Митохондрии это простыми словами что такое простыми

Активность митохондрий – залог вашего здоровья!

Наверняка каждый из нас без труда вспомнит схематическую картинку из школьного учебника биологии, которая изображает клетку и ее содержимое. Большое круглое ядро в центре и множество различных более мелких органелл, расположенных вокруг. Но если вы в дальнейшем не связали свою жизнь с биологией или медициной, то вряд ли вспомните названия этих органелл. Кроме, уверены, одной – митохондрии. Эдакие толстенькие сардельки, пассивно плавающие в клетке. Ну, по крайней мере, так считалось ранее и именно об этом рассказывали учителя в школе. Однако, как выяснилось, митохондрии ведут куда более активную и насыщенную жизнь, и от их здоровья зависит намного больше, чем мы считали еще недавно.

Как человечество «знакомилось» с собственными митохондриями

В изучении этих органелл можно с некоторыми условностями выделить четыре этапа:

Что такое митохондриальная динамика и зачем она нужна?

Само открытие этой интенсивной активности митохондрий резко изменило наше представление о работе этих органелл. Ученые сразу же задались двумя вопросами: за счет чего происходят все эти изменения и что они дают? Ответ на первый вопрос частично уже получен – за слияние, деление и другие процессы, происходящие с митохондриями отвечают сложные биохимические механизмы и, в частности, целое семейство специальных белков-динаминов.

Куда более интересным представляются исследования, посвященные поиску ответа на второй вопрос: раз это все с митохондриями происходит, то ведь явно неспроста! В этом просто обязан быть какой-то глубокий биологический смысл. Какой?

Один из эффектов, которые дает митохондриальная динамика, лежит на поверхности. Именно с ее помощью регулируется форма и размеры митохондрий. Так, например, уже известно, что если клетка испытывает стресс (скажем, при кислородном голодании или при избытке свободных радикалов), то митохондрии в ней начинают делиться и становиться все мельче. А если клетке в данный момент времени требуется повышенный приток энергии, то ее митохондрии способны сливаться в длинные и сложные нитеобразные структуры, образуя, так называемую, «энергетическую сеть».

Не только форма, но и качество!

Однако роль митохондриальной динамики в изменениях формы и размера этих органелл – еще не самое интересное! Исследования последних лет убедительно продемонстрировали, что слияние и деление митохондрий эффективно поддерживает их качество.

Поясним чуть подробнее. Митохондрии – это постоянно работающие органеллы, выполняющие огромное количество важнейших функций, от которых зависит состояние как отдельной клетки, так и всего организма. Однако, в силу такой высокой активности, митохондрии также подвержены и высокому риску повреждений. Ученые давно выделили целый список факторов, которые негативно отражаются на здоровье митохондрий. Это могут быть как внутренние причины, например, оксидативный стресс, так и внешние – скажем, пищевые интоксикации, неблагоприятные экологические условия, вредные привычки и многое другое.

Наиболее уязвимы к повреждениям те части митохондрий, которые работают наиболее интенсивно. В первую очередь, к ним относятся внутренние и внешние мембраны, а также расположенные на них ферментные белковые комплексы. Это именно те структуры, на которых и происходят процессы внутриклеточного дыхания, а значит и выработка всей необходимой нам для жизни энергии. Соответственно, чем выше уровень таких повреждений, тем больше энергетический дефицит в клетке, в органе и во всем нашем теле. Вдобавок, еще одной структурой, которая подвержена повреждениям, является митохондриальная ДНК. А ведь именно от нее зависит правильность создания многих из вышеупомянутых белков-ферментов, нужных для выработки энергии.

Но какую роль тут играет митохондриальная динамика? Определяющую! Как доказали современные исследователи, именно в процессе слияния и деления митохондрий происходит обновление и восстановление всех тех структур, о которых мы упомянули. Ученые назвали это красивым словом «рекомбинация». Смысл этого термина в том, что при слиянии и делении митохондрий поврежденные участки мембран и ДНК, а также окисленные свободными радикалами белковые комплексы изымаются из общей структуры органеллы. И в дальнейшем митохондрия заново достраивает новые, целые и, что самое главное, полноценно функционирующие участки.

Митофагия – все ненужное в переработку!

Митохондриальная динамика обеспечивает обновление и восстановление внутренней структуры митохондрий за счет одного удивительного факта: сегрегации поврежденных участков. Это означает, что если мы проследим за несколькими похожими и частично поврежденными митохондриями, и отметим, что они сначала сливались, а потом делились, то, очевидно, что на выходе мы также увидим некоторое число этих органелл. Однако, они уже не будут «равномерно одинаковыми». Значительная часть из них будет обладать функционально полноценными мембранами, белками и ДНК. А большинство поврежденных участков будет сосредоточено всего в нескольких новообразованных митохондриях. То есть, дефектные структуры, не подлежащие восстановлению, каким-то образом выделяются и «сбрасываются» всего в несколько дефектных же органелл. Факт того, что это работает именно так, подтвержден исследованиями. Однако, механизм этой сегрегации пока еще непонятен современной науке.

И вот тут внимательный читатель спросит: а что же происходит с теми митохондриями, которые «собрали» в себе большинство поврежденных участков? Здесь включается еще один механизм, относящийся к митохондриальной динамике – митофагия. Такая митохондрия аккуратно разрушается специальными органеллами клетки, ее содержимое разбирается до молекулярного уровня, а потом эти «кирпичики» используются для построения других внутриклеточных структур.

Митохондриальная динамика и наше здоровье

Согласно современным воззрениям в цитологии и биохимии, правильная и активная митохондриальная динамика важна не только для состояния конкретной клетки, но и для нормальной работы всего нашего организма. Так, например, было доказано, что нарушения процессов слияния или деления митохондрий играют роль в развитии таких заболеваний, как:

Вдобавок, как мы сказали выше, одна из неотъемлемых частей митохондриальной динамики – это митофагия, то есть процесс разрушения митохондрий. И именно митофагия, как выяснили ученые, играет важную роль в запуске апоптоза – контролируемой клеточной гибели. Подчеркнем: контролируемой, то есть, необходимой для обновления тканей нашего организма.

Более того, апоптоз представляет собой важнейший инструмент нашей внутренней защиты от онкологических заболеваний. Когда клетка мутирует и превращается в злокачественную, сложный биохимический механизм контроля должен отследить эти изменения и запустить процесс масштабной митофагии. В результате клетка в норме должна погибнуть, что предотвратит развитие полноценного злокачественного новообразования. Если же митохондриальная динамика нарушена, то риск развития раковой опухоли существенно увеличивается.

Можно ли как-то поддержать митохондриальную динамику?

Да, можно. Более того, для этого сегодня уже имеются способы и средства, имеющие научно подтвержденную эффективность. Так, к примеру, было продемонстрировано, что натуральным стимулятором митохондриальной динамики является вещество под названием уролитин А.

При исследовании возможностей уролитина А по обновлению и восстановлению митохондриального пула клеток ученые сначала столкнулись с затруднением. Дело в том, что это вещество не встречается в готовом виде в природе. И здесь был найден изящный выход: использование наших внутренних симбионтов – кишечной микрофлоры.

Именно на этом новаторском принципе основаны современные средства для поддержания митохондриального здоровья. Таким средством, например, является функциональный продукт здорового питания T8 Mit Up, который выпускает компания VILAVI INT LTD. Основой активной формулы T8 Mit Up служат соединения, относящиеся к классу эллаготаннинов. Попадая в желудок, они под действием желудочного сока распадаются с образованием эллаговой кислоты. Далее она транспортируется в кишечник, где становится питательным субстратом, который перерабатывает наша микрофлора. Одним из продуктов этой переработки и становится уролитин А.

Молекулы этого соединения имеют небольшие размеры, а потому они легко всасываются в кровь и разносятся по всему организму. Попадая в клетки, уролитин А стимулирует процессы слияния и деления митохондрий, а также увеличивает скорость митофагии. Как было показано в ряде экспериментов, приток уролитина А и активация им митохондриальной динамики усиливали выработку энергии в клетках, увеличивали продолжительность жизни модельных организмов, а также улучшали их физические и когнитивные функции.

Что еще поможет защитить наши митохондрии?

Несложно заметить, что эффективность выработки уролитина А зависит еще и от здоровья сапрофитной микрофлоры кишечника. Именно поэтому наибольшую эффективность T8 Mit Up покажет при комплексном использовании с еще одним продуктом компании VILAVI – метабиотиком T8 Mobio. О том, чем полезен это средство нового поколения для поддержания здоровья микробиоты, вы можете подробнее узнать из ранее опубликованной нами статьи.

Кроме того, следует обязательно упомянуть о том, что в состав T8 Mit Up входят не только эллаготаннины, но и комплекс SibXP, включающий полипреноловые спирты, клеточный сок пихты и хвойную пасту CGNC. Эти вещества обладают выраженной антиоксидантной активностью. А как мы уже упоминали ранее, именно оксидативный стресс и является одной из самых частых причин повреждения митохондрий. Таким образом получается, что T8 Mit Up действует сразу по двум направлениям:

Когда стимуляция митохондриальной динамики будет особенно полезной?

Прежде всего, такая необходимость возникает у тех, кто подвергается повышенному риску повреждения митохондрий. К сожалению, сегодня к этой группе можно отнести практически всех жителей мегаполисов. Ведь на них нередко действуют один или даже несколько таких факторов, как:

Все перечисленные факторы ухудшают работу митохондриального пула клеток. А это в конечном итоге приводит к энергетическому истощению организма и, более того, может становиться причиной развития множества заболеваний. В то же время слияние, деление и митофагия – основной механизм обновления и восстановления митохондрий. А потому периодический прием таких продуктов, как T8 Mit Up – эффективный и современный метод, обеспечивающий поддержание митохондриального здоровья.

Источник

Митохондрии

Человеческие клетки содержат в среднем 1500 митохондрий.Их особенно много в клетках с интенсивным метаболизмом (например, в мускулах или печени).

Митохондрии подвижны и перемещаются в цитоплазме в зависимости от потребностей клетки. Благодаря наличию собственной ДНК они размножаются и самоуничтожаются независимо от деления клетки.

Клетки не могут функционировать без митохондрий, без них жизнь не возможна.

Различный типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Особенно много крист имеют митохондрии в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной мышце. Вариации митохондрий по форме, что зависит от их функционального состояния, могут наблюдаться и в тканях одного типа. Митохондрии — изменчивые и пластичные органеллы.

Также упомянем, что существенно упростилась сама структура митохондриальной ДНК, так как многие составные части процесса транскрипции (чтения) ДНК были утеряны, вследствие чего исчезла необходимость в особом структурировании митохондриального кода. Белки-полимеразы, осуществляющие транскрипцию (чтение) и репликацию (удвоение) митохондриальной ДНК, кодируются не в ней самой, а в ядре.

В день преобразовывается 40 кг. АТФ.Энергия в клетке может принимать различные формы. Принцип действия клеточного механизма – преобразование потенциальной энергии в энергию, которую может напрямую использовать клетка.Потенциальные виды энергии попадают в клетку через питание в виде углеводов, жиров и белковКлеточная энергия состоит из молекулы называемой АТФ: Аденозинтрифосфат. Она синтезируется в результате преобразования углеводов, жиров и белков внутри митохондрии.За день в организме взрослого человека синтезируется и распадается эквивалент 40 кг АТФ.В митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название «окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот путем ;-окисления и частично цикл мочевины. Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют наряду с ЭР как депо ионов кальция, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Са2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л).

Поврежденная митохондриальная ДНК за несколько месяцев порождает более 30 подобных себе митохондрий, т.е. с теми же повреждениями.

Восстановление функций метахондрия и ограничение процессов приводящих к старению возможно при применении коэнзима Q10. В результате проведенных экспериментов было установлено замедление процессов старения и увеличение продолжительности жизни у некоторых многоклеточных организмов в результате введения добавок CoQ10.

Q10 (CoQ10) — это «свеча зажигания» человеческого организма: так же, как автомобиль не может работать без пусковой искры, организм человека не может обойтись без CoQ10. Это самый важный компонент митохондрий, вырабатывающий энергию, которая нужна клеткам для деления, перемещения, сокращения и выполнения всех прочих функций. CoQ10 также играет важную роль в выработке аденозинтрифосфата (АТФ) — энергии, которая приводит в движение все процессы в организме. Более того, CoQ10 — это очень важный антиоксидант, который защищает клетки от повреждений.

Хотя наш организм может вырабатывать CoQ10, он не всегда производит его в достаточном количестве. Поскольку мозг и сердце входят в число самых активных тканей организма, дефицит CoQ10 негативно влияет на них в наибольшей степени и может привести к серьезным проблемам с этими органами. Дефицит CoQ10 могут вызвать различные причины, в том числе плохое питание, генетические или приобретенные дефекты и, к примеру, повышенная тканевая потребность. Сердечно-сосудистые заболевания, включая высокие уровни холестерина и повышенное артериальное давление, также требуют увеличения уровня CoQ10 в тканях. Кроме того, поскольку уровни CoQ10 снижаются с возрастом, людям старше 50 лет может потребоваться больше этого вещества. Многие исследования показали, что ряд лекарственных препаратов (прежде всего гиполипидемические лекарственные средства, такие как статины) снижают уровень CoQ10.

Учитывая ключевую роль CoQ10 в митохондриальной функции и защите клеток, этот кофермент может быть полезен при наличии целого ряда проблем со здоровьем. CoQ10 может принести пользу при наличии такого широкого перечня болезней, что нет никаких сомнений в его важности как питательного вещества. CoQ10 является не только антиоксидантом общего действия, но и может помочь при наличии следующих заболеваний:

Сердечно-сосудистые заболевания: высокое кровяное давление, застойная сердечная недостаточность, кардиомиопатия, защита во время хирургических операций на сердце, высокий уровень холестерина, который лечат с помощью медикаментов, особенно статинов
Рак (для повышения иммунной функции и/или компенсации побочных эффектов химиотерапии)
Сахарный диабет
Мужское бесплодие
Болезнь Альцгеймера (профилактика)
Болезнь Паркинсона (профилактика и лечение)
Парадонтоз
Дегенерация желтого пятна

Исследования на животных и людях подтвердили полезность CoQ10 при всех вышеуказанных заболеваниях, особенно сердечно-сосудистых. В самом деле, исследования показали, что 50–75 процентов людей с различными заболеваниями сердечно-сосудистой системы страдают от дефицита CoQ10 в сердечных тканях. Устранение этого недостатка часто может приводить к драматическим результатам у пациентов с какой-либо болезнью сердца. Например, было доказано, что дефицит CoQ10 имеет место у 39 процентов пациентов с высоким артериальным давлением. Только этот вывод обуславливает необходимость приема добавок с CoQ10. Однако, как представляется, преимущества CoQ10 не ограничиваются устранением сердечно-сосудистой недостаточности.

Проведенное в 2009 году исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Pharmacology & Therapeutics, дает основания предположить, что воздействие CoQ10 на артериальное давление становится заметным только через 4–12 недель после лечения и типичное снижение систолического и диастолического артериального давления у больных с высоким давлением является довольно скромным — в пределах 10 процентов.

Статиновые препараты, такие как Crestor, Lipitor, и Zocor, действуют путем ингибирования фермента, который необходим печени для выработки холестерина. К сожалению, они также блокируют выработку других веществ, необходимых для функционирования организма, в том числе CoQ10. Это может объяснить наиболее часто встречающиеся побочные эффекты данных препаратов, особенно усталость и мышечные боли. В одном крупном исследовании ENDOTACT, итоги которого были опубликованы в International Journal of Cardiology в 2005 году, было продемонстрировано, что статиновая терапия значительно снижает уровень CoQ10 в плазме крови, но это снижение можно предотвратить с помощью приема добавки со 150 мг CoQ10. Кроме того, добавки с CoQ10 значительно улучшают функцию выстилки кровеносных сосудов, что является одной из ключевых целей при лечении и профилактике атеросклероза.

В двойных слепых исследованиях было продемонстрировано, что прием добавок с CoQ10 был весьма полезным для некоторых пациентов с болезнью Паркинсона. У всех пациентов в этих исследованиях были три основных симптома болезни Паркинсона — тремор, ригидность и замедление движения, и диагноз заболевания был поставлен им в течение последних пяти лет.

В 2005 году исследование, опубликованное в Archives of Neurology, также показало замедление снижения функциональности у пациентов с болезнью Паркинсона, которые принимали CoQ10. После первоначальной проверки и исходных анализов крови пациенты были разделены случайным образом на четыре группы. Три группы получали CoQ10 в разных дозах (300 мг, 600 мг и 1200 мг в день) в течение 16 месяцев, в то время как четвертая группа получала плацебо. Группа, которая принимала дозу 1200 мг, показала меньшее ухудшение психических и двигательные функций и способности осуществлять повседневные действия, такие как кормление или одевание себя. Наибольший эффект был отмечен в повседневной жизни. У групп, которые получали 300 мг и 600 мг в день, инвалидность развилась в меньшей степени, чем в группе плацебо, но и результаты у членов данных групп были менее кардинальными, чем у тех, кто получал самую высокую дозировку препарата. Эти результаты показывают, что благотворного влияния CoQ10 при болезни Паркинсона можно достичь при наиболее высоких дозах приема препарата. Ни у кого из пациентов не были отмечены какие-либо существенные побочные эффекты.

Кофермент Q10 является очень безопасным. Никогда не сообщалось о серьезных побочных эффектах даже при его длительном применении. Поскольку безопасность во время беременности и лактации не была подтверждена, CoQ10 не следует использоваться в эти периоды, если только врач не установит, что клинические результаты перевешивают риски. Я обычно рекомендую принимать от 100 до 200 мг CoQ10 в день. Для наилучшего усваивания мягких желатиновых капсул их следует принимать с едой. При более высоких уровнях дозировки лучше принимать препарат разделенными дозами, а не одной дозой (лучше по 200 мг три раза в день, чем сразу все 600 мг).

Источник

Митохондрия

Митохо́ндрия (от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зёрнышко, крупинка) — двумембранная гранулярная или нитевидная органелла толщиной около 0,5 мкм. Характерна для большинства эукариотических клеток как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные). Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ, который происходит за счёт движения электрона по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны. Количество митохондрий в клетках различных организмов существенно отличается: так, одноклеточные зелёные водоросли (эвглена, хлорелла, политомелла) и трипаносомы имеют лишь одну гигантскую митохондрию, тогда как ооцит и амёба Chaos chaos содержат 300 000 и 500 000 митохондрий соответственно; у кишечных анаэробных энтамёб и некоторых других паразитических простейших митохондрии отсутствуют.

Содержание

Происхождение митохондрий

В соответствии с теорией симбиогенеза, митохондрии появились в результате захвата примитивными клетками (прокариотами) бактерий. Клетки, которые не могли сами использовать кислород для генерации энергии, имели серьёзные ограничения в возможностях развития; бактерии же (прогеноты) могли это делать. В процессе развития таких отношений прогеноты передали множество своих генов сформировавшемуся, благодаря повысившейся энергоэффективности, ядру теперь уже эукариот. [1] Вот почему современные митохондрии больше не являются самостоятельными организмами. Хотя их геном кодирует компоненты собственной системы синтеза белка, многие ферменты и белки, необходимые для их функции, кодируются хромосомами, синтезируются в клетке и только потом транспортируются в органеллы.

Митохондрии в клетке

Впервые митохондрии обнаружены в виде гранул в мышечных клетках в 1850 году. Число митохондрий в клетке непостоянно. Их особенно много в клетках, в которых потребность в кислороде велика. По своему строению они представляют собой цилиндрические органеллы, встречающиеся в эукариотической клетке в количестве от нескольких сот до 1-2 тысяч и занимающие 10-20 % её внутреннего объёма. Сильно варьируют так же размеры (от 1 до 70 мкм) и форма митохондрий. При этом ширина этих органелл относительно постоянна (0,5-1 мкм). Способны изменять форму. В зависимости от того, в каких участках клетки в каждый конкретный момент происходит повышенное потребление энергии, митохондрии способны перемещаться по цитоплазме в зоны наибольшего энергопотребления, используя для движения структуры цитоскелета эукариотической клетки.

Альтернативой множеству разрозненных небольших митохондрий, функционирующих независимо друг от друга и снабжающих АТФ небольшие участки цитоплазмы, является существование длинных и разветвлённых митохондрий, каждая из которых может энергетически обеспечивать отдалённые друг от друга участки клетки (например, у одноклеточных зелёных водорослей Chlorella). Вариантом такой протяжённой системы может также являться упорядоченное пространственное объединение множества митохондрий (хондриом или митохондрион), обеспечивающее их кооперативную работу и встречающееся как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Особенно сложно этот тип хондриома устроен в скелетных мышцах млекопитающих, где группы гигантских разветвлённых митохондрий связаны друг с другом с помощью межмитохондриальных контактов (ММК). Последние образованы плотно прилегающими друг к другу наружными митохондриальными мембранами, в результате чего межмембранное пространство в этой зоне имеет повышенную электронную плотность. Особенно обильно ММК представлены в клетках сердечных мышц, где они связывают множественные отдельные митохондрии в согласованную работающую кооперативную систему.

Структура митохондрий

Наружная мембрана

Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм, не образует впячиваний и складок, и замкнута сама на себя. На наружную мембрану приходится около 7 % от площади поверхности всех мембран клеточных органелл. Основная функция — отграничение митохондрии от цитоплазмы. Наружная мембрана митохондрии состоит из билипидного слоя и пронизывающих его белков; соотношение липидов и белков по массе — примерно 1:1. Особую роль играет порин — каналообразующий белок: он формирует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа. Крупные молекулы могут пересекать наружную мембрану только посредством активного транспорта через транспортные белки митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов: монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А₂. Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.

Межмембранное пространство

Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Его толщина — 10-20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме. Напротив, крупным белкам для транспорта из цитоплазмы в периплазматическое пространство необходимо иметь специфические сигнальные пептиды; поэтому белковые компоненты периплазматического пространства и цитоплазмы различны. Одним из белков, содержащихся в периплазматическом пространстве, является цитохром c — один из компонентов дыхательной цепи митохондрий.

Внутренняя мембрана

Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности и, например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран. Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина — особого фосфолипида, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. Внутренняя мембрана митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Матрикс

Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.

Митохондриальная ДНК

Находящаяся в матриксе митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, в клетках человека имеющую размер 16569 нуклеотидных пар, что приблизительно в 10 5 раз меньше ДНК, локализованной в ядре. В целом митохондриальная ДНК кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи, что составляет не более половины обнаруживаемых в ней белков. В частности, под контролем митохондрального генома кодируются семь субъединиц АТФ-синтетазы, три субъединицы цитохромоксидазы и одна субъединица убихинол-цитохром-с-редуктазы. При этом все белки, кроме одного, две рибосомные и шесть тРНК транскрибируются с более тяжёлой (наружной) цепи ДНК, а 14 других тРНК и один белок транскрибируются с более лёгкой (внутренней) цепи.

На этом фоне геном митохондрий растений значительно больше и может достигать 370000 нуклеотидных пар, что примерно в 20 раз больше описанного выше генома митохондрий человека. Количество генов здесь также примерно в 7 раз больше, что сопровождается появлением в митохондриях растений дополнительных путей электронного транспорта, не сопряжённых с синтезом АТФ.

Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, что частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время же клеточного цикла митохондрии делятся надвое путём перетяжки, образование которой начинается с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить то, что в митохондриях животных и грибов нередки отклонения от универсального генетического кода. Так, в митохондриях человека кодон ТАТ вместо изолейцина в стандартном коде кодирует аминокислоту метионин, кодоны ТСТ и ТСС, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует аминокислоту метионин. Что касается митохондрий растений, то, по-видимому, они используют универсальный генетический код. Другой чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК, заключающаяся в том, что одна подобная молекула способна узнавать не один, но сразу три или четыре кодона. Указанная особенность снижает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что митохондрии требуется меньшее разнообразие типов тРНК. При этом достаточным количеством оказываются всего 22 различных тРНК.

Имея собственный генетический аппарат, митохондрия обладает и собственной белоксинтезирующей системой, особенностью которой в клетках животных и грибов являются очень маленькие рибосомы, характеризуемые коэффициентом седиментации 55S, что даже ниже аналогичного показателя у 70s-рибосом прокариотического типа. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рРНК вообще отсутствует. В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

Митохондриальные белки

Количество транслируемых с митохондриальной мРНК белков, формирующих субъединицы крупных ферментных комплексов, ограниченно. Значительная часть белков кодируется в ядре и синтезируется на цитоплазматических 80S рибосомах. В частности, так образуются некоторые белки — переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, а также факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. При этом подобные белки на своём N-конце имеют особые сигнальные пептиды, размер которых варьирует от 12 до 80 аминокислотных остатков. Данные участки формируют амфифильные завитки, обеспечивают специфический контакт белков со связывающими доменами митохондриальных распознающих рецепторов, локализованных на наружной мембране. До наружной мембраны митохондрии данные белки транспортируются в частично развёрнутом состоянии в ассоциации с белками-шаперонами (в частности — с hsp70). После переноса через наружную и внутреннюю мембраны в местах их контактов поступающие в митохондрию белки вновь связываются с шаперонами, но уже собственного митохондриального происхождения, которые подхватывают пересекающий мембраны белок, способствуют его втягиванию в митохондрию, а также контролируют процесс правильного сворачивания полипептидной цепи. Большинство шаперонов обладает АТФазной активностью, в результате чего как транспорт белков в митохондрию, так и образование их функционально активных форм являются энергозависимыми процессами.

Функции митохондрий и энергообразование

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ — универсальной формы химической энергии в любой живой клетке. Как и у прокариот, данная молекула может образовываться двумя путями: в результате субстратного фосфорилирования в жидкой фазе (например, при гликолизе) или в процессе мембранного фосфорилирования, связанного с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента (англ.) русск. протонов (ионов водорода). Митохондрии реализуют оба эти пути, первый из которых характерен для начальных процессов окисления субстрата и происходит в матриксе, а второй завершает процессы энергообразования и связан с кристами митохондрий. При этом своеобразие митохондрий как энергообразующих органелл эукариотической клетки определяет именно второй путь генерации АТФ, получивший название «хемиосмотического сопряжения». По сути это последовательное превращение химической энергии восстанавливающих эквивалентов НАДН в электрохимический протонный градиент ΔμН + по обе стороны внутренней мембраны митохондрии, что приводит в действие мембранно-связанную АТФ-синтетазу и завершается образованием макроэргической связи в молекуле АТФ.

В целом весь процесс энергообразования в митохондриях может быть разбит на четыре основные стадии, первые две из которых протекают в матриксе, а две последние — на кристах митохондрий:

Ещё в цитоплазме в серии из 10 отдельных ферментативных реакций шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух трёхуглеродных молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват переносится из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс, где первоначально превращается в ацетил-СоА. Этот процесс катализируется крупным пируватдегидрогеназным комплексом, имеющим размер, сопоставимый с размером рибосомы, и состоящим из трёх ферментов, пяти коферментов и двух регуляторных белков. Точно также жирные кислоты, полученные при расщеплении нерастворимых триглицеридов в цитоплазме, переносятся в митохондриальный матрикс в виде ацетил-СоА-производных.

На следующем этапе, также протекающем в матриксе митохондрии, ацетил-СоА полностью окисляется в цикле Кребса. В его работе задействованы четыре отдельных фермента, за каждый цикл обеспечивающие укорочение углеводородной цепи на два атома углерода, которые в дальнейшем превращаются в СО₂. Этот процесс обеспечивает образование одной молекулы ГТФ, а также НАДН — высокоэнергетического промежуточного соединения, которое легко отдаёт электроны в цепь переноса электронов на кристах митохондрий.

Дальнейшие процессы энергообразования в митохондрии происходят на её кристах и связаны с переносом электронов от НАДН к кислороду. В соответствии с тем, что потребление кислорода в качестве окислителя обычно называют «внутриклеточным дыханием», электронно-транспортную цепь ферментов, осуществляющих последовательный перенос электронов от НАДН к кислороду, часто называют «дыхательной цепью». При этом трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными на кристах митохондрий и осуществляющими векторный (направленный по отношению к сторонам мембраны) перенос протонов водорода из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В этом состоит принципиальное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной цепи от функционирования ферментов, катализирующих реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где вопрос о направлении реакции в пространстве не имеет смысла.

Весь процесс переноса электрона по дыхательной цепи может быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельным трансмембранным липопротеидным комплексом (I, III и IV), встроенным в мембрану кристы митохондрии. В состав каждого из названных комплексов входят следующие компоненты:

Каждый из этих комплексов осуществляет перенос электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков. В качестве последних в дыхательной цепи митохондрий функционируют мигрирующие в плоскости мембраны жирорастворимые молекулы убихинона, а также небольшие (молекулярная масса 13 кДа) водорастворимые белки, содержащие ковалентно связанный гем и называемые «цитохромами с». При этом три из пяти компонентов, составляющих дыхательную цепь, работают так, что перенос электронов сопровождается переносом протонов через мембрану крист митохондрий в направлении из матрикса в межмембранное пространство.

Дыхательная цепь начинается с комплекса I (НАДН-убихинон-оксидоредуктаза), состоящего из 16-26 полипептидных цепей и имеющего молекулярную массу около 850 кДа. Функциональная активность этого комплекса определяется тем, что он содержит в своём составе более 20 атомов железа, упакованных в ячейки из атомов серы, а также флавин (Фл — производное витамина рибофлавина). Комплекс I катализирует окисление НАДН, отщепляя от него два электрона, которые после «путешествия» по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I попадают на молекулу-переносчик, в качестве которой выступает убихинон (Q). Последний способен ступенчато восстанавливаться, принимая на себя по два электрона и протона и, таким образом, превращаясь в восстановленную форму — убихинол (QH₂).

Энергетический потенциал (запас энергии) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле НАДН, а разница в подобной энергии временно запасается в виде особого вида — электрохимического протонного градиента. Последний возникает в результате того, что перенос электронов по простетическим группам комплекса I, ведущий к снижению энергетического потенциала электронов, сопровождается трансмембранным переносом двух протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

Восстановленный убихинол мигрирует в плоскости мембраны, где достигает второго фермента дыхательной цепи — комплекса III (bc₁). Последний представляет собой димер из субъединиц b и c₁ с молекулярной массой более 300 кДа, сформированный из восьми полипептидных цепей и содержащий атомы железа как в серных ячейках, так и в виде комплексов с гемами b(I), b(II) и c₁ — сложными гетероциклическими молекулами с четырьмя атомами азота, расположенными по углам металлосвязывающего квадрата. Комплекс III катализирует реакцию восстановления убихинола до убихинона с передачей электронов на атом железа второй молекулы переносчика (находящегося в межмембранном пространстве цитохрома c). Отщепляющиеся при этом от убихинола два протона водорода освобождаются в межмембранное пространство, продолжая формирование электрохимического градиента. Наконец, ещё два протона водорода переносятся в межмембранное пространство митохондрии за счёт энергии электронов, проходящих по простетических группам комплекса III.

Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c-оксидаза) с молекулярной массой около 200 кДа, состоящим из 10-13 полипептидных цепей и, помимо двух различных гемов, включающим также несколько атомов меди, прочно связанных с белками. При этом электроны, отбираемые у восстановленного цитохрома c, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды.

Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.

Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом с молекулярной массой 500 кДа. Этот комплекс, называемый АТФ-синтетазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.

АТФ-синтеза

В структурно-функциональном плане АТФ-синтаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F₁ и F₀. Первый из них (фактор сопряжения F₁) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц α и стольких же субъединиц β уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые вместе образуют гексамер (αβ)₃, имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы α и β образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица γ, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы γ выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F₀. Также внутри гексамера находится минорная субъединица ε, связанная с γ. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом δ и расположена на внешней стороне F₁.

Мембранная часть АТФ-синтазы, называемая фактором сопряжения F₀, представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода. Всего в состав комплекса F₀ входит одна белковая субъединица типа а, две копии субъединицы b, а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c. Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её α-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану α-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F₁ и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу δ. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных α-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F₁, а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F₁ в сторону F₀ субъединица γ как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.

Таким образом, в молекуле АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц, которые могут быть уподоблены двум деталям мотора: ротору и статору. «Статор» неподвижен относительно мембраны и включает в себя шарообразный гексамер (αβ)₃, находящуюся на его поверхности и субъединицу δ, а также субъединицы a и b мембранного комплекса F₀. Подвижный относительно этой конструкции «ротор» состоит из субъединиц γ и ε, которые, заметно выступая из комплекса (αβ)₃, соединяются с погружённым в мембрану кольцом из субъединиц c.

Способность синтезировать АТФ — свойство единого комплекса F₀F₁, сопряжённого с переносом протонов водорода через F₀ к F₁, в последнем из которых как раз и расположены каталитические центры, осуществляющие преобразование АДФ и фосфата в молекулу АТФ. Движущей же силой для работы АТФ-синтазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий в результате работы цепи электронного транспорта.

Сила, приводящая в движение «ротор» АТФ-синтазы, возникает при достижении разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны > 220 мВ и обеспечивается потоком протонов, протекающих через специальный канал в F₀, расположенный на границе между субъединицами a и c. При этом путь переноса протонов включает в себя следующие структурные элементы:

Таким образом, каталитическая активность АТФ-синтазы непосредственно связана с вращением её «ротора», при котором поворот субъединицы γ вызывает одновременное изменение конформации всех трёх каталитических субъединиц β, что в конечном счёте и обеспечивает работу фермента. При этом в случае образования АТФ «ротор» крутится по часовой стрелке со скоростью четыре оборота в секунду, а само подобное вращение происходит дискретными скачками по 120°, каждый из которых сопровождается образованием одной молекулы АТФ.

Непосредственная функция синтеза АТФ локализована на β-субъединицах сопрягающего комплекса F₁. При этом самым первым актом в цепи событий, приводящих к образованию АТФ, является связывание АДФ и фосфата с активным центром свободной β-субъединицы, находящейся в состоянии 1. За счёт энергии внешнего источника (тока протонов) в комплексе F₁ происходят конформационные изменения, в результате которых АДФ и фосфат становятся прочно связанными с каталитическим центром (состояние 2), где становится возможным образование ковалентной связи между ними, ведущей к образованию АТФ. На данной стадии АТФ-синтазы ферменту практически не требуется энергии, которая будет необходима на следующем этапе для освобождения прочно связанной молекулы АТФ из ферментативного центра. Поэтому следующий этап работы фермента заключается в том, чтобы в результате энергозависимого структурного изменения комплекса F₁ каталитическая β-субъединица, содержащая прочно связанную молекулу АТФ, перешла в состояние 3, в котором связь АТФ с каталитическим центром ослаблена. В результате этого молекула АТФ покидает фермент, а β-субъединица возвращается в исходное состояние 1, благодаря чему обеспечивается цикличность работы фермента.

Работа АТФ-синтазы связана с механическими движениями её отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобно тому, как электрический ток в обмотке электродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтетазу вызывает вращение отдельных субъединиц фактора сопряжения F₁ относительно других субъединиц ферментного комплекса, в результате чего это уникальное энергообразующее устройство совершает химическую работу — синтезирует молекулы АТФ. В дальнейшем АТФ поступает в цитоплазму клетки, где расходуется на самые разнообразные энергозависимые процессы. Подобный перенос осуществляется специальным встроенным в мембрану митохондрий ферментом АТФ/АДФ-транслоказой, который обменивает вновь синтезированную АТФ на цитоплазматическую АДФ, что гарантирует сохранность фонда адениловых нуклеотидов внутри митохондрий.

Митохондрии и наследственность

ДНК митохондрий наследуются почти исключительно по материнской линии. Каждая митохондрия имеет несколько участков нуклеотидов в ДНК, идентичных во всех митохондриях (то есть в клетке много копий митохондриальных ДНК), что очень важно для митохондрий, неспособных восстанавливать ДНК от повреждений (наблюдается высокая частота мутаций). Мутации в митохондриальной ДНК являются причиной целого ряда наследственных заболеваний человека.

Источник