Kjer manjkajo mitohondriji. Mitohondriji se spomnijo, da so bili bakterije. Reorganizacija membrane med staranjem

Mitohondriji (MT) so zame eno najbolj zanimivih področij raziskovanja. Združitev mitohondrijev z drugo celico med endosimbiozo pred približno 1,6 milijarde let je postala osnova vseh večceličnih evkariontov s kompleksno strukturo. Mitohondriji naj bi izvirali iz celic, podobnih α-proteobakterijam.

Najboljši nedavni pregled mitohondrijev je "Struktura in funkcija proteinskih kompleksov mitohondrijske membrane" Wernerja Kuhlbrandta. Če znate angleško in vas zanima struktura teh organelov, toplo priporočam branje. Ta članek je tako dober, da bi zlahka postal poglavje v dobrem učbeniku molekularne biologije. Najprej sem hotel prevesti cel članek, a bi trajalo neoprostljivo dolgo in bi me oddaljilo od drugih stvari. Zato se bom omejil na teze in slike. Občasno razredčite vse s svojimi mislimi.

Sam mitohondrij kodira le 13 proteinov, kljub prisotnosti DNA (mtDNA), ločene od celice, in celotnega "proizvodnega" cikla za transkripcijo proteinov. Izoliran mitohondrij lahko nekaj časa ohrani svojo sestavo in funkcijo.

Slika 1. Sestavine mitohondrijske membrane. Zunanja membrana ločuje mitohondrije od citoplazme. Obdaja notranjo membrano, ki ločuje medmembranski prostor od osrednjega matriksa, bogatega z beljakovinami. Notranja membrana je razdeljena na notranjo omejevalno membrano in kriste. Ta dva dela sta neprekinjena na mestih, kjer so kriste pritrjene (cristae križišče). Kriste segajo bolj ali manj globoko v matriks in so glavno mesto pretvorbe mitohondrijske energije. Majhen protonski gradient v medmembranskem prostoru (pH7.2-7.4) in matriko (pH7,9-8,0) vodijo do tvorbe ATP s sintazo ATP v membranah krist.

Zunanja membrana je porozna in omogoča prehajanje snovi iz citoplazme skozi njo. Notranja membrana je gosta, za prečkanje so potrebni transportni proteini [Gilbert Ling se upravičeno ne strinja], kontinuiteta pregrade omogoča notranji membrani elektrokemični potencial -180 mV. Matrica ima precej visok pH (7,9-8). Naj se še enkrat poglobim v Ling. Alkalen (nad 7) pH spodbuja bolj razvito konformacijo beljakovin. Visok pH moti vodikove in solne vezi, zaradi česar sta polarizirana CO in NH na voljo vodnim molekulam, s čimer se poveča dipolni moment vse znotrajcelične vode in jo veže. V tem smislu je prisotnost membrane potrebna ne za "zadrževanje" protoplazme v celici (to storijo sami proteini pri visokem pH), temveč za prisotnost potenciala.

mtDNA se nahaja v nukleotidih, ki jih je približno 1000 na celico. Gostota beljakovin matriksa je precej visoka (do 500 mg / ml), kar je blizu kristaliziranim beljakovinam.

Notranja membrana tvori invaginacije, imenovane kriste, ki prodrejo globoko v matriks. Cristae določajo tretji "predel" mitohondrijev - lumen cristae (lumen cristae). Membrane kriste vsebujejo večino, če ne vse, popolnoma sestavljene transportne verige elektronov in komplekse ATP sintaze. Lumen kriste vsebuje velike količine majhnega topnega transportnega proteina elektronov (citokroma c). Mitohondrijske kriste so torej glavno mesto pretvorbe biološke energije pri vseh nefotosintetskih evkariontih.

Tudi pri Kristusih je veliko zanimivega. Optične lastnosti kriste vplivajo na širjenje in ustvarjanje svetlobe v tkivih. Videl sem celo ideje, da je površina krist podobna (predpostavka) površinam topoloških izolatorjev (kar pomeni superprevodnost brez disipacije naboja).

Slika 2. Membranski proteinski kompleksi dihalne verige. Kompleksnojaz (NADH/ ubikinon oksidoreduktaza, modra), kompleksII(sukcinat dehidrogenaza, vrtnica), kompleksIII(citokrom C reduktaza, oranžna), kompleksIV(citokrom C oksidaza, zelena) in mitohondrijska ATP sintaza (znana kot kompleksnaV, bež) sodelujejo med oksidativno fosforilacijo, tako da lahko celice uporabljajo energijo. Kompleksijaz, III, IVčrpajo protone vzdolž membrane crista in ustvarjajo protonski gradient, ki stimulira sintezo ATP.

Zdaj malo pozornosti kompleksu II. Spomnili se boste, da presnova maščob (keto) poudarja FADH2 in kompleks II. Zmanjšajo par CoQ, na neki točki ni dovolj oksidiranega CoQ za prenos elektronov v kompleks III in tvori povratni tok elektronov v kompleks I, da se tvori superoksid. Pri dolgotrajni prehrani s HFLC se bo kompleks I reverzibilno uničil, medtem ko je to običajna fiziološka optimizacija.

Prav tako vas prosim, da upoštevate, da kompleks II ne črpa protonov. Kaj razprši protonski gradient v nas, moti fosforilacijo in spodbudi izgorevanje maščob za toploto? Tako je, hladni stres. Termogeneza je povezana s presnovo prek kompleksa, ki ne črpa protonov in s tem ne zagotavlja dodatnih protonov za ATP sintazo. Človek se lahko samo preseneti, kako čudovito je premišljeno naše telo.

Montažni kristali inMICOS

Stičišča krist so majhne okrogle luknje s premerom približno 25 nm. Mitohondriji vseh organizmov vsebujejo sistem MICOS (mesto stika mitohondrijev in kriste z zunanjo membrano), sklop petih membranskih in enega topnega proteina, ki pritrjujejo kriste na zunanjo membrano.

V celicah s povečanimi potrebami po energiji, kot so skeletne in srčne mišice, kriste gosto zapolnijo večino volumna mitohondrijev. V tkivih z nižjimi energetskimi potrebami, kot so jetra in ledvice, kriste niso tako gosto zapakirane skupaj. V matriksu je več prostora za biosintetske encime.

Slika 3. Tomografski volumen mitohondrijev mišjega srca. A) Tridimenzionalni volumen mitohondrijev mišjega srca, zajet s cryo-ET. Zunanja membrana (siva) ovija notranjo membrano (svetlo modra). Notranja membrana je gosto zapolnjena s kristami b) Tomografski izrez volumna. Gosto zapakiran matriks, ki vsebuje večino mitohondrijskih proteinov, je pod elektronskim mikroskopom videti temen. Medmembranski prostor in lumni krist so videti svetli zaradi nizke koncentracije beljakovin.

Dimeri ATP sintaze

Mitohondrijska F1-F0 ATP sintaza je najvidnejši proteinski kompleks kriste. ATP sintaza je starodavna nanomašina, ki uporablja elektrokemični Protnov gradient okoli notranje membrane za ustvarjanje ATP z rotacijsko katalizo. Protoni, ki se premikajo skozi F0 kompleks membrane, vrtijo rotor z 8 (pri sesalcih) ali 10 (pri kvasovkah) c-mesta. Osrednje steblo prenaša navor c-rotorja na katalitično glavo F1, kjer ATP nastane iz ADP in fosfata skozi zaporedje konformacijskih sprememb. Periferni pecelj preprečuje neproduktivno rotacijo glave F1 proti kompleksu F0.

Dolga leta je veljalo, da se ATP sintaza nahaja naključno na notranji membrani. Vendar se je izkazalo, da ATP sintaza je urejena v dvojnih vrstah. Poleg tega je linearna serija ATP sintaze temeljni atribut vseh živih mitohondrijev.

Slika 4. Dvojne vrste ATP sintaze pri sedmih različnih vrstah.

Vrstice ATP sintaze se nahajajo predvsem vzdolž grebenov krist. Dimeri upogibajo lipidni dvosloj in se posledično samoorganizirajo v vrste. Ko so vozlišča e in g APT sintaze izločili iz mitohondrijev kvasovk, je sev rasel 60 % počasneje kot njegovi divji dvojniki in membranski potencial njihovih mitohondrijev se je zmanjšal za polovico. Prokariontska APT sintaza nima več z dimerom povezanih vozlišč; število dimerov ni bilo najdenih v bakterijah in arhejah. Kriste in vrste dimerov sintaze AFT so torej prilagoditev na večje energetske potrebe telesa.

Slika 5. Struktura dimera ATP sintaze iz mitohondrijev Polymella sp. Stranski pogled na dimer ATP sintaze v obliki črke V.

Kompleksi in superkompleksi dihalne verige

Protonski gradient okoli notranje membrane ustvarjajo trije veliki membranski kompleksi, znani kot kompleks I, kompleks III in kompleks IV (glej sliko 2). Kompleks I hrani elektrone iz NADH, energija, ki se sprosti s prenosom elektronov, črpa štiri protone. Kompleks III sprejme elektron iz reduciranega kinola in ga prenese na nosilec elektrona (citokrom c), pri čemer izčrpa en proton. Kompleks IV sprejme elektron iz citokroma c in ga prenese na molekularni kisik, pri čemer črpa 4 protone za vsako molekulo kisika, pretvorjeno v vodo. Kompleks II ne črpa protonov, temveč neposredno oddaja elektrone kinolu. Kako je prenos elektrona iz NADH v kinol povezan s translokacijo protonov, še ni jasno. Kompleks I je večji od kompleksa III in IV skupaj.

Slika 6. Kompleks I mitohondrijev govejega srca. Matrični del vsebuje serijo osmih železo-žveplovih (Fe-S) grozdov, ki usmerjajo elektrone iz NADH v kinol na stičišču matrične membrane. Membranski del je sestavljen iz 78 rezil, vključno z molekulo, ki črpa proton.

KompleksiJAZ,III inIV so združeni v superkomplekse ali respirasomi. Pekovski kvas ( saharomicescerevisiae) ni kompleksa I, njihovi superkompleksi so sestavljeni iz III in IV. Vloga superkompleksov še ni jasna. Menijo, da je zaradi tega transport elektronov učinkovitejši, vendar neposrednih dokazov za to še ni.

Slika 7. Superkompleks mitohondrijev kravjega srca. Bodite pozorni na razdaljo med kompleksoma I in III, kar je treba narediti s kinolom. Puščice – premiki elektronov v superkompleksu.

Glavni protein lumna kriste je citokrom c, ki prenaša elektrone iz kompleksa III v kompleks IV. Če se citokrom c sprosti v citoplazmo celice, povzroči apoptozo.

Slika 8. Vrstice dimerov ATP sintaze dajejo obliko krist. Na grebenu kriste APT sintaza (rumena) tvori ponor za protone (rdeča), protonske črpalke elektronske verige (zelene) se nahajajo na obeh straneh vrst dimerjev. Z usmerjanjem protonov od vira do ATP sintaze, kriste delujejo kot vodniki protonov in omogočajo učinkovito proizvodnjo ATP. Rdeče puščice kažejo smer toka protonov.

Reorganizacija membrane med staranjem

Staranje je temeljni in slabo razumljen proces pri vseh evkariontih. Staranje mitohondrijev so proučevali pri gobah Podospora anserina, ki živijo le 18 dni. V normalnih mitohondrijih kriste prodrejo globoko v matriks. To zahteva vrste dimerjev ATP sintaze in kompleks MICOS na mestih pritrditve krist. S starostjo se kriste začnejo približevati površini membrane, dimeri ATP sintaze se spremenijo v monomere in vse se konča s sproščanjem citokroma c in celično smrtjo.

Prenos elektronov ustvarja superoksid v kompleksih I in III. Je presnovni stranski produkt. Hkrati potrebno in smrtonosno. Med staranjem začne cepitev prevladovati nad fuzijo. To preprečuje, da bi poškodovane mitohondrije "rešili" s fuzijo, in pospeši neizogibno.

Mitohondrije(iz gr. mitos - "nit", chondrion - "zrno, zrno") so stalne membranske organele okrogle ali paličaste (pogosto razvejane) oblike. Debelina - 0,5 mikronov, dolžina - 5-7 mikronov. Število mitohondrijev v večini živalskih celic je 150-1500; v ženskih jajcih - do nekaj sto tisoč v spermi - en spiralni mitohondrij, zavit okoli aksialnega dela bička.

Glavne funkcije mitohondrijev:
1) igrajo vlogo energijskih postaj celic. Podvrženi so procesom oksidativne fosforilacije (encimska oksidacija različnih snovi z naknadnim kopičenjem energije v obliki molekul adenozin trifosfata - ATP);
2) hranijo dedni material v obliki mitohondrijske DNK. Mitohondriji za svoje delo potrebujejo beljakovine, kodirane v genih za jedrno DNK, saj lahko lastna mitohondrijska DNK zagotovi
le nekaj beljakovin.
Stranske funkcije - sodelovanje pri sintezi steroidnih hormonov, nekaterih aminokislin (na primer glutamina).

Struktura mitohondrijev
Mitohondriji imajo dve membrani: zunanjo (gladko) in notranjo (tvorijo izrastke - v obliki listov (cristae) in cevaste (tubule)). Membrane se razlikujejo po kemični sestavi, naboru encimov in funkcij.
V mitohondrijih je notranja vsebina matrica - koloidna snov, v kateri so z elektronskim mikroskopom odkrili zrna s premerom 20-30 nm (nabirajo kalcijeve in magnezijeve ione, rezerve hranil, na primer glikogen).
V matriksu je aparat za biosintezo beljakovin v organelu:
2-6 kopij krožne DNA brez histonskih proteinov (kot
pri prokariontih), ribosomi, niz t-RNA, reduplikacijski encimi,
transkripcija, prevajanje dednih informacij. Ta naprava
na splošno zelo podoben prokariontom (po številu,
zgradba in velikost ribosomov, organizacija lastnega dednega aparata itd.), kar potrjuje simbiotsko predstavo o nastanku evkariontske celice.
Tako matriks kot površina notranje membrane, na kateri se nahajajo transportna veriga elektronov (citokromi) in ATP sintaza, ki katalizira oksidativno fosforilacijo ADP, ki ga pretvori v ATP, aktivno sodelujeta pri izvajanju energetske funkcije mitohondrije.
Mitohondriji se razmnožujejo s prepletanjem, zato so celice pri delitvi bolj ali manj enakomerno porazdeljene med hčerinske celice. Tako pride do kontinuitete med mitohondriji celic zaporednih generacij.
Tako je za mitohondrije značilna relativna avtonomija znotraj celice (za razliko od drugih organelov). Nastanejo med delitvijo materinih mitohondrijev in imajo lastno DNK, ki se razlikuje od jedrskega sistema sinteze beljakovin in shranjevanja energije.

Mitohondrij (iz grščine μίτος (mitos) - nit in χονδρίον (chondrion) - zrnce) je celični dvomembranski organel, ki vsebuje lasten genski material, mitohondrij. Najdemo jih kot sferične ali cevaste celične strukture pri skoraj vseh evkariontih, vendar ne pri prokariontih.

Mitohondriji so organeli, ki regenerirajo visokoenergijsko molekulo adenozin trifosfat skozi dihalno verigo. Poleg te oksidativne fosforilacije opravljajo še druge pomembne naloge, npr. sodelujejo pri tvorbi železovih in žveplovih skupkov. Struktura in funkcije takih organelov so podrobno obravnavane spodaj.

V stiku z

Splošne informacije

Mitohondrijev je še posebej veliko na območjih z visoko porabo energije. Sem spadajo mišične, živčne, senzorične celice in jajčne celice. V celičnih strukturah srčne mišice volumski delež teh organelov doseže 36%. Imajo premer približno 0,5-1,5 mikrona in različne oblike, od krogel do kompleksnih niti. Njihovo število je prilagojeno glede na energetske potrebe celice.

Evkariontske celice izgubijo mitohondrije jih ne more obnoviti. Obstajajo tudi evkarionti brez njih, na primer nekatere praživali. Število teh organelov na celično enoto je običajno od 1000 do 2000 z volumskim deležem 25 %. Toda te vrednosti se lahko zelo razlikujejo glede na vrsto celične strukture in organizma. V zreli semenčici jih je okoli štiri do pet, v zrelem jajčecu pa več sto tisoč.

Mitohondriji se prenašajo skozi plazmo jajčeca samo od matere, kar je bil razlog za študij materinih linij. Zdaj je ugotovljeno, da se tudi s spermo nekateri moški organeli uvažajo v plazmo oplojenega jajčeca (zigote). Verjetno bodo dokaj hitro rešeni. Vendar pa obstaja več primerov, ko je zdravnikom uspelo dokazati, da so otrokovi mitohondriji iz očetove linije. Bolezni, ki jih povzročajo mutacije mitohondrijskih genov, se dedujejo le po materi.

zanimivo! Poljudnoznanstveni izraz "elektrarna celice" je leta 1957 skoval Philip Sikiewitz.

Diagram strukture mitohondrijev

Razmislimo o strukturnih značilnostih teh pomembnih struktur. Nastanejo kot posledica kombinacije več elementov. Lupina teh organelov je sestavljena iz zunanje in notranje membrane, ti pa iz fosfolipidnih dvoslojev in beljakovin. Obe lupini se razlikujeta po svojih lastnostih. Med njimi je pet različnih predelkov: zunanja membrana, medmembranski prostor (prostor med dvema membranama), notranja membrana, krista in matriks (prostor znotraj notranje membrane), na splošno - notranje strukture organele .

Na ilustracijah v učbenikih je mitohondrij večinoma videti kot ločen organel v obliki fižola. Je res? Ne, oblikujejo se tubularna mitohondrijska mreža, ki lahko prehaja skozi in spremeni celotno celično enoto. Mitohondriji v celici so sposobni združevanja (s fuzijo) in ponovne delitve (s cepitvijo).

Opomba! Pri kvasovkah se v eni minuti zgodita približno dve mitohondrijski fuziji. Zato je nemogoče natančno določiti trenutno število mitohondrijev v celicah.

Zunanja membrana

Zunanja lupina obdaja celotno organelo in vključuje kanale proteinskih kompleksov, ki omogočajo izmenjavo molekul in ionov med mitohondrijem in citosolom. Velike molekule ne more skozi membrano.

Zunanja, ki obsega celotno organelo in ni nagubana, ima masno razmerje med fosfolipidi in beljakovinami 1:1 in je tako podobna evkariontski plazemski membrani. Vsebuje veliko integralnih beljakovin, porinov. Porini tvorijo kanale, ki omogočajo prosto difuzijo molekul z maso do 5000 daltonov skozi membrano. Večji proteini lahko vdrejo, ko se signalno zaporedje na N-koncu veže na veliko podenoto proteina transloksaze, od koder se nato aktivno premikajo vzdolž membranske ovojnice.

Če pride do razpok v zunanji membrani, lahko proteini iz medmembranskega prostora uidejo v citosol, kar lahko povzroči celično smrt. Zunanja membrana se lahko spoji z membrano endoplazmatskega retikuluma in nato tvori strukturo, imenovano MAM (ER, povezan z mitohondriji). Pomemben je za signalizacijo med ER in mitohondrijem, kar je potrebno tudi za transport.

Medmembranski prostor

Območje je vrzel med zunanjo in notranjo membrano. Ker zunanja omogoča prosto prodiranje majhnih molekul, je njihova koncentracija, kot so ioni in sladkorji, v medmembranskem prostoru enaka koncentraciji v citosolu. Vendar pa veliki proteini zahtevajo prenos določenega signalnega zaporedja, tako da se sestava proteina med medmembranskim prostorom in citosolom razlikuje. Tako je beljakovina, ki se zadržuje v medmembranskem prostoru, citokrom.

Notranja membrana

Notranja mitohondrijska membrana vsebuje beljakovine s štirimi vrstami funkcij:

• Beljakovine - izvajajo oksidacijske reakcije dihalne verige.
• Adenozin trifosfat sintaza, ki proizvaja ATP v matriksu.
• Specifični transportni proteini, ki uravnavajo prehod presnovkov med matriksom in citoplazmo.
• Sistemi uvoza beljakovin.

Notranji ima zlasti dvojni fosfolipid, kardiolipin, ki ga nadomestijo štiri maščobne kisline. Kardiolipin se običajno nahaja v mitohondrijskih membranah in bakterijskih plazemskih membranah. Prisoten je predvsem v človeškem telesu na področjih visoke presnovne aktivnosti ali visoko energijsko aktivnost, kot so kontraktilni kardiomiociti, v miokardu.

Pozor! Notranja membrana vsebuje več kot 150 različnih polipeptidov, približno 1/8 vseh mitohondrijskih proteinov. Posledično je koncentracija lipidov nižja kot v zunanjem dvosloju in njegova prepustnost je manjša.

Razdeljene na številne kriste, razširijo zunanji del notranje mitohondrijske membrane in povečajo njeno sposobnost za proizvodnjo ATP.

V tipičnih jetrnih mitohondrijih je na primer zunanja regija, zlasti kriste, približno petkrat večja od zunanje membrane. Energijske postaje celic, ki imajo večje zahteve po ATP, npr. mišične celice vsebujejo več krist, kot tipični jetrni mitohondrij.

Notranja membrana obdaja matriks, notranjo tekočino mitohondrijev. Ustreza citosolu bakterij in vsebuje mitohondrijsko DNA, encime citratnega cikla in lastne mitohondrijske ribosome, ki se razlikujejo od ribosomov v citosolu (a tudi od bakterij). Medmembranski prostor vsebuje encime, ki lahko fosforilirajo nukleotide s porabo ATP.

Funkcije

• Pomembne razgradne poti: citratni cikel, za katerega se piruvat vnese iz citosola v matriks. Piruvat nato dekarboksilira piruvat dehidrogenaza v acetil koencim A. Drugi vir acetil koencima A je razgradnja maščobnih kislin (β-oksidacija), ki poteka v živalskih celicah v mitohondrijih, v rastlinskih celicah pa le v glioksisomih in peroksisomih. V ta namen se acil-koencim A prenese iz citosola z vezavo na karnitin preko notranje mitohondrijske membrane in pretvori v acetil-koencim A. Iz tega se večina redukcijskih ekvivalentov v Krebsovem ciklu (znanem tudi kot Krebsov cikel oz. cikel trikarboksilne kisline), ki se nato v oksidativni verigi pretvorijo v ATP.
• Oksidativna veriga. Vzpostavljen je elektrokemični gradient med medmembranskim prostorom in mitohondrijskim matriksom, ki služi za proizvodnjo ATP s pomočjo ATP sintaze, skozi procese prenosa elektronov in kopičenja protonov. Pridobijo se elektroni in protoni, potrebni za ustvarjanje gradienta z oksidativno razgradnjo iz hranil(kot je glukoza), ki jih telo absorbira. Glikoliza se najprej pojavi v citoplazmi.
• Apoptoza (programirana celična smrt)
• Shranjevanje kalcija: mitohondriji zaradi sposobnosti absorbiranja kalcijevih ionov in njihovega sproščanja motijo ​​celično homeostazo.
• Sinteza železo-žveplovih grozdov, ki jih med drugim potrebujejo številni encimi dihalne verige. Ta funkcija zdaj velja za bistveno funkcijo mitohondrijev, tj. saj je to razlog, zakaj so skoraj vse celice za preživetje odvisne od energetskih postaj.

Matrix

To je prostor, vključen v notranjo mitohondrijsko membrano. Vsebuje približno dve tretjini vseh beljakovin. Ima ključno vlogo pri proizvodnji ATP preko ATP sintaze, vključene v notranjo membrano. Vsebuje visoko koncentrirano mešanico več sto različnih encimov (ki sodelujejo predvsem pri razgradnji maščobnih kislin in piruvata), za mitohondrije specifične ribosome, messenger RNA in več kopij DNA mitohondrijskega genoma.

Ti organeli imajo svoj genom, pa tudi encimsko opremo, potrebno za ki izvaja lastno biosintezo beljakovin.

Mitohondriji Kaj so mitohondriji in njihove funkcije

Zgradba in delovanje mitohondrijev

Zaključek

Tako mitohondrije imenujemo celične elektrarne, ki proizvajajo energijo in zavzemajo vodilno mesto v življenju in preživetju posamezne celice posebej in živega organizma nasploh. Mitohondriji so sestavni del žive celice, tudi rastlinskih celic, ki pa še niso povsem raziskane. Posebno veliko mitohondrijev je v tistih celicah, ki potrebujejo več energije.

MITOHONDRIJI (mitohondrije; grech, mitos thread + chondrion grain) - organele, prisotne v citoplazmi celic živalskih in rastlinskih organizmov. M. sodelujejo pri procesih dihanja in oksidativne fosforilacije, pri čemer proizvajajo energijo, potrebno za delovanje celice, in tako predstavljajo njene »elektrarne«.

Izraz "mitohondriji" je leta 1894 predlagal S. Benda. Sredi 30. let. 20. stoletje Prvič je bilo mogoče izolirati M. iz jetrnih celic, kar je omogočilo preučevanje teh struktur z biokemičnimi metodami. Leta 1948 je G. Hogeboom dobil dokončne dokaze, da so M. res centri celičnega dihanja. Pomemben napredek pri preučevanju teh organelov je bil dosežen v 60-70-ih letih. v povezavi z uporabo metod elektronske mikroskopije in molekularne biologije.

Oblika M. se spreminja od skoraj okrogle do zelo podolgovate, nitaste (slika 1). Količina M v celici je odvisna od vrste tkiva in funkcionalnega stanja telesa. Tako je v semenčicah število M. majhno - pribl. 20 (na celico), v epitelijskih celicah ledvičnih tubulov sesalcev jih je do 300, v orjaški amebi (Chaos chaos) pa je bilo najdenih 500.000 mitohondrijev. 3000 M., med stradanjem živali pa se lahko število M. zmanjša na 700. Običajno so M. v citoplazmi porazdeljeni precej enakomerno, vendar se lahko v celicah določenih tkiv M. nenehno lokalizira na območjih. ki še posebej potrebujejo energijo. Na primer, v skeletnih mišicah so M. pogosto v stiku s kontraktilnimi območji miofibril in tvorijo pravilne tridimenzionalne strukture. V spermatozoidih spermatozoidi tvorijo spiralno ovojnico okoli aksialnega filamenta repa, kar je verjetno posledica sposobnosti uporabe energije ATP, sintetizirane v spermatozoidih, za gibanje repa. V aksonih so M. koncentrirani v bližini sinaptičnih končičev, kjer poteka proces prenosa živčnih impulzov, ki ga spremlja poraba energije. V epitelijskih celicah ledvičnih tubulov so M. povezani z izboklinami bazalne celične membrane. To je posledica potrebe po stalni in intenzivni oskrbi z energijo procesa aktivnega prenosa vode in v njej raztopljenih snovi, ki se pojavi v ledvicah.

Z elektronsko mikroskopijo je bilo ugotovljeno, da M. vsebuje dve membrani - zunanjo in notranjo. Debelina posamezne membrane je cca. 6 nm, razdalja med njima je 6-8 nm. Zunanja membrana je gladka, notranja tvori kompleksne izbokline (kriste), ki štrlijo v votlino mitohondrijev (slika 2). Notranji prostor M. se imenuje matrica. Membrane so film kompaktno zapakiranih molekul proteinov in lipidov, matriks pa je podoben gelu in vsebuje topne proteine, fosfate in druge kemikalije. povezave. Običajno je matrica videti homogena, le v nekaterih primerih je v njej mogoče najti tanke nitke, cevke in zrnca, ki vsebujejo kalcijeve in magnezijeve ione.

Od strukturnih značilnosti notranje membrane je treba opozoriti na prisotnost sferičnih delcev v njej velikosti pribl. 8-10 nm v premeru, sedi na kratkem peclju in včasih štrli v matriks. Te delce je leta 1962 odkril H. Fernandez-Moran. Sestavljeni so iz beljakovine z aktivnostjo ATPaze, označene kot F1. Protein se pritrdi na notranjo membrano samo na strani, ki je obrnjena proti matriksu. Delci F1 se nahajajo na razdalji 10 nm drug od drugega, vsak M pa vsebuje 10 4 -10 5 takih delcev.

Kristale in notranje membrane M. vsebujejo večino dihalnih encimov (glej); dihalni encimi so organizirani v kompaktne sklope, razporejene v rednih intervalih v M. cristae na razdalji 20 nm drug od drugega.

M. skoraj vseh vrst živalskih in rastlinskih celic so zgrajene po enem samem principu, vendar so možna odstopanja v podrobnostih. Tako se lahko kriste nahajajo ne samo vzdolž dolge osi organele, ampak tudi vzdolžno, na primer v M. sinaptične cone aksona. V nekaterih primerih se lahko kriste razvejajo. Pri mikroorganizmih protozojev, nekaterih žuželk in v celicah glomerulne cone nadledvične žleze imajo kriste obliko cevi. Število krist je različno; Tako je v M. zelo malo jetrnih celic in zarodnih celic cristae in so kratke, medtem ko je matriks obilen; v M. mišičnih celicah so kriste številne, vendar je matriks majhen. Obstaja mnenje, da je število krist povezano z oksidativno aktivnostjo M.

V notranji membrani M. se vzporedno izvajajo trije procesi: oksidacija substrata Krebsovega cikla (glej cikel trikarboksilne kisline), prenos elektronov, sproščenih med tem procesom, in kopičenje energije s tvorbo visokoenergijskih vezi adenozin trifosfata (glej adenozin fosforne kisline). Glavna funkcija M. je povezovanje sinteze ATP (iz ADP in anorganskega fosforja) in procesa aerobne oksidacije (glej Biološka oksidacija). Energija, nakopičena v molekulah ATP, se lahko pretvori v mehansko (v mišicah), električno (živčni sistem), osmotsko (ledvice) itd. Glavni so procesi aerobnega dihanja (glej Biološka oksidacija) in s tem povezana oksidativna fosforilacija (glej). funkcije M. Poleg tega lahko pride do oksidacije maščobnih kislin, fosfolipidov in nekaterih drugih spojin v zunanji membrani M.

Leta 1963 sta Nass in Nass (M. Nass, S. Nass) ugotovila, da M. vsebuje DNK (eno ali več molekul). Vsa mitohondrijska DNK iz živalskih celic, ki so jo do sedaj preučevali, je sestavljena iz kovalentno zaprtih obročev premera. V REDU. 5 nm. Pri rastlinah je mitohondrijska DNK veliko daljša in nima vedno obročaste oblike. Mitohondrijska DNK se od jedrske DNK razlikuje v mnogih pogledih. Replikacija DNA poteka po običajnem mehanizmu, vendar časovno ne sovpada z replikacijo jedrske DNA. Količina genetskih informacij, ki jih vsebuje molekula mitohondrijske DNA, je očitno nezadostna za kodiranje vseh proteinov in encimov, ki jih vsebuje M. Mitohondrijski geni kodirajo predvsem strukturne membranske proteine ​​in proteine, ki sodelujejo pri morfogenezi mitohondrijev. M. imajo lastne transportne RNA in sintetaze ter vsebujejo vse komponente, potrebne za sintezo beljakovin; njihovi ribosomi so manjši od citoplazemskih in bolj podobni bakterijskim ribosomom.

Pričakovana življenjska doba M. je relativno kratka. Tako je čas za obnovo polovične količine M 9,6-10,2 dni za jetra in 12,4 dni za ledvice. Dopolnitev populacije M. se praviloma pojavi iz že obstoječega (materinega) M. z delitvijo ali brstenjem.

Že dolgo se domneva, da so bakterije v procesu evolucije verjetno nastale z endosimbiozo primitivnih jedrnih celic z bakterijami podobnimi organizmi. Za to obstaja veliko dokazov: prisotnost lastne DNK, ki je bolj podobna DNK bakterij kot DNK celičnega jedra; prisotnost ribosomov v M.; od DNA odvisna sinteza RNA; občutljivost mitohondrijskih proteinov na antibakterijsko zdravilo kloramfenikol; podobnost z bakterijami pri izvajanju dihalne verige; morfol., biokem. in fiziol., razlike med notranjo in zunanjo membrano. Po simbiotski teoriji se gostiteljska celica obravnava kot anaerobni organizem, katerega vir energije je glikoliza (pojavlja se v citoplazmi). V "simbiontu" se realizirata Krebsov cikel in dihalna veriga; je sposoben dihanja in oksidativne fosforilacije (glej).

M. so zelo labilni intracelularni organeli, ki prej kot drugi reagirajo na pojav kakršnih koli patologij. Možne so spremembe v številu mikrobov v celici (oziroma v njihovih populacijah) ali spremembe v njihovi strukturi. Na primer, med postom ali izpostavljenostjo ionizirajočemu sevanju se število M zmanjša. Strukturne spremembe so običajno sestavljene iz otekanja celotnega organela, čiščenja matriksa, uničenja krist in motenj celovitosti zunanje membrane.

Oteklino spremlja znatna sprememba volumna mišice Zlasti pri miokardni ishemiji se volumen mišice poveča 10-krat ali več. Obstajata dve vrsti otekanja: v enem primeru je povezano s spremembami osmotskega tlaka v celici, v drugih primerih s spremembami v celičnem dihanju, povezanim z encimskimi reakcijami in primarnimi funkcionalnimi motnjami, ki povzročajo spremembe v presnovi vode. Poleg otekline se lahko pojavi vakuolizacija M.

Ne glede na razloge, ki povzročajo patol, stanje (hipoksija, hiperfunkcija, zastrupitev), so spremembe M. precej stereotipne in nespecifične.

Opažene so takšne spremembe v strukturi in funkciji M., ki so očitno postale vzrok bolezni. Leta 1962 je R. Luft opisal primer "mitohondrijske bolezni". Pri bolniku z močno povečano presnovo (z normalnim delovanjem ščitnice) so s punkcijo skeletne mišice ugotovili povečano število M in motnjo v strukturi krist. Okvarjene mitohondrije v jetrnih celicah so opazili tudi v primerih hude tirotoksikoze. J. Vinograd idr. (1937 do 1969) so ugotovili, da se pri bolnikih z določenimi oblikami levkemije mitohondrijska DNK iz belih krvničk izrazito razlikuje od normalne. Bili so odprti obroči ali skupine prepletenih obročev. Pogostost teh nenormalnih oblik se je zaradi kemoterapije zmanjšala.

Bibliografija: Gause G. G. Mitohondrijska DNA, M., 1977, bibliogr.; D e P o-bertis E., Novinsky V. in S a es F. Celična biologija, trans. iz angleščine, M., 1973; Ozernyuk N.D. Rast in razmnoževanje mitohondrijev, M., 1978, bibliogr.; Polikar A. in Bessi M. Elementi celične patologije, prev. iz francoščine, M., 1970; RudinD. in Wilkie D. Biogeneza mitohondrijev, trans. iz angleščine, M., 1970, bibliogr.; Serov V.V. in Paukov V.S. Ultrastrukturna patologija, M., 1975; S e d e r R. Citoplazmatski geni in organeli, trans. iz angleščine, M., 1975.

T. A. Zaletajeva.

Notranjo organizacijo živalske in rastlinske celice lahko primerjamo s komuno, kjer so vsi enaki in vsak igra eno, zelo specifično vlogo, ki ustvarja uravnotežen ansambel. In samo ena struktura, mitohondrij, se lahko pohvali z množico znotrajceličnih funkcij, ki določajo njeno edinstvenost in izolacijo, ki meji na nekaj samozadostnosti.

To strukturo so odkrili sredi 19. stoletja in 150 let so skoraj vsi verjeli, da je njena edina funkcija energetski motor celice. V grobem povedano telo prejme hranila, ki po določeni razgradnji pridejo v mitohondrije in nato pride do oksidativne razgradnje hranil, ki je povezana s shranjevanjem energije v obliki energijsko bogate fosforne vezi v molekuli ATP. Telo porablja energijo ATP povsod, porabi jo za prevajanje živčnega signala, krčenje mišic, ustvarjanje toplote, sintezo potrebnih celičnih komponent, uničenje nepotrebnih snovi, itd. ATP nastane v človeškem telesu na dan in tehta enako težo osebe same, in to predvsem zaradi mitohondrijev . Še vedno poteka razprava o tem, ali obstajajo evkariontske (jedrne) celice brez mitohondrijev. Čeprav za to ni jasno dokazanih dokazov, velja, da jedrske celice brez mitohondrijev ne obstajajo.

Še vedno poteka razprava o tem, ali obstajajo evkariontske (jedrne) celice brez mitohondrijev. Čeprav za to ni jasno dokazanih dokazov, se domneva, da jedrske celice brez mitohondrijev ne obstajajo.

Postulat o prevladujoči energetski funkciji mitohondrijev v celici je nekako pustil v senci dolgo predlagano in vsesplošno podprto teorijo o bakterijskem izvoru mitohondrijev. V preprosti interpretaciji je to videti takole: pred približno 600 milijoni let v celici t.i. heterotrofi, je vnesena bakterija, ki lahko izkorišča kisik. Obstaja stališče, da je pojav nove vrste bakterij v celici povzročilo nenehno povečevanje kisika v zemeljski atmosferi, ki je začela teči iz svetovnih oceanov v atmosfero pred približno 2,4 milijarde let. Visoka oksidacijska sposobnost kisika je predstavljala nevarnost za znotrajcelične organske in anorganske elemente, pojavile so se bakterije, ki so v prisotnosti vodikovih ionov uničile kisik in tvorile vodo. Tako se zmanjša vsebnost kisika v celici, s tem pa se zmanjša tudi verjetnost neželene oksidacije celičnih komponent, kar je verjetno koristno za celico.

Vstop bakterij v znotrajcelično nišo je zagotovil tudi zaščito pred zunanjimi sovražniki (in glavni sovražniki bakterij so virusi, to je fagi). Hkrati je bilo omogočeno sproščanje signalnih zaščitnih snovi v omejen znotrajcelični volumen; ko so bakterije obstajale v "oceanu", je bilo sproščanje takih signalnih snovi neracionalno - takoj so se razredčile v njem. Življenje intracelularnih bakterij v tej niši je prineslo določene prednosti: bakterije proizvajajo energijo in v svoji membrani organizirajo beljakovino, ki sprošča sintetizirani ATP v celično citoplazmo, ki jo celica uporablja. Posledično se zdi, da obstaja ravnotežje: celica daje mitohondrijem hranilne substrate, mitohondriji dajejo celici energijo, kar krepi teorijo o simbiotskem odnosu med bakterijami (te že postanejo mitohondriji) s preostalimi deli celice. Glavni argumenti, ki podpirajo bakterijski izvor mitohondrijev, so velika podobnost v kemični sestavi bakterij in mitohondrijev ter podobnost bioenergetskih elementov. Eden od utemeljiteljev endosimbiotske teorije o izvoru mitohondrijev se lahko šteje za ruskega botanika Konstantina Merežkovskega, ki je konec 19. in v začetku 20. stoletja domneval, da so kloroplasti (strukture rastlinskih celic, odgovorne za fotosintezo) bakterijske izvor. Kasneje je bila podobna predpostavka za mitohondrije.

Glavna argumenta za bakterijski izvor mitohondrijev sta velika podobnost kemične sestave bakterij in mitohondrijev ter podobnost bioenergetskih elementov.

Iz zgoraj navedenega je jasno, da je koncept simbioze in nekega "sebičnega" vedenja mitohondrijev precej nejasen. In idealistično sliko simbioze je čisto ob koncu dvajsetega stoletja »zasenčilo« odkritje, da so mitohondriji s sproščanjem signalnih molekul, ki dajejo ukaz za uničenje celice, odgovorni za njeno smrt. Se pravi, vse se zdi po pregovoru “koliko volka hraniš...”. Vendar moramo na situacijo pogledati z druge strani. Ali telo potrebuje celično smrt? Da, vendar ne za vse celice. To je obvezen postopek za tiste celice, ki se nenehno delijo - sicer bo prišlo do rasti tkiva, kar je lahko nezaželeno. To je pomembno tudi za preprečevanje in zdravljenje različnih tumorskih tvorb. Toda za tiste celice, ki niso zelo dobre pri delitvi, na primer za nevrone ali kardiomiocite, smrt ni koristna. Če pogledamo na to problematiko z vidika samih mitohondrijev, je videti kot skoraj odkrito izsiljevanje: ali mi zagotoviš vse, kar želim, ali pa te ubijem. Z vidika organizma je vse dobro, če mitohondrij ubije napačno celico, in slabo, če ubije dobro in potrebno.

Zgornje sklepanje je očiten konflikt med evolucijsko strategijo in človeško logiko, ki skuša situacijo oceniti s pozicije subjekta, znotraj katerega so živa bitja sposobna iz prijateljev postati sovražniki. Ta konflikt raziskovalcem ne preprečuje, da bi razumeli, da je mitohondrij, čeprav se »spominja«, da je bakterija, aktivno vključen v delovanje celice; pomembna vloga mitohondrijev pojasnjuje potrebo po dajanju privilegijev. Pod določenimi pogoji postanejo vir dednih ali pridobljenih bolezni – predvsem tistih, s katerimi se ukvarja mitohondrijska medicina. Takih bolezni je več kot sto - zelo resnih in skoraj neozdravljivih. In poleg njih je še ogromno bolezni, ki naj bi bile posledica nepravilnega delovanja mitohondrijev. Obstajajo teorije o mitohondrijskem izvoru raka, Parkinsonove bolezni, Alzheimerjeve bolezni in drugih - z zelo vredno znanstveno potrditvijo.

Obstaja veliko bolezni, za katere menijo, da so posledica nepravilnega delovanja mitohondrijev.

Danes je postalo jasno, da večino bolezni spremlja okvara intracelularnega stroja za nadzor kakovosti mitohondrijev, nekakšnega OTC, ki zavrača slabe mitohondrije in jih pošilja v znotrajcelično prebavo (mitofagijo). Do napake pride na primer, ko se telo stara in OTC zgreši napačne mitohondrije. Posledično začnejo v celici soobstajati dobri in slabi mitohondriji. Ko delež slabih preseže določeno mejo, t.i »fenotipsko manifestacijo« bolezni, ki je bila do sedaj nevidna, latentne narave.

Potegniti je mogoče dva sklepa. Prvič, jedrske celice ne morejo obstajati brez mitohondrijev. Drugič, da bi zaščitili celico pred poškodbami (karkoli jih povzroča: kemija, fizika ali preprosto čas), se je treba z mitohondriji »sprijazniti«, torej jim zagotoviti »dostojen« obstoj. To pomeni ne le nenehno hranjenje njihove dejavnosti z dovajanjem hranilnih substratov in kisika, temveč jim zagotoviti tudi nekakšno zdravstveno zavarovanje, ki bo po potrebi zagotovilo ponovno vzpostavitev njihove strukture in funkcij in/ali pravilno odstranjevanje poškodovanih mitohondrije. Nezmožnost izkoriščanja poškodovanih mitohondrijskih struktur lahko privede do "okužbe" zdravih struktur, kar bo zagotovo povzročilo bolezen.

Danes je presaditev organov postala povsem rutinski poseg, čeprav še vedno zapleten in drag. Razvija se tudi celična terapija, to je presaditev izvornih celic. Toda o možnosti presaditve zdravih mitohondrijev se šele začenja razpravljati. Problemov je veliko, a ključno vlogo mitohondrijev v življenju celice je vredno rešiti. Pogosto je dovolj, da ozdravimo mitohondrije in celica bo ozdravljena. Pred kratkim se je izkazalo, da za zdravljenje posledic možganske kapi zadostuje zagotavljanje pravilnega delovanja mitohondrijev ledvic. To pomeni, da obstajajo "pogovori" (v angleščini zveni bolj znanstveno - navzkrižni pogovor) med organi, ledvica s svojimi mitohondriji pa pomaga pri obnovi možganov.

Problemov je veliko, a ključno vlogo mitohondrijev v življenju celice je vredno rešiti. Pogosto je dovolj, da ozdravimo mitohondrije in celica bo ozdravljena

Videti je treba, v kakšnem jeziku se organi "sporazumevajo", zaenkrat se predpostavlja kemijski jezik komunikacije. Dobra in zdrava ledvica s svojimi zdravimi mitohondriji proizvaja in pošilja v kri eritropoetin (isti tisti, ki ga radi jemljejo športniki in ki ne le spodbuja nastajanje rdečih krvničk, ampak tudi mobilizira splošno presnovo, kar povečuje vzdržljivost). Eritropoetin ima močne nevroprotektivne lastnosti. Ko je ledvica enkrat okvarjena, recimo zaradi pretirane uporabe antibiotikov (antibiotiki ubijajo tudi mitohondrije, ker so nekdanje bakterije), so posledice možganske kapi dramatičnejše. Tako se na podlagi temeljnih odkritij začne kazati strategija zdravljenja bolezni.

Vzemimo za primer sepso, bakterijsko okužbo, ki je eden glavnih vzrokov umrljivosti ljudi. Zdaj je že mogoče - čeprav za zdaj šepetaje - govoriti o "mitohondrijski sepsi", ko mitohondrijske sestavine vstopijo v kri. To ni nič manj nevarno kot bakterijska sepsa, saj vodi v hiperaktivacijo imunskega odziva (ti sistemski vnetni sindrom, SIRS) in možno smrt telesa.

Kot že rečeno, so naravni sovražniki bakterij virusi. To velja tudi za mitohondrije. Nedavno odkrit obrambni sistem proti bakterijskim virusom CRISPR ( zbrane redno medsebojno razporejene kratke palindromske ponovitve), ki ima vse znake elementarno organiziranega imunskega sistema, me je spraševalo: ali imajo mitohondriji imunski sistem? Pri bakterijah je ta imunski sistem strukturiran na naslednji način: v bakterijskem genomu (strukturno zelo podobnem mitohondrijskemu genomu) obstajajo nekakšne knjižnice ali protivirusne baze podatkov - delčki genov tistih virusov, s katerimi se je ta bakterija kdaj srečala. Pri branju informacij iz teh območij se sintetizirajo tako imenovane male RNA. Te RNA se vežejo na virusne nukleinske kisline, ki so vstopile v bakterijo, nato pa ta kompleks razcepijo intrabakterijski encimi, da nevtralizirajo virus. V mitohondrijskem genomu takšnih struktur v čisti obliki niso našli, razen enega samega primera, opisanega na začetku raziskav sistema CRISPR. Našli pa smo posamezne primere vključevanja virusnih sekvenc v mitohondrijski genom (virusi hepatitisa B in gripe), čeprav so precej redki, da bi lahko govorili o sistemu. Po drugi strani pa smo največ različnih struktur v genomu našli v rastlinskih mitohondrijih, katerih genom je mnogokrat večji od mitohondrijskega genoma živali. To je še posebej zanimivo glede na to, da se rastline na splošno veliko bolj zanašajo na motečo protivirusno obrambo na osnovi RNA kot živali, saj nimajo specifičnih imunskih celic, ki bi se prosto gibale po telesu v krvnem obtoku. Poleg tega ne pozabite, da mitohondriji delegirajo pomemben del funkcij celice, vključno s prenosom dela njihovega genetskega materiala v celično jedro, pri čemer si pustijo le »nadzorni delež«, ki zagotavlja njihov nadzor nad ključnimi funkcijami. Povsem možno je, da so bile podobne celične knjižnice prenesene tudi v jedro – poznan je fenomen prenosa majhnih RNK ​​iz citoplazme v mitohondrije. To pomeni, da so lahko med njimi tudi imunske RNA. Po drugi strani pa je možno, da so mitohondriji popolnoma prenesli svoje zaščitne funkcije na celico, zadovoljni z možnostjo, da ubijejo celico, ki jih ne varuje dobro.

S sprejetjem teze »mitohondriji se spomnijo, da so bili bakterije« lahko marsikaj spremenimo v strategiji temeljnega znanstvenega razmišljanja in praktične medicinske dejavnosti, tako ali drugače povezane z mitohondriji. Glede na število funkcij, ki jih mitohondriji opravljajo v celici, je to velik del vseh biomedicinskih težav, od raka do nevrodegenerativnih bolezni.