Митохондрии как органоид энергетического обмена
Митохондрии — двумембранные органоиды, способные изменять количество и форму в зависимости от энергетических потребностей клетки. В клетках скелетной мускулатуры митохондрии удлинённые, с большим числом крист; в малоактивных клетках — мелкие, округлые, с умеренным количеством крист. При снижении физической активности количество митохондрий уменьшается, при возобновлении нагрузок — растёт.
Строение митохондрии включает:
- Наружную мембрану — гладкую, по строению сходную с плазматической;
- Внутреннюю мембрану — складчатую, формирующую кристы; построена по типу липопротеинового коврика с плотным переплетением белков и липидов, что обеспечивает её низкую проницаемость;
- Контактные сайты — места соприкосновения мембран с большим количеством белков-ферментов, в том числе грибовидных тел — АТФ-синтаз;
- Межмембранное пространство, содержащее, в частности, цитохром С, участвующий в апоптозе;
- Матрикс с собственной кольцевой ДНК, рибосомами, ферментами и ионами.
Симбиотическая теория происхождения
Согласно симбиотической теории, митохондрии произошли из аэробной бактерии, поглощённой более крупной анаэробной фагоцитирующей клеткой. Дополнительная мембрана образовалась за счёт фагоцитоза. В пользу теории свидетельствуют: собственная кольцевая ДНК, похожая на бактериальную; собственные рибосомы; способность к самостоятельному делению — почкованием или образованием перетяжек, без участия ядерного контроля.
Макроэргические молекулы
Энергия запасается в макроэргических связях. Главная молекула — АТФ (аденозинтрифосфат): азотистое основание аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты. Макроэргические связи находятся между фосфатами. При дефосфорилировании отщепляется один фосфат и высвобождается энергия: АТФ → АДФ → АМФ. У АМФ макроэргических связей уже нет.
Также используется кофермент А (HS-КоА): при присоединении радикала образуется ацил-КоА, а при присоединении группы CH₃ — ацетил-КоА, ключевой субстрат цикла Кребса.
Подготовительный и бескислородный этапы
Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе и завершается в тонкой кишке. Липазы, протеазы, нуклеазы и гликозидазы расщепляют биополимеры до мономеров: аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов. Вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла, АТФ не запасается.
Бескислородный этап (гликолиз) протекает в гиалоплазме. Из одной молекулы глюкозы (6 атомов углерода) через 10 ферментативных реакций образуются 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, по 3 углерода). Суммарный итог гликолиза: 2 АТФ + 2 НАДН + 2 ПВК.
В первую очередь для энергетического обмена используются углеводы; жиры и тем более белки — в последнюю очередь, поскольку имеют пластическое значение. При недостатке кислорода ПВК обратимо превращается в лактат (молочную кислоту), что объясняет мышечную боль при интенсивной нагрузке. Избыточное накопление лактата приводит к патологическому состоянию — лактоацидозу.
Аэробный этап: промежуточная стадия и цикл Кребса
Аэробный этап включает три стадии: промежуточную, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.
На промежуточной стадии ПВК транспортируется в матрикс митохондрии, при этом отщепляется CO₂, восстанавливается НАД⁺ до НАДН, и образуется ацетил-КоА. С одной глюкозы — 2 ацетил-КоА и 2 НАДН.
Цикл Кребса протекает в матриксе. Ацетил-КоА передаёт двухуглеродный остаток на оксалоацетат (4C), образуя цитрат (6C). Через серию реакций декарбоксилирования и окисления цикл возвращается к оксалоацетату. За один оборот образуется:
- 3 молекулы НАДН;
- 1 молекула ФАДН₂;
- 1 молекула ГТФ (энергетически эквивалентна АТФ);
- 2 молекулы CO₂.
На одну глюкозу приходится 2 оборота цикла.
Окислительное фосфорилирование и баланс АТФ
Электронно-транспортная цепь расположена во внутренней мембране митохондрии и состоит из белковых комплексов. НАДН отдаёт водород I комплексу (НАДН-дегидрогеназному), ФАДН₂ — II комплексу. Электроны переносятся по мембране через кофермент Q и цитохром С к комплексам III и IV; их энергия используется для откачки протонов в межмембранное пространство. На IV комплексе электроны связываются с кислородом с образованием воды.
Возникший протонный градиент приводит в движение АТФ-синтазу: протоны возвращаются в матрикс по каналу фермента, что обеспечивает синтез АТФ из АДФ и фосфата.
Энергетический выход:
- 1 НАДН → 3 АТФ;
- 1 ФАДН₂ → 2 АТФ;
- 1 ГТФ → 1 АТФ.
Итог по этапам с одной молекулы глюкозы:
- Подготовительный этап — 0 АТФ;
- Гликолиз — 2 АТФ + 2 НАДН (6 АТФ) = 8 АТФ;
- Промежуточная стадия — 2 НАДН = 6 АТФ;
- Цикл Кребса (×2): 6 НАДН (18) + 2 ФАДН₂ (4) + 2 ГТФ (2) = 24 АТФ.
Суммарный выход — 38 молекул АТФ с одной молекулы глюкозы. При окислении жирных кислот энергетический выход выше, однако организм предпочитает использовать углеводы, сохраняя жиры и белки для пластических и регуляторных функций.
Ключевые моменты
- Митохондрии — двумембранные органоиды с собственной ДНК и рибосомами, что подтверждает симбиотическую теорию происхождения.
- Энергия запасается в макроэргических связях АТФ; ключевой промежуточный субстрат — ацетил-КоА.
- Энергетический обмен включает три этапа: подготовительный (тепло), бескислородный (гликолиз) и аэробный.
- Гликолиз протекает в гиалоплазме и даёт 2 АТФ, 2 НАДН и 2 пировиноградные кислоты.
- Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрии: за 2 оборота — 6 НАДН, 2 ФАДН₂, 2 ГТФ.
- Электронно-транспортная цепь создаёт протонный градиент, используемый АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
- 1 НАДН = 3 АТФ, 1 ФАДН₂ = 2 АТФ; полный выход — 38 АТФ с одной молекулы глюкозы.
- В отсутствие кислорода ПВК превращается в лактат; патологическое накопление лактата вызывает лактоацидоз.