Kāda ir saistība starp ATP un mitohondrijiem?
Īsā atbilde
Mitohondriji ir šūnas organoīdi, kuros no barības vielām tiek iegūts adenozīna trifosfāts (ATP), universālā enerģijas valūta šūnā. Saistība ir vienkārša: mitohondrijs ir ražotne, ATP ir produkts, un skābeklis, ko cilvēks ieelpo, tiek patērēts tieši tur.
Mitohondrijam (mitochondrion) ir divas membrānas. Ārējā ir gluda un salīdzinoši caurlaidīga, bet iekšējā ir blīvi salocīta krokās, ko sauc par kristām, un gandrīz necaurlaidīga. Telpu iekšējās membrānas ielokā sauc par matriksu, bet šauro spraugu starp abām membrānām par starpmembrānu telpu. Šī uzbūve nav dekoratīva: krokas daudzkārt palielina iekšējās membrānas laukumu, un tieši tajā iestrādāti visi elpošanas ķēdes kompleksi. Jo vairāk kristu, jo vairāk vietas ATP ražošanai.
Enerģijas iegūšana notiek trīs posmos. Glikozes sadalīšana līdz pirovīnogskābei notiek vēl šūnas citoplazmā un dod nedaudz ATP. Pirovīnogskābe ienāk matriksā, pārvēršas par acetilkoenzīmu A un tiek sadedzināta Krebsa ciklā, kura īstais produkts ir nevis ATP, bet elektronu nesēji. Trešais posms notiek iekšējā membrānā: elektroni tiek pa ķēdi nodoti no viena olbaltumvielu kompleksa nākamajam, un atbrīvotā enerģija tiek izmantota, lai ūdeņraža jonus izsūknētu no matriksa starpmembrānu telpā.
Tālāk notiek pats atjautīgākais solis. Izsūknētie ūdeņraža joni rada koncentrācijas un lādiņa starpību pāri iekšējai membrānai, un vienīgā vieta, pa kuru tie var plūst atpakaļ, ir ferments ATP sintāze. Jonu plūsma šo fermentu burtiski griež kā ūdens griež turbīnu, un katrs pagrieziens pievieno adenozīna difosfātam trešo fosfāta grupu. Ķēdes pašā galā elektronus savāc skābeklis, savienojoties ar ūdeņradi par ūdeni. Ja skābekļa nav, ķēde aizsprosto un apstājas arī ATP ražošana šajā ceļā.
ATP molekulu skaitu, ko iegūst no vienas glikozes molekulas, dažādās mācību grāmatās min atšķirīgu, un tā nav pretruna: tā ir aplēse, nevis konstante. Faktiskā raža ir atkarīga no tā, cik labi membrāna notur jonu gradientu un cik daudz enerģijas aiziet siltumā. Tieši tāpēc brūnajos taukaudos, kuru uzdevums ir sildīt, gradients tiek apzināti novadīts garām ATP sintāzei, un enerģija izdalās kā siltums, nevis kā ATP.
Mitohondriju skaits šūnā atbilst tās enerģijas patēriņam. To ir daudz sirds muskuļa, skeleta muskuļu, aknu un nervu šūnās un maz tur, kur enerģijas vajag maz. Visgraujošākais piemērs ir nobriedis eritrocīts: tam mitohondriju nav vispār. Tas ir loģiski, jo šūna, kas skābekli pārnēsā, nedrīkst to ceļā apēst pati, bet tas nozīmē arī to, ka eritrocīts enerģiju iegūst tikai bezskābekļa ceļā.
Kad mitohondriji nestrādā
Elpošanas ķēdi var apturēt no ārpuses. Tieši tā darbojas oglekļa monoksīds un ciānsavienojumi: cilvēks elpo un asinīs skābeklis ir, bet šūna to izmantot nespēj. Tāds pats rezultāts, tikai ar citu cēloni, rodas, ja pārtrūkst asins apgāde: ATP krājumi šūnā pietiek vien dažām sekundēm darba, tāpēc jonu sūkņi apstājas ātri, šūna uzbriest un iet bojā. Uz šī mehānisma balstās gan infarkta, gan insulta šūnu līmeņa aina.
Ir arī iedzimtas mitohondriju slimības. Tās skar vispirms tos orgānus, kuriem enerģijas vajag visvairāk: muskuļus, smadzenes, sirdi, acis un dzirdi. Tipiskas izpausmes ir neparasti ātrs muskuļu nogurums pie nelielas slodzes, plakstiņa noslīdēšana, acu kustību ierobežojums, dzirdes zudums un cukura diabēts vairākās paaudzēs pa mātes līniju. Šīs slimības ir retas, un tās izmeklē neirologs kopā ar ģenētiķi.
Pie ārsta jādodas, ja muskuļu vājums vai nogurums ir neproporcionāls slodzei un ar atpūtu nepāriet, ja pievienojas plakstiņu noslīdēšana, redzes vai dzirdes pārmaiņas vai ja bērnam aizkavējas attīstība. Nogurums pats par sevi visbiežāk mitohondrijus nevaino, un uztura bagātinātāji, kas sola tos uzlabot, klīniski pierādītu efektu vispārējam nogurumam nav parādījuši.
Ko ar ko nejaukt
ATP nav krājums, tā ir valūta apgrozībā. ATP atdod fosfāta grupu, kļūst par ADP un gandrīz uzreiz tiek uzlādēts atpakaļ; cilvēka organismā ATP kopējais daudzums jebkurā brīdī ir neliels, bet apgrozība milzīga. Muskulī īslaicīgu buferi nodrošina kreatīnfosfāts, kas ADP ātri pārvērš atpakaļ par ATP, bet arī tas pietiek tikai dažiem sekundes desmitiem intensīva darba.
Otrs nošķīrums ir valodas: mitohondriji enerģiju nerada, tie to pārveido. Enerģija nāk no barības vielu ķīmiskajām saitēm, un mitohondrijs to pārliek formā, ko šūna prot izmantot. Tāpēc apgalvojumi, ka kāds līdzeklis liks mitohondrijiem saražot vairāk enerģijas, apiet svarīgāko jautājumu par to, no kā tā tiktu iegūta.
Treškārt, mitohondrijs nav lizosoma un nav hloroplasts. Lizosoma ir šūnas atkritumu pārstrādes nodaļa, hloroplasts ir augu organoīds fotosintēzei, un cilvēka šūnā tāda nav. Kopīga tiem ir vien tā, ka visi ir ar membrānu norobežoti organoīdi.
Kāpēc mitohondrijam ir sava DNS
Mitohondrijs ir vienīgais cilvēka šūnas organoīds ārpus kodola, kuram ir sava DNS, savas ribosomas un kurš vairojas, daloties uz pusēm. Plaši atzītais skaidrojums ir tas, ka mitohondriji cēlušies no bakterijām, kuras sensenos laikos nonāca citas šūnas iekšienē un tur palika kā partneri. To apliecina gan divkāršā membrāna, gan riņķveida DNS, kas pēc uzbūves līdzinās baktēriju DNS.
No tā izriet divas ļoti praktiskas sekas. Pirmā: mitohondrijus bērns saņem tikai no mātes, jo olšūna tos dod līdzi, bet spermatozoīda mitohondriji apaugļošanā netiek saglabāti. Tāpēc mitohondriju slimības mantojas pa mātes līniju, un tāpēc mitohondriju DNS izmanto senču izpētē.
Otrā: daļa antibiotiku darbojas, traucējot baktēriju ribosomas, un cilvēka mitohondriju ribosomas tām ir radniecīgas. Tieši ar to skaidro atsevišķu antibiotiku grupu blakusparādības dzirdei un nerviem. Šis ir labs piemērs tam, kā šūnas evolūcijas pagātne parādās mūsdienu zāļu drošības jautājumos.