Митохондрия — клеточная органелла¶

Митохондрия (от др.-греч. μίτος — «нить» и χονδρίον — «зерно») — двумембранный органоид эукариотической клетки, в котором происходит аэробное дыхание и синтез аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондрии выполняют функцию «энергетических станций» клетки: именно в них окислительное превращение органических субстратов сопряжено с синтезом АТФ. Кроме того, митохондрии участвуют в синтезе ряда аминокислот, в метаболизме железа, в апоптозе (запрограммированной гибели клетки) и в поддержании кальциевого гомеостаза.

¶Строение

Митохондрия ограничена двумя мембранами: наружной гладкой и внутренней, образующей складки — кристы (саггиты). Пространство между мембранами (межмембранное) заполнено жидкостью, содержащей ферменты и переносчики. Внутренняя мембрана пронизана множеством белковых комплексов, осуществляющих перенос электронов и закачку протонов. Внутреннее пространство — матрикс (строма) — содержит ферменты цикла Кребса, митохондриальную ДНК, рибосомы и гранулы.

Митохондрии имеют собственный генетический материал — кольцевую молекулу ДНК (мтДНК), у человека содержащую 37 генов. МтДНК наследуется исключительно по материнской линии, что используется в популяционной генетике и медицинской генеалогии. Митохондриальные рибосомы (70S) близки к бактериальным, что подтверждает эндосимбиотическую гипотезу происхождения органелл.

Размеры митохондрий варьируют от 0,5 до 10 мкм, форма — от округлой до нитевидной. Количество митохондрий в клетке зависит от её функциональной нагрузки: в клетках сердечной мышцы их до 5000, в печёночных клетках — до 1000, в зрительных клетках палочках — до 2000. Митохондрии способны к динамическому слиянию и делению, формируя сеть, которая непрерывно ремоделируется.

¶Происхождение

Согласно эндосимбиотической теории, предложенной в 1905 году Константином Мережковским и развитой Линн Маргулис в 1960-х годах, митохондрии произошли от свободноживущих аэробных бактерий (предположительно родов Rickettsia или Paracoccus), поглощённых древней гетеротрофной клеткой. В ходе эволюции симбионт утратил значительную часть генов, перенеся их в ядро хозяина, и стал внутриклеточным органоидом. В пользу теории свидетельствуют: двойная мембрана, собственная кольцевая ДНК, 70S-рибосомы, близкие к бактериальным, и способность к автономному делению.

¶Функции

Основная функция митохондрий — аэробное дыхание, включающее три последовательных процесса:

1. Гликолиз (в цитоплазме) — расщепление глюкозы до пирувата.
2. Цикл Кребса (в матриксе) — окислительное декарбоксилирование ацетил-КоА с восстановлением переносчиков NAD и FAD.
3. Электронно-транспортная цепь (во внутренней мембране) — перенос электронов по цепи белковых комплексов (I–IV) с закачкой протонов и последующим синтезом АТФ через АТФ-синтазу (комплекс V).

Итог одного полного цикла — до 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы, что в десятки раз превышает выход гликолиза без кислорода.

Дополнительные функции митохондрий:

• Апоптоз. Выход цитохрома c из межмембранного пространства запускает каскад ферментов-каспаз, приводящий к гибели клетки.
• Синтез гема, стероидных гормонов, мочевины (в гепатоцитах).
• Терморегуляция. В бурой жировой ткани протонный градиент рассеивается белком UCP1 (термогенин), и энергия АТФ превращается в тепло.
• Кальциевый гомеостаз. Митохондрии поглощают избыток ионов кальция из цитоплазмы.

¶Митохондриальные заболевания

Мутации мтДНК и ядерных генов, кодирующих митохондриальные белки, приводят к группе наследственных заболеваний — митохондриопатиям. К ним относятся:

• Синдром Меррея — нарушение цикла Кребса.
• Митохондриальная миопатия — поражение мышц с повышенной утомляемостью.
• Синдром Лея — тяжёлое нейродегенеративное заболевание детей.
• Митохондриальная энцефаломиопатия с лактатацидозом и эпилептическими припадками (MELAS).
• Синдром Перлера — миоклоническая эпилепсия с фрагментированными красными волокнами.

Заболевания наследуются по материнской линии (при мутациях мтДНК) или аутосомно (при мутациях ядерных генов). Распространённость митохондриальных патологий оценивается примерно в 1 из 5000–8000 новорождённых.

¶Митохондрии в медицине и биотехнологии

Исследования митохондрий имеют прикладное значение. В онкологии изучается зависимость опухолевых клеток от аэробного гликолиза (эффект Варбурга). В геронтологии рассматривается роль накопления мутаций мтДНК в старении. Разрабатываются методы трансплантации митохондрий в ооциты при лечении женского бесплодия, связанного с дефектами органелл. В России исследования митохондриальной медицины ведутся в Институте биологии развития РАН, МГУ и ряде медицинских центров.

¶Интересные факты

• Митохондрии и хлоропласты — единственные органоиды эукариот, имеющие собственную ДНК.
• МтДНК человека мутирует в 10–17 раз чаще, чем ядерная ДНК, что связано с близостью к электронно-транспортной цепи и слабыми системами репарации.
• Геном современного человека содержит около 300 генов, когда-то принадлежавших митохондриальным предкам и перенесённых в ядро.

Источники:

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки».
• Льюин Б. «Гены».
• Маргулис Л. «Симбиогенез и происхождение клеток».
• Медицинская энциклопедия, раздел «Цитология».