Митохондрии и энергетический ресурс аэробных клеток

Строение митохондрий

Митохондрии представляют собой небольшие органеллы овальной формы с диаметром порядка 1мкм, их количество в клетке может достигать 2000. Митохондрии защищены двумя мембранами: наружной и внутренней.

Строение митохондрии Внутренняя мембрана имеет многочисленные глубокие складки (грибневидные выросты), называемые кристами, которые значительно увеличивают её поверхность. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называют матриксом. Мембраны митохондрий сильно различаются по составу и функциям. Наружная мембрана митохондрий легко проницаема для большинства веществ с молярной массой 10 000 и ниже. Внутренняя мембрана для многих соединений не проницаема. Эта мембрана, как ни одна другая богата белками, их содержание достигает 80%. Внутренняя мембрана, так как в ней локализованы ферменты переноса электронов, является сопрягающей мембраной, для которой справедлива химио-осматическая концепция сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования Р. Митчелла (1961) [ 33, 34].

Механизм генерации протонного потенциала на мембранах митохондрий

Митохондрии являются энергетическим станциями аэробных клеток, которые способны синтезировать макроэргические молекулы АТФ, энергия которых используется для обеспечения различных процессов в клетках. На внутренних мембранах митохондрий (кристах) работает дыхательная цепь, в которой электроны переносятся от субстратов (поставляемых циклом Кребса) к кислороду и идет реакция:

2 Суб-Н₂+О₂= Суб+Н₂О Главными субстратами окисления являются: никотинамидадениннуклеотид /фосфат/-Н/НАДФН/, никотинамидадениндинуклеотид-Н/НАДН/ и сукцинат. Эти вещества в самой общей форме можно описать как водород (Н), присоединенный к молекулам субстрата Суб-Н₂.

Основным положением концепции Митчелла является включение стадии трансформации энергии окисления в разность электрических потенциалов и (или) градиент осмотической концентрации ионов на сопрягающей мембране. Эта гипотеза разработана Митчеллом в 1961 — 1966 гг. она постулировала существование градиента электрохимического потенциала ионов водорода (?µ) на мембранах, способных к дыхательному или фотосинтетическому фосфорилированию. Согласно гипотезе Митчелла роль дыхательной и фотосинтетической редокс — цепей в синтезе АТФ сводится к образованию градиента электрохимического потенциала, после чего энергия электрического поля используется для обращения АТФазной реакции. ?µ удовлетворяет следующим требованиям:

• 1) ?µ может генерироваться редокс — цепью в отсутствие АДФ и Н_зРО₄;
• 2) ?µ - общий продукт прямого переноса электрона через пункты энергетического сопряжения и стало быть ответственный за обмен энергией между этими пунктами;
• 3) ?µ поддерживает перенос ионов через сопрягающую мембрану;
• 4) ?µ снижается разобщителями — протонофорами.

Иллюстрации к хемиоосматическом механизму Митчелла Донор водорода (ДН) окисляется переносчиком электронов у внешней стороны мембраны. При этом 2Н⁺ остаются снаружи мембраны, а два электрона 2 е переносятся на другую её сторону по цепи, ориентированной поперёк мембраны. Локализованный там переносчик электронов передаёт их акцептору ионов водорода — соединению А, который присоединяет 2Н⁺ из водной фазы внутреннего пространства, отделённого мембраной. Таким образом окисление одной молекулы ДН посредством, А приводит к выделению 2Н⁺ во внешнее пространство и поглощение 2Н⁺ из внутреннего пространства (на схеме это участок 1). Следовательно, на мембране возникает электрическое поле. Если рассмотреть митохондриальную мембрану и путь прохождения электронов от аскорбата до кислорода, то донором ионов Н является аскорбат, а соединение, А в схеме — это молекулярный кислород.

В митохондриях синтез одной молекулы АТФ из АДФ и Ф приводит к выделению 2Н⁺ в матрикс и поглощению 2Н⁺ из вне митохондриального пространства (на схеме это участок 2). Таким образом, фосфолирующий механизм использует градиент ионов Н⁺, создаваемый работой дыхательной цепи. По мнению В. П. Скулачева [34], схему, где изложены основные принципы теории Митчелла, правильнее было назвать «протонным циклом».

На первом этапе осуществляется перенос Н⁺ против электрохимического градиента за счёт внешнего источника энергии. Созданный таким образом запас энергии в форме электрического поля и градиента рН потом используется в основном для синтеза АТФ (2 этап).

На схеме Митчелла дыхательная цепь митохондрий действует как электрический топливный элемент, который превращает энергию химической (окислительной) реакции в энергию электрического поля. Трансмембранный перенос должен заряжать сопрягающую мембрану, которую в этом случае можно сравнить с конденсатором. Разность электрических потенциалов между двумя обводненными пространствами, разделёнными мембраной, должна быть достаточной для энергообеспечения реакции фосфолирования.

Если синтез одной молекулы АТФ сопряжён, как установлено экспериментально, с переносом двух зарядов для каждого места фосфолирования, то необходимый мембранный потенциал оценивается величиной не менее 0,2 В (изменение свободной энергии реакции фосфолирования принято 42кДж/моль АТФ). Это означает, что при толщине мембраны порядка 10 нм напряжённость электрического поля в ней должна составить не менее -200 кВ/см.

Во всех живых клетках электрическая форма энергии — обязательный этап на пути образования универсального химического топлива клетки — АТФ, которая используется для всех клеточных химических реакций и для создания истиннных градиентов. Свободная энергия порядка 10 Ккал/моль выделяется при гидролизе АТФ.

АТФ^4 —+Н₂О = АДФ^3 — + Ф_Н^3 — +2Н ⁺

Образуется аденазинфосфатная кислота — АДФ³, неорганический фосфат Ф_Н и ионы водорода. Эта реакция катализируется в клетках разнымим АТФ-азами.

Энергетический статус живой клетки определяется как числом митохондрий в ней, так и степенью энергизации митохондрий, т. е. значениями их? ц₂. Чем больше в клетке митохондрий, и чем в ней потенциалы на митохондриях, тем интенсивнее клеточный метаболизм, активнее движение клетки. Число энергизированных митохондрий и характер их распределения в клетках варьируют в зависимости от типа клеток и их функционального состояния. Поэтому суммарная флуоресценция потенциал чувствительных зондов в клетках данного вида фактически отражает ее функциональную активность. Уровень энергизации митохондрий в живой клетке можно оценить методом флуоресцентных зондов [13,14,19.].

Имеются цитологические и биохимические данные о гетерогенности митохондрий в пределах одной ткани и одной клетки, существует целый ряд различий между митохондриями разных клеток, которые никак не могут быть объяснены только различием их энергетических потребностей [37]. В одних клетках митохондрии почти шарообразны и равномерно рассеянны по всей цитоплазме. В других они вытянуты в виде параллельно расположенных цепочек, или образуют ажурные комплексы. Известна высокая реактивность митохондриальных структур в ответ на различные гормональные воздействия; при этих воздействиях может меняться не только характер распределения и форма митохондрий в клетках, но и их энергетическая активность, сопряженная с изменением электрических потенциалов на мембранах митохондрий. Согласно данным электронной микроскопии дифференцированные клетки отличаются характерным распределением в них основного пула митохондрий, сопряженным с типом функциональной активности этих клеток [37]. Так, в мышечных клетках митохондрии образуют длинные цепи, переходящие из одной клетки в другую вдоль миофибрилл, в гепатоцитах митохондрии образуют упорядоченные комплексы около ферментных гранул. В последние годы выявлено различие в распределении митохондрий в субпопуляциях лимфоцитов в зависимости от их специфических функций. Так, для Т-хелперов и В-лимфоцитов характерны цепочечные структуры митохондрий вблизи поверхности, сопряжённые с активацией их движения [22].

Согласно экспериментальным данным митохондрии в различных клетках способны соединяться в связный митохондриальный электрокабель (МЭК) через межмитохондриальные контакты (ММК) высокой проводимости. Концепция о наличии МЭК в клетках, выдвинутая Бубенцером (1966,) была далее развита и обоснована группой российских ученых во главе со Скулачевым В. П. [4,37] в ряде оригинальных экспериментов.

В экспериментах на нитчатых митохондриях использовали лазерный или ультрафиолетовый микролуч, который можно точно направить на избранную экспериментатором митохондрию. При облучении отдельной митохондрии в ней происходит тушение флуоресценции катионного зонда родамина из-за того, что в результате пробоя внутренней мембраны митохондрии разность потенциалов на ней падает и катионы родамина как бы вытекают из матрикса митохондрии. При этом соседние митохондрии не меняют своего свечения и продолжают синтез АТФ. В результате этого вся длинная митохондрия потухла, в то время как соседние оставались без изменений.

Локальное повреждение нитчатой митохондрии микролучом приводит к деэнергизации всей митохондрии: а — вид митохондрий в фазовом контрасте до эксперимента, б — флуоресценция родамина в митондриях этого же участка клетки (стрелка указывает на место лазерного укола), в — тот же участок клетки после локального облучения митохондрии, г — этот же участок в фазовом контрасте Поражение микролучом участков свободной от НТ цитоплазмы не приводило к тушению митохондрий. Точечный пробой мембран митохондрий приводит к снятию разности потенциала не только в точке пробоя, но и по всей длине митохондрии, которая представляет собой проводник с эквипотенциальной поверхностью. Следовательно, длинные НМ могут представлять собой электрические проводники, могущие передавать разность потенциалов на митохондриальных мембранах на большие расстояния и кооперировать удаленные участки цитоплазмы.

Это значит, что и в случае разветвленных митохондрий в любой ее точке на внутренней мембране может накопиться потенциал, достаточный для того, чтобы начался синтез АТФ. С этих позиций митохондриальный ретикулум (МР) представляет собой как бы электрический проводник, кабель, соединяющий отдаленные точки такой системы.

Митохондриальный ретикулум как электрокабельная система необходим не только для мелких подвижных клеток, но и для более крупных, там, где требуются кооперация и синхронизация в работе многих структурных единиц.

Сопряжение электромеханических процессов и протонного потенциала в МЭК при стимуляции кардиомиоцитов

В работе [30] рассмотрена взаимосвязь между проведением протонного потенциала вдоль МЭК и синхронного процесса сокращения кардиомиоцитов на поверхности сердца в схеме электромеханического сопряжения на основе телеграфного уравнения:

•.

Такой же подход можно применить и для не мышечных клеток, например, для тимоцитов, имеющих цепочечные структуры митохондрий.

При воздействии ЭПО на рецепторы тимоцита может быть связано с возбуждением мембранной поверхности и активацией элементов цитоскелета вблизи МЭК.