Митохондрии реализовывают синтез АТФ, происходящий в следствии процессов окисления органических фосфорилирования и субстратов АДФ. В клетках выделения энергии и процессы окисления, освобождающиеся в следствии этого процесса, проходят в пара взаимосвязанных этапов. Наряду с этим в качестве начальных субстратов употребляются разные углеводы, жирные кислоты, аминокислоты (рис.). Первые этапы окисления приводят не считая образования АТФ к появлению промежуточных продуктов, конечное окисление которых в митохондриях позволяет клетке применять данный процесс для синтеза главного количества АТФ.
Начальные этапы окисления углеводов происходят в гиалоплазме и не требуют участия кислорода. Исходя из этого они именуются анаэробным окислением, либо гликолизом. Главным субстратом окисления при анаэробном получении энергии помогают гексозы и прежде всего глюкоза; кое-какие бактерии владеют свойством извлекать энергию, окисляяя пентозы, жирные кислоты либо аминокислоты. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, образовывает около 680 ккал на 1 моль (т.е. на 180 г глюкозы); эта энергия освобождается при полном окислении глюкозы в соответствии с следующей реакции:
С6Н12О6 + 6О2? 6Н2О + 6СО2 + 680 ккал
В живой клетке это огромное количество энергии не освобождается в один момент, как при горении в пламени. Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и не связано с переходом энергии химической связи в тепло, как при горении, а с переходом ее в макроэнергетическую сообщение в молекуле АТФ, которая синтезируется при применении освобождающейся энергии из АДФ и фосфата.
В ходе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. В следствии гликолиза глюкоза распадается до триоз, наряду с этим тратятся 2 молекулы АТФ и синтезируются 4 молекулы АТФ. Так что в конечном результате клетка “получает” всего 2 молекулы АТФ. В энергетическом отношении данный процесс малоэффективен, исходя из этого из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля глюкозы, освобождается менее 10% энергии. Не обращая внимания на низкий энергетический выход, анаэробное окисление, гликолиз, обширно употребляется в живой природе. Он есть главным поставляющим энергию процессом для многих микроорганизмов, некоторых кишечных паразитических анаэробных несложных, для клеток высших организмов на ранних стадиях эмбрионального развития, для многих опухолевых клеток, для клеток культуры ткани и др. Эритроциты млекопитающих, к примеру, приобретают всю нужную им энергию за счет гликолиза, поскольку у них нет митохондрий.
Появившиеся в следствии гликолиза триозы, и прежде всего пировиноградная кислота, вовлекаются в предстоящее окисление, происходящее уже в самих митохондриях. Наряду с этим происходит применение энергии расщепления всех химических связей, что ведет к выделению СО2, к синтезу и потреблению кислорода громадного количества АТФ. Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот и с дыхательной цепью переноса электронов, где происходит фосфорилирование АДФ и синтез клеточного “горючего”, молекул АТФ (рис. 209).
В цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса, либо цикл лимонной кислоты) появившийся в следствии гликолиза пируват сперва теряет молекулу СО2 и, окисляясь до ацетата (двууглеродное соединение), соединяется с коферментом А. После этого ацетилкоэнзим А, соединяясь с оксалацетатом (четырехуглеродное соединение), образует шестиуглеродный цитрат (лимоную кислоту). После этого происходит цикл окисления этого шестиуглеродного соединения до четырехуглеродного оксалацетата, опять связывание с ацетилкоэнзимом А, и после этого цикл повторяется. Наряду с этим окислении выделяются две молекулы СО2, а электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов (NAD-никотинамидадениндинуклеотид), каковые вовлекают их потом в цепь переноса электронов. Следовательно, в цикле трикарбоновых кислот нет самого синтеза АТФ, а идет окисление молекул, перенос электронов на выделение и акцепторы СО2. Все обрисованные выше события в митохондрий происходят в их матриксе.
Выделенные митохондрии владеют свойством осуществлять окисление пирувата до СО2 и могут к синтезу АТФ. В случае если взвесь митохондрий подвергнуть действию ультразвука, то по окончании разрыва митохондриальных мембран компоненты матрикса освобождаются и переходят в среду выделения. По окончании для того чтобы разрушения возможно осадить мембраны митохондрий и разбирать их функциональные активности.
Было найдено, что во фракции, свободной от мембран, являющейся компоненты матрикса, обнаруживаются ферменты, участвующие в цикле трикарбоновых кислот. Следовательно, в матриксе локализованы ферменты этого цикла, каковые находятся в свободном, не связанном состоянии с митохондриальными мембранами, за исключением сукцинатдегидрогеназы. Помимо этого, в состав матрикса входят ферменты окисления жирных кислот; главный продукт окисления жирных кислот – ацетилкоэнзим ? – также в матриксе поступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором он подвергается предстоящему окислению до СО2 и Н2О В матриксе митохондрий происходит кроме этого окисление некоторых аминокислот, поступающих в цикл трикарбоновых кислот.
Остальные события, которые связаны с синтезом и дальнейшим переносом электронов АТФ связаны с внутренней митохондриальной мембраной, с кристами митохондрий.
Освободившиеся в ходе окисления в цикле трикарбоновых кислот электроны, акцептированные на коферментах, переносятся после этого в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), где они соединяются с молекулярным кислородом, образуя молекулы воды.
Дыхательная цепь является рядом протеиновых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану (рис. 210). Существуют три основных ферментных комплекса. Первый, NADH-дегидрогеназный комплекс принимает электроны от NADH и переносит их во второй комплекс, комплекс в-С1, что со своей стороны, переносит их на цитохромоксидазный комплекс, а он их передает на кислород, в следствии чего образуется вода. На этом окисление заканчивается.
Как и надеется, окисление исходного субстрата стало причиной выделению СО2 и воды, но наряду с этим не выделилась тепловая энергия, как при горении, а появились молекулы АТФ. Они были синтезированы второй группой белков, не связанных прямо с окислением. Было обнаружено, что во внутренних митохондриальных мембранах на поверхности мембран, наблюдающих в матрикс, находятся большие протеиновые комплексы, ферменты, АТФ-синтетазы. В электронном микроскопе во фракции внутренних митохондриальных частиц видны так именуемые “грибовидные” тельца сплошь выстилающие поверхность мембран, наблюдающую в матрикс. Эти тельца имеют как бы головку и ножку. Диаметром 8-9 нм. Было найдено, что эти тельца являются протеиновый комплекс, складывающийся из 9 субъединиц – АТФ-синтетазу. Следовательно, во внутренних мембранах митохондрий локализованы ферменты как окислительной цепи, так и ферменты синтеза АТФ (рис. 201б).
Дыхательная цепь – это основная совокупность превращения энергии в митохондриях. Тут происходит восстановление элементов и последовательное окисление дыхательной цепи, в следствии чего высвобождается маленькими порциями энергия. За счет данной энергии в трех точках цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. Исходя из этого говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + направляться АТФ, т.е. происходит процесс окислительного фосфорилирования.
В следствии многократной оборачиваемости субстратов в цикле Кребса происходит полное окисление поступивших продуктов первичного гликолитического окисления, и после этого в цепи окислительного фосфорилирования происходит большое применение освободившейся при окислении энергии для синтеза АТФ.
Было высказано предположение, что выделяющаяся при транспорте электронов энергия запасается в виде градиента протонов на мембране. Наряду с этим на внешней поверхности внутренней мембраны митохондрий появляется повышенная концентрация положительно заряженных ионов водорода. Появившийся наряду с этим протонный градиент есть движущей силой в синтезе АТФ (рис. 211).
Это предположение стало после этого теорией, хемиосмотической теорией сопряжения окисления субстратов с синтезом АТФ. Как выяснилось, при переносе электронов в митохондриальной мембране любой комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисление на перемещение протонов (хороших зарядов) через мембрану, из матрикса в межмембранное пространство, что ведет к образованию разности потенциалов на мембране: хорошие заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные – со стороны матрикса митохондрий. При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) протеиновый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, наряду с этим превращает одну форму энергии в другую: образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с синтетическим, с фосфорилированием АДФ. До тех пор пока происходит окисление субстратов, пока происходит перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану – идет сопряженный с этим синтез АТФ, т.е. происходит окислительное фосфорилирование.
Эти два процесса смогут быть разобщены. Возможно снять разность потенциалов на митохондриальной мембране, либо механически ее нарушить, либо посредством химических соединений (к примеру, динитрофенола) сделать в ней диффузионные каналы. Наряду с этим не будет прекращаться перенос электронов, не будет прекращаться окисление субстрата, но синтеза АТФ уже происходить не будет. В этом случае энергия, освобождающаяся при окислении будет переходить в тепловую энергию.
Цитология. Лекция 3. Митохондрия. Окштейн И.Л
