Синтез АТФ в митохондриях

АТФ или аденозинтрифосфат обеспечивает энергией клетку или живые организмы. Атф необходим клеткам для различных видов деятельности, таких как транспортировка ионов, мышечные сокращения и синтез биомолекул. Синтез АТФ при клеточном дыхании . Окисление дыхательных субстратов, таких как белки, липиды и углеводы, приводит к образованию АТФ. Энергия вырабатывается при их окислении и затем запасается в АТФ в виде высокоэнергетических связей.

Пути синтеза АТФ

В образовании АТФ участвуют четыре стадии. Гликолиз, окисление пирувата, цикл лимонной кислоты или цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.

гликолиз

Процесс расщепления глюкозы для получения энергии известен как гликолиз. Он генерирует две молекулы пирувата, АТФ, НАДН и воду. Нет необходимости в кислороде на протяжении всего процесса, который происходит в цитоплазме клетки. Это испытывают как аэробные, так и анаэробные организмы.

Первый этап клеточного дыхания, имеющий место у всех организмов, называется гликолизом . Цикл Кребса наступает после гликолиза при аэробном дыхании. Небольшие количества АТФ вырабатываются клетками в отсутствие кислорода, поскольку ферментация следует за гликолизом.

Путь гликолиза

Гликолиз — это процесс, при котором глюкоза расщепляется для получения энергии. Он производит две молекулы пирувата, АТФ, НАДН и воду. Для энергоемких действий и реакций, таких как синтез белка, транспорт ионов и реакции, катализируемые киназами, гликолиз генерирует необходимую АТФ.

Синтез АТФ в митохондриях

Окисление пирувата

Митохондриальный матрикс эукариотической клетки является местом окисления пирувата. Эукариоты — это организмы, имеющие ядро, ядерную оболочку и связанные с мембраной органеллы, такие как люди, другие животные, растения и грибы. Органеллы — это отдельные клеточные структуры, выполняющие определенные функции, как и митохондрии. Основная функция митохондрий заключается в выработке энергии, где происходят такие процессы, как окисление пирувата и синтез АТФ. Возможно, самой сложной органеллой в клетке является митохондрия.

Пируват является побочным продуктом гликолиза, который образуется в цитоплазме, поэтому, чтобы достичь митохондриального матрикса, он должен пройти как через внешнюю, так и через внутреннюю митохондриальную мембраны. Что находится в митохондриях?

• Наружная мембрана
• Межмембранное пространство
• Внутренняя мембрана с кристами (складки)
• Матрица

Митохондриальный матрикс, самая внутренняя область митохондрий, где происходит окисление пирувата. Окисление пирувата происходит в цитоплазме прокариот (животных без узнаваемого ядра или органелл, прикрепленных к мембранам).

Лимонная кислота или цикл Кребса

Ганс Кребс впервые представил цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Коэнзимы восстанавливаются, а ацетил-КоА окисляется в многоступенчатом ферментативном процессе. Это происходит в митохондриальной матрице.

Это общий путь полного окисления белков, липидов и углеводов, поскольку они превращаются в ацетилкофермент А или другие промежуточные продукты цикла. В цикле трикарбоновых кислот или цикле лимонной кислоты образуется ацетил-КоА. Этот метод полностью окисляет глюкозу. Оксалоацетат, 4-углеродная молекула, и ацетил-КоА взаимодействуют с образованием цитрата 6C. Во время этой процедуры высвобождаются две молекулы CO ₂ , а оксалоацетат рециркулируется. АТФ и другие высокоэнергетические вещества, такие как НАДН и ФАДН _2, являются запасами энергии.

Окислительного фосфорилирования

В процессе окислительного фосфорилирования энергия превращается в АТФ последовательностью белковых комплексов, расположенных внутри внутренней мембраны митохондрий (цепь переноса электронов и АТФ-синтаза).

АТФ-синтаза

Два компонента составляют АТФ-синтазу. F ₀ представляет собой часть, заключенную внутри митохондриальной мембраны (у эукариот), тилакоидной мембраны (только у растений) или плазматической мембраны (у прокариот). Ионы H ⁺ , которые движутся через мембрану, приводят в действие этот двигатель. F ₁ -АТФаза представляет собой компонент, находящийся внутри митохондрий, стромы хлоропласта или внутри бактериальной или архейной клетки. Это еще один двигатель, производящий АТФ. Считается, что эти два компонента когда-то были двумя отдельными структурами с двумя разными ролями, прежде чем они превратились в АТФ-синтазу.

Область F ₁ -ATPase сравнима с H ⁺ моторами, которые обеспечивают движение жгутиков, похожих на руки придатков у некоторых бактерий, а область F ₀ сравнима с геликазами ДНК (ферментами, расщепляющими ДНК, чтобы ее можно было использовать в качестве шаблон для репродукции). АДФ и Pi превращаются в АТФ центральным стеблем и ротором F1-АТФазы, когда она вращается. Это визуализация структуры АТФ-синтазы. F ₀ показан синим и фиолетовым цветом, а F1-АТФаза показана красным.

Синтез АТФ

Для образования АТФ используются различные процессы, в том числе клеточное дыхание в митохондриях, фотосинтез в хлоропластах растений и транслокация АТФ через внутреннюю мембрану бактерий и архей, у которых отсутствуют митохондрии. Хотя разные типы организмов имеют разные способы производства АТФ, все они используют одни и те же основные этапы.

В митохондриях эукариот молекулы НАДН и ФАДН ₂ являются продуктами цикла лимонной кислоты, транспортируют электроны через три отдельных белковых комплекса и высвобождают электронтранспортную цепь. В результате высвобождается энергия, и эта энергия позволяет протонам (ионам Н ⁺ ) двигаться через белковые комплексы, служащие протонными насосами, по протонному градиенту. Ротор и ножка АТФ-синтазы поворачиваются потоком этих протонов вниз по градиенту, позволяя фосфатной группе соединиться с аденозиндифосфатом (АДФ) с образованием АТФ.

Аналогичные процессы происходят и в хлоропластах, за исключением того, что энергия света используется для возбуждения электронов, что заставляет их двигаться по электрон-транспортной цепи и позволяет ионам Н+ проходить через мембрану. Поскольку способность вырабатывать АТФ была у общего предка всех живых существ, эти приемы сходны у самых разных организмов.

Часто задаваемые вопросы о процессе синтеза АТФ

Вопрос 1: Что такое полная форма АТФ?

Отвечать:

ATP (Adenosine triphosphate). 

Вопрос 2: Сколько АТФ образуется в цикле Кребса?

Отвечать:

In one Krebs Cycle, two ATPs are generated. The Krebs cycle produces 4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH₂, and 2 ATPs for fully oxidizing a glucose molecule.

Вопрос 3: Сколько НАДН вырабатывается в цикле Кребса?

Отвечать:

Three molecules of NADH are created during one cycle of the Krebs cycle. A glucose molecule will produce 4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH_2, and 2 ATPs via the Krebs cycle.

Вопрос 4: Как синтезируется АТФ в митохондриях?

Отвечать:

Through oxidative phosphorylation in the mitochondria, the majority of the adenosine triphosphate (ATP) created during glucose metabolism is produced. This intricate reaction is driven by the proton gradient produced by mitochondrial respiration across the inner membrane of the cell.

Вопрос 5: Что такое гликолиз?

Отвечать:

Glycolysis is the process in which glucose is broken down to produce energy.