☵ Митохондрии - производство на енергия

Главна страница/Vivomordnost/☵ Митохондрии - производство на енергия

Съдържание

След лиричната уводна глава за митохондриите, най-накрая можете да я разгледате по-подробно, пълзейки под кожата й ... всъщност тази кожа заслужава приоритетно внимание. Всякакви клетъчната мембрана не е просто „торба“, в която съдържанието се мотае. Това е отделен орган на клетката, който изпълнява голямо разнообразие от функции, вариращи от изпомпване на необходимите вещества в клетката до създаване на същата потенциална разлика, която позволява на археите, бактериите, митохондриите и хлоропластите да произвеждат АТФ, като по този начин съхраняват получената енергия от разграждането на хранителните молекули.

Митохондриите имат две мембрани: гладка външна мембрана и сгъната вътрешна мембрана. Това сгъване не е възникнало случайно: колкото по-голяма е повърхността на вътрешната мембрана, толкова повече енергопродуциращи комплекси от молекули ще бъдат разположени върху нея, което ще бъде разгледано в тази глава. И колкото повече такива комплекси, толкова повече енергия могат да произведат митохондриите.

Функцията на външната мембрана е сравнително проста: необходимо е надеждно да се изолират митохондриите от цитоплазмата, а бариерата трябва да бъде толкова плътна, че дори един протон да не изтече без одобрение. В същото време е необходимо непрекъснато да се доставят молекули на строителни вещества, произведени извън него, и хранителни молекули в митохондриите. И да се изведе в клетката АТФ, доставян от митохондриите и отпадъчните продукти. За да направите това, в мембраната е вградена протеинова "порта" и за всеки тип молекула са необходими специални устройства, които могат да преминат само тези молекули.

По този начин ролята на външната митохондриална мембрана в производството на енергия се свежда до функцията „прием“ и един параграф е достатъчен, за да я опише. Но дори повърхностното описание на вътрешната мембрана ще отнеме много място, защото именно там се случва всичко най-интересното, а именно два процеса:

един. манипулация на електрони и протони за натрупване на потенциални разлики

2. използване на потенциална разлика за сглобяване на АТФ молекули

Тези два процеса са внимателно проучени от учените и дълбочината на получената информация позволява много повърхностно (и следователно разбираемо) описание на това, как митохондриите съхраняват енергия от разграждането на хранителни вещества, за да създадат молекули на АТФ:

0. "храна", която е навлязла в митохондриите (т.е. множество молекули, от глюкоза до определени мастни киселини) е в матрица: вътрешното пространство на вътрешната мембрана на митохондриите. Там той се окислява частично от поредица химични реакции, включващи различни ензими, които предават молекулата, променена до неузнаваемост по веригата цикъл на трикарбоксилна киселина, или Цикъл на Кребс. Този цикъл е ключова стъпка в дишането на всички клетки, използващи кислород. При еукариотите реакциите му протичат в митохондриите, а при прокариотите и археите - директно в цитоплазмата. В допълнение към участието в натрупването на енергия, което сега разглеждаме, цикълът на Кребс доставя молекули-прекурсори, от които в хода на други биохимични трансформации се получават такива важни съединения за жизнената дейност на клетката като аминокиселини, въглехидрати, се синтезират мастни киселини и др. Не е изненадващо, че този цикъл е толкова сложен, че на пръв поглед неговата схема изглежда като неузнаваема бъркотия от химични процеси. На втория и десетия обаче също . за да не бъда неоснователен, подбутах схемата му под този параграф.

По време на окисляването въглеродните и кислородните атоми се отделят от "храната", като се освобождават навън под формата на въглероден диоксид, т.е. той просто се издишва. И в "сухия остатък" на цикъла на Кребс от молекула, като глюкоза, се образуват две молекули пируват и две молекули АТФ. Изглежда, че е получен ATP - какво повече можете да искате. Но всъщност това е само началото, "точка нула" в процеса на генериране на енергия.

0+ . На следващия етап (ще го нарека 0+, защото все още е далеч от производството на енергия), молекулите на пируват и мастни киселини се обработват (пируват по един начин, мастни киселини по друг), резултатът е същата молекула: ацетил-КоА, в резултат на окислението на което се образува молекула NADH (сега няма нужда да се задълбочаваме в това какви са тези молекули, повърхностното разбиране за производството на енергия не изисква това) и тук приключва подготовката за манипулиране на протони и електрони и започва първият му етап:

един. NADH лесно дарява електрони на веригата от ензими, разположени на кристач (гънки на вътрешната мембрана) митохондрии. Тази електронна транспортна верига се нарича още "дихателна верига»Поради факта, че използва кислород като окислител. Той премахва електроните от NADH и ги прехвърля в кислород на няколко етапа.

Дихателната верига е съставена от протеинови комплекси (на снимката те са обозначени като I, III и IV). Първите два съдържат метални атоми, тоест те са киборги от типа хемоглобин.

Първо, молекулата NADH се прикрепя към комплекс I, който привлича електроните на водородните атоми, които съдържа, малко по-силни от тази молекула. Този комплекс отнема два електрона от молекулата NADH (след което молекулата изплува), но следващият комплекс, от своя страна, привлича електрони малко по-силно, така че първият се радва за кратко владение и ги дава на друг, определен номер III. И в активния център на последния протеинов комплекс IV има кислород, който привлича електрони много по-силни от двата предишни, така че те стигат до него. Там от кислорода и протоните, които привличат електрони, в крайна сметка се образува вода.

Всички тези реакции, разбира се, не се случват с цел създаване на вода, тя се образува тук като страничен продукт. С всеки трансфер на електрони от един протеинов комплекс в друг протоните се движат, които чрез специален транспортен канал незабавно напускат матрикса през вътрешната мембрана на митохондриите и остават в междумембранното пространство. Първо, в комплекс I от молекулата NADH се откъсват не само два електрона, които ще се прехвърлят по дихателната верига: „голите“ водородни ядра, тоест протоните, които остават без електрони, също се откъсват от NADH и се използва за активиране убихинон (молекула, която прехвърля електрони от комплекс I в комплекс III). Предполага се, че активирането на убихинон влияе върху пространствената форма на комплекс I по такъв начин, че той става способен да изтегля протоните в матрицата и да ги изпомпва през себе си.

Всеки трансфер на електрони от един комплекс на дихателната верига в друг дава енергия, която се изразходва за трансфер на протони в междумембранното пространство. Смята се, че по време на транспортирането на двойка електрони през мембраната, през дихателната верига се изпомпват от три до шест протона. На друго място вътрешната мембрана е непроницаема за протони, а външната мембрана е мощна „ограда“, която не ги пропуска.

Поради факта, че електроните остават в матрицата, а протоните са разположени между мембраните, електрохимичният градиент се натрупва върху вътрешната мембрана. Дори в случай на незаредени частици, такова неравномерно разпределение на тях в пространството води до желанието им да поправят несправедливостта и да се разпределят равномерно. Електрическият заряд, с който разполагат протоните, значително увеличава тази тенденция, т.е. протонният разтвор „притиска“ и двете митохондриални мембрани, опитвайки се да пробие в матрицата или да избяга от митохондриите в цитоплазмата. И протоните все още преминават вътре, но не навсякъде, но където този стремеж може да бъде използван (в диаграмата под този параграф това място е обозначено с число V):

2. Използването на протонен градиент се случва върху комплекс от молекули, вградени във вътрешната мембрана, което се нарича АТФ синтаза. Тук се създават молекулите на АТФ (повече подробности за съхранението на енергия под формата на АТФ в глава 47).

АТФ синтазите са като гъби, които излизат от вътрешната мембрана с капачки в матрицата. Ако го разгледаме подробно, както е на диаграмата вдясно, тогава неговите части стават забележими:

Fo - потопен в мембраната "основа на крака"

F1 - "шапка"

Между тях има "крак", обозначен на снимката като Ос (а защо се нарича "вал", ще разберете по-късно). Това не се вижда на снимката, но преминава както вътре в основата на крака, така и вътре в капачката. Обикновено я наричат γ-субединица.

И отстрани има някаква клонка горски отломки (статор), придържайки се както към капачката, така и към основата на крака.

Оказва се, че енергията, съхранявана под формата на концентрация на протони в междумембранното пространство, се изразходва за въртенето на стъблото на АТФ синтазата. Какво дава това въртене?

Шапката F1 се състои от шест "лопатки": редуващи се помежду си α- и β-субединици (3 от всеки тип). Няма значение как са подредени, най-важното е, че те са в състояние да прикачат към себе си две молекули: ADP (който се различава от ATP само по липсата на трета фосфатна група) и много липсващата фосфатна група.

Просто като поставите тези молекули една до друга, е невъзможно да се събере АТФ: необходимо е да ги притискате, изразходвайки енергия за това. И точно по време на въртенето на γ-субединицата („краката“), тази енергия се прилага. Тъй като γ-субединицата се върти на три места от F1 единицата, ADP и фосфатна група първо се прикрепват, след това се комбинират в молекула ATP, след което завършената молекула се „изхвърля“ от ATPase:

На снимката вдясно въртящата се γ-субединица е обозначена в черно, ADP и фосфатната група в розово, ATP в червено.

Всичко това е много по-скоро като описание на определен двигател, механично устройство на протонната тяга, отколкото неразделна част от живите същества, от бактерии и археи до хора. Но това са "двигателите", които осеяват вътрешните мембрани на всеки от вашите митохондрии.

Събраните тук АТФ молекули се използват за всяко ваше движение, физическо или умствено. Без симбионти-митохондрии възможностите на клетката са силно ограничени: няма да има увеличаване на размера, както при еукариотните гиганти-едноклетъчни, няма многоклетъчност, няма поява на съзнание във формата, в която го наблюдаваме в себе си. Без митохондрии, крайното ниво на сложност на организма остава на нивото на бактерии и археи. През милиони години еволюция те непрекъснато се променят, приспособявайки се към нови условия, но нещо повече не възниква на тяхна основа. Сравнете това с многообразието от еукариоти, станало възможно чрез това: