Мы знаем, что молекула АТФ является универсальным аккумулятором химической энергии в клетке. В митохондриях эти АТФ производятся, после чего поступают в цитоплазму клетки и используются для совершения огромного множества всех клеточных процессов.
Но как именно митохондрии производят АТФ? Это ОЧЕНЬ интересный процесс. И очень сложный. Поэтому сейчас давай в самом общем виде поймем — как это все происходит.
Прибор, который производит молекулы АТФ, называется довольно хитро: F₁F₀-АТФ-синтаза. Сейчас разберемся, почему эта АТФ-синтаза называется именно так.
Посмотри на картинку внизу. Слева — схематическое изображение бактериальной F₁F₀-АТФ-синтазы. Все F₁F₀-АТФ-синтазы построены примерно одинаковым образом, поэтому F₁F₀-АТФ-синтазы в наших митохондриях работают так же.
Видишь — справа есть обозначения F₀ и F₁? Они обозначают две части, иначе говоря — два домена этого сложного белкового комплекса. Верхняя часть — F₀ — закреплена в мембране митохондрии. А нижняя часть — F₁ — погружена в ее цитоплазму, т.е. находится внутри митохондрии.
Как видно, в состав домена F₀ входит кольцо субъединиц, обозначенных буквами «с». Их бывает от 10 до 14 штук в этом кольце.
Кольцо из субъединиц «с» жестко соединено с лежащей под ними субъединицей гамма: «γ». С другой стороны, это кольцо соединено сбоку сложным образом с субъединицей «а». «А» плотно зафиксирована в мембране митохондрии, а кольцо из с-субъединиц вращается. Соответственно вместе с ним вращается и гамма.
Ну как, получатся представить? С-кольцо вращается вместе с жестко привязанной к нему гаммой, и эта вращающаяся конструкция удерживается в мембране с помощью «а».
Дальше все происходит таким образом:
1. Сначала каждый элемент «с» из с-кольца захватывает себе отдельный протон.
2. За счет электростатического притяжения протон втягивается внутрь митохондрии
3. В процессе своего движения протон ударяется во внутренние лопасти субъединицы гамма и вращает ее. Соответственно начинает вращаться весь комплекс с-кольца и гаммы.
4. Гамма представляет собой длинный крюк, уходящий вглубь F₁. По мере того, как гамма вращается, ее нижняя изогнутая часть скользит по внутренней поверхности комплекса альфа-бета α/β домена F₁.
5. Нижняя часть гаммы довольно плотно упирается в стенки α/β-комплекса, так что она просто выпихивает наружу молекулы АТФ. Соответственно в комплексе α/β возникает дырка.
6. Эта дырка устроена таким образом, что она притягивает к себе АДФ (аденозин-ДИ-фосфат, имеющий два фосфатных куска) и еще один фосфат. И происходит вот что: АДФ и отдельный фосфат соединяются, и образуется новый АТФ, который будет выпихнут наружу из α/β при новом повороте гаммы.
Получается, что сначала химическая энергия (имеющая электрическую природу), за счет которой протоны движутся внутрь митохондрии, преобразуется в механическую энергию вращения с-кольца и гаммы, а затем механическая энергия вращения снова преобразуется в химическую энергию, заключенную в молекулах АТФ.
Удивительно то, что КПД такого электро-механического двигателя почти что равно 100%. Нашим механикам остается плакать слезами белой зависти, глядя на такой поразительно эффективный механизм передачи энергии.
Вращается с-кольцо очень быстро — около 100 поворотов в секунду! Так что процесс производства АТФ идет очень быстро в каждой такой АТФ-синтазе, а ведь их в мембране каждой митохондрии огромное количество, и самих митохондрий в каждой клетке бывает по несколько сотен, а то и тысяч. Так что в каждой нашей клетке работают огромное множество таких микрофабрик, производящих АТФ.
За 75 лет обычный сидячей жизни каждый человек весом в 70 килограмм производит 2000 тонн АТФ. Две тысячи тонн АТФ!!
Интересно, что эта синтаза может работать в обе стороны! То есть когда нашей клетке вдруг потребуется для определенных целей иметь высокую концентрацию протонов, F₁F₀-АТФ-синтаза начинает работать в обратную стороны — АТФ будут затрачиваться, а протоны — высвобождаться во внутриклеточное пространство вне митохондрии.