol markaziga bog‘lanishidan boshlanadi. Tashqi manba (proton oqimi) energiyasi hisobiga F1 kompleksida konformatsion o‘zgarishlar ro‘y beradi. Natijada ADF va fosfat katalitik markaz bilan mustahkam bog‘lanadi (2-holat) va ular orasida kovalent bog‘ paydo bo‘lib, ATF hosil bo‘lishi mumkin bo‘ladi. ATF-sintazaning bu bosqichida ferment deyarli energiya talab qilmaydi; energiya keyingi bosqichda ferment markaziga mustahkam bog‘langan ATF molekulasini ajratib chiqarish uchun kerak bo‘ladi. Shuning uchun ferment faoliyatining navbatdagi bosqichi F1 kompleksining energiyaga bog‘liq tuzilish o‘zgarishi natijasida mahkam bog‘langan ATF molekulasini tutgan katalitik β subbirlikning 3-holatga o‘tishidir. Bu holatda ATFning katalitik markazga bog‘lanishi susayadi. Natijada ATF molekulasi fermentdan chiqadi, β subbirlik esa boshlang‘ich 1-holatga qaytadi va fermentning davriy ishlashi ta’minlanadi.

ATF-sintaza faoliyati uning ayrim qismlarining mexanik harakati bilan bog‘liq. Shu sababli bu jarayon «aylanma kataliz» deb ataladigan alohida hodisalar turiga kiritiladi. Xuddi elektr dvigatel chulg‘amidagi tok rotorni statorga nisbatan aylantirgani kabi, ATF-sintaza orqali yo‘nalgan proton oqimi F1 bog‘lovchi omilining ayrim subbirliklarini ferment kompleksining boshqalariga nisbatan aylantiradi. Natijada ushbu noyob energiya hosil qiluvchi qurilma kimyoviy ish bajarib, ATF molekulalarini sintezlaydi. Keyin ATF hujayra sitoplazmasiga o‘tadi va turli energiyaga bog‘liq jarayonlarga sarflanadi. Tashish mitoxondriya membranasiga o‘rnashgan maxsus ATF/ADF-translokaza fermenti orqali sodir bo‘ladi. U yangi sintezlangan ATFni sitoplazmadagi ADFga almashtiradi va mitoxondriya ichidagi adenil nukleotidlar zaxirasining saqlanishini ta’minlaydi.

Mitoxondrial yog‘ kislotalari sintezi (mtFASII)

Mitoxondrial yog‘ kislotalari sintezi (mtFASII) hujayraviy nafas olish va mitoxondriyalar biogenezi uchun zarur. Bu tizim hujayra ichidagi signallarning uzatilishijarayonida ham vositachi vazifasini bajarishi taxmin qilinadi, chunki lizofosfolipidlar va sfingolipidlarkabi biologik faol lipidlar darajasi mtFASII darajasi bilan o‘zaro bog‘liq.

mtFASII ning eng yaxshi o‘rganilgan yakuniy mahsuloti oktanoil-ACPbo‘lib, u lipoat kislota biosintezi uchun dastlabki substrat ham hisoblanadi. Shunday qilib, mtFASII lipoat kislota kofaktori orqali energiya almashinuvidagi muhim ferment komplekslariga, jumladan, piruvatdegidrogenaza kompleksi, α-ketoglutaratdegidrogenaza kompleksi, tarmoqlangan α-ketokislotalar degidrogenaza kompleksi va glitsinni parchalaydigan tizim (glycine cleavage system, GCS) faoliyatiga ta’sir qiladi.

Bundan tashqari, mtFASII orqali sintezlanadigan boshqa yog‘ kislotalari yakuniy mahsulotlari mitoxondrial translyatsiya, temir-oltingugurt klasterlari biogenezi va oksidlovchi fosforlanish komplekslarining yig‘ilishida ham ishtirok etadi.

Bundan tashqari, mtFASII va atsillangan ACP mitoxondriyadagi atsetil-KoA miqdorini boshqaradi .

Mitoxondriyalar va irsiyat

DNK mitoxondriyalarda deyarli faqat ona tomonidan nasldan naslga o‘tadi. Har bir mitoxondriya DNKsida barcha mitoxondriyalarda bir xil bo‘lgan bir necha nukleotid qismlari mavjud (ya’ni hujayrada mitoxondrial DNKning ko‘plab nusxalari bor). Bu DNKdagi shikastlanishlarni tiklay olmaydigan mitoxondriyalar uchun juda muhim (ularda mutatsiyalar tez-tez kuzatiladi).

Mitoxondriyalarning kasalliklardagi roli

Mitoxondrial DNKdagi mutatsiyalar insondagi bir qator irsiy kasalliklar ga sabab bo‘ladi.

Uchta DNK yordamida urug‘lantirish usuli orqali davolab bo‘lmaydigan ayrim irsiy kasalliklarning oldini olish mumkin.

O‘rganilish tarixi

Mitoxondriyalarni o‘rganish tarixi qariyb 130 yilni qamrab oladi. Ularni 1850-yilda R. Kellikyer hasharot mushaklarida aniqlab, ta’riflagan va sarkosomalar deb atagan. Bu atama hozir ham mushak to‘qimasidagi mitoxondriyalarni ifodalash uchun ishlatiladi.

Ushbu organoidlar 1898-yildan mitoxondriyalar deb atala boshlandi. Biroq biokimyogarlar va sitologlar ularni tizimli o‘rganishga faqat o‘tgan asrning 40-50-yillarida kirishdi. Aynan shu davrda differensial sentrifugalash orqali mitoxondriyalarning toza fraksiyalari olinib, ularda nafas olish zanjiri, Krebs sikli va oksidlovchi fosforlanish fermentlari joylashgani ko‘rsatildi. 1952-53-yillarda mitoxondriyalarning ultrastrukturasi tadqiq qilindi. XX asr oxirida ularning signal molekulalariniajratishi orqali hujayra o‘liminifaollashtirishi ma’lum bo‘ldi. Hozirga kelib ushbu organoidlarning morfologik va funksional tuzilishi haqida ko‘plab ma’lumotlar to‘plangan.

Adabiyotlar