Основною функцією мітохондрій є синтез АТФ - універсальної форми хімічної енергії в будь-який живій клітині. Як і у прокаріотів, дана молекула може утворюватися двома шляхами: в результаті субстратного фосфорилювання в рідкій фазі (наприклад, при гліколізі) або в процесі мембранного фосфорилювання, пов'язаного з використанням енергії трансмембранного електрохімічного градієнта (англ.) Рос. протонів (іонів водню). Мітохондрії реалізують обидва ці шляхи, перший з яких характерний для початкових процесів окислення субстрату і відбувається в матриксі, а другий завершує процеси енергоутворення і пов'язаний з кристами мітохондрій. При цьому своєрідність мітохондрій як енергообразующіх органел еукаріотичної клітини визначає саме другий шлях генерації АТФ, який отримав назву «хеміосмотіческой сполучення». По суті це послідовне перетворення хімічної енергії відновлюють еквівалентів НАДН в електрохімічний протонний градієнт # 916; # 956; Н + по обидві сторони внутрішньої мембрани мітохондрії, що пускає в хід мембранно-пов'язану АТФ-синтетазу і завершується утворенням макроергічних зв'язку в молекулі АТФ.
В цілому весь процес енергоутворення в мітохондріях може бути розбитий на чотири основні стадії, перші дві з яких протікають в матриксі, а дві останні - на Кріста мітохондрій:
Перетворення надійшли з цитоплазми в мітохондрії пірувату і жирних кислот в ацетил-СоА;
Окислення ацетил-СоА в циклі Кребса, що веде до утворення НАДН;
Перенесення електронів з НАДН на кисень по дихальної ланцюга;
Освіта АТФ в результаті діяльності мембранного АТФ-синтетазної комплексу.
Ще в цитоплазмі в серії з 10 окремих ферментативних реакцій шестіуглеродних молекула глюкози частково окислюється до двох трьохвуглецеві молекул пірувату з утворенням двох молекул АТФ. Потім піруват переноситься з цитозолю через зовнішню і внутрішню мембрани в матрикс, де спочатку перетворюється в ацетил-СоА. Цей процес каталізується великим піруватдегідрогеназного комплексом, що має розмір, який можна порівняти з розміром рибосоми, і складається з трьох ферментів, п'яти коферментів і двох регуляторних білків. Точно так же жирні кислоти, отримані при розщепленні нерозчинних тригліцеридів в цитоплазмі, переносяться в мітохондріальний матрикс у вигляді ацетил-СоА-похідних.
На наступному етапі, також протікає в матриксі мітохондрії, ацетил-СоА повністю окислюється в циклі Кребса. У його роботі задіяні чотири окремих ферменту, за кожен цикл забезпечують вкорочення вуглеводневого ланцюга на два атома вуглецю, які в подальшому перетворюються в СО2. Цей процес забезпечує утворення однієї молекули ГТФ, а також НАДН - високоенергетичного проміжного з'єднання, яке легко віддає електрони в ланцюг перенесення електронів на Кріста мітохондрій.
Подальші процеси енергоутворення в мітохондрії відбуваються на її кристах і пов'язані з перенесенням електронів від НАДН до кисню. Відповідно до того, що споживання кисню в якості окислювача зазвичай називають «внутрішньоклітинним диханням», електронно-транспортний ланцюг ферментів, які здійснюють послідовний перенос електронів від НАДН до кисню, часто називають «дихальної ланцюгом». При цьому трансформація енергії окислення здійснюється ферментами, розташованими на Кріста мітохондрій і здійснюють векторний (спрямований по відношенню до сторін мембрани) перенесення протонів водню з матриксу мітохондрії в межмембранное простір. У цьому полягає принципова відмінність роботи оксидоредуктаз дихального ланцюга від функціонування ферментів, які каталізують реакції в гомогенному (изотропном) розчині, де питання про направлення реакції в просторі не має сенсу.
Весь процес перенесення електрона по дихальному ланцюгу може бути розбитий на три стадії, кожна з яких каталізується окремим трансмембраним ліпопротеїдних комплексом (I, III і IV), вбудованим в мембрану Крісті мітохондрії. До складу кожного з названих комплексів входять наступні компоненти:
Великий олігомерного фермент, що каталізує перенесення електронів;
Небілкові органічні (простетические) групи, які беруть і вивільняють електрони;
Білки, що забезпечують рух електронів.
Кожен з цих комплексів здійснює перенесення електронів від донора до акцептора по градієнту редокс-потенціалу через ряд послідовно функціонують переносників. В якості останніх в дихальної ланцюга мітохондрій функціонують мігруючі в площині мембрани жиророзчинні молекули убихинона, а також невеликі (молекулярна маса 13 кДа) водорозчинні білки, що містять ковалентно пов'язаний гем і звані «цитохромами с». При цьому три з п'яти компонентів, що складають дихальний ланцюг, працюють так, що перенесення електронів супроводжується перенесенням протонів через мембрану крист мітохондрій в напрямку з матриксу в межмембранное простір.
Дихальна ланцюг починається з комплексу I (НАДН-убіхінон-оксидоредуктаза), що складається з 16-26 поліпептидних ланцюгів і має молекулярну масу близько 850 кДа. Функціональна активність цього комплексу визначається тим, що він містить в своєму складі більше 20 атомів заліза, упакованих в осередку з атомів сірки, а також флавін (Фл - похідне вітаміну рибофлавіну). Комплекс I каталізує окислення НАДН, отщепляя від нього два електрона, які після «подорожі» по окислювально-відновним компонентам комплексу I потрапляють на молекулу-переносник, в якості якої виступає убихинон (Q). Останній здатний поступово відновлюватися, приймаючи на себе по два електрона і протона і, таким чином, перетворюючись в відновлену форму - убіхінол (QH2).
Енергетичний потенціал (запас енергії) в молекулі убіхінола істотно нижче, ніж в молекулі НАДН, а різниця в подібній енергії тимчасово запасається у вигляді особливого виду - електрохімічного протонного градієнта. Останній виникає в результаті того, що перенесення електронів по простетичноїгрупи комплексу I, що веде до зниження енергетичного потенціалу електронів, супроводжується трансмембраним перенесенням двох протонів з матриксу в межмембранное простір мітохондрії.
Відновлений убіхінол мігрує в площині мембрани, де досягає другого ферменту дихального ланцюга - комплексу III (bc1). Останній являє собою димер з субодиниць b і c1 з молекулярною масою більше 300 кДа, сформований з восьми поліпептидних ланцюгів і містить атоми заліза як в сірчаних осередках, так і у вигляді комплексів з гемамі b (I), b (II) і c1 - складними гетероциклическими молекулами з чотирма атомами азоту, розташованими по кутах металлосвязивающего квадрата. Комплекс III каталізує реакцію відновлення убіхінола до убихинона з передачею електронів на атом заліза другий молекули переносника (що знаходиться в межмембранном просторі цитохрому c). Отщепляют при цьому від убіхінола два протона водородаосвобождаются в межмембранное простір, продовжуючи формування електрохімічного градієнта. Нарешті, ще два протона водню переносяться в межмембранное простір мітохондрії за рахунок енергії електронів, що проходять по простетических групам комплексу III.
Остання стадія каталізується комплексом IV (цитохром c -оксідаза) з молекулярною масою близько 200 кДа, що складається з 10-13 поліпептидних ланцюгів і, крім двох різних гемов, що включає також декілька атомів міді, міцно пов'язаних з білками. При цьому електрони, що відбираються у відновленого цитохрому c. пройшовши по атомам заліза і міді в складі комплексу IV, потрапляють на пов'язаний в активному центрі цього ферменту кисень, що призводить до утворення води.
Таким чином, сумарна реакція, що каталізується ферментами дихального ланцюга, складається в окисленні НАДН киснем з утворенням води. По суті цей процес полягає в ступінчастому перенесення електронів між атомами металів, присутніх в простетических групах білкових комплексів дихального ланцюга, де кожний наступний комплекс має більш високу спорідненість до електрону, ніж попередній. При цьому самі електрони передаються по ланцюгу до тих пір, поки не з'єднаються з молекулярним киснем, що володіє найбільшим спорідненістю до електронів. Звільняється ж при цьому енергія запасається у вигляді електрохімічного (протонного) градієнта по обидві сторони внутрішньої мембрани мітохондрій. При цьому вважається, що в процесі транспорту по дихальної ланцюга пари електронів перекачується від трьох до шести протонів.
Завершальним етапом функціонування мітохондрії є генерація АТФ, здійснювана вбудованим у внутрішню мембрану спеціальним макромолекулярних комплексом з молекулярної масою 500 кДа. Цей комплекс, званий АТФ-синтетазой, як раз і каталізує синтез АТФ шляхом конверсії енергії трансмембранного електрохімічного градієнта протонів водню в енергію макроергічних зв'язку молекули АТФ.
У структурно-функціональному плані АТФ-синтаза складається з двох великих фрагментів, які охоплюють символами F1 і F0. Перший з них (фактор сполучення F1) звернений у бік матриксу мітохондрії і помітно виступає з мембрани у вигляді сферичного освіти висотою 8 нм і шириною 10 нм. Він складається з дев'яти субодиниць, представлених п'ятьма типами білків. Поліпептидні ланцюги трьох субодиниць # 945; і стількох же субодиниць # 946; покладені в схожі за будовою білкові глобули, які разом утворюють гексамерів (# 945; # 946;) 3. має вигляд злегка приплюснутого кулі. Подібно щільно покладеним часточок апельсина, послідовно розташовані субодиниці # 945; і # 946; утворюють структуру, що характеризується віссю симетрії третього порядку з кутом повороту 120 °. У центрі цього гексамерів знаходиться субодиниця # 947 ;, яка утворена двома протяжними поліпептидними ланцюгами і нагадує злегка деформований вигнутий стрижень довжиною близько 9 нм. При цьому нижня частина субодиниці # 947; виступає з кулі на 3 нм в сторону мембранного комплексу F0. Також всередині гексамерів знаходиться мінорна субодиниця # 949 ;, пов'язана з # 947 ;. Остання (дев'ята) субодиниця позначається символом # 948; і розташована на зовнішній стороні F1.
Мембранна частина АТФ-синтази, звана фактором сполучення F0. являє собою гідрофобний білковий комплекс, пронизливий мембрану наскрізь і має всередині себе два полуканала для проходження протонів водню. Всього до складу комплексу F0 входить одна білкова субодиниця типу а. дві копії субодиниці b. а також від 9 до 12 копій дрібної субодиниці c. Субодиниця а (молекулярна маса 20 кДа) повністю занурена в мембрану, де утворює шість перетинають її # 945; -спіральні ділянок. Субодиниця b (молекулярна маса 30 кДа) містить лише один порівняно короткий занурений в мембрану # 945; -спіральні ділянку, а інша її частина помітно виступає з мембрани в бік F1 і закріплюється за розташовану на її поверхні субодиницю # 948 ;. Кожна з 9-12 копій субодиниці c (молекулярна маса 6-11 кДа) являє собою порівняно невеликий білок з двох гідрофобних # 945; -спіралей, з'єднаних один з одним короткої гідрофільній петлею, орієнтованої в сторону F1. а все разом утворюють єдиний ансамбль, який має форму зануреного в мембрану циліндра. Виступаюча з комплексу F1 в сторону F0 субодиниця # 947; як раз і занурена всередину цього циліндра і досить міцно зачеплена за нього.
Таким чином, в молекулі АТФ-синтази можна виділити дві групи білкових субодиниць, які можуть бути уподібнені двох деталей мотора: ротора і статора. «Статор» нерухомий щодо мембрани і включає в себе кулястий гексамерів (# 945; # 946;) 3. що знаходиться на його поверхні і субодиницю # 948 ;, а також субодиниці a і b мембранного комплексу F0. Рухомий щодо цієї конструкції «ротор» складається з субодиниць # 947; і # 949 ;, які, помітно виступаючи з комплексу (# 945; # 946;) 3. з'єднуються з зануреним в мембрану кільцем з субодиниць c.
Здатність синтезувати АТФ - властивість єдиного комплексу F0 F1. сполученого з перенесенням протонів водню через F0 до F1. в останньому з яких якраз і розташовані каталітичні центри, які здійснюють перетворення АДФ і фосфату в молекулу АТФ. Рушійною ж силою для роботи АТФ-синтази є протонний потенціал, створюваний на внутрішній мембрані мітохондрій в результаті роботи ланцюга електронного транспорту.
Сила, яка веде в рух «ротор» АТФ-синтази, виникає при досягненні різниці потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембрани> 220 мВ і забезпечується потоком протонів, що протікають через спеціальний канал в F0. розташований на кордоні між субодиницями a і c. При цьому шлях перенесення протонів включає в себе наступні структурні елементи:
Два розташованих Неспіввісність «полуканала», перший з яких забезпечує надходження протонів з межмембранного простору до істотно важливим функціональним групам F0. а інший забезпечує їх вихід в матрикс мітохондрії;
Кільце з субодиниць c. кожна з яких в своїй центральній частині містить протоніруемую карбоксильну групу, здатну приєднувати H + з межмембранного простору і віддавати їх через відповідні протонні канали. В результаті періодичних зсувів субодиниць с. обумовлених потоком протонів через протонний канал відбувається поворот субодиниці # 947 ;, зануреної в кільце з субодиниць с.
Таким чином, каталітична активність АТФ-синтази безпосередньо пов'язана з обертанням її «ротора», при якому поворот субодиниці # 947; викликає одночасну зміну конформації всіх трьох каталітичних субодиниць # 946 ;, що в кінцевому рахунку і забезпечує роботу ферменту. При цьому в разі утворення АТФ «ротор» крутиться за годинниковою стрілкою зі швидкістю чотири оберти в секунду, а саме подібне обертання відбувається дискретними стрибками по 120 °, кожен з яких супроводжується утворенням однієї молекули АТФ.
Безпосередня функція синтезу АТФ локалізована на # 946; -субодиниці сопрягающего комплексу F1. При цьому найпершим актом в ланцюзі подій, що призводять до утворення АТФ, є зв'язування АДФ і фосфату з активним центром вільної # 946; -субодиниці, що знаходиться в стані 1. За рахунок енергії зовнішнього джерела (струму протонів) в комплексі F1 відбуваються конформаційні зміни, в результаті яких АДФ і фосфат стають міцно пов'язаними з каталітичним центром (стан 2), де стає можливим утворення ковалентного зв'язку між ними, що веде до утворення АТФ. На даній стадії АТФ-синтази ферменту практично не потрібно енергії, яка буде необхідна на наступному етапі для звільнення міцно пов'язаної молекули АТФ з ферментативного центру. Тому наступний етап роботи ферменту полягає в тому, щоб в результаті енергозалежного структурного зміни комплексу F1 каталітична # 946; -субодиниці, що містить міцно пов'язану молекулу АТФ, перейшла в стан 3, в якому зв'язок АТФ з каталітичним центром ослаблена. В результаті цього молекула АТФ залишає фермент, а # 946; -субодиниці повертається в початковий стан 1, завдяки чому забезпечується циклічність роботи ферменту.
Робота АТФ-синтази пов'язана з механічними рухами її окремих частин, що дозволило віднести цей процес до особливого типу явищ, названих «обертальним катализом». Подібно до того, як електричний струм в обмотці електродвигуна приводить в рух ротор щодо статора, спрямований перенесення протонів через АТФ-синтетазу викликає обертання окремих субодиниць фактора сполучення F1 щодо інших субодиниць ферментного комплексу, в результаті чого це унікальне енергообразующую пристрій здійснює хімічну роботу - синтезує молекули АТФ . Надалі АТФ надходить в цитоплазму клітини, де витрачається на найрізноманітніші енергозалежніпроцеси. Подібний перенесення здійснюється спеціальним вбудованим в мембрану мітохондрій ферментом АТФ / АДФ-транслоказ, який обмінює знову синтезовану АТФ на цитоплазматическую АДФ, що гарантує збереження фонду аденілових нуклеотидів всередині мітохондрій.