Функции клеточного дыхания

Схема, объясняющая сходство иммунной реакции при травме и инфекции. Митохондрии сохранили в структуре своих белков и ДНК специфические бактериальные признаки. Поэтому вещества, попадающие в кровь при разрушении митохондрий, провоцируют иммунный ответ.

Большой вклад в изучение биоэнергетики клетки внес Российский ученый, Академик РАН Владимир Петрович Скулачев – основатель Российской научной школы по биоэнергетике. Изучая структуру биологических мембран про- и эукариот, он выдвинул ряд интересных гипотез относительно эволюции биоэнергетических механизмов клетки, функций клеточного дыхания, значения кислорода в работе клеток и ряд других интересных идей. Они очень важны для понимания существа биологических процессов в природе.

1. Главной функцией является, без сомнения, запасание энергии в форме высокоэргичных связей молекул АТФ, ГТФ, НАДФ и др.

2. Использование энергии протонного потенциала не только для синтеза АТФ, но и для выделения тепла и терморегуляции. Это особенно выражено при использовании клетками и организмом протонного потенциала для производства тепла из жиров. Образующиеся при ферментном гидролизе жиров анионы жирных кислот связывают в межмембранном пространстве ионы водорода, которые туда перекачивает дыхательная цепь митохондрии, а затем транспортирует их обратно в матрикс митохондрии, минуя АТФ-синтазу! Здесь ионы водорода отсоединяются от аниона жирной кислоты и он с помощью специальных мембранных белков-переносчиков возвращается в межмембранное пространство митохондрии и далее в цитоплазму клетки. Происходит разобщение цепей клеточного дыхания и синтеза АТФ – энергия тратится на выделение тепла, что особенно необходимо для поддержания постоянной температуры тела теплокровных животных при охлаждении. Для этого в организме млекопитающих есть даже специальная жировая ткань – т.н. «бурый жир». В его клетках очень много митохондрий, которые принимают участие в выработке тепла.

3. Участие клеточного дыхания в синтезе некоторых биологически-активных соединений в клетке. Оказалось, что синтез стероидных гормонов в клетках коры надпочечников из молекул холестерина идет путем окисления этой молекулы в митохондриях. Для этого используется часть кислорода, специальная дыхательная цепь переносчиков протонов и электронов, не связанная с синтезом АТФ. Такие-же процессы проходят при синтезе жиров из углеводов. Таким образом, часть энергии окислительно-востановительных реакций в митохондриях используется не для синтеза АТФ и запасания энергии, а для синтеза веществ. Тем самым, еще раз, подчеркивается тесная связь энергетического и пластического обменов в клетке и возможность взаимных переходов их друг в друга.

4. Кислород с помощью системы специальных цитохром-оксидаз участвует в удалении вредных веществ из клетки. При этом данная цепь окислительных реакций не связана с образованием АТФ, и локализована она не в митохондриях, а в мембранах эндоплазматической сети. Окисленные органические молекулы затем выводятся почками или расщепляются дальше.

5. Кислород, как ни парадоксально это звучит, не только основа аэробного обмена клеток, но и очень опасное вещество для клетки!. Избыток кислорода или нарушение в дыхательных цепях митохондрий может привести к образованию большого количества свободных радикалов кислорода – супероксида О₂⁺. Это чрезвычайно активное соединение, которое «вмешивается» во множество биохимических реакций клетки, способствует образованию еще более активного соединения – перекиси водорода Н₂О₂, образующей еще один радикал - гидроксил радикал ОН⁺ . Он, в свою очередь, способен окислить любое вещество в клетке, включая ДНК и РНК. Повреждение «главных молекул клетки» - это мутации, что может привести к гибели клетки или к изменению ее свойств и функций, вплоть до ракового перерождения. К счастью, в клетке есть ряд механизмов защиты от активных форм кислорода.

Подводя итог разговора об энергетическом метаболизме клетки можно выделить три главных закономерности этого процесса, сформулированные кратко и очень четко акад. В.П.Скулачевым в виде т.н. «законов биоэнергетики». Этим законам подчиняются все живые существа на Земле, независимо от типа питания, источников энергии и способов ее добычи.

Первый закон.

Клетки не используют энергию внешних источников (свет, органические и неорганические соединения) напрямую для выполнения работы. Они превращают «внешнюю» энергию сначала в один из видов внутриклеточной энергии: молекулы АТФ или ∆μ Н⁺ (протонный потенциал) или ∆μ Na⁺ (натриевый потенциал).

Второй закон.

Любая клетка всегда может в данный момент обладать и использовать, по меньшей мере, два источника энергии: водорастворимые молекулы АТФ(ГТФ) в цитоплазме и связанные с мембранами ионные потоки (∆μ Н⁺ или ∆μ Na⁺).

Третий закон.