Митохондрии. Урок 21

Митохондрии  (греч. mitos — «нить» и chondros — «зерно») — это двумембранные полуавтоматические органоиды большинства эукариотических клеток, их «энергетические станции». Они сделали возможной эволюцию сложных животных, независящих от анаэробного (бескислородного) гликолиза.

Основная функция митохондрий заключается в размещении ферментативного механизма для окислительного фосфорилирования, приводящего к образованию аденозинтрифосфата (АТФ) и высвобождению энергии в результате метаболизма органических молекул. При этом получается энергии в 15 раз больше, чем при гликолизе. Энергия также используется для генерации электрического потенциала и термогенеза. Эти три процесса осуществляются за счёт движения электронов по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны.

Прокариоты используют для синтеза АТФ (энергетической валюты клетки) свою плазматическую мембрану. Но плазмалемма эукариотических клеток зарезервирована для транспортных процессов. Вместо этого, эукариоты используют для синтеза большей части своего АТФ специализированные мембраны внутри энергопреобразующих органелл. Такими замкнутыми мембранными органоидами являются пластиды, в особенности хлоропласты, которые встречаются только у растений и водорослей и митохондрии, присутствующие в клетках всех эукариотических организмов (включая грибы, животных, растения, водоросли и простейших).

Функции митохондрий:

1. Синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ.
2. Генерация электрического потенциала.
3. Термогенез.
4. Депо ионов Са²⁺ . Большое значение имеет поглощение митохондриями этих ионов для удаления их из цитозоля, где высокая концентрация Са2+ является опасной.
5. Участие в апоптозе и стероидогенезе.

Происхождение митохондрий

Митохондрии, как и пластиды, имеют собственные ДНК, хотя часть их генов теперь кодируется в ядре, они никогда не образуются из других компонентов клетки, а появляются только в результате деления материнского органоида. Такие органеллы называют полуавтоматическими, они обладают такими свойствами потому, что, вероятно, когда то были самостоятельными одноклеточными организмами, но однажды стали неотъемлемой частью эукариотической клетки. Эта теория носит название симбиогенеза: от «симбиоз» — различные формы совместного существования организмов из разных токсономических групп и «генез» — происхождение чего-либо.

Согласно теории когда-то митохондрии появились в результате захвата примитивными клетками бактериальной прокариотической клетки (прогенота), способной к использованию кислорода для производства энергии.  В процессе прогеноты отдали часть своих ДНК сформировавшемуся ядру эукариот и перестали быть самостоятельными.

Строение митохондрий

Митохондрии — довольно крупные органеллы, хорошо заметные под световым микроскопом (от 0,5 до 1 мкм в диаметре). Их изображают похожими на вытянутых цилиндрических бактерий, но замедленная микросъёмка живых клеток показала, что это удивительно пластичные и подвижные органоиды. Они постоянно меняют свою форму, сливаются друг с другом и снова фрагментируются. Двигаясь по цитоплазме, они используют микротрубочки цитоскелета и в некоторых клетках образуют длинные цепи или нити.

В других клетках они расположены в постоянном месте, там, где они особенно нужны и быстро расходуются, они могут быть упакованы между прилегающими миофибриллами в клетке сердечной мышцы или плотно обернуты вокруг жгутика сперматозоида.

У кишечных анаэробных энтамёб и некоторых других паразитических простейших митохондрии отсутствуют. 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.

Эти органоиды имеют сложное строение. У них 2 высокоспециализированные мембраны, каждая толщиной в 7 нм:

• наружная — гладкая, отделяющая митохондрии от гиалоплазмы;
• внутренняя — со складками и выростами (кристами). Она ограничивает внутреннее содержимое митохондрии — матрикс.

Вместе мембраны создают два отдельных компартмента (участка, ограниченных мембранами, в которых проходят отдельные химические процессы):

• внутренний матрикс, о нём уже было сказано выше;
• межмембранное пространство (толщиной 10-20 нм).

И мембраны и окружающее их пространство содержат разный набор белков, большая часть из которых (около 100) кодируется в ядре и поступает в митохондрии из цитоплазмы, треть из них синтезируется и кодируется самими митохондриями.

Наружная мембрана

Она похожа на сито, так как содержит множество транспортных белков поринов, образующих в липидном бислое мембраны водные каналы. Она проницаема для всех водорастворимых молекул массой до 5 000 дальтон, в том числе для белков, ионов и аминокислот. Молекулы, прошедшие через внешнюю мембрану чаще остаются в межмембранном пространстве, так как внутренняя мембрана практически непроницаема для ионов.

Крупные молекулы могут проникать сквозь наружную мембрану только посредством активного транспорта с помощью транспортных белков митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов:

• монооксигеназы,
• ацил-КоА-синтетазы,
• фосфолипазы А2.

Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума, это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.

Внутренняя мембрана

Внутренняя мембрана и матрикс являются основной рабочей частью митохондрий. Кристы значительно увеличивают мембранную поверхность. Они могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выраженной ориентации. У простейших, одноклеточных водорослей, в некоторых клетках «высших» растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубок (трубчатые кристы).

Число крист в митохондриях сердечной мышцы в три раза больше, чем в митохондрии клетки печени, что, предположительно, объясняется большими затратами АТФ клетками сердца. Также существуют значительные отличия между митохондриальными ферментами в различных типах клеток.

Липидному бислою внутренней мембраны митохондрий свойственно высокое содержание «двойных» фосфолипидов кардиолипинов, которые содержат четыре жирные кислоты, а не две, и усиливают непроницаемость мембраны по отношению к ионам. Эта мембрана также несет различные транспортные белки, которые делают ее селективно проницаемой для тех малых молекул, которые метаболизируются располагающимися в матриксе митохондриальными ферментами или требуются для их работы.

Внутренняя митохондриальная мембрана является местом переноса электронов и перекачки протонов (Н⁺) и содержит АТФ-синтетазу. Большая часть белков встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану, они являются компонентами цепи переноса электронов, участвующих в окислительном фосфорилировании.

Конечными продуктами этого окисления являются CO₂ , который выделяется из клетки в качестве побочного продукта, и NADH, который служит основным источником электронов для переноса вдоль дыхательной цепи — электрон-транспортной цепи митохондрий.

По функциям ферменты внутренней мембраны можно разделить на три группы:

• окислительных реакций электрон-транспортной цепи;
• АТФ-синтаза, синтезирующая АТФ в матриксе;
• транспортные, обеспечивающие обмен метаболитов между матриксом и межмембранным пространством.

Матрикс

Матрикс (розовое вещество) — ограниченное внутренней мембраной пространство. В нём находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот и цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же располагаются митохондриальная кольцевая ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии (рибосомы). Матрикс разделен складками внутренней митохондриальной мембраны, известными как кристы, усиливающими внутреннюю митохондриальную мембрану, на которой происходит синтез АТФ.

Часть вырабатываемой энергии расходуется в рибосомах, где из аминокислот синтезируются белки. Только около трети (37 штук) митохондриальных белков кодируется митохондриальной кольцевой ДНК. Большинство митохондриальных белков кодируются ядерными генами, синтезируются в цитозольных рибосомах и импортируются в митохондрии.

Митохондриальный матрикс содержит пируват, или пировиноградную кислоту (полученный из углеводов) и жирные кислоты (полученные, а затем превращаются в ацетил-коэнзим А (сокращённо ацетил-КоА). В матриксе проходит цикл лимонной кислоты (трикарбоновых кислот, цикл Кребса), превращающий ацетил КоА в СО₂ (высвобождается из клетки как ненужный метаболический продукт) и электроны высокой энергии, переносимые никотинамидадениндинуклеотидом (NADH) и флавинадениндинуклеотидом (FADH₂) –активированными молекулами-носителями.

NADH и FADH2 отдают электроны высокой энергии электронно-транспортной цепи, расположенной в кристах внутренней митохондриальной мембране,где протекает окислительное фосфорилирование — окисляются до NAD⁺ и FAD.

Цианид и азид — это яды, которые связываются с комплексами цитохромоксидазы, останавливая перенос электронов, тем самым блокируя выработку АТФ.

Энергетические процессы в митохондриях

В митохондриях проходит последний этап клеточного дыхания, остальные этапы протекают в цитоплазме клетки (таб. 1). Реакции идут как в матриксе (цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот), так и на кристах (окислительное фосфорилирование).

В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет около 680 ккал на 1 моль (т.е. на 180 г глюкозы); эта энергия освобождается при полном окислении глюкозы. Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и связано с переходом энергии в макроэнергетическую связь в молекуле АТФ (таб. 1).

Таб. 1. Этапы энергетического обмена

Этапы	Особенности протекания этапа	Энергетическая ценность
Подготови-тельный (проходит в цитоплазме клеток и желудочно-кишечном тракте животных и человека)	Молекулы сложных органических соединений расщепляются на мономеры под действием ферментов на более мелкие: белки — до аминокислот, углеводы — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов, жиры — на глицерин и жирные кислоты.	Небольшое количество энергии, рассеивающееся в виде тепла.
Бескислород-ный, анаэробное дыхание (неполное окисление, или гликолиз). У анаэробных организмов этот этап последний. (Протекает в цитоплазме клеток)	Многоступенчатый процесс превращения глюкозы (С6 Н12 О6) в две трёхуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, пируват, С3 Н4 О3): С6 Н12 О6 +2АДФ+2Н3 РО4 → 2 С3 Н4 О3 +4Н + +2АТФ+2Н2 О У дрожжей или в клетках растений при недостатке кислорода в дальнейшем происходит спиртовое брожение — ПВК восстанавливается до этилового спирта: СН3 СОСООН → СО2 +СН3 СОН (уксусный альдегид), СН3 СОН+НАД * Н → С2 Н5 ОН+НАД+ . Суммарная реакция спиртового брожения: С6 Н12 О6 +2Н3 РО4 +2АДФ → 2С2 Н5 ОН (этанол)+2СО2 +2АТФ+2Н2 О. В клетках животных, испытывающих недостаток кислорода, или у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, при котором пируват восстанавливается до молочной кислоты: СН3 СОСООН+НАД * Н → С3 Н6 О3 +НАД+ . Суммарная реакция молочнокислого брожения: С6 Н12 О6 +2Н3 РО4 +2АДФ → 2С3 Н6 О3 +2АТФ+2Н2 О	Выделяется 200 кДж/моль. 60% этой энергии рассеивается в виде теплоты, остальные 40% используются на синтез АТФ.
Кислородный, аэробный (полное окисление), клеточное дыхание	Цепь реакций, контролируемых ферментами внутренней мембраны и матрикса митохондрий. В матриксе митохондрий ПВК взаимодействует с ферментами и образует: 1) Диоксид углерода, который выводится из клетки; 2) Атомы водорода, которые в составе переносчиков направляются к внутренней мембране; 3) Ацетил-кофермент А (ацетил – КоА), который вовлекается в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса: С6 Н12 О6 +6Н2 О→6СО2 +4АТФ+12(НАД * Н2 +ФАД * Н2) На внутренней мембране митохондрий локализуется электронно-транспортная (дыхательная) цепь переноса электронов. В результате деятельности ферментов внутренняя мембрана изнутри заряжается отрицательно (за счёт О2- ), а снаружи — положительно (за счёт Н+). Во внутреннюю мембрану встроены молекулы фермента АТФ-синтетазы, в ножке которых располагается протонный канал. При разности потенциалов в 200 мВ Н+ проходят через канал АТФ-синтетазы в матрикс, при этом энергия транспортирующихся ионов Н+ используется для фосфорилирования АТФ из АДФ: 12Н2 +6О2 дыхательная цепь 12Н2 О+34АТФ Синтез АТФ в процессе клеточного дыхания тесно сопряжён с транспортом ионов по цепи переноса, и весь процесс носит название окислительное фосфорилирование. Суммарная реакция полного окисления глюкозы: С6 Н12 О6 +6О2 → 6СО2 +6Н2 О+38АТФ	В ходе цикла Кребса из одной молекулы ацетил – КоА образуется одна молекула АТФ. Энергетичеcкий выход окисления одной молекулы глюкозы в цикле Кребса — 2 молекулы АТФ. Энергетический выход окисления одной молекулы глюкозы в дыхательной цепи — 34 молекулы АТФ. При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. КПД окислительного фосфорилирования — 55%.

И так: в процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота (С₃ Н₄ О₃), вовлекаются в дальнейшее окисление, происходящее уже в матриксе митохондрий (цикл Кребса), а затем на кристах внутренней мембраны (окислительное фосфорилирование). В конечном итоге пировиноградная кислота полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ и воду.

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:

1. Превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрию пирувата и жирных кислот в ацетил-КоА;
2. Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса, ведущее к образованию НАДН (кофермент) и двух молекул СО₂;
3. Перенос электронов с НАДН на кислород по дыхательной цепи с образованием Н₂О;
4. Образование АТФ в результате деятельности мембранного АТФ-синтазного комплекса.

Цикл Кребса

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) — это центральная часть общего катаболизма, представляет собой конвейер из непрерывно проходящих  ферментативных химических реакций, протекающий в матриксе митохондрий. В цикле идет окисление молекул, перенос электронов на акцепторы и выделение СО₂. Состоит он из 8 последовательных стадий.

1. Сам цикл Кребса начинается с гидролиза ацетила-КоА, образованного до начала цикла, во время декарбоксилирования и дегидрирования пировиноградной кислоты, образования уксусной кислоты, которая соединилась с коферментом А. При гидролизе ацетила-КоА происходит отщепление ацетильной группы, содержащей 2 атома углерода. Далее начинается цикл трикарбоновых кислот, в котором принимают участие ацетильная группа, появившаяся во время гидролиза ацетила-КоА. Ацетил-КоА присоединяется к щавелевоуксусной кислоте и при помощи фермента цитратсинтетазы появляется лимонная кислота (цитрат) с 6 атомами углерода. В данной реакции расходуется энергия макроэргической связи кофермента ацетил-КоА. Эта реакция необратима. 
2. Стадия превращения цитрата в изоцитрат — обратимая реакция. От цитрата отщепляется молекула воды (дегидрирование) и получается цис-аконитат, который присоединяя молекулу воды становится изолимонной кислотой (изоцитратом). Реакция происходит под воздействием фермента аконитаза.
3. Превращение изолимонной кислоты в а-кетоглутарат. Изолимонная кислота (изоцитрат) дегидрируется в присутствии НАД+ зависимой изоцитратдегидрогеназы. На выходе получаем альфа-кетоглутарат (оксоглутарат). В ходе реакций образуется и НАДН — молекулы-переносчики.
4. Окисление α-кетоглутарата до сукцинил-КоА. Окислительное декарбоксилирование а-кетоглутарата при помощи  α-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса с образованием сукцинил-КоА — тиоэфира, содержащего высокоэнергетическую фосфатную связь. В качестве акцептора электронов выступает НАД+, а как побочный продукт появляется углекислый газ.
5. Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Также происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ или АТФ за счет тиоэфирной связи сукцинил-КоА. Конечным результатом активности любого изозима сукцинил-КоА-синтетазы является запасание энергии в виде АТФ. Изменение энергии Гиббса в нуклеозидифосфаткиназной реакции равно нулю, и АТФ, и ГТФ энергетически эквивалентны друг другу.
6. Дегидрогенирование сукцината. Образование фумарата. Образовавшаяся янтарная кислота (сукцинат) превращается в фумарат (фумаровая кислота) под действием фермента сукцинатдегидрогеназы. Единственная дегидрогеназная реакция цикла Кребса, в ходе которой осуществляется прямой перенос водорода с субстрата на флавопротеин без участия НАД⁺.
7. Гидратация фумарата до малата (обратимая реакция). Под влиянием фермента фумаратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является L-яблочная кислота (L-малат). 
8. Окисление малата до оксалоацетата. Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Происходит полное «сгорание» одной молекулы ацетил-КоА. Для непрерывной работы цикла необходимо постоянное поступление в систему ацетил-КоА. А коферменты (НАД⁺ и ФАД), перешедшие в восстановленное состояние, должны снова и снова окисляться.Источник: http://medicine-simply.ru/just-medicine/cikl-krebsa

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование происходит в дыхательной цепи переноса электронов, функционирующей на внутренней мембране митохондрий. Приводит к синтезу АТФ и является конечным этапом клеточного дыхания. Несмотря на то, что цикл лимонной кислоты считается частью аэробного метаболизма, в нем не используется кислород. Молекулярный кислород O₂ напрямую поглощается только в финальных катаболических реакциях, протекающих во внутренней митохондриальной мембране (у эукариот).

Окислительное фосфорилирование — это механизм синтеза АТФ. Он заключается в добавлении фосфатной группы к аденозиндифосфату (АДФ) для образования АТФ и утилизации O₂. Его также называют хемиосмотическим, потому что он включает в себя химический компонент (синтез АТФ) и осмотический компонент (процесс переноса электронов и перекачки Н⁺).

Почти вся энергия, доступная из сжигания углеводов, жиров и других пищевых молекул на ранних стадиях их окисления, сначала запасается в форме высокоэнергетических электронов, отрываемых от субстратов NAD⁺ и FAD. Эти электроны, переносимые NADH и FADH₂, затем присоединяются к O₂ посредством дыхательной цепи во внутренней митохондриальной мембране. Внутренняя мембрана использует большое количество высвобожденной энергии для синтеза АТФ из АДФ.

Митохондрии участвуют в апоптозе, стероидогенезе и термогенезе

Митохондрии участвуют в трех важных функциях:

1. Запрограммированная гибель клеток, или апоптоз.
2. Стероидогенез (выработка стероидных гормонов).
3. Термогенез — процесс производства тепла в организме.

Митохондрии содержат прокаспазы-2, -3 и -9 (предшественники протеолитических ферментов), фактор инициации апоптоза (AIF) и цитохром c. Высвобождение этих белков в цитозоле инициирует апоптоз.

Митохондриальные мембраны содержат ферменты, участвующие в синтезе стероидов альдостерона, кортизола и андрогенов.

Большая часть энергии от окисления рассеивается в виде тепла, а не преобразуется в АТФ. Разобщающие белки (UCPs), члены суперсемейства митохондриальных белков-аниононосителей, присутствующих во внутренней мембране митохондрий, опосредуют регулируемый выброс Н+ (называемый утечкой протонов), что приводит к выделению тепла. Утечка протонов через внутреннюю мембрану митохондрий опосредуется UCP-1.

UCP-1 присутствует во внутренней мембране митохондрий коричневых адипоцитов. Его роль заключается в обеспечении регулируемого термогенеза в ответ на воздействие холода.

Митохондриальное наследование по материнской линии

Митохондриальная ДНК (мтДНК) передается от матери (материнское наследование).  Митохондриальные заболевания могут поражать как самцов, так и самок, но самцы, по-видимому, не способны передать это заболевание потомству. Материнское наследование мтДНК рассматривается как эволюционно выгодное из-за потенциального повреждения мтДНК сперматозоидов активными формами кислорода (АФК), участвующими в оплодотворении.

Подвижные сперматозоиды, достигающие яйцевода для оплодотворения, уничтожают свою мтДНК перед оплодотворением, оставляя вакуолярные митохондрии. Тем не менее, остаточная мтДНК в оплодотворяющем сперматозоиде может быть неравномерно распределена в зиготе во время раннего развития эмбриона. Следовательно, нельзя игнорировать эффекты наследования отцовской мтДНК .

Про наследование митохондриальных генов читайте статью: https://tvoiklas.ru/citoplazmaticheskaja-nasledstvennost-urok-7/#Митохондриальные_гены_обычно_передаются_по_материнской_линии