Кратко и по существу — основные последствия нарушения митохондрий для обмена веществ и энергетического баланса клетки:
- Снижение окислительного фосфорилирования и ATP:
- Нарушена работа дыхательной цепи и ATP-синтазы → падает синтез ATP (нормально на окислительном фосфорилировании получают примерно $\approx 30\text{–}32$ ATP на одну молекулу глюкозы, при отдаче преимущественно в гликолизе — только $2$ ATP).
- Основная реакция синтеза: $\text{ADP}+{\text{P}}_i\to \text{ATP}$ работает хуже → снижается энергетический заряд клетки, который можно записать как $\text{EC}=\frac{[\text{ATP}]+0.5[\text{ADP}]}{[\text{ATP}]+[\text{ADP}]+[\text{AMP}]}$.
- Сдвиг в сторону анаэробного метаболизма (компенсация):
- Клетка усиливает гликолиз и лактат‑ферментацию → повышается образование лактата и потребление глюкозы (метаболическая перестройка, похожая на эффект Варбурга).
- Общее производство ATP остаётся ниже требуемого для энергозатратных процессов.
- Изменение редокс‑баланса:
- Накопление NADH и повышение соотношения $\text{NADH}/{\text{NAD}}^{+}$ нарушает действенность дегидрогеназ и анаболических путей, которые зависят от NAD${}^{+}$.
- Ухудшение окисления субстратов (ТЦК, β‑окисление) → накопление метаболитов (ацил‑СoA, триглицериды, промежуточные карбоновые кислоты).
- Повышение образования реактивных форм кислорода (ROS):
- Частичный «утёк» электронов в дыхательной цепи даёт ROS → повреждение липидов, белков, ДНК, ингибирование ферментов и усиление воспалительных сигналов.
- ROS способствует выходу цитохрома c из митохондрий и запуску апоптоза.
- Нарушение апоптоза и кальциевой гомеостазы:
- Потеря мембранного потенциала митохондрий и пермеабилизация мито‑мембраны → релиз проапоптотических факторов (например, цитохром c) → активация каспаз.
- Митохондрии плохо буферизуют Ca${}^{2+}$ → цитозольный Ca${}^{2+}$ повышается, что меняет сигнальные пути и может приводить к некрозу/апоптозу.
- Сигнальные и метаболические последствия (AMPK / mTOR и пр.):
- Падение ATP → рост AMP/ATP → активация AMPK → ингибирование mTOR и анаболизма, переключение на катаболизм и автophagy/митофагию.
- Хроническая митохондриальная дисфункция вызывает метаболическую репрограммировку (изменение синтеза нуклеотидов, липидов, белков).
- Ткани с высоким энергетическим спросом страдают сильнее:
- Нейроны, кардиомиоциты, скелетные мышцы быстро теряют функцию при дефиците митохондриального ATP.
Итог: нарушение митохондрий лишает клетку основного источника ATP, меняет редокс‑соотношения, повышает ROS, вызывает компенсаторный переход на менее эффективный гликолиз, запускает сигнальные реакции (AMPK, апоптоз, митофагию) и в итоге приводит к нарушению синтеза, роста и/или гибели клетки.