4.5: Клітинне дихання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5444

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Клітинне дихання - це процес окислення молекул їжі, таких як глюкоза, до вуглекислого газу і води.

\[C_6H_{12}O_{6} + 6O_2 + 6H_2O → 12H_2O + 6 CO_2 \]

Вивільнена енергія потрапляє в пастку у вигляді АТФ для використання всіма енерговитратними видами діяльності клітини. Процес відбувається в дві фази:

гліколіз, розпад глюкози до піровиноградної кислоти
повне окислення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу і води

У еукаріотів гліколіз виникає в цитозолі, а інші процеси відбуваються в мітохондріях.

Мітохондрії

Мітохондрії - це мембрано-закриті органели, розподілені через цитозол більшості еукаріотичних клітин. Їх кількість всередині клітини коливається від декількох сотень до, у дуже активних клітинок, тисяч. Їх основна функція - перетворення потенційної енергії молекул їжі в АТФ.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (зліва) Мітохондрії (праворуч) Мітохондріон з клітини підшлункової залози кажана люб'язно Кейт Р. Портер

Мітохондрії мають:

зовнішня мембрана, яка охоплює всю конструкцію
внутрішня мембрана, яка охоплює заповнену рідиною матрицю
між ними знаходиться міжмембранний простір
внутрішня мембрана ретельно складена з поличними кристами, що виступають в матрицю.
невелика кількість (близько 5-10) кругових молекул ДНК

Ця електронна мікрофотографія на малюнку\(\PageIndex{1}\), показує єдиний мітохондріон з клітини підшлункової залози кажана. Зверніть увагу на подвійну мембрану та спосіб складання внутрішньої мембрани в кристу. Темні, обмежені мембранами об'єкти над мітохондріоном - це лізосоми. Кількість мітохондрій у клітині може збільшуватися або шляхом їх поділу (наприклад, після мітозу), або зменшуватися шляхом їх злиття разом. Дефекти будь-якого процесу можуть спричинити серйозні, навіть смертельні, хвороби.

Зовнішня мембрана

Зовнішня мембрана містить безліч комплексів інтегральних мембранних білків, які утворюють канали, по яких різноманітні молекули і іони переміщаються всередину і з мітохондріона.

Внутрішня мембрана

Внутрішня мембрана містить 5 комплексів інтегральних мембранних білків:

NADH дегідрогеназа (Комплекс I)
сукцинатдегідрогеназа (Комплекс II)
цитохром c редуктаза (Комплекс III; також відомий як комплекс цитохрому b-c ₁)
цитохром с оксидаза (комплекс IV)
АТФ-синтаза (Комплекс V)

Матриця

Матриця містить складну суміш розчинних ферментів, які каталізують дихання піровиноградної кислоти та інших дрібних органічних молекул. Ось піровиноградна кислота

окислюється NAD ⁺, виробляючи NADH+ H ⁺
декарбоксилірованних виробляють молекулу
- вуглекислий газ (СО ₂) і
- 2-вуглецевий фрагмент ацетату, пов'язаний з коензимом А, утворюючи ацетил-КоА

Цикл лимонної кислоти

Цей 2-вуглецевий фрагмент передається молекулі оксалооцтової кислоти. Отримана молекула лимонної кислоти (що і дає свою назву процесу) проходить ряд ферментативних етапів, показаних на схемі. Заключний етап регенерує молекулу оксалооцтової кислоти і цикл готовий повернутися знову.

Короткий зміст циклу виглядає наступним чином:

Кожен з 3 атомів вуглецю, присутніх в піруваті, що надійшов в мітохондріон, залишає як молекулу вуглекислого газу (CO ₂).
На 4 ступені пара електронів (2е ^-) видаляється і передається в NAD ⁺, знижуючи її до НАДН + Н ⁺.
На одному етапі пара електронів видаляється з бурштинової кислоти і знижує протезну групу флавіну аденіндинуклеотиду (FAD) до FADH ₂.
Електрони NADH і FADH ₂ переносяться в ланцюг транспорту електронів.

Ланцюг транспорту електронів

Ланцюг транспорту електронів складається з 3-х комплексів інтегральних мембранних білків

комплекс NADH дегідрогенази (I)
комплекс цитохрому с редуктази (III)
комплекс цитохрому с оксидази (IV)

і дві вільно дифузні молекули убихінону, цитохрому с, які переносять електрони від одного комплексу до іншого.

Ланцюг транспорту електронів здійснює:

Ступінчастий перенесення електронів від NADH (і FADH ₂) до молекул кисню з утворенням (за допомогою протонів) молекул води (H ₂ O). Цитохром c може переносити тільки один електрон за раз, тому цитохром с оксидаза повинен почекати, поки накопичиться 4 з них, перш ніж він зможе вступити в реакцію з киснем.
Спрямування енергії, що виділяється при цьому передачі для перекачування протонів (H ⁺) з матриці в міжмембранний простір.
Приблизно 20 протонів закачуються в міжмембранний простір, оскільки 4 електрони, необхідні для зменшення кисню до води, проходять через дихальний ланцюг.
Градієнт протонів, утворених через внутрішню мембрану цим процесом активного транспорту, утворює мініатюрну батарею.
Протони можуть текти назад вниз по цьому градієнту тільки шляхом повторного входу в матрицю через АТФ-синтазу, інший комплекс (комплекс V) 16 інтегральних мембранних білків у внутрішній мембрані. Процес називається хеміосмосом.

Хіміосмос в мітохондріях

альт

Рис.4.5.5 Хіміосмос в мітохондріях

Енергія, що виділяється при переході електронів вниз по градієнту від НАДГ до кисню, запряжена трьома ферментними комплексами дихального ланцюга (I, III і IV) для перекачування протонів (H ⁺) проти їх градієнта концентрації з матриці мітохондріона в міжмембранний простір.

Зі збільшенням їх концентрації (що те саме, що говорити про те, що рН знижується), встановлюється сильний градієнт дифузії. Єдиний вихід для цих протонів - через комплекс АТФ-синтази. Як і в хлоропластах, енергія, що виділяється, коли ці протони стікають по своєму градієнту, використовується для синтезу АТФ. Процес називається хеміосмосом і є прикладом полегшеної дифузії. Половина Нобелівської премії 1997 року з хімії була присуджена Полу Бойєру та Джону Уокеру за відкриття того, як працює синтаза АТФ.

Скільки АТФ?

Заманливо спробувати розглядати синтез АТФ як просту справу стехіометрії (фіксовані співвідношення реагентів до продуктів в хімічній реакції). Але (за 3 винятками) це не так. Велика частина АТФ генерується протонним градієнтом, який розвивається через внутрішню мембрану мітохондрій. Кількість протонів, що викачуються, коли електрони падають з НАДГ через дихальний ланцюг до кисню, теоретично досить велика для генерації, оскільки вони повертаються через АТФ-синтазу, 3 АТФ на електронну пару (але лише 2 АТФ для кожної пари, пожертвуваної FADH ₂).

З 12 парами електронів, видалених з кожної молекули глюкози,

10 по NAD ⁺ (так 10х3 = 30); і
2 по FADH ₂ (так 2x2 = 4),

це може генерувати 34 АТП. Додайте до цього 4 АТП, які генеруються винятками 3, а один приходить до 38. Однак енергія, що зберігається в протонному градієнті, також використовується для активного транспорту декількох молекул і іонів через внутрішню мембрану мітохондрій в матрикс. NADH також використовується як відновник для багатьох клітинних реакцій. Таким чином, фактичний вихід АТФ як дихання мітохондрій змінюється залежно від умов і, ймовірно, рідко перевищує 30.

Три винятки

Стехіометричне виробництво АТФ відбувається при:

один етап циклу лимонної кислоти, що дає 2 АТФ для кожної молекули глюкози. Цей крок - перетворення альфа-кетоглутарової кислоти в бурштинову кислоту.
на двох етапах гліколізу дають по 2 АТФ на кожну молекулу глюкози.

Мітохондріальна ДНК (мтДНК)

Мітохондріон людини містить 5-10 однакових кругових молекул ДНК. Кожен складається з 16 569 пар основ, що несуть інформацію для 37 генів, які кодують:

2 різні молекули рибосомальної РНК (рРНК)
22 різних молекули переносної РНК (тРНК) (принаймні по одній на кожну амінокислоту)
13 поліпептидів

Молекули рРНК і тРНК використовуються в апараті, що синтезує 13 поліпептидів.

13 поліпептидів беруть участь у побудові декількох білкових комплексів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій.

7 субодиниць, що входять до складу мітохондріальної NADHдегідрогенази (комплекс I)
цитохром b, субодиниця цитохрому c редуктази (комплекс III)
3 субодиниці цитохрому с оксидази (комплекс IV)
2 субодиниці АТФ-синтази (комплекс V)

Кожен з цих білкових комплексів також вимагає субодиниць, які кодуються ядерними генами, синтезовані в цитозолі, і імпортовані з цитозолу в мітохондріон. Ядерні гени також кодують ~ 1,000 інших білків, які повинні бути імпортовані в мітохондріон.

Мутації в мтДНК викликають захворювання людини

Виявлено, що мутації в 12 з 13 поліпептидних кодуючих мітохондріальних генів викликають захворювання людини. Хоча можуть бути уражені багато різних органів, порушення роботи м'язів і мозку є найбільш поширеними. Можливо, це відображає великий попит на енергію обох цих органів. (Хоча це лише ~ 2% маси нашого тіла, мозок споживає ~ 20% енергії, виробленої, коли ми перебуваємо в стані спокою.)

Деякі з цих порушень передаються у спадок в зародковій лінії. У кожному випадку мутантний ген отримують від матері, оскільки жодна мітохондрія в спермі не виживає в заплідненій яйцеклітині. Інші розлади соматичні; тобто мутація відбувається в соматичних тканині індивіда.

Приклад: Непереносимість вправ

Ряд людей, які страждають від легко втомлених м'язів, виявляються мутаціями в їх гені цитохрому b. Цікаво, що тільки мітохондрії в їх м'язах мають мутацію; мтДНК інших їх тканин є нормальним. Імовірно, дуже рано в їх ембріональному розвитку відбулася мутація в гені цитохрому b в мітохондріоні клітини, призначеної для вироблення їх м'язів.

Тяжкість захворювань мітохондрій сильно варіюється. Причиною цього, ймовірно, є велике змішування мутантної ДНК і нормальної ДНК в мітохондріях, коли вони зливаються один з одним. Суміш обох називається гетероплазмою. Чим вище співвідношення мутанта до нормального, тим більше тяжкість захворювання. Насправді лише випадково клітини можуть іноді закінчитися всіма своїми мітохондріями, що несуть всі мутантні геноми - стан, який називається гомоплазмою (явище, що нагадує генетичний дрейф).

Методи заміщення мітохондрій

Як я вже зазначав вище, передавати мутантну мтДНК своїм нащадкам можуть тільки матері. Дві методи знаходяться під інтенсивним дослідженням, будь-який з яких може дозволити матері мати дітей без дефектних мітохондрій. Мутації в деяких 228 ядерних генах також були причетні до захворювань мітохондрій людини, але методи заміщення мітохондрій не зможуть допомогти з ними.

Чому мітохондрії мають свій геном?

Багато з особливостей генетичної системи мітохондрій нагадують ті, що містяться у бактерій. Це посилило теорію про те, що мітохондрії є еволюційними нащадками бактерії, яка встановила ендосимбіотичний зв'язок з предками еукаріотичних клітин на початку історії життя на землі. Однак багато генів, необхідних для функції мітохондрій, з тих пір перейшли в ядерний геном. Недавнє секвенування повного генома Rickettsia prowazekii виявило ряд генів, тісно пов'язаних з тими, що знаходяться в мітохондріях. Можливо, рикетсії є найближчими живими нащадками ендосимбіонтів, які стали мітохондріями еукаріотів.