Митохондрии¶

Митохондрии — это двумембранные органеллы эукариотических клеток, основное место клеточного дыхания и синтеза аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондрии содержат собственную кольцевую ДНК, рибосомы, участвуют в апоптозе, синтезе гема, стероидов и в метаболизме аминокислот. Их диаметр составляет 0,5–1 мкм, длина — до 7 мкм; число органелл в клетке может достигать нескольких тысяч.

¶Строение

Митохондрия состоит из двух мембран, разделённых межмембранным пространством.

• Наружная мембрана — гладкая, проницаемая для ионов и небольших молекул (до 5 кДа) благодаря поринам.
• Внутренняя мембрана — непроницаема для большинства ионов и метаболитов; она образует складки — кристы (гребни), увеличивающие площадь поверхности. В ней расположены дыхательные цепи переноса электронов и АТФ-синтаза.
• Матрикс — гель-подобное вещество внутри внутренней мембраны, содержащее ферменты цикла Кребса, рибосомы (70S, бактериального типа) и кольцевую ДНК длиной 16–17 тыс. пар оснований у человека.

¶Происхождение

Согласно эндосимбиотической теории Линна Маргулис (1967), митохондрии произошли от древних аэробных бактерий (протобактерий), поглощённых гетеротрофной клеткой-хозяином. В пользу теории говорят:

• кольцевая ДНК митохондрий, близкая к бактериальной;
• рибосомы 70S;
• двойная мембрана (внешняя — от фагоцитоза, внутренняя — от бактериальной мембраны);
• автономное деление митохондрий посредством бинарного деления;
• антибиотики, подавляющие бактериальные рибосомы, тормозят и митохондриальный синтез белка.

¶Функции

¶Клеточное дыхание

Главная функция — окислительное фосфорилирование. В матриксе происходит цикл Кребса, окисляющий ацетил-КоА до CO₂ и восстанавливающий NAD⁺ и FAD. Перенос электронов по дыхательной цепи (комплексы I–IV) создаёт протонный градиент во внутренней мембране; протоны возвращаются через АТФ-синтазу (комплекс V), синтезируя АТФ. Одна молекула глюкозы даёт около 30–32 молекул АТФ.

¶Другие функции

• Апоптоз — высвобождение цитохрома c из межмембранного пространства запускает каскад каспаз.
• Синтез гема, стероидных гормонов, мочевины.
• Термогенез — в бурых жировых тканях белок термогенин (UCP1) разобщает окислительное фосфорилирование.
• Детоксикация — в печени митохондрии участвуют в β-окислении жирных кислот и уреотическом цикле.
• Синтез железосерных кластеров и метаболизм кальция.

¶Митохондриальная ДНК

Митохондриальная ДНК (мтДНК) у человека — кольцевая молекула длиной 16 569 пар оснований, содержащая 37 генов: 13 белков дыхательной цепи, 22 тРНК и 2 рРНК. Наследуется материнским путём — мтДНК сперматозоида практически не попадает в яйцеклетку. Мутации мтДНК проявляются в нейромышечных заболеваниях (например, синдром Лея, митохондриальная миопатия, болезнь Альперса). Среди популяций мтДНК используется для изучения материнской линии происхождения людей (гаплогруппы).

¶Митохондрии и медицина

Дефекты митохондрий лежат в основе более 150 наследственных заболеваний. Среди них:

Исследования митохондрий ведутся в России в Институте биологии развития РАН, Институте митохондриальной медицины и других центрах. Перспективные направления — генная терапия мтДНК, митохондриальная замена («третий родитель»), разработка антиоксидантов, минимизирующих окислительный стресс.

¶Интересные факты

• Митохондрии в клетках сердечной мышцы занимают до 35–40% объёма.
• В клетке печени их около 1000–2000, в сперматозоиде — до 75–100, сконцентрированных в средней части.
• Митохондрии могут сливаться (фузия) и делиться (фиссия), образуя динамическую сеть.
• Митохондриальный геном человека мутирует в 10–17 раз чаще ядерного из-за близости к дыхательной цепи и ограниченных систем репарации.

Источники:

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки»
• Лодиш Х. и др. «Молекулярная клеточная биология»
• Маргулис Л. «Роль симбиоза в эволюции клетки» (1967)
• Наследственные митохондриальные заболевания // РМЖ