Митохондрия – не просто двухслойный мембранный пузырёк, а можно сказать, клетка внутри клетки, почти живое существо. Митохондрии, согласно теории американской исследовательницы Лины Маргулис, – потомки древних бактерий. На это указывает тот факт, что митохондриальный геном имеет много общего с альфа-пробактериями. На основе данных, полученных в процессе аминокислотного анализа белков, секвенирования генов и анализа метаболических процессов, предполагается, что эукариоты произошли в результате симбиотической ассоциации или слияния анаэробного архибактериального хозяина и альфа-пробактерии (подобной ныне существующим Рикеттсиям), которая развилась в митохондрион. Клетка-хозяин «предоставила» предкам митохондрий кров и защиту, а они отдавали клетке излишек энергии. В связи с этим митохондрии частично сохранили автономность (самоуправление). У митохондрии есть собственный геном (до 10 кольцевых хромосом), она способна размножаться делением. Митохондриальный генетический код несколько отличается от кода хромосом ядра. Есть в митохондриях собственный набор транспортных РНК и ферменты для копирования кольцевой ДНК. М итохондрии отличаются от других органелл тем, что имеют автономную систему биосинтеза белков-ферментов, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования. Для работы митохондрий требуется около 700 различных белков, но только около 5% этих белков синтезируется в них самих (они закодированы в геноме органеллы). Остальные белки они импортируют из цитоплазмы клетки.
Митохондрии наследуются исключительно по материнской линии. Механизм быстрого обнаружения и устранения отцовской митохондрии в зиготе установил в 1999г американский биохимик Сутовски. Эту функцию выполняют протеиновые молекулы убиквитина, которые «помечают» белки, предназначенные для разборки на аминокислоты.
Рис. Схема строения митохондрии: 1-наружная мембрана; 2-внутренняя мембрана; 3-ферменты; 4-кольцевые молекулы ДНК; 5-кристы; 6-рибосомы. (Из кн. Э. Хадорн, Р. Венер «Общая зоология», 1989.)
Митохондриальная хромосома
Митохондриальная ДНК у млекопитающих представляет собой кольцевую молекулу, состоящую из 16569 пар нуклеотидов; в каждой митохондрии может быть 5-10 копий ДНК. Митохондриальная хромосома включает 37 генов: структурные гены, контролирующие синтез двух молекул рРНК, 22 варианта тРНК и 13 различных белков, включая некоторые из ферментов, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования.Митохондриальный геном всех людей, кроме родственников по женской линии, различен. Это связано с тем, что в митохондриальных генах нет интронов, и отсутствуют системы репарации ДНК, вследствие этого мутации мтДНК возникают примерно в 10 раз чаще, чем в ядерных генах. Различия митохондриальной ДНК разных людей дают возможность использовать анализ этой ДНК для генетической идентификации личности и установления родства.
Митохондриальные болезни. В настоящее время в мире функционирует более десяти международных организаций по изучению митохондрий, а на базе Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) проводятся различные научные встречи «Mitochondria». Это обусловлено тем, что в последнее время обнаружена обширная группа болезней, связанных с патологией митохондрии. Сегодня известно более 200 крупных делеций и дупликаций в митохондриальной ДНК, которые оказывают негативное влияние на функционирование этих важнейших органелл.Известно, что инактивация митохондриальных генов в результате мутаций служит причиной различных патологических состояний от наследственной слепоты и глухоты до диабета и старческого слабоумия. Некоторые дефекты митохондрий являются причиной врожденного бесплодия женщин. Все вызванные митохондриальными мутациями болезни передаются по материнской линии, как и сами митохондрии; их каждый человек получает только от своей матери. Есть основания считать, что по мере накопления мутаций мтДНК в соматических клетках индивидуума в них идет процесс разбалансирования, который является одной из основных причин старения организма.
Цитозоль (син. гиалоплазма, основное вещество цитоплазмы, матрикс) – (внутриклеточное пространство внутри клетки) один из важнейших клеточных компартментов (зона, пространство); вместе с цитоплазматическими органеллами образует цитоплазму. Цитозоль – место большей части реакций промежуточного обмена, синтеза белка на свободных рибосомах, синтеза жирных кислот. Являясь коллоидной системой, цитозоль обладает способностью изменять свое физико-химическое состояние (переходы гель←→золь). В состав цитозоля входит вода, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, промежуточные продукты их обмена, а также ферменты и неорганические вещества.
Органелла (органоид) – специализированный для выполнения конкретной функции и метаболически активный элемент цитоплазмы. К органеллам относятся свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, окаймленные пузырьки, лизосомы, цитоскелет, протеасомы.
Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».
Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.
Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)
Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)
В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.
Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.
О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов - против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?
Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston ) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams ) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.
Митохондрия – это двумембранный органоид эукариотической клетки, основная функция которого синтез АТФ – источника энергии для жизнедеятельности клетки.
Количество митохондрий в клетках не постоянно, в среднем от нескольких единиц до нескольких тысяч. Там, где процессы синтеза идут интенсивно, их больше. Также варьирует размер митохондрий и их форма (округлые, вытянутые, спиральные, чашевидные и др.). Чаще имеют округлую вытянутую форму, диаметром до 1 микрометра и длиной до 10 мкм. Могут перемещаться в клетке с током цитоплазмы или оставаться в одном положении. Перемещаются к местам, где больше всего требуется выработка энергии.
Следует иметь в виду, что в клетках АТФ синтезируется не только в митохондриях, но и в цитоплазме в процессе гликолиза . Однако эффективность этих реакций невысока. Особенность функции митохондрий в том, что в них протекают реакции не только бескислородного окисления, но и кислородный этап энергетического обмена.
Другими словами, функция митохондрий – активное участие в клеточном дыхании, к которому относят множество реакций окисления органических веществ, переноса протонов водорода и электронов, идущих с выделением энергии, которая аккумулируется в АТФ.
Ферменты митохондрий
Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют активный транспорт АДФ и АТФ.
В структуре крист выделяют элементарные частицы, состоящие из головки, ножки и основания. На головках, состоящих из фермента АТФазы , происходит синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи.
Компоненты дыхательной цепи находятся в основании элементарных частиц в толще мембраны.
В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кислот.
В результате активности электротранспортной дыхательной цепи ионы водорода поступают в нее из матрикса, а высвобождаются на наружной стороне внутренней мембраны. Это осуществляют определенные мембранные ферменты. Разница в концентрации ионов водорода по разные стороны мембраны приводит к возникновению градиента pH.
Энергию для поддержания градиента поставляет перенос электронов по дыхательной цепи. Иначе ионы водорода диффундировали бы обратно.
Энергия градиента pH используется для синтеза АТФ из АДФ:
АДФ + Ф = АТФ + H 2 O (реакция обратима)
Образующаяся вода ферментативно удаляется. Это, наряду с другими факторами, облегчает протекание реакции слева направо.
Митохондрия (с греческого μίτος (митос) – нить и χονδρίον (хондрион) – гранула) клеточная – двумембранный органоид, содержит свой собственный генетический материал, митохондриальную . Они встречаются как сферические или трубчатые клеточные структуры у почти всех эукариотов, но не у прокариотов.
Митохондрии – это органеллы, которые регенерируют высокоэнергетическую молекулу аденозинтрифосфата через дыхательную цепь. В дополнение к этому окислительному фосфорилированию они выполняют другие важные задачи, например, участвуют в образовании кластеров железа и серы . Строение и функции таких органоидов подробно рассмотрены ниже.
Вконтакте
Общие сведения
Особенно много находится митохондрий в с высоким энергопотреблением. К ним относятся мышечные, нервные, сенсорные клетки и ооциты. В клеточных структурах сердечной мышцы объемная доля этих органоидов достигает 36 %. Они имеют диаметр около 0.5-1.5 мкм и разнообразные формы, от сфер до сложных нитей. Их число корректируется с учетом энергетических потребностей клетки.
Эукариотические клетки, которые теряют свои митохондрии, не могут их восстановить . Существуют также эукариоты без них, например, некоторые простейшие. Количество данных органоидов на клеточную единицу обычно составляет от 1000 до 2000 при объемной доле в 25 %. Но эти значения могут сильно варьироваться в зависимости от типа клеточной структуры и организма. В зрелой клетке спермы их около четырех-пяти, в зрелой яйцеклетке – несколько сотен тысяч.
Митохондрии передаются через плазму яйцеклетки только от матери, что стало причиной исследования материнских линий. В настоящее время установлено, что также через сперму некоторые мужские органоиды импортируются в плазму оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Вероятно, они будут устранены довольно быстро. Однако есть несколько случаев, когда врачи смогли доказать, что митохондрии ребенка были отцовской линии. Заболевания, вызванные мутациями в митохондриальных генах, наследуются только от матери.
Интересно! Популярный научный термин «энергетическая станция клетки» был придуман в 1957 году Филиппом Сикевицем.
Схема строения митохондрии
Рассмотрим особенности строения этих важных структур. Они образованы в результате сочетания нескольких элементов. Оболочка этих органоидов складывается из внешней и внутренней мембраны, они в свою очередь состоят из фосфолипидных бислоев и белков. Обе оболочки отличаются по своим свойствам. Между ними расположено пять различных отсеков: наружная мембрана, межмембранное пространство (промежуток между двумя мембранами), внутренняя, криста и матрикс (пространство внутри внутренней мембраны), в целом – внутренние структуры органоида.
На иллюстрациях в учебниках митохондрия преимущественно выглядит как отдельная бобовидная органелла. Так ли это на самом деле? Нет, они образуют трубчатую митохондриальную сеть , которая может проходить и изменять всю клеточную единицу. Митохондрии в клетке способны сочетаться (путем слияния) и повторно делиться (делением).
Обратите внимание! В дрожжах за одну минуту совершается около двух митохондриальных слияний. Поэтому невозможно точное определение текущей численности митохондрий в клетках.
Внешняя мембрана
Наружная оболочка окружает всю органеллу и включает в себя каналы белковых комплексов, что позволяют обмен молекулами и ионами между митохондрией и цитозолем. Крупные молекулы не могут пройти через мембрану
.
Внешняя, которая охватывает всю органеллу и не свернута, имеет весовое отношение фосфолипида к белку 1:1 и, таким образом, похожа на эукариотическую плазматическую мембрану. Она содержит множество интегральных белков, поринов. Порины образуют каналы, которые обеспечивают свободную диффузию молекул с массой до 5000 дальтон через оболочку. Более крупные белки могут вторгаться, когда сигнальная последовательность на N-конце связывается с большой субъединицей белка транслоксазы, из которой они затем активно перемещаются по мембранной оболочке.
Если трещины возникают во внешней оболочке, белки из межмембранного пространства могут выходить в цитозоль, что может привести к гибели клетки . Наружная мембрана может сливаться с оболочкой эндоплазматического ретикулума, а затем формировать структуру под названием MAM (ER, ассоциированную с митохондрией). Это важно для обмена сигналами между ER и митохондрией, что также необходимо для переноса .
Межмембранное пространство
Участок представляет собой промежуток посреди внешней и внутренней мембраны. Поскольку внешняя обеспечивает свободное проникновение малых молекул, их концентрация, таких как ионы и сахар, в межмембранном пространстве идентична концентрациям в цитозоле. Однако для больших белков требуется передача специфической сигнальной последовательности, так что состав белков различается между межмембранным пространством и цитозолем. Таким образом, белок, который удерживается в межмембранном промежутке, является цитохромом.
Внутренняя мембрана
Внутренняя митохондриальная мембрана содержит белки с четырьмя видами функций:
- Белки – проводят реакции оксидации респираторной цепочки.
- Аденозинтрифосфатсинтаза, которая производит в матрице АТФ.
- Специфические транспортные белки, которые регулируют проход метаболитов между матрицей и цитоплазмой.
- Системы импорта белков.
Внутренняя имеет, в частности, двойной фосфолипид, кардиолипин, замещенный четырьмя жирными кислотами. Кардиолипин обычно характерен для митохондриальных мембран и бактериальных плазматических мембран. В организме человека он в основном присутствует в областях с высокой метаболической активностью или высокой энергетической активностью, таких как сократительные кардиомиоциты, в миокарде.
Внимание! Внутренняя мембрана содержит более 150 различных полипептидов, около 1/8 всех митохондриальных белков. В результате концентрация липидов ниже, чем у внешнего бислоя, и его проницаемость ниже.
Разделяется на многочисленные кристы, они расширяют внешнюю область внутренней митохондриальной оболочки, поднимая ее способность вырабатывать АТФ.
В типичной митохондрии печени, например, внешняя область, в частности кристы, примерно в пять раз превышает площадь наружной мембраны. Энергетические станции клеток, которые имеют более высокие потребности в АТФ, например, мышечные клетки, содержат больше крист, чем типичная митохондрия печени.
Внутренняя оболочка охватывает матрикс, внутреннюю жидкость митохондрии. Он соответствует цитозолю бактерий и содержит митохондриальную ДНК, ферменты цитратного цикла и их собственные митохондриальные рибосомы, которые отличаются от рибосом в цитозоле (но также и от бактерий). Межмембранное пространство содержит ферменты, которые могут фосфорилировать нуклеотиды под потреблением АТФ.
Функции
- Важные пути деградации: цитратный цикл, для которого пируват вводится из цитозоля в матрикс. Затем пируват декарбоксилируют пируватдегидрогеназой до ацетилкофермента А. Другим источником ацетилкофермента А является деградация жирных кислот (β-окисление), которая происходит в клетках животных в митохондриях, но в растительных – только в глиоксисомах и пероксисомах. С этой целью ацилкофермент А переносят из цитозоля путем связывания с карнитином через внутреннюю митохондриальную мембрану и превращают в ацетилкофермента А. Из него большинство восстановительных эквивалентов в цикле Кребса (также известный как цикл Кребса или цикл трикарбоновой кислоты), которые затем превращаются в АТФ в окислительной цепи.
- Окислительная цепь. Установлен электрохимический градиент между межмембранным пространством и митохондриальным матриксом, который служит для получения АТФ с помощью АТФ-синтазы, с помощью процессов переноса электронов и накопления протонов. Электроны и протоны, необходимые для создания градиента, получают путем окислительной деградации из питательных веществ (например, глюкозы), поглощаемых организмом. Первоначально гликолиз происходит в цитоплазме.
- Апоптоз (запрограммированная гибель клеток)
- Хранение кальция: благодаря способности абсорбировать ионы кальция и затем высвобождать их, митохондрии вмешиваются в гомеостаз клетки.
- Синтез кластеров железа-серы, требуемый, среди прочего, многими ферментами дыхательной цепи. Эта функция теперь считается существенной функцией митохондрий, т.е. как это причина, по которой почти все клетки полагаются на энергетические станции для выживания.
Матрикс
Это пространство, включенное во внутреннюю митохондриальную мембрану. Содержит около двух третей общего белка. Играет решающую роль в производстве АТФ с помощью синтазы АТФ, включенной во внутреннюю мембрану. Содержит высококонцентрированную смесь сотен различных ферментов (главным образом, участвующих в деградации жирных кислот и пирувата), митохондриально-специфических рибосом, передаточной РНК и нескольких копий ДНК митохондриального генома.
Данные органоиды имеют свой собственный геном, а также ферментативное оборудование, необходимое для осуществления собственного биосинтеза белка .
Митохондрия Что такое Митохондрия и её функции
Строение и функционирование митохондрий
Вывод
Таким образом, митохондриями называются клеточные электростанции, которые производят энергию и занимают ведущее место в жизни и выживаемости отдельной клетки в частности и живого организма в целом. Митохондрии – это неотъемлемая часть живой клетки, в том числе растительной, которые до конца еще не изучены. Особенно много митохондрий в тех клетках, которым требуется больше энергии.
Митохондрии – преобразователи энергии и её поставщики для обеспечения клеточных функций – занимают значительную часть цитоплазмы клеток и сосредоточены в местах высокого потребления АТФ (например, в эпителии канальцев почки они располагаются вблизи плазматической мембраны (обеспечение реабсорбции), а в нейронах – в синапсах (обеспечение электрогенеза и секреции). Количество митохондрий в клетке измеряется сотнями. Митохондрии имеют собственный геном. Органелла функционирует в среднем 10 суток, обновление митохондрий происходит путем их деления.
Морфология митохондрии
Митохондрии чаще имеют форму цилиндра диаметром 0,2-1 мкм и длиной до 7 мкм (в среднем около 2 мкм). У митохондрий две мембраны – наружная и внутренняя; последняя образует кристы. Между наружной и внутренней мембранами находится межмембранное пространство. Внемембранный объем митохондрии – матрикс.
∙ Наружная мембрана проницаема для многих мелких молекул.
∙ Межмембранное пространство. Здесь накапливаются ионы Н + , выкачиваемые из матрикса, что создает протонный градиент концентрации по обе стороны внутренней мембраны.
∙ Внутренняя мембрана избирательно проницаема; содержит транспортные системы для переноса веществ (АТФ, АДФ, Р 1 , пирувата, сукцината, α-кетоглурата, малата, цитрата, цитидинтрифосфата, ГТФ, дифосфатов) в обоих направлениях и комплексы цепи переноса электронов, связанные с ферментами окислительного фосфорилирования, а также с сукцинатдегидрогеназой (СДГ).
∙ Матрикс. В матриксе присутствуют все ферменты цикла Кребса (кроме СДГ), ферменты β-окисления жирных кислот и некоторые ферменты других систем. В матриксе находятся гранулы с Mg 2+ и Ca 2+ .
∙ Цитохимические маркёры митохондрий – цитохромоксидаза и СДГ.
Функции митохондрий
Митохондрии выполняют в клетке множество функций: окисление в цикле Кребса, транспорт электронов, хемиосмотическое сопряжение, фосфорилирование АДФ, сопряжение окисления и фосфорилирования, функцию контроля внутриклеточной концентрации кальция, синтез белков, образование тепла. Велика роль митохондрий в программированной (регулируемой) гибели клеток.
∙ Теплорепродукция. Естественный механизм разобщения окислительного фосфорилирования функционирует в клетках бурого жира. В этих клетках митохондрии имеют атипичную структуру (уменьшен их объем, увеличена плотность матрикса, расширены межмембранные пространства) – конденсированные митохондрии. Такие митохондрии могут усиленно захватывать воду и набухать в ответ на тироксин, увеличение концентрации Ca 2+ в цитозоле, при этом усиливается разобщение окислительного фосфорилирования, и происходит выделение тепла. Эти процессы обеспечивает специальный разобщающий белок термогенин. Норадреналин из симпатического отдела вегетативной нервной системы усиливает экспрессию разобщающего белка и стимулирует теплопродукцию.
∙ Апоптоз. Митохондрии играют важную роль в регулируемой (программированной) гибели клеток – апоптозе, выделяя их в цитозоль факторы, повышающие вероятность гибели клетки. Одним из них является цитохром С – белок, переносящий электроны между белковыми комплексами во внутренней мембране митохондрий. Выделяясь из митохондрий, цитохром С включается в состав апоптосомы, активирующей каспазы (представители семейства киллерных протеаз).