Функція мітохондрій

Мітохондрії є органелами, в яких відбувається завершальний, найбільш енергоємний, кисневий етап енергетичного обміну. Сонячна енергія в поживних речовинах укладена в основному в парах електронів ковалентних зв’язків типу — С-Н; С-С. В ході енергетичного обміну вона вивільняється в три етапи:

1 етап. Гідроліз наявних в їжі складних органічних сполук (полімерів), до простих субодиниць (мономерів), в результаті позаклітинного (порожнинного) і внутрішньоклітинного (лізосомального) травлення. Виділяється невелика кількість енергії, що перетворюється на теплову і розсіюється. Гідроліз супроводжується витратою енергії АТФ.

2 етап. Гліколіз або безкисневий процес — розщеплення простих цукрів за типом гексоз (наприклад, глюкози). При гліколізі відбувається окислювальне фосфорилювання, поділене на 9 ферментативних реакцій, в результаті якого утворюється 2 молекули, ще багаті енергією пірувату, 2 АТФ і 2 відновленого НАДН.

НАД (нікотинамід динуклеотид) — акцептор іонів водню. У окисленій формі НАД позитивно заряджений. Відновлюючись, він приєднує гідрид-іон (іон водню з двома електронами Н^-), який утворюється при окисленні субстрату: R-H₂+HAD=HADH+H⁺+R.

Для більшості клітин тварин гліколіз служить прелюдією до третього етапу, тому що утворюється піруват СН₃-СО-СООН (піровиноградна кислота), що прямо надходить в мітохондрії. У разі анаеробних організмів (наприклад, дріжджі або тканин — скелетні м’язи), здатних працювати в анаеробних умовах, гліколіз допоможе стати основним джерелом клітинного АТФ. У цих умовах молекули пірувату залишаються в цитозолі, і в залежності від виду організмів, можуть перетворюватися або в етанол + С0₂, або в лактат -СН₃-СНОН-СООН (у м’язах), які потім виводяться з клітин як метаболіти.

3 етап. Мітохондріальний кисневий етап енергетичного обміну.

Складний багатостадійний процес, в ході якого відбувається повне окислення пірувату до бідних енергією С0₂ і Н₂0 з вивільненням великої кількості енергії, більше 50% якої акумулюється в енергію фосфатних зв’язків — 36 АТФ. Цей етап протікає в три стадії:

1 стадія — мобілізація ацетил-СоА. Його джерелом служить піруват, що утворюється в ході гліколізу, окислення жирних кислот і амінокислот. Ці реакції відбуваються в матриксі мітохондрій за участю ферментів, СоА і окисленої форми НАД. СоА — сполука з високою каталітичною активністю — похідне аденілового нуклеотиду, що має в кінці вуглеводневого ланцюга сульфогрупу -SН.

В результаті цієї реакції утворюється активний ацетил-СоА, що містить високоенергетичний тіоефірний зв’язок, гідроліз якого забезпечує початкову реакцію другої стадії. За способом запасу енергії ацетил-СоА схожий з АТФ.

2 стадія — цикл трикарбонових кислот або цикл лимонної кислоти (цикл Кребса). Головна функція циклу лимонної кислоти — окислення ацетогрупи (залишку оцтової кислоти). Реакції відбуваються за участю ферментів, розташованих у матриксі мітохондрій. Процес носить циклічний характер, оскільки ацетогрупа окислюється не відразу, а лише після того, як вона ковалентно приєднується до більшої молекули — щавлево-оцтової кислоти (оксалатацетату), яка регенерується після кожного обороту циклу. Цикл починається з взаємодії між ацетил-СоА і чотирьохвуглеводною сполукою оксалатацетатом, в результаті чого утворюється шестивуглеводна трикарбонова лимонна кислота. Потім, під час семи послідовних ферментативних реакцій, два вуглецевих атома відділяються у вигляді С0₂, утворюючи знову таки оксалат-ацетат — вихідний продукт нового циклу. Оскільки два нових атома вуглецю, приєднуються в кожному циклі, входять не в ту частину молекули цитрату, яка окислюється в даному циклі до С0₂, повинно пройти два цикли перед тим, як підійде їхня черга окислитися. Утворені молекули С0₂ дифундують з мітохондрії і залишають клітину. Енергія зв’язків С-Н та С-С цитрату споживається двома способами: 1) менша частина енергії йде на утворення однієї молекули GTF (еквівалент АТФ); 2) велика частина енергії витрачається на переклад молекул — переносників водню з окисленої у відновлену форму. У кожному обороті циклу три молекули НАД ⁺ перетворюються на 3 молекули НАДН, а одна молекула ФАД (флавінаденіндинуклеотид) — в ФАДН₂. В останньому переносники електрони водню знаходяться на енергетичному рівні меншому, ніж у НАДН, тому він рідше використовується в мітохондрії. Додаткові атоми кисню, необхідні для утворення С0₂ включаються в цикл лимонної кислоти ацетильної групи, поставляється не молекулярним киснем, а 3-ма молекулами води (схожість з хлоропластами).

3-я стадія — перенесення активних електронів у ланцюзі дихальних ферментів і окисне фосфорилювання. Всі процеси цього етапу йдуть за участю ферментів, розташованих на внутрішній мітохондріальній мембрані. При цьому багаті енергією відновлені НАДН і ФАДН₂ передають свої активні електрони водню через ланцюг дихальних ферментів до молекулярного кисню, а звільняється енергія використовується на синтез АТФ, транспорт в мітохондрії і з неї речовин, інша енергія виділяється у вигляді тепла. Атоми водню розщеплюються на електрони і протони. Активні електрони надходять в дихальний ланцюг, а протони — в навколишнє водне середовище матриксу. Протони і електрони водню об’єднуються, коли електрони досягають кінця дихального ланцюга і з’єднуваться з киснем з утворенням Н₂0.

Шлях електронів в цьому ланцюгу можна подати так: НАДН (або ФАДН₂) — НАДН — дегідрогеназний комплекс — убіхінон — комплекс в-с1— цитохром з — цитохромоксидазний комплекс — О₂.

На початку транспорту відбувається розщеплення атомів водню НАДН (ФАДН₂) на електрони і протони. Утворюються окислені НАД⁺ і ФАД. Електрони поступають на перший переносник — НАДН — дегідрогеназний комплекс, а протони надходять в матрикс. Далі електрони передаються на убіхінон і т. д. до молекулярного кисню.

Рушійною силою дихального ланцюга є різниця окисно-відновних потенціалів, її компонентів, що виражається в ступені спорідненості до електронів. На початку ланцюга розташовуються компоненти з негативним значенням о-в потенціалів — у НАДН — дегідрогеназного комплексу, він дорівнює -320 мВ. Отже, цей компонент більше схильний віддавати електрони, ніж приймати. В кінці ланцюга кисень має о-в потенціал 820 мВ, що говорить про сильну тенденцією до прийняття електронів.

При проходженні високоенергетичних електронів, що доставляються НАДН та ФАДН₂ за електронно-транспортним ланцюгом внутрішньої мітохондріальної мембрани вивільняється енергія, яка використовується для переміщення протонів із матриксу в міжмембранний простір і далі за межі мітохондрії. В результаті між двома сторонами внутрішньої мембрани створюється електрохімічний протонний градієнт. Він складається з двох компонентів хімічного градієнта і електричного.

Хімічний градієнт утворений в результаті різниці рН. Вихід протонів із матриксу знижує концентрацію іонів водню до рН 8, 0, тоді як в міжмембранному просторі рН 7 як в цитоплазмі в результаті гарної проникності зовнішньої мембрани.

Електричний градієнт обумовлений різницею потенціалів (мембранним потенціалом) між зовнішньою і внутрішньою мембраною: внутрішня мембрана заряджена негативно, зовнішня позитивно, як результат виходу назовні позитивно заряджених іонів.

Електрохімічний градієнт служить джерелом протоннорухової сили або ЕРС. ЕРС сприяє прагненню протонів і інших позитивно заряджених частин проникнути всередину матриксу, а з матриксу вийти іонам ОН^– та іншим негативним іонам. Ця обставина посилює вплив градієнта рН на рух іонів Н⁺ і ОН^-.

На внутрішній мембрані розташовується фермент, що каталізує синтез АТФ. Він називається АТФ-синтетазою, яка представляє собою великий трансмембранний білковий комплекс. Через нього протони з міжмембранного простору проникають всередину матриксу з електрохімічного градієнту. АТФ-синтетаза використовує енергію струму протонів для синтезу АТФ із АДФ та неорганічного фосфату.

За рахунок енергії електрохімічного протонного градієнта на внутрішній мембрані мітохондрії синтезується не тільки АТФ, але й відбувається транспорт метаболітів між матриксом мітохондрії і цитозолем.