2) анаэробный гликолиз
3) синтез АТФ (+)
4) детоксикацию
Митохондрии обеспечивают синтез АТФ преимущественно посредством окислительного фосфорилирования — процесса, при котором энергия окисления питательных веществ преобразуется в энергию макроэргической связи АТФ. В матриксе митохондрий образуются восстановленные коферменты NADH и FADH2 в ходе цикла трикарбоновых кислот и β-окисления жирных кислот. Затем они передают электроны на дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий.
Перенос электронов через комплексы I–IV сопровождается перекачиванием протонов в межмембранное пространство и формированием электрохимического протонного градиента. Возврат протонов через F0F1-АТФ-синтазу, или комплекс V, обеспечивает фосфорилирование АДФ до АТФ. Молекулярный кислород является конечным акцептором электронов и восстанавливается до воды, поэтому полноценное митохондриальное энергообразование зависит от аэробного метаболизма.
Анаэробный гликолиз протекает в цитоплазме и может поддерживать образование небольшого количества АТФ без участия митохондрий, однако сопровождается накоплением лактата. Синтез большинства ферментов осуществляется рибосомами цитоплазмы или гранулярной эндоплазматической сети, а детоксикация в основном связана с микросомальными ферментами печени и пероксисомами; митохондрии участвуют лишь в отдельных этапах, например в начальных реакциях цикла мочевины. Нарушение дыхательной цепи проявляется снижением синтеза АТФ, лактатацидозом, мышечной слабостью, энцефалопатией и кардиомиопатией.
| Процесс | Основная локализация | Зависимость от кислорода | Главный результат | Диагностическое или клиническое значение |
|---|---|---|---|---|
| Окислительное фосфорилирование | Внутренняя мембрана митохондрий | Прямая зависимость: O2 — конечный акцептор электронов | Синтез основной массы АТФ за счёт протонного градиента | Нарушение вызывает дефицит энергии, лактатацидоз и полиорганные проявления митохондриальной недостаточности |
| Цикл трикарбоновых кислот | Матрикс митохондрий | Функционально зависит от работы дыхательной цепи | Образование NADH, FADH2, CO2 и небольшого количества GTP | Связывает обмен углеводов, липидов и аминокислот с последующим синтезом АТФ |
| β-окисление жирных кислот | Преимущественно матрикс митохондрий; очень длинные жирные кислоты сначала окисляются в пероксисомах | Зависит от регенерации окисленных коферментов дыхательной цепью | Ацетил-КоА, NADH и FADH2 | Имеет особое значение при голодании и длительной физической нагрузке; дефекты вызывают гипокетотическую гипогликемию и миопатию |
| Гликолиз | Цитоплазма | Может протекать как при наличии, так и при дефиците кислорода | На анаэробном этапе — 2 молекулы АТФ и лактат из одной молекулы глюкозы | Усиление характерно для гипоксии; повышение лактата используется для оценки тканевой гипоперфузии и нарушений окислительного метаболизма |
| Субстратное фосфорилирование | Цитоплазма при гликолизе и матрикс митохондрий в одной реакции цикла трикарбоновых кислот | Не требует непосредственного участия дыхательной цепи | Прямое образование АТФ или GTP за счёт высокоэнергетического субстрата | Обеспечивает ограниченный синтез макроэргических соединений даже при торможении окислительного фосфорилирования |
| Синтез белков и ферментов | Цитоплазматические рибосомы, гранулярная эндоплазматическая сеть; отдельные белки — митохондриальные рибосомы | Не является основной функцией митохондрий | Образование белковых молекул по матрице мРНК | Митохондрии синтезируют лишь небольшую часть белков, кодируемых митохондриальной ДНК |
| Детоксикация | Главным образом гладкая эндоплазматическая сеть, пероксисомы и печёночные клетки | Зависит от конкретной ферментной системы | Биотрансформация лекарств, ксенобиотиков и обезвреживание токсичных метаболитов | Митохондрии участвуют в отдельных этапах обмена, включая начальные реакции цикла мочевины, но не являются универсальным центром детоксикации |
Количество образующейся АТФ зависит от типа субстрата, состояния дыхательной цепи и доступности кислорода. Митохондриальная ДНК наследуется преимущественно по материнской линии, а неоднородное распределение дефектных митохондрий между клетками называется гетероплазмией. Поэтому клинические проявления митохондриальных болезней могут различаться даже у родственников и особенно выражаться в тканях с высоким потреблением энергии — нервной, мышечной и сердечной.