39 Биоэнергетические функции митохондрий

Митохондрии - это везикулярные структуры, образуемые наружной и внутренней мембранами .Внутренняя мембрана образует складки, или кристы, окружающие матрикс. На складках внутренней мембраны видны грибовидные выросты - это H⁺-АТФаза, или АТФ-синтаза, о которой будет сказано позже. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для большинства ионов, включая ионы водорода, натрия, калия, хлора. Но она, как и другие биологические мембраны проницаема для воды; поэтому объем митохондрий зависит от концентрации ионов внутри и снаружи. В норме концентрации частиц по обе стороны митохондриальной мембраны равны, при патологии концентрация внутри обычно повышается и митохондрии "набухают", к чему мы ещё вернемся.

Окислительное фосфорилирование

Митохондрии осуществляют важнейшую для клеточной биоэнергетики реакцию фосфорилирования АДФ с образованием АТФ за счет энергии окисления органических соединений, служащих субстратами окисления, молекулярным кислородом. Конечная стадия этого процесса - перенос электронов от восстановленных пиридиннуклеотидов и сукцината на молекулярный кислород осуществляется по системе переносчиков электрона, которая в совокупности называется дыхательной цепью) При переносе электронов по дыхательной цепи происходит высвобождение энергии, величина которой (в электрон-вольтах) равна разности стандартных восстановительных потенциалов двух реагирующих ред-окс пар. Эти стандартные потенциалы приведены на . Энергия одного моля иона в данной среде называется, как известно, электрохимическим потенциалом. Разность электрохимических потенциалов протона между двумя водными фазами внутри и вне митохондрий описывается уравнением:

(1)

где R - газовая постоянная, T - абсолютная температура, [H⁺]_o и [H⁺]_i - концентрации ионов водорода вне и внутри матрикса, соответственно, F - число Фарадея, Dj - разность потенциалов между окружающей средой и матриксом. Петер Митчелл в качестве единицы энергии использовал электрон-вольты, в результате чего уравнение (1) несколько трансформируется:

			(1)
Суммарная энергия окислительно-восстановительной реакции, превращенная в разность электрохимических потенциалов ионов водорода, была названа П. Митчеллом протон-движущей силой (PMF - proton motive force), по аналогии с электродвижущей силой в гальванической батарее. Заменив натуральный логарифм десятичным, легко найти величину протон-движущей силы, зная разность pH (DpH) и разность потенциалов (Dj) между средой и матриксом при комнатной температуре; выраженная в милливольтах она будет равна: PMF (мВ) = 60 (мВ) · DpH + Dj	(2)

В митохондриях основной вклад в эту сумму вносит мембранный потенциал, который в присутствии субстрата и кислорода составляет около 170-180 мВ. Созданная работой дыхательной цепи разность потенциалов Dm_H⁺ может быть использована для синтеза АТФ или переноса ионов в митохондрии. Синтез АТФ осуществляется благодаря работе АТФ-синтазы, которая представляет собой протонную АТФазу (H⁺-АТФазу), работающую как бы "задним ходом"

Перенос ионов через мембрану митохондрий

Альтернативный путь использования накопленной в форме Dm_H⁺ энергии - транспорт ионов внутрь митохондрий.  Поскольку внутри митохондрий при энергизации появляется отрицательный потенциал, катионы засасываются электрическим полем в матрикс, если мембрана для них проницаема. Во внутренней мембране имеется переносчик ионов кальция. Движение кальция снимает мембранный потенциал (Dj в уравнении 2), что приводит к довольно резкому возрастанию DpH, т.е. защелачиванию матрикса .С другой стороны, между матриксом и окружающей средой в энергизованной митохондрии имеется разность pH (более щелочная среда внутри). Это приводит к диффузии внутрь митохондрий ортофосфата, для которого в мембране имеется переносчик, работающий по механизму антипорта: ион HPO₃^- обменивается на гидроксил OH^- .В водном растворе это эквивалентно симпорту (совместному переносу) H⁺ и HPO₃^-. При таком переносе не происходит переноса заряда через мембрану, и поэтому перенос не зависит от мембранного потенциала. Однако разность концентрации H⁺ способствует переносу фосфата в матрикс по закону диффузии для ионов гидроксила, которых в матриксе больше, чем снаружи. Таким образом, ионы кальция накапливаются в матриксе электрофоретически, при этом мембранный потенциал снимается, а разность pH на мембране возрастает. Фосфат переносится в матрикс в конечном счете в электронейтральной форме, при этом снижается разность pH, а мембранный потенциал растет. Если в среде присутствуют одновременно и ионы кальция и ортофосфат, происходит накопление обоих в матриксе, при этом снимается как мембранный потенциал, так и DpH. Ничто более не препятствует свободному прохождению ионов водорода через мембрану в точках сопряжения, и дыхательная цепь работает на полную мощность. Из теории Митчелла следует, что прекращение синтеза АТФ митохондриями (или подавление транспорта кальция и фосфата в матрикс) может произойти не только в результате повреждения дыхательной цепи (и снижения скорости дыхания, т.е. окисления субстратов кислородом), но и в случае нарушения барьерных свойств внутренней мембраны. В последнем случае происходит утечка ионов через поврежденную мембрану и падение разности потенциалов на мембране, необходимой для работы АТФ-синтазы, транспорта фосфата и ионов кальция.

Cтруктура митохондрий

Митохондрии - это органеллы размером с бактерию (около 1 х 2 мкм). Они найдены в большом количестве почти во всех эукариотических клетках. Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрия ограничена двумя мембранами - гладкой внешней и складчатой внутренней, имеющей очень большую поверхность. Складки внутренней мембраны глубоко входят в матрикс митохондрий, образуя поперечный перегородки - кристы. Пространство между внешней и внутренней мембранами обычно называютмежмембранным пространством.

Различный типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Особенно много крист имеют митохондрии в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной мышце. Вариации митохондрий по форме, что зависит от их функционального состояния, могут наблюдаться и в тканях одного типа. Митохондрии — изменчивые и пластичные органеллы.

Мембраны митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемыми для веществ с молекулярной массой до 10 кДа .Внутренняя же мембрана митохондрий непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О₂, СО₂, Н₂0. Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется необычно высоким содержанием белков (75%). В их число входят транспортные белки-переносчики ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Кроме того, в ней содержится необычный фосфолипид кардиолипин .Матрикс также обогащен белками, особенно ферментами цитратного цикла.