Структурная организация митохондрий, фазы освобождения энергии из питательных веществ.

Митохо́ндрия (от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зёрнышко, крупинка) — двумембранная гранулярная или нитевиднаяорганелла толщиной около 0,5 мкм. Характерна для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные).

Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и испо

льзование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ, который происходит за счёт движения электрона по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны. Количество митохондрий в клетках различных организмов существенно отличается.

Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм, не образует впячиваний и складок, и замкнута сама на себя. На наружную мембрану приходится около 7 % от площади поверхности всех мембран клеточных органелл. Основная функция — отграничение митохондрии от цитоплазмы. Наружная мембрана митохондрии состоит из билипидного слоя и пронизывающих его белков; соотношение липидов и белков по массе — примерно 1:1. Особую роль играет порин — каналообразующий белок: он формирует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа. Крупные молекулы могут пересекать наружную мембрану только посредством активного транспорта через транспортные белки митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов: монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы. Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.

Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Его толщина — 10-20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме. Напротив, крупным белкам для транспорта из цитоплазмы в периплазматическое пространство необходимо иметь специфические сигнальные пептиды; поэтому белковые компоненты периплазматического пространства и цитоплазмы различны. Одним из белков, содержащихся в периплазматическом пространстве, является цитохром c — один из компонентов дыхательной цепи митохондрий.

Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности и, например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран. Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина — особогофосфолипида, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. Внутренняя мембрана митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.

Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 105 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондриального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с-редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть транспортных РНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.

Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70S-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

Количество транслируемых с митохондриальной мРНК белков, формирующих субъединицы крупных ферментных комплексов, ограничено. Значительная часть белков кодируется в ядре и синтезируется на цитоплазматических 80S-рибосомах. В частности, так образуются некоторые белки — переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, а также факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК.

При этом подобные белки на своём N-конце имеют особые сигнальные пептиды, размер которых варьирует от 12 до 80 аминокислотных остатков. Данные участки формируютамфифильные завитки, обеспечивают специфический контакт белков со связывающими доменами митохондриальных распознающих рецепторов, локализованных на наружной мембране. До наружной мембраны митохондрии данные белки транспортируются в частично развёрнутом состоянии в ассоциации с белками-шаперонами (в частности — с hsp70). После переноса через наружную и внутреннюю мембраны в местах их контактов поступающие в митохондрию белки вновь связываются с шаперонами, но уже собственного митохондриального происхождения, которые подхватывают пересекающий мембраны белок, способствуют его втягиванию в митохондрию, а также контролируют процесс правильного сворачивания полипептидной цепи. Большинство шаперонов обладает АТФазной активностью, в результате чего как транспорт белков в митохондрию, так и образование их функционально активных форм являются энергозависимыми процессами.

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ — универсальной формы химической энергии в любой живой клетке. Как и у прокариот, данная молекула может образовываться двумя путями: в результате субстратного фосфорилирования в жидкой фазе (например, при гликолизе) или в процессе мембранного фосфорилирования, связанного с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента ( протонов/ионов водорода). Митохондрии реализуют оба эти пути, первый из которых характерен для начальных процессов окисления субстрата и происходит в матриксе, а второй завершает процессы энергообразования и связан с кристами митохондрий.

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы.

• Первая фаза - подготовительная. Она необходима для перевода биополимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. Осуществляется эта фаза с помощью гидролаз в кишечнике или внутри клетки. Внутри клетки гидролиз происходит с участием ферментов цитоплазмы и лизосом. Энергетической ценности эта фаза не представляет, так как освобождается лишь до 1 % энергии субстратов, но и она рассеивается в форме теплоты.
• Вторая фаза - частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов, главным образом до ацетил-КоА и нескольких кислот цикла Кребса - оксалоацетата, 2-оксоглутарата. Во второй фазе большое число исходных субстратов сокращается до трех. Для нее характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, заключенной в исходных субстратах, происходящее в анаэробных (бескислородных) условиях. Часть этой энергии аккумулируется в фосфатных связях АТФ, а часть рассеивается в виде теплоты. Превращение мономеров протекает в гиалоплазме, а заключительные реакции - в митохондриях.
• Третья фаза - окончательный распад веществ до СO2 и Н2O с участием кислорода. Эта фаза - аэробного биологического окисления веществ протекает с полным освобождением энергии. Особенность превращения веществ на этом этапе состоит в том, что из трех метаболитов предыдущей фазы, после так называемого цикла Кребса, остается только водород, связанный с переносчиками (НАД или ФАД). Водород - универсальное энергетическое топливо, которое используется в дыхательной цепи для образования АТФ и воды. Примерно 80% всей энергии химических связей веществ освобождается в данной фазе. Эта энергия окисления субстратов сосредоточивается в фосфатных связях АТФ и часть ее выделяется в виде теплоты. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях.

Освобождение энергии в живой клетке осуществляется постепенно, благодаря этому на различных этапах ее выделения она может аккумулироваться в удобной для клетки химической форме, в виде АТФ. Весь энергетический аппарат клетки устроен как бы из трех блоков, имеющих разное функциональное назначение (т. е. осуществляющих три группы процессов):

блок I-процессы образования субстратов окисления -->S·H2-->блок Н-процессы генерации водорода-->КН2

Здесь SH2 - субстрат окисления; КН2 - водород, связанный с коферментом. Задача ферментативных процессов первого блока - образование необходимых субстратов окисления, соответствующих имеющемуся в клетке окислительному ферменту. Одновременно происходит частичная аккумуляция энергии расщепляемых субстратов в фосфатных связях АТФ. Дальнейшие превращения субстратов связаны с процессами биологического окисления.

Г. Кребс (1959) выделяет три главные фазы освобождения энергии из питательных веществ.

В первой фазе крупные молекулы питательных веществ распадаются на более мелкие единицы. Белки распадаются до аминокислот, сложные углеводы — до гексоз и жиры — до глицерина и жирных кислот. На различных этапах первой фазы освобождаются относительно небольшие количества энергии. Свободная энергия гидролиза глюкозидной связи крахмала составляет величину порядка 4,3 ккал, пептидной связи — 3,0 ккал и эфирной связи сложных эфиров — 2,5 ккал на 1 моль. Это означает, что в первой фазе освобождается около 0,6% запаса свободной энергии полисахаридов и белков и около 0,1% свободной энергии триглицеридов. Реакции этой фазы подготавливают питательные вещества для последующих превращений, поставляющих энергию. Разнообразные молекулы с низким молекулярным весом, образующиеся в первой фазе — три или более вида различных гексоз, глицерин, около 20 аминокислот и ряд видов жирных кислот,— подвергаются неполному сгоранию во второй фазе, конечными продуктами которой, кроме углекислоты и воды, являются: уксусная кислота в форме ацетилкоэнзима А, α-кетоглютаровая и щавелевоуксусная кислоты.

 Первое из этих веществ имеет наибольшее значение: две трети углеродных атомов углеводов и глицерина, все углеродные атомы обычных жирных кислот и приблизительно половина углеродного скелета аминокислот образуют ацетилкоэнзим А. Три конечных продукта второй фазы тесно связаны друг с другом в обмене веществ. Они участвуют в третьей фазе, где происходит освобождение энергии, т. е. в цикле трикарбоновых кислот, представляющем собой общий «конечный» путь окисления всех питательных веществ.

 В. Н. Шапошников (1942, 1944) различает две группы принципиально отличных энергетических превращений веществ:

 1) анаэробные процессы, протекающие без всякого участия кислорода,

 2) аэробные, в которых кислород воздуха обязательно принимает участие. Аэробные могут быть подразделены на две категории в зависимости от того, сопровождается ли окисление десмолитическим расщеплением веществ или не сопровождается.

 Таким образом, могут быть установлены три следующих типа энергетических процессов:

1. Прямое окисление вещества субстрата, т. е. как отнятие водорода от окисляемого вещества, так и присоединение к нему кислорода происходит без значительного изменения общей химической структуры, с сохранением того же числа углеродных атомов.

2. Десмолитическое расщепление веществ без участия кислорода воздуха, но со стабилизацией продуктов брожения за счет сопряженного окисления-восстановления (анаэробное брожение). Этот тип характеризуется прежде всего разрывом углеродной цепи. Однако приведенный в данном примере симметричный разрыв на две равные части является только частным случаем. Во многих случаях десмолиз приводит к отщеплению одного С-атома. В некоторых случаях дело не ограничивается однократным десмолизом, он происходит еще раз, причем может сочетаться с другими реакциями.

Различные пути сбраживания гексоз складываются, в конце концов, из комбинации трех основных реакций:

а) реакция десмолиза, сопровождаемая присоединением ионов воды

 б) реакция сопряженного окисления-восстановления (реакция Канницаро)

в) реакция конденсации двух или нескольких углеродных цепей, которая может протекать по двум направлениям.

3. Окислительный десмолиз, т. е. десмолитическое расщепление, связанное с окислением продуктов десмолиза кислородом воздуха, — дыхание.