Митохондрии — клеточные «энергостанции¶
Митохондрии — это двумембранные органеллы эукариотических клеток, основная функция которых — производство аденозинтрифосфата (АТФ), универсального источника энергии для клеточных процессов. Размер митохондрий составляет 0,5–10 мкм, форма может варьировать от сферической до нитевидной. В одной клетке млекопитающих может содержаться от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий, а в клетках сердечной мышцы — до 5000.
¶Происхождение и открытие
Митохондрии были впервые описаны в 1890-х годах немецкими цитологами: в 1890 году Рихард Альтман назвал их «биобластами», а в 1898 году Карл Бенда ввёл современное название «митохондрии» (от греч. μίτος — нить и χονδρίον — зерно). В 1905 году Эдуард ван Бенеден предположил, что митохондрии могут размножаться делением.
Согласно эндосимбиотической гипотезе, сформулированной в 1905 году Константином Мережковским и развитой в 1960-е годы Линн Маргулис, митохондрии произошли от аэробных бактерий (предположительно родов Rickettsia или Rhodobacter), которые были поглощены предковой эукариотической клеткой. В поддержку этой гипотезы говорит наличие у митохондрий собственной кольцевой ДНК, рибосом, сходных с бактериальными (70S), и двойной мембраны.
¶Строение
Митохондрия состоит из двух мембран, разделённых межмембранным пространством:
- Наружная мембрана — гладкая, проницаемая для ионов и небольших молекул (до 5 кДа) через порины.
- Внутренняя мембрана — непроницаема для большинства веществ и образует многочисленные складки, называемые кристами (от лат. crista — гребень), которые увеличивают площадь поверхности примерно в 5 раз.
- Матрикс — внутреннее пространство, ограниченное внутренней мембраной, содержит ферменты цикла Кребса, собственную ДНК, рибосомы и гранулы.
На внутренней мембране расположены белковые комплексы дыхательной цепи (комплексы I–IV), АТФ-синтаза (комплекс V) и переносчики электронов.
¶Функции
¶Производство энергии
Основная функция митохондрий — окислительное фосфорилирование, в ходе которого энергия, накопленная в молекулах НАДН и ФАДН2 при расщеплении глюкозы, жирных кислот и аминокислот, преобразуется в АТФ. Процесс включает три этапа:
- Цикл Кребса (цитратный цикл) — в матриксе происходит окисление ацетил-КоА с выделением СО₂ и восстановлением НАД⁺ и ФАД.
- Электронный транспорт — электроны переносятся по дыхательной цепи от НАДН и ФАДН₂ к кислороду через четыре белковых комплекса.
- Хемиосмоз — протонный градиент, созданный переносом протонов из матрикса в межмембранное пространство, используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.
Одна молекула глюкозы при полном окислении даёт до 36–38 молекул АТФ.
¶Другие функции
- Апоптоз — программируемая гибель клетки, инициируется выходом цитохрома c из межмембранного пространства митохондрий.
- Синтез липидов — митохондрии участвуют в синтезе фосфолипидов и кардиолипина.
- Кальциевый гомеостаз — митохондрии поглощают ионы кальция, регулируя их концентрацию в цитоплазме.
- Термогенез — в бурой жировой ткани белок термогенин (UCP1) разобщает окислительное фосфорилирование, превращая энергию градиента протонов в тепло.
- Синтез гема и некоторых аминокислот.
¶Митохондриальная ДНК
Митохондрии обладают собственной кольцевой ДНК (мтДНК) размером около 16 569 пар оснований у человека. В ней закодировано 37 генов: 13 белков дыхательной цепи, 22 тРНК и 2 рРНК. Остальные белки митохондрий синтезируются в цитоплазме на основе ядерных генов и транспортируются внутрь органеллы.
Наследование мтДНК у человека — материнское: митохондрии сперматозоида практически не попадают в яйцеклетку при оплодотворении. Это свойство используется в генеалогической генетике для определения материнских линий.
¶Митохондриальные заболевания
Мутации в генах мтДНК или ядерных генах, кодирующих митохондриальные белки, приводят к группе наследственных заболеваний, известных как митохондриопатии. К ним относятся:
- Синдром Мерффи — миопатия, митохондриальная энцефаломиопатия, лактатацидоз и эпилептические припадки.
- Болезнь Лебера — наследственная атрофия зрительного нерва.
- Синдром Кернса — Сейра — прогрессирующая внешняя офтальмоплегия и пигментная дегенерация сетчатки.
Частота митохондриальных заболеваний оценивается примерно в 1 из 5000–10 000 новорождённых. В России диагностика таких заболеваний проводится в НИИ общей патологии и экстренной медицины РАН и ряде медицинских центров.
¶Митохондрии в спорте и медицине
Изучение митохондрий активно развивается в контексте старения: с возрастом количество и функциональная активность митохондрий снижаются, что связано с накоплением мутаций в мтДНК и окислительным стрессом. Аэробные физические нагрузки стимулируют биогенез митохондрий — процесс, регулируемый транскрипционным коактиватором PGC-1α.
В медицине исследуются подходы к заместительной терапии митохондриальными ДНК, а также использование митохондридального донорства («трёхродительского» ЭКО), хотя эта технология остаётся юридически и этически спорной.
Источники:
- Альтман Р. «Die Elementarorganismen und ihre Beziehungen zu den Zellen» (1894)
- Маргулис Л. «Симбиогенез и происхождение клеток» (1998)
- Лодиш Х. и др. «Молекулярная клеточная биология»
- Alberts B. et al. «Molecular Biology of the Cell»
- Скулачёв В.П. «Энергия клетки» (2011)