2.2.1.4.2. Функции митохондрий

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Энергия, которую используют живые организмы для своей жизнедеятельности высвобождается при окислении питательных веществ – углеводов, пептидов и, частично, белков. Кислород поступает в организм в процессе дыхания и используется клетками в процессе окисления. Такое окисление называется клеточным дыханием. Освобождение энергии в живом организме происходит ступенчато, а не одномоментно как при горении; включает целый ряд биохимических реакций, в которых принимают участие несколько ферментных комплексов. В результате этих реакций питательные вещества расщепляются до СО₂ и Н₂О. Этот процесс получил название биологического окисления.

С ₆Н₁₂О₆+6О₂ 6Н₂О+6СО₂+686ккал.

Таким образом, биологическое окисление или клеточное дыхание - это процесс ферментативного окисления питательных веществ (углеводов, липидов, белков), происходящий в митохондриях при участии молекулы кислорода до получения конечных продуктов СО₂ и Н₂О.

В процессе биологического окисления высвобождается энергия, называемая свободной энергией. Эту энергию несут электроны, высвобождающиеся при отщеплении водорода в процессе окисления органических соединений: углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот, которые и являются источниками электронов.

Молекула глюкозы, например, окисляется в гиалоплазме в про­цессе 10 ферментативных реакций, называемых гликолизом, до 2 молекул пирувата, который затем пере­носится через мембраны в матрикс митохондрий, где окисляется полностью. Суммарная реакция гликолиза име­ет следующий вид:

глюкоза + 2АДФ +2Рi + 2NaD⁺ = 2пируват + 2NаДН + 2АТФ

Молекулы пирувата окисляются до ацетил-СоА, который затем окисляется в цикле лимонной ки­слоты. При этом высвобождаются электроны.

Электроны не могут существовать в свободном состоянии и переносятся от одного субстрата к другому. В процессе переноса электро- нов от NaDH, FADH₂ и других восстановленных переносчиков до молекулярного кислорода извлекается энергия электронов.

Цепь окислительно–восстановительных реакций, в которых электро- ны от NaDH, FADH₂ передаются от одного переносчика (фермента) к другому и в конечном итоге к молекулярному кислороду называется дыхательной цепью.

Компоненты дыхательной цепи расположены во внутренней мембра- не митохондрии и включают 4 ферментных комплекса (рис.89;табл.17):

Рис.89. 4 комплекса белков в составе системы переноса электронов по

дыхательной цепи в мембранах митохондрий (Из: Сеитов, 2000)

I комплекс - NaDH дегидрогеназный (25 субъединиц);

II комплекс - сукцианат дегидрогеназный (4 субъединицы);

III комплекс - цитохром в,с-комплекс; содержит 10 молекул белка: цитохромы в; с; Fе-Ѕ (железо-серные белки) и еще 6 видов белка. Цитохромы содержат в качестве простатической группы гем;

IV комплекс - цитохромоксидазный комплекс; содержит 6-12 моле- кул белка, в том числе цитохромы а и а₃, а также ионы меди.

В процессе переноса электронов по дыхательной цепи образуется АТФ. Суммарная реакция синтеза АТФ представлена ниже:

АДФ+Н₃РО₄+30,5 кДж/моль=АТФ+Н₂О

Энергия, используемая для синтеза АТФ (30,5 кДж/моль), выделяется электронами в процессе их переноса по дыхательной цепи. Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии переноса электронов по дыхательной цепи от ΝаДН и FАДН₂ к молекуле О₂ и при участии ферментного комплекса АТФ-синтазы называется окислительным фосфорилированием.

Таблица 17

Белковые компоненты электронпереносящей системы митохондрий

Белковые комплексы	Молекуляр - ная масса	Число субъединиц	Простетичес- кие группы
I. NADH- дегидрогеназа	850000	25	FMN, Fe-S
II.Сукцинатдегидро- генза	140000	4	FAD, Fe-S
III. Убихинон цито- хром с-оксиредук- таза Цитохром с	250000 12500	10 1	Гем, Fe-S
IV. Цитохромоксидаза	160000	6-12	Гемы, ионы Cu

Процесс окислительного фосфорилирования может быть разделен на 3 три части:

1. Биохимические реакции, обеспечивающие образование электронов с высоким уровнем энергии;

2. Система транспорта электронов, которая позволяет превращать энергию электронного транспорта в протонный градиент (разность ионов Н⁺ по обе стороны внутренней мембраны) (рис.90);

3. Использование АТФ-синтазой протонного градиента для синтеза АТФ. Энергия, которая выделяется при переходе протонов Н⁺ из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс, запасается в АТФ.

АТФ –синтаза (рис.91) – ферментный комплекс, расположенный на внутренний мембране. Состоит из двух белковых компонентов F₀ и F₁. Компонент F₀ погружен во внутреннюю мембрану и состоит из субъеди- ницы α, β и 6-12 субъединиц с. Этот комплекс гидрофобен; в нем имеются поры для прохода протонов Н⁺ через мембрану и он является протонным каналом комплекса. Компонент F₁ имеет форму сферической глобулы, состоит из трех α-субъединиц, трех β–субъединиц и по одной субъединицы γ, δ и ε. Компонент гидрофилен, обращен в сторону матрикса и прикреплен к компоненту F₀ с помощью стебелька, который содержит некоторые белки, в частности, белок, обусловливающий чувствительность к олигомицину, антибиотику, блокирующему синтез АТФ. Компонент F₁ обладает каталитической функцией, но не синтезирует АТФ из АДФ. Такой функ- цией обладает весь комплекс F₀ –F₁.

Рис. 90. Схема расположения протонного насоса во внутрен- ней мембране. Насос перекачи- вает протоны против градиен- та концентрации (Из: Сеитов, 2000)

Рис.91. Митохондриальная АТФ- синтаза (Из: Сеитов, 2000)

На внутренней мембране митохондрий имеются протонные насосы, которые приводятся в движение за счет свободной энергии переноса электронов в дыхательной цепи. Они перекачивают протоны (Н+) против градиента концентраций из матрикса в водную среду межмембранного пространства (рис.90). В результате на наружной поверхности внутренней мембраны создается кислая реакция и она становится электроположи- тельной, а на внутренней стороне - щелочная реакция, что делает её электроотрицательной. Вследствие этого по обе сторону внутренней мембраны возникает разность потенциалов или трансмембранный градиент, который обладает энергией и служит движущей силой для синтеза АТФ.

Протоны на наружной стороне внутренней мембраны стремятся обратно в матрикс уже по градиенту концентрации. При прохождении протонов через протонные каналы в молекулах F₀F₁ , происходит выделение свободной энергии трансмембранного градиента, которая используется для синтеза АТФ.

Таким образом, на митохондриальной мембране электрическая энергия разности потенциалов Н⁺ превращается в химическую энергию молекулы АТФ. Молекулы АТФ переносятся наружу в цитоплазму в обмен на молекулы АДФ, находящиеся в цитоплазме и используются как источ- ник энергии в процессах жизнедеятельности клетки.

Кроме синтеза АТФ митохондрии принимают участие:

1 – в биосинтезе стероидных гормонов (отдельные звенья синтеза происходят в мито­хондриях).

2 - в депонировании кальция.

3 - в биосинтезе пуринов.

У человека возникают различ­ные митохондриальные болезни, причиной которых являются мутации генов ферментов процесса окисли- тельного фосфорилирования. В таблице 15 показаны заболевания, связанные с мутацией генов ядерной ДНК, а в таблице 16 - с мутацией генов мтДНК.