FUNKCJE MITOCHONDRIÓW
Główną rolą mitochondriów jest dostarczanie komórkom energii w postaci ATP w procesie oddychania tlenowego. Na oddychanie komórkowe składają się 3 fazy: 1) glikoliza, 2) cykl kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa) i 3) łańcuch oddechowy. Pierwsza faza oddychania odbywa się na terenie cytoplazmy podstawowej natomiast dwie pozostałe w mitochondriach. Mitochondria mogą używać jako paliwa zarówno pirogronianu jak i kwasów tłuszczowych. Pirogronian jest dostarczany z glukozy i innych cukrów, a kwasy tłuszczowe pochodzą z tłuszczów. Obie cząsteczki paliwowe są transportowane przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, a następnie przekształcane przez enzymy umiejscowione w matriks mitochondrialnej do kluczowego intermediatu, jakim jest acetylo-CoA
W cyklu kwasów trójkarboksylowych, który zlokalizowany jest w matriks oraz na powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej, zachodzi całkowite utlenienie acetylo-CoA, jednak nie bezpośrednio, tylko w wielu etapach cyklu. Najpierw 2-węglowy fragment ulega kondensacji z 4-węglowym szczawiooctanem do 6-węglowego cytrynianu, cytrynian ulega kolejno dalszym przemianom w wyniku, których zachodzi dwukrotna dekarboksylacja i czterokrotna dehydrogenacja (odwodorowanie). Ostatecznie, odtworzony szczwiooctan łączy się z nową cząsteczką acetylo-CoA. W cyklu wytwarza się CO2, uwalniany z komórki jako produkt uboczny, oraz powstają elektrony o wysokiej energii przenoszone przez zaktywowane cząsteczki nośnikowe, NAD+ i FAD+ . Te wysokoenergetyczne elektrony są z kolei przenoszone do wewnętrznej błony mitochondrialnej, gdzie wchodzą na łańcuch transportu elektronów; oddanie elektronów powoduje regenerację NAD+ i FAD+, cząsteczek niezbędnych do utrzymania ciągłości metabolizmu tlenowego. Następnie rozpoczyna się transport elektronów wzdłuż łańcucha.
Łańcuch transportu elektronów, który przeprowadza fosforylację oksydacyjną, występuje w błonie mitochondrialnej w wielu kopiach. Nazywany również łańcuchem oddechowym, składa się prawie z 40 białek, z których ok. 15 bierze bezpośredni udział w transporcie elektronów. Białka tworzące łańcuch oddechowy są pogrupowane w trzy duże enzymatyczne kompleksy oddechowe, z których każdy zawiera wiele różnych białek. W skład poszczególnych kompleksów wchodzą białka transbłonowe, które mocno osadzają kompleks w wewnętrznej błoni mitochondrialnej. Trzy enzymatyczne kompleksy oddechowe to 1) kompleks dehydrogenazy NADH. 2) kompleks cytochromów b-c1 i 3) kompleks oksydazy cytochromowej. Każdy zawiera jony metali i grupy chemiczne, które formują drogę dla elektronów przechodzących przez dany kompleks. Te trzy kompleksy oddechowe są miejscami pompowania protonów; każdy z nich można sobie wyobrazić jako białkową maszynę pompującą protony w poprzek błony w czasie, gdy przez kompleks przechodzą elektrony.
Transport elektronów rozpoczyna się, gdy usunięty z NADH jon wodorkowy zostanie przekształcony w proton i dwa elektrony o wysokiej energii H: -→ H+ + 2e-. Reakcja ta katalizowana jest przez dehydrogenazę NADH, pierwszy z enzymatycznych kompleksów oddechowych przyjmujących elektrony. Białka łańcucha oddechowego prowadzą elektrony tak, że przechodzą one kolejno od jednego kompleksu do następnego. W każdym z trzech kompleksów oddechowych elektrony poruszają się między atomami metali ściśle związanymi z białkami, przeskakując z jednego jonu metalu na następny. Natomiast między różnymi kompleksami są przenoszone przez cząsteczki, które dyfundują w dwuwarstwie lipidowej. Od dehydrogenazy NADH elektrony odbiera ubichinon, mała hydrofobowa cząsteczka rozpuszczalna w dwuwarstwie lipidowej, która jako jedyny przenośnik elektronów nie jest częścią białka. Ubichinon przenosi elektrony na kompleks cytochromów b-c1. Stąd elektrony są odbierane przez kolejny ruchomy przenośnik - cząsteczkę cytochromu c - który przekazuje elektrony do kompleksu oksydazy cytochromowej, kończącej łańcuch oddechowy. Oksydaza cytochromowa przekazuje elektrony na tlen cząsteczkowy w reakcji 4e- + 4H+ +O2 → 2H2O.
Każde przeniesienie elektronu jest reakcją utleniania/redukcji. Elektrony będą spontanicznie przechodzić od cząsteczek, które mają małe powinowactwo do dostępnych dla nich elektronów do cząsteczek z dużym powinowactwem, tracąc część swojej energii swobodnej. W łańcuchu oddechowym przenośniki są ułożone według wzrastającego potencjału redoks ( coraz większe powinowactwo do przyjmowania elektronów), co umożliwia stopniowe uwalnianie energii zmagazynowanej w elektronach NADH i FADH2. Komórka może wykorzystać większość energii przenoszonych elektronów dzięki posiadaniu białek, które potrafią pompować protony z na koszt transportowanych przez siebie elektronów. Energia uwalniana podczas transportu elektronów przez poszczególne kompleksy oddechowe służy do przemieszczania H+ w poprzek błony do przestrzeni międzybłonowej. W rezultacie korzystny energetycznie przepływ elektronów wypompowuje protony z matriks do przestrzeni międzybłonowej tworząc elektrochemiczny gradient protonowy w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Aktywne pompowanie protonów wytwarza gradient stężenia protonów (gradient pH, stężenie protonów w matriks jest ok. 10 razy mniejsze niż w przestrzeni międzybłonowej) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej oraz tworzy potencjał błonowy ( różnicę w rozmieszczeniu ładunków elektrycznych po dwóch stronach błony). Gradient pH i potencjał błonowy w wewnętrznej błonie mitochondrialnej mają ten sam kierunek i razem tworzą silny elektrochemiczny gradient protonowy, który stwarza bardzo korzystne warunki dla wejścia H+ z powrotem do matriks mitochondrialnej. Jednak wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla jonów i protony mogą przez nią przechodzić tylko w określonych miejscach, gdzie znajdują się dla nich kanały. Gradient jonowy wytworzony w poprzek błony jest formą magazynowania energii; energia ta może być wykorzystana do pracy użytecznej gdy jony mają możliwość przepływania przez błonę, zgodnie z ich gradientem elektrochemicznym.
Elektrochemiczny gradient protonowy wytworzony w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej jest używany w procesie fosforylacji oksydacyjnej do napędzania syntezy ATP. Działanie tego mechanizmu jest możliwe dzięki dużemu, związanemu z błoną enzymowi zwanemu syntazą ATP. Jest to duże białko składające się z kilku podjednostek. Wystająca z wewnętrznej błony w kierunku matriks duża część enzymu kształtem przypominająca główkę lizaka ( CF1), jest przymocowana do transbłonowego kanału dla protonów (CF0)za pomocą zbudowanego z wielu podjednostek „trzonka”. Enzym tworzy hydrofilową drogę w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, co pozwala na przepływ protonów zgodnie z ich gradientem stężeń. Energia strumienia przepływających protonów zostaje użyta przez katalityczną część syntazy do syntezy ATP z ADP i Pi . Syntaza ATP spełnia rolę turbiny, która umożliwia gradientowi protonowemu napędzanie produkcji ATP. Elektrochemiczny gradient protonowy jest wykorzystywany nie tylko do syntezy ATP, napędza również aktywny transport metabolitów pomiędzy matriks mitochondrialną a cytoplazmą
Zaproponowaną po raz pierwszy w latach 60. hipotezę zakładającą związek między transportem elektronów, pompowaniem protonów i syntezą ATP nazwano sprzężeniem chemiosmotycznym, ze względu na współdziałanie reakcji tworzących wiązania chemiczne podczas syntezy ATP ( „chemi”) z procesami transportu przez błony („osmotyczna” od greckiego osmos, tzn. „pchać”). Mechanizmy sprzężenia chemiosmotycznego są powszechne, a ich rodowód jest bardzo stary. Wykorzystują go zarówno bakterie jak i rośliny oraz zwierzęta.
Związki wysokoenergetyczne
Podstawowym związkiem wysokoenergetycznym w komórce jest ATP. ATP tworzy się głównie podczas fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, oraz w czasie fosforylacji substratowej (jak w glikolizie) i fosforylacji fotosyntetycznej w chloroplastach. Tworzenie ATP mitochondrialnego sprzężone jest z przemieszczaniem elektronów z cyklu Krebsa, mających wysoką energię, na kolejne akceptory elektronów. ATP powstały w łańcuchu oddechowym jest głównym źródłem dostępnej energii u wszystkich heterotrofów. W procesie glikolizy jedna cząsteczka glukozy dostarcza 2 cząsteczki ATP netto zaś podczas utlenienia jednej cząsteczki glukozy poczynając od glikolizy i kończąc na fosforylacji oksydacyjnej zysk netto wynosi ok. 30 cząsteczek ATP. Energia ta niezbędna jest do licznych procesów syntezy różnych substancji komórkowych, ruchu cytoplazmy, transportu, utrzymania organizacji złożonej struktury, regulacji hormonalnej. U zwierząt nakładu energii wymaga dodatkowo przewodnictwo w układzie nerwowym, praca mięśni, zjawiska bioluminescencji i inne. Dlaczego przemiany w komórce przebiegają tak złożonymi drogami? Utlenianie cukrów do CO2 i wody z pewnością mogłoby przebiegać prościej z wykluczeniem cyklu kwasu cytrynowego i wielu etapów łańcucha oddechowego. Byłoby to jednak katastrofalne w skutkach dla komórki. Ogromna ilość energii swobodnej uzyskiwana podczas oddychania może być skutecznie wykorzystana tylko w małych porcjach. W skład szlaków utleniania biologicznego wchodzi wiele intermediatów, z których każdy niewiele różni się od poprzednika. Wskutek tego uwolniona energia zostaje rozłożona na porcje, które za pomocą reakcji sprzężonych mogą być skutecznie zamienione w wysokoenergetyczne wiązania takich cząsteczek, jak ATP i NADPH.
INNE FUNKCJE
1.Tworzenie acetylo-CoA i utrzymanie jego poziomu w komórce. W wyniku utleniania pirogronianu i b-oksydacji kwasów tłuszczowych powstają znaczne ilości acetylo-CoA. Związek ten jest kluczowy dla wielu procesów metabolicznych np. w cyklu krebsa w mitochondriach.
2. Synteza, rozkład i przemiany aminokwasów takie jak transaminacja, deaminacja, dekarboksylacja a także wymiana ich z cytoplazmą.
3. Współudział z glioksysomami w glukoneogenezie - w przemianie tłuszczów w cukrowce podczas kiełkowania nasion, w których materiałami zapasowymi są tłuszcze.
STRUKTURA WEWNĘTRZNA A AKTYWNOŚĆ ODDECHOWA
Na podstawie struktury wewnętrznej mitochondrium i jego aktywności oddechowej wyróżniono 6 stanów energetycznych, w tym wyróżnia się 2 skrajne stany (formy) metaboliczne: skondensowaną, charakteryzującą się znacznym zagęszczeniem matriks poprzez jej skurczenie, wywołane wolną energią pochodzącą bezpośrednio z łańcucha transportu elektronów. Przestrzenie wewnątrzgrzebieniowe (międzybłonowe) takich mitochondriów są poszerzone, przestrzeń wewnętrzna (matriks) jest obkurczona. Takie mitochondria zawierają mało ATP (ATP jest zużywany - defosforylowany do ADP) i występują w komórkach o wysokim poziomie oddychania. Przeciwstawną formą jest forma ortodoksyjna charakteryzująca się zwężoną przestrzenią wewnątrzgrzebieniową (międzybłonową) i dużą ilością jasnej (na zdjęciach z mikroskopu elektronowego) matriks. W stanie tym dochodzi do silnej energizacji błon przez silny przepływ elektronów, ADP jest fosforylowany do ATP. Mitochondria takie będą występowały w komórkach o zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię i małym zużyciu tlenu.