Митохондрии — «силовые» станции клетки, в них локализована большая часть реакций дыхания (аэробная фаза). В митохондриях происходит аккумуляция энергии дыхания в аденозинтрифосфате (АТФ). Энергия, запасаемая в АТФ, служит основным источником для физиологической деятельности клетки. Митохондрии обычно имеют удлиненную палочковидную форму длиной 4—7 мкм и диаметром 0,5—2 мкм. Число митохондрий в клетке может быть различным от 500 до 1000 и зависит от роли данного органа в процессах энергетического обмена. Однако в некоторых организмах (дрожжах) имеется лишь одна гигантская митохондрия. Электронно- микроскопическая фотография митохондрий (по П. В. Парамоновой) Химический состав митохондрий несколько колеблется. В основном это белково-липидные органеллы. Содержание белка в них составляет 60—65%, причем структурные и ферментативные белки содержатся примерно в равной пропорции, а также около 30% липидов. Очень важно, что митохондрии содержат нуклеиновые кислоты: РНК — 1 % и ДНК —0,5%. В митохондриях имеется не только ДНК, но и вся система синтеза белка, в том числе рибосомы. Митохондрии окружены двойной мембраной. Толщина мембран составляет 6—10 нм. Мембраны митохондрий на 70% состоят из белка. Фосфолипиды мембран представлены фосфатидтилхолином, фосфатидилэтаноламином, а также специфическими фосфолипидами, например, кардиолипином. Мембраны митохондрий не пропускают Н Схема строения митохондрии: 1 — наружная мембрана; 3 — матрикс; 2 — внутренняя мембрана; 4 — перимитохондриальное пространство. Свойства митохондрий (белки, структура) закодированы частично в ДНК митохондрий, а частично в ядре. Так, митохондриальный геном кодирует белки рибосом и частично систему переносчиков электронотранспортной цепи, а в геноме ядра кодирована информация о белках-ферментах цикла Кребса. Сопоставление размеров митохондриальной ДНК с числом и размером мито-хондриальных белков показывает, что в ней заложено информации почти для половины белков. Это и позволяет считать митохондрии, как и хлоропласты, полуавтономными, т. е. не полностью зависящими от ядра. Они имеют собственную ДНК и собственную белоксинтезирующую систему, и именно с ними и с пластидами связана так называемая цитоплазматическая наследственность. В большинстве случаев это наследование по материнской линии, так как инициальные частицы митохондрий локализованы в яйцеклетке. Таким образом, митохондрии всегда образуются от митохондрий. Широко обсуждается вопрос, как рассматривать митохондрии и хлоропласты с эволюционной точки зрения. Еще в 1921 г. русский ботаник Б.М. Козо-Полянский высказал мнение, что |
Митохондрии химический состав — Справочник химика 21
В саркоплазме мышечного волокна наряду с гранулами (митохондриями, микросомами и т. д.) обычно можно обнаружить глыбки гликогена и капельки липоидов, играющих роль запасного энергетического материала. Химический состав отдельных гистологических элементов мышцы изучен еще неполно. В табл. 35 приводятся данные, характеризующие содержание ряда веществ в наиболее изученных с химической стороны поперечнополосатых мышцах в целом. [c.438]Дан и автор данной статьи начали совместную работу в Калифорнийском университете над разрешением этих вопросов. Прямой путь к цели представлялся весьма простым. Для этого нужно было выделить в чистом виде и в достаточном количестве митотический аппарат из делящихся клеток и изучить его химический состав и строение. Другие части клетки — ядра, хромосомы, митохондрии — в свое время с успехом выделяли и изучали. Но в данном случае задача была более сложной. Митотический аппарат — структура временная. Он появляется в клетке лишь тогда, когда клетка делится, и в процессе деления все время изменяется. Он не лежит свободно в веществе клетки, а тесно связан с этим последним. И что хуже всего — он крайне неустойчив в своей живой
Созданный коллективом известных американских ученых (в их числе — лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон) современный учебник молекулярной биологии. Энциклопедическая полнота охвата материала позволяет использовать его как справочное пособие. На русском языке выходит в 3-х томах. Читатель уже знаком с 1-м изданием (М. Мир, 1986-1987). Новое издание переработано авторами и дополнено современным материалом. В т. 1 рассматриваются эволюция клеток, их химический состав, методы исследования, структура и функции плазматической мембраны, митохондрий, хлоропластов. [c.4]
Каковы структура и химический состав митохондрий Их роль в процессе метаболизма. [c.66]
Для более детального исследования химического состава органоидов клетки разработан метод дифференцированного центрифугирования раздробленных тканей. Обнаружено, что при изменении числа оборотов центрифуги в единицу времени удается отделить друг от друга отдельные органоиды клетки. После центрифугирования проводят детальный химический анализ полученных фракции. Этим методом удалось выяснить химический состав ядра, ядрышка, хромосом, митохондрий и других органоидов. [c.21]
Химическое строение активной формы уксусной кислоты долгое время оставалось неясным только в последние годы удалось расшифровать структуру этого соединения. Вместе с тем был выяснен и механизм окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты у некоторых микроорганизмов. [Установлено, что декарбоксилирование пировиноградной кислоты, сопровождающееся поглощением кислорода, катализируется сложной системой, в состав которой входит особая дегидрогеназа, коферменты (тиаминпирофосфат, липоевая кислота, коэнзим А, НАД) и система ферментов — катализаторов тканевого дыхания. Вся эта система локализована в митохондриях.
Далее начинают сравнивать чистые фракции митохондрий разных типов по химическому составу. При этом всегда оказывается, что содержание воды составляет около 85%. Это, конечно, пока еще мало о чем говорит, так как в целых клетках содержание воды часто находится на таком же уровне. Но, что гораздо важнее, совпадает всегда и состав сухого вещества, которое состоит наполовину из белка, наполовину из липидов (причем 90% липидов приходится на фосфатиды, о которых шла речь на стр. 208). По-видимому, дело здесь в том, что митохондрии благодаря своей сильно выраженной складчатости исключительно богаты элементарными мембранами, которые, как мы уже знаем, состоят из бимолекулярной липидной пленки и двух (с обеих сторон) белковых пленок это как раз и дает примерно соотношение 1 1. Другие клеточные органеллы содержат гораздо меньше липидов. Нуклеиновые кислоты, если они вообще содержатся в митохондриях, обнаруживаются в них только в исчезающе малых количествах. [c.222]
В химическом отношении мембраны митохондрий представляют собой сочетание белков, на долю которых приходится около 80% и липидов 20% от веса органоида. Структурную основу мембраны составляют протеины нерастворимые в воде и сходные по этому признаку с актомиозином мышц животных. Кроме того, в состав мембраны входят еще около 30 различных других белков. [c.50]
Клетка содержит ядро, окруженное двойной мембраной, которая имеет тот же химический состав и физические свойства, что и мембрана клетки. В цитоплазме, окружающей ядро, находятся также небольшие органеллы, образованные мембранами, обнаруживающими подвижность и химический состав, очень близкие к мембране, ограничивающей клетку. Среди этих органелл главными являются митохондрии (в них производится необходимая клеткам энергия), эргастоплазмы (синтез белков) и аппарат Гольджи (упаковка и вынос во внешнюю среду синтезированных материалов). Оптический микроскоп позволяет видеть все эти органеллы и обнаружить, что в живой клетке они претерпевают сильные деформации,. несомненно требующие подвижности их мембран.
ПОЛ представляет собой один из важнейших универсальных процессов повреждения мембранных систем, изменяющий химический состав, физические параметры, ультраструктзфную организацию и функциональные характеристики биомембран. ПОЛ вызывает обновление липидного состава мембран вследствие удаления легко окисляющихся липидов — фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина, фосфатидилинозитола. При ПОЛ возрастает скорость процессов флип-флоп -переходов. ПОЛ приводит к увеличению вязкости мембран в результате уменьшения содержания жидких липвдов в бислойных участках, появления поперечных межмолекулярных сшивок и возрастания доли упорядоченных липидов с ограниченной подвижностью. Отрицательный заряд на поверхности мембран увеличивается, что обусловлено вторичными продуктами ПОЛ (эпоксиды, кетоны, малоновый диальдегид и др.), содержащими карбонильные и карбоксильные группы. Мембраны эритроцитов, митохондрий, саркоплазматического ретикулума, лизосом становятся проницаемыми для различных ионов, неэлектролитов, макромолекул. Изменяются свойства мембранных белков Са -АТФазы, Ка , К — АТФазы, родопсина, фосфолипазы. Эти функциональные проявления ПОЛ определяют формирование многих патологических состояний организма, возникающих при неблагоприятных условиях и повреждающих воздействиях. [c.106]
Выделение митохондрий из тканей животных, а также растений (из проростков и листьев) позволило исследовать их химический состав и ферментативные свойства in vitro. Поскольку митохондрии отличаются сравнительно низкими показателями преломления, прижизненные исследования их довольно сложны. Тем не менее это удалось в культурах живых тканей при темнополь-ном фазово-контрастном микроскопировании. [c.49]
Химический состав митохондрий. Наружная мембрана митохондрий печени служит в качестве защитного покрова специализированного функционального аппарата — крист. Этот покров напоминает эндоплазматическую сеть гепатоцитов по общему химическому составу, а именно распределению фосфоглицеридов, и содержит несколько (но не все) ферментов из числа связанных с микросомами, приготовленными из клеток гепатоцитов, например NADH-цитохром s-редуктазу (гл. 3) и глюкозо-6-фосфатазу (разд. 14.3.1). Эта мембрана служит в качестве легкопроницаемого барьера для молекул, имеющих молекулярную массу 10 000. [c.420]
Пуклеопротеины состоят из белков и нуклеиновых кислот. Последние рассматриваются как простетические группы. В природе обнаружено 2 типа нуклеопротеинов, отличающихся друг от друга по составу, размерам и физико-химическим свойствам,— дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) и рибонуклеопротеины (РНН). Названия нуклеопротеинов отражают только природу углеводного компонента (пентозы), входящего в состав нуклеиновых кислот. У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП—дезоксирибозой. Термин пуклеопротеины связан с названием ядра клетки, однако ДНП и РНП содержатся и в других субклеточных структурах. Следовательно, речь идет о химически индивидуальном классе органических веществ, имеющих своеобразные состав, структуру и функции независимо от локализации в клетке. Доказано, что ДНП преимущественно локализованы в ядре, а РНП —в цитоплазме. В то же время ДНП открыты в митохондриях, а в ядрах и ядрышках обнаружены также высокомолекулярные РНП. [c.86]
Биологические функции митохондрий удалось установить только после того, как их научились отделять от других клеточных компонентов путем дифференцированного ультрацентрифугирования. Выделенные таким образом эти органеллы могут быть очищены от солей посредством диализа, высушены и подвергнуты химическому анализу. Митохондрии состоят из липо-протеидов, значительная часть которых представлена фосфолипидами (до 95%), небольшого количества РНК (от 1—3%) и ДНК. Кроме того, в их состав входят ряд витаминов (А, Вб, B 2, К, Е), фолиевая и пантотеновая кислоты, рибофлавин и кофермент А, дыхательные ферменты (цитохромоксидаза и сукцинатдегидрогеназа), ферменты цикла трикарбоновых кислот и ряд ферментов, участвующих в сопряженном с дыханием фосфори-лировании (аденилаткиназа, аденозинтрифосфатаза). Отсюда становится понятным обязательное присутствие митохондрий во всех клетках с аэробным дыханием, а также и то, что при изъятии ядра из клетки отдельные компоненты ее продолжают дышать . В то же время замечено, что при переходе клетки от аэробного образа жизни к анаэробному, т. е. когда перестает функционировать окислительный цикл трикарбоновых кислот, митохондрии исчезают и взамен их возникает мощно развитая система мембран эндоплазматической сети. Подобные наблюдения были сделаны при изучении дрожжевых клеток и чашелистиков канатника (Abutilon), помещенных в атмосферу азота. От числа митохондрий в клетках зависит интенсивность дыхания. [c.52]
ЛЯ И клеточной дупликации рибосомы как места белкового синтеза митохондрии как мембранные структуры, в которых окислительный метаболизм обеспечивает образование аденозинтрифос-фата мембраны эндоплазматического ретикулума как место метаболических превращений некоторых неполярных молекул, таких как стероиды. В клеточной мембране функционируют векториаль-но организованные механизмы, регулирующие электролитный состав цитоплазмы и обеспечивающие доставку необходимых питательных веществ (гл. 11 и 34). Мембрана обладает многочисленными специализированными рецепторами, которые принимают химические сигналы от других клеток и от внешнего окружения. Внутриклеточные сократительные волокна специфичны для клеток определенного типа цитоплазма представляет собой раствор сотен индивидуальных ферментов, определенным образом направляющих многочисленные метаболические реакции, благодаря которым-питательные вещества превращаются в клеточные компоненты. Сумма всех этих химических процессов и составляет жизнь клетки. [c.17]
Рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, их химический состав, строение и функции.
Рибосомы по своему строению не относятся к мембранным органоидам, однако, поскольку они расположены непосредственно на эндоплазматической сети, то именно ЭПС выполняет все функции мембраны по отношению к ним. Рибосома — две субъединицы, имеющие разную скорость седиментации (осаждения), их объединение в рибосому происходит только в присутствии ионов магния. Функция синтезирующая (трансляция белка — заключительный этап биосинтеза белка).Митохондрии окружены двумя элементарными мембранами. Внутренняя мембрана образует множество складок и выступов, называемых кристами. Кристы значительно увеличивают внутреннюю поверхность митохондрии. Внутреннее содержимое митохондрий называется матриксом. Митохондрии обычно мельче, чем пластиды и очень разнообразны по форме и величине. В митохондриях осуществляется процесс дыхания, в результате которого органические молекулы расщепляются с высвобождением энергии. Энергия идет на восстановление АТФ. Поскольку в митохондриях накапливается энергия, их называют энергетическими станциями клетки. Большинство растительных клеток содержит сотни и тысячи митохондрий, хотя их количество заметно варьирует и определяется потребностью клетки в АТФ. Митохондрии находятся в постоянном движении. Они поворачиваются, изгибаются, перемещаются из одной части клетки в другую, а, кроме того, сливаются друг с другом и делятся простым делением. Митохондрии обычно собираются и накапливаются там, где нужна энергия. Митохондрии, подобно пластидам, являются полуавтономными органеллами. Они содержат компоненты, необходимые для синтеза собственных белков.Аппарат Гольджи является компонентом всех эукариотических клеток. Он представляет собой важнейшую мембранную органеллу, управляющую процессами внутриклеточного транспорта. В растительных клетках АГ представлен диктиосомами, везикулами и межцистерными образованиями. Уплощенные цистерны – диктиосомы расположены пачками по несколько штук. В диктиосомах АГ осуществляется накопление и мембранная «упаковка» соединений, необходимых для синтеза полимеров клеточной стенки и различных растительных слизей. С помощью везикул Гольджи углеводные компоненты доставляются к плазмалемме. Мембрана пузырьков встраивается в плазмалемму, способствуя ее росту и обновлению. Секретируемые вещества оказываются в клеточной стенке. Мембраны АГ являются связующим звеном между мембранами эндоплазматического ретикула и плазмаллемой.
Водорастворимые витамины.
Витамины — это низкомолекулярные органические соединения различного химического состава. Практически в растениях синтезируются все витамины, так как провитамины, которые используют затем животные для создания витаминов животного происхождения, тоже имеют растительное происхождение (например провитамин А и витамин Д).Витамины классифицируются на:водорастворимые (С, В, РР, Н, пантотеновая кислота, инозит, фолиевая кислота, пара-аминобензойная кислота),жирорастворимые (А, Д, Е, К).
Транспирационный коэффициент и продуктивность транспирации.
Транспирация — это испарение воды растением.
Продуктивность транспирации — это количество созданного сухого вещества на 1 кг транспирированной воды. В среднем эта величина равна 3 г/1 кг воды.
Транспирационный коэффициент показывает сколько воды растение затрачивает на построение единицы сухого вещества, т.е. этот показатель является величиной, обратной продуктивности транспирации и в среднем равен 300, т.е. на производство 1 тонны урожая затрачивается 300 тонн воды.
Митохондрии (хондриосомы) растительной клетки
Митохондрии — клеточные органоиды, которые находятся во всех живых клетках и рассеяны в цитоплазме.
Форма их при рассматривании в световом микроскопе очень разнообразна и изменчива, они имеют вид зернышек, цилиндриков, палочек или нитей. В электронном микроскопе они обычно имеют округленную или цилиндрическую форму.
Длина митохондрий — несколько микронов, толщина в среднем 0,6—1,0 мк. В световом микроскопе структура их не различается. Их можно прижизненно окрасить в клетке с помощью особой краски (януса зеленого). В зависимости от типа и состояния клетки количество митохондрий варьирует от нескольких десятков до нескольких тысяч, в среднем же их в клетке несколько сотен. Митохондрии отличаются от цитоплазмы несколько большей плотностью и вязкостью и химическим составом. Это очень чувствительные образования, легко разрушающиеся или изменяющие свою форму под действием неблагоприятных условий.
Клетка древесинной паренхимы белой акации
Значение митохондрий в жизнедеятельности клетки и их строение до последнего времени оставались неясными. С помощью электронного микроскопа была выявлена их структура. Снаружи они отграничены оболочкой, состоящей из двух параллельных мембран и светлого промежутка между ними, заполненного водянистым содержимым. Наружная мембрана обычно сплошная, а внутренняя дает выступы в виде складок или трубочек, увеличивающих внутреннюю активную поверхность митохондрии. Эти складки и трубочки называются гребнями, или кристами. Кристы у митохондрий растительных клеток определенно не ориентированы и располагаются в беспорядке. Все пространство между кристами заполнено относительно плотным по сравнению с цитоплазмой материалом, по-видимому, белкового происхождения, который называется матриксом, или основным веществом митохондрии. Матрикс обычно бесструктурен, но часто содержит электронноплотные зернышки, напоминающие рибосомы, и волокна (микрофибриллы). Возможно, что последние представляют собой структурный белок и содержат ДНК.
Строение митохондрии изменяется с возрастом клетки. В молодых, эмбриональных клетках тело митохондрии недифференцировано, внутренняя структура выражена слабо, основное вещество почти гомогенно, зернистость отсутствует, кристы немногочисленные и короткие. Во взрослой клетке кристы обычно становятся более многочисленными, их длина увеличивается, основное вещество приобретает зернистую структуру. Обилие крист наблюдается у клеток с высокоактивной жизнедеятельностью. У стареющей клетки кристы уменьшаются, превращаясь в неправильные трубочки, а зернистость матрикса исчезает. При повреждающем действии на растение низких и высоких температур или при его голодании наблюдается сильное набухание митохондрий (увеличение их размеров), разжижение матрикса, появление внутри митохондрий многочисленных пузырьков и, наконец, потеря внутренней мембранной структуры.
Строение митохондрий
Сложная внутренняя структура митохондрий является отражением их важной физиологической роли в обмене веществ клетки, которая была открыта совсем недавно. Оказалось, что каждая митохондрия — это своеобразная внутриклеточная лаборатория, где происходит дыхание, при котором потенциальная
энергия, заключенная в питательных веществах, освобождается и направляется на поддержание жизнедеятельности клетки. Поэтому клетки с высокой активностью освобождают большее количество энергии и содержат большое число митохондрий. Освобождение и перенос энергии осуществляется с помощью огромного числа ферментов. Предполагают, что эти ферменты сосредоточены в основном на мембранах митохондрий. Комплексы дыхательных ферментов входят в состав так называемых элементарных частиц митохондрий, которые расположены на наружной поверхности внешней мембраны и внутренней поверхности внутренней мембраны и на мембранах крист. Элементарные частица имеют обычно грибовидную форму и состоят из округлой «шляпки» диаметром 80—100 Å и цилиндрической ножки длиной около 55 Å. Материал, заключенный между мембранами, связывает оба слоя и поставляет «сырье» для синтеза ферментов мембран. Почти совершенно не выяснена роль матрикса. Предполагают, что в нем идут сложные процессы синтеза ряда органических соединений, в частности, белка.
До недавнего времени митохондрии рассматривались как замкнутые системы, имеющие сплошную наружную мембрану. Эта мембрана, обладая избирательной проницаемостью, контролирует поступление веществ в митохондрию и из нее. Некоторые ученые считают, что в наружной мембране митохондрии могут образовываться временные отверстия, открывающиеся непосредственно в гиалоплазму. Митохондрии довольно часто (особенно в период высокой активности клетки) соприкасаются с элементами эндоплазматической сети, а иногда прижимаются к ядерной оболочке. Отверстия, вероятно, позволяют осуществлять контакт между наружной мембраной митохондрии, мембраной эндоплазматической сети и ядерной оболочкой. Это дает возможность предполагать непосредственный перенос некоторых веществ из внутренней полости митохондриальных гребней. Митохондрии пассивно перемещаются в клетке током цитоплазмы и при этом постоянно меняют свою форму. В некоторых клетках, как предполагают, митохондрии способны и к активному движению, скапливаясь у тех участков цитоплазмы, которые в данный момент находятся в состоянии наиболее высокой активности.
В вопросе о происхождении митохондрий до сих пор нет полной ясности. Наиболее распространена точка зрения, согласно которой митохондрии являются постоянными клеточными органоидами, которые распределяются между дочерними клетками во время деления клетки. После этого число митохондрий увеличивается за счет их делений. Другая, более новая и завоевывающая все большее число сторонников точка зрения состоит в том, что митохондрии представляют собой непостоянные и недолго вечные органоиды, непрерывно образующиеся вновь и распадающиеся в течение жизни клетки. Одни ученые, придерживающиеся этой точки зрения, считают, что в образовании митохондрий принимает участие плазмалемма, другие считают, что ядерная оболочка, третьи — что аппарат Гольджи. С помощью микрокиносъемки удалось установить, что в отдельных случаях наружная мембрана хлоропластов способна вытягиваться и давать выросты, которые затем отрываются от тела хлоропласта и на глазах у наблюдателя образуют тельца, очень сходные с митохондриями. Некоторые ученые считают, что митохондрии могут дифференцироваться непосредственно в цитоплазме. Однако прямых доказательств различных способов возникновения митохондрий до сих пор нет. Деление митохондрий путем простой поперечной перетяжки можно наблюдать как в световой, так и в электронный микроскоп. Механизм деления и прежде всего поведение мембран и крист пока не выяснены. Митохондрии могут не только делиться, но и сливаться между собой.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
На результат химиотерапии влияет процесс разрушения митохондрий
Авторы новой работы изучили, в какой степени нарушение митофагии может влиять на протекание апоптоза и, следовательно, определять устойчивость опухолевых клеток к терапии. Ученые использовали современные методы молекулярной и клеточной биологии, а также конфокальную микроскопию. С ее помощью можно выявить накопление исследуемых белков в различных участках и органеллах клетки в процессе гибели.
Исследователи показали, что стимулирование процесса митофагии и удаление нефункциональных или поврежденных митохондрий могут подавить апоптоз, который вызывает противоопухолевый препарат цисплатин. Если же подавить митофагию, вся клетка, наоборот, разрушается. Ученые установили, что при подавлении митофагии в клетке накапливаются активные формы кислорода — высокореактивные свободные радикалы, которые могут нанести вред важнейшим макромолекулам. Кроме того, в это время активируется еще одна органелла клетки – эндоплазматический ретикулум. Это разветвленная система уплощенных полостей, пузырьков и канальцев в клетке, при участии которой происходит синтез и транспорт белков и липидов. Нарушение процессов синтеза белка в эндоплазматическом ретикулуме может вызывать явление, получившее название стресс эндоплазматического ретикулума. На основании результатов исследования ученые сделали важный вывод, что взаимодействие между апоптозом и митофагией включает в себя различные процессы, такие как аутофагия и стресс эндоплазматического ретикулума. При этом метаболические пути (химические реакции, происходящие в клетке) митофагии, апоптоза и канцерогенеза проникают друг в друга.
«Оказалось, что канцерогенез, митофагия и апоптоз зачастую используют общие метаболические пути. К примеру, белки семейства Bcl-2 способны регулировать не только апоптоз, но и аутофагию. Более того, повышенная экспрессия антиапоптотических белков данного семейства усиливает рост опухолей за счет подавления гибели клеток. Другой пример – белок р53, который также принимает участие в регуляции различных типов гибели, а его мутированная форма обнаружена почти в 50% всех типов рака. Выявление подобных точек пересечения метаболических процессов имеет важное значение для поиска мишеней, воздействие на которые способно стимулировать гибель раковых клеток», — прокомментировал руководитель лаборатории исследования механизмов апоптоза факультета фундаментальной медицины МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор Борис Животовский.
Фундаментальные результаты работы будут полезны в выработке стратегий, направленных на борьбу с раком. При этом важно учитывать все возможные факторы и метаболические пути, посредством которых ингибирование (подавление) или стимуляция митофагии может способствовать успешной противоопухолевой терапии.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].
Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.
строение и функции. Что такое митохондрии
Строение и функции ядра растительной клетки.
Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Это место хранения и воспроизведения наследственной информации. Ядро также служит центром управления обменом веществ и почти всех процессов, происходящих в клетке. Чаще всего в клетках имеется лишь одно ядро, редко — два или несколько. Форма его чаще всего шаровидная или эллипсоидальная. В молодых, особенно меристематических, клетках оно занимает центральное положение, но позднее обычно смещается к оболочке, оттесняемое растущей вакуолью. Снаружи ядро покрыто двойной мембраной – ядерной оболочкой, пронизанной порами (поры ядра — динамичные образования, они могут открываться и закрываться; таким путем может осуществляться регуляция обмена между ядром и цитоплазмой) на краях которых наружная мембрана переходит во внутреннюю. Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы. Внутренняя мембрана может давать впячивания.
Внутреннее содержимое ядра – кариоплазма с погруженными в нее хроматином и ядрышками, и рибосомами. Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.
Хроматин – это деспирализованная форма существования хромосом. В деспирализованном состоянии хроматин находится в ядре неделящейся клетке. Хроматин и хромосомы взаимно переходят друг в друга. По химической организации как хроматин, так и хромосомы не отличаются. Химическую основу составляет дезоксирибонуклеопротеин – комплекс ДНК с белками. С помощью белков происходит многоуровневая упаковка молекул ДНК, при этом хроматин приобретает компактную форму.
Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК. Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах).
Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Диаметр ядра колеблется от 5 до 20 мкм. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Кроме того, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. (в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831г., в животной – Т.Шванн в 1838г.).
Химический состав ядра представлен, главным образом, нуклеиновыми кислотами и белками.
Строение и функции митохондрий.
Митохондрии или хондриосомы — «силовые» станции клетки, в них локализована большая часть реакций дыхания (аэробная фаза). В митохондриях происходит аккумуляция энергии дыхания в аденозинтрифосфате (АТФ). Энергия, запасаемая в АТФ, служит основным источником для физиологической деятельности клетки. Митохондрии обычно имеют удлиненную палочковидную форму длиной 4-7 мкм и диаметром 0,5-2 мкм. Число митохондрий в клетке может быть различным от 500 до 1000 и зависит от роли данного органа в процессах энергетического обмена.
Химический состав митохондрий несколько колеблется. В основном это белково-липидные органеллы. Содержание белка в них составляет 60-65%, причем структурные и ферментативные белки содержатся примерно в равной пропорции, а также около 30% липидов. Очень важно, что митохондрии содержат нуклеиновые кислоты: РНК — 1 % и ДНК -0,5%. В митохондриях имеется не только ДНК, но и вся система синтеза белка, в том числе рибосомы.
Митохондрии окружены двойной мембраной. Толщина мембран составляет 6-10 нм. Мембраны митохондрий на 70% состоят из белка. Фосфолипиды мембран представлены фосфатидтилхолином, фосфатидилэтаноламином, а также специфическими фосфолипидами, например, кардиолипином. Мембраны митохондрий не пропускают Н+ и служат барьером для их транспорта.
Между мембранами находится заполненное жидкостью перимитохондриальное пространство. Внутреннее пространство митохондрий заполняет матрикс в виде студнеобразной полужидкой массы. В матриксе сосредоточены ферменты цикла Кребса. Внутренняя мембрана дает выросты — кристы в виде пластин и трубочек, они разделяют внутреннее пространство митохондрий на отдельные отсеки. Во внутренней мембране локализована дыхательная цепь (цепь переноса электронов).
Митохондрии – строение и функции
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Митохондрии – строение и функции |
| Рубрика (тематическая категория) | Экология |
Общая морфология. Митохондрии или хондриосомы (от греч. mitos– нить, chondrion- зернышко, soma- тельце) представляют из себягранулярные или нитевидные органеллы, присутствующие в цитоплазме простейших, растений и животных (рис. 198). Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом.
У разных видов размеры митохондрий очень непостоянны, так же как изменчива их форма (рис. 199). Все же у большинства клеток толщина этих структур относительно постоянна (около 0,5 мкм), а длина колеблется, достигая у нитчатых форм до 7-60 мкм.
Изучение величины и числа митохондрий не такое простое дело. Это связано с тем, что размеры и число митохондрий, которые видны на ультратонких срезах, не соответствуют реальности.
Обычные же подсчеты показывают, что на печеночную клетку приходится около 200 митохондрий. Это составляет более 20% от общего объёма цитоплазмы и около 30-35% от общего количества белка в клетке. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4-5 раз больше поверхности ее плазматической мембраны. Больше всего митохондрий в ооцитах (около 300000) и у гигантской амебы Chaos chaos (до 500000).
В клетках зеленых растений число митохондрий меньше, чем в клетках животных, так как часть их функций могут выполнять хлоропласты.
Локализация митохондрии в клетках различна. Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ, образующейся в митохондриях. Так, в скелетных мышцах митохондрии находятся вблизи миофибрилл. В сперматозоидах митохондрии образуют спиральный футляр вокруг оси жгутика; вероятно, это связано с крайне важно стью использования АТФ для движения хвоста сперматозоида. Аналогичным образом у простейших и в других клетках, снабженных ресничками, митохондрии локализуются непосредственно под клеточной мембраной у основания ресничек, для работы которых необходим АТФ. В аксонах нервных клеток митохондрии располагаются около синапсов, где происходит процесс передачи нервного импульса. В секреторных клетках, которые синтезируют большие количества белков, митохондрии тесно связаны с зонами эргастоплазмы; вероятно, они поставляют АТФ для активации аминокислот и синтеза белка на рибосомах.
Ультраструктура митохондрий. Митохондрии независимо от их величины или формы имеют универсальное строение, их ультраструктура однообразна. Митохондрии ограничены двумя мембранами (рис. 205). Наружняя митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы, она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок, толщина составляет около 7 нм. На нее приходится около 7% от площади всех клеточных мембран. Мембрана не связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы, замкнута сама на себя и представляет собой мембранный мешок. Наружнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10-20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс или митоплазму. Внутренняя мембрана митохондрий образовывает многочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист (рис. 206, 207а).
Общая поверхность внутренней мембраны митохондрии в печеночной клетке составляет примерно треть поверхности всех клеточных мембран. Митохондрии клеток сердечной мышцы содержат втрое больше крист, чем печеночные митохондрии что отражает различия в функциональных нагрузках митохондрий разных клеток. Расстояние между мембранами в кристе составляет около 10-20 нм.
Митохондриальные кристы, отходящие от внутренней мембраны и простирающиеся в сторону матрикса, не перегораживают полностью полость митохондрии и не нарушают непрерывности заполняющего ее матрикса.
Ориентация крист по отношению к длинной оси митохондрии различна для разных клеток. Ориентация должна быть перпендикулярная (клетки печени, почек) крист; в сердечной мышце наблюдается продольное расположение крист. Кристы могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выраженной ориентации (рис. 208). У простейших, одноклеточных водорослей, в некоторых клетках высших растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубок (трубчатые кристы).
Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое гомогенное строение, в котором выявляются молекулы ДНК в виде тонких собранных в клубок нитей (около 2-3 нм) и митохондриальные рибосомы имеющие форму гранул размером около 15-20нм. Места отложения солей магния и кальция в матриксе образуют крупные (20-40 нм) плотные гранулы.
Функции митохондрий. Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ.
Начальные этапы окисления углеводов называются анаэробным окислением, или гликолизом и происходят в гиалоплазме и не требуют участия кислорода. Субстратом окисления при анаэробном получении энергии служат гексозы и в первую очередь глюкоза; некоторые бактерии обладают свойством извлекать энергию, окисляяя пентозы, жирные кислоты или аминокислоты.
В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет около 680 ккал на 1 моль (ᴛ.ᴇ. на 180 г глюкозы).
В живой клетке это огромное количество энергии освобождается в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и не связано с переходом энергии химической связи в тепло, как при горении, а переходит в макроэнергетическую связь в молекулах АТФ, которые синтезируются при использовании освобождающейся энергии из АДФ и фосфата.
Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота͵ в митохондриях вовлекаются в дальнейшее окисление. При этом происходит использование энергии расщепления всех химических связей, что приводит к выделению СО 2, к потреблению кислорода и синтезу большого количества АТФ. Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот и с дыхательной цепью переноса электронов, где происходит фосфорилирование АДФ и синтез клеточного “топлива”, молекул АТФ (рис. 209).
В цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты) образовавшийся в результате гликолиза пируват сначала теряет молекулу СО 2 и, окисляясь до ацетата (двууглеродное соединение), соединяется с коферментом А. Далее ацетилкоэнзим А, соединяясь с оксалацетатом (четырехуглеродное соединение), образует шестиуглеродный цитрат (лимоную кислоту). Далее происходит цикл окисления этого шестиуглеродного соединения до четырехуглеродного оксалацетата͵ снова связывание с ацетилкоэнзимом А, и затем цикл повторяется. При этом окислении выделяются две молекулы СО 2, а электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов (NAD-никотинамидадениндинуклеотид), которые вовлекают их далее в цепь переноса электронов. Следовательно, в цикле трикарбоновых кислот нет самого синтеза АТФ, а идет окисление молекул, перенос электронов на акцепторы и выделение СО 2 . Все описанные выше события внутри митохондрий происходят в их матриксе.
Окисление исходного субстрата приводит к выделению СО 2 и воды, но при этом не выделяется тепловая энергия, как при горении, а образовываются молекулы АТФ. Οʜᴎ синтезируются другой группой белков, не связанных прямо с окислением. Во внутренних митохондриальных мембранах на поверхности мембран, смотрящих в матрикс, располагаются крупные белковые комплексы, ферменты, АТФ-синтетазы. В электронном микроскопе они видны в виде так называемых “грибовидных” телец сплошь выстилающие поверхность мембран, смотрящую в матрикс. Тельца имеют как бы ножку и головку, диаметром 8-9 нм. Следовательно, во внутренних мембранах митохондрий локализованы ферменты как окислительной цепи, так и ферменты синтеза АТФ (рис. 201б).
Дыхательная цепь — ϶ᴛᴏ главная система превращения энергии в митохондриях. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи, благодаря чему высвобождается небольшими порциями энергия. За счёт этой энергии в трех точках цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. По этой причине говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + Фн →АТФ, ᴛ.ᴇ. происходит процесс окислительного фосфорилирования.
Выделяющаяся при транспорте электронов энергия запасается в виде градиента протонов на мембране. Оказалось, что при переносе электронов в митохондриальной мембране каждый комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисление на перемещение протонов (положительных зарядов) через мембрану, из матрикса в межмембранное пространство, что приводит к образованию разности потенциалов на мембране: положительные заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные – со стороны матрикса митохондрий. При достижении разности потенциалов (220 мВ) белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс, при этом превращает одну форму энергии в другую: образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с синтетическим, с фосфорилированием АДФ. Пока происходит окисление субстратов, пока происходит перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану – идет сопряженный с этим синтез АТФ, ᴛ.ᴇ. происходит окислительное фосфорилирование.
Эти два процесса можно разобщить. При этом продолжается перенос электронов, как и окисление субстрата͵ но синтеза АТФ не происходит. В этом случае энергия, освобождающаяся при окислении переходит в тепловую энергию.
Окислительное фосфорилирование у бактерий . У прокариотических клеток, способных к окислительному фосфорилированию, элементы цикла трикарбоновых кислот локализованы прямо в цитоплазме, а ферменты дыхательной цепи и фосфорилирования связаны с клеточной мембраной, с ее выпячиваниями, выступающими внутрь цитоплазмы, с так называемыми мезосомами (рис. 212). Надо отметить, что такие бактериальные мезосомы бывают связаны не только с процессами аэробного дыхания, но и у некоторых видов участвовать в делении клеток, в процессе распределения ДНК по новым клеткам, в образовании клеточной стенки и т.д. На плазматической мембране в мезосомах некоторых бактерий реализуются сопряженные процессы как окисления так и синтеза АТФ. В электронном микроскопе во фракциях плазматических мембран бактерий обнаружены сферические частицы, аналогичные тем, которые были найдены в митохондриях эукариотических клеток. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, у бактериальных клеток, способных к окислительному фосфорилированию, плазматическая мембрана выполняет роль, аналогичную внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток.
Увеличение числа митохондрий. Митохондрии могут увеличивать свою численность особенно при делении клеток или при увеличении функциональной нагрузки клетки. Происходит постоянное обновление митохондрий. К примеру, в печени средняя продолжительность жизни митохондрий составляет около 10 дней.
Увеличение числа митохондрий происходит путем роста и деления предшествующих митохондрий. Это предположение было впервые высказано Альтманом (1893), описавшим митохондрии под термином “биобласты”. Удается наблюдать прижизненно деление, фрагментацию длинных митохондрий на более короткие путем перетяжки, что напоминает бинарный способ деления бактерий.
Реальное увеличение числа митохондрий путем деления установлено при изучении поведения митохондрий в живых клетках культуры ткани. В течение клеточного цикла митохондрии вырастают до нескольких мкм, а затем фрагментируются, делятся на более мелкие тельца.
Митохондрии могут сливаться друг с другом и размножаться по принципу: митохондрия от митохондрии.
Авторепродукция митохондрий. Двумембранные органеллы обладают полной системой авторепродукции. В митохондриях и пластидах существует ДНК, на которой синтезируются информационные, трансферные и рибосомные РНК и рибосомы, осуществляющие синтез митохондриальных и пластидных белков. При этом, эти системы, хотя и автономны, но ограничены по своим возможностям.
ДНК в митохондриях представляет собой циклические молекулы без гистонов и тем самым напоминают бактериальные хромосомы. Размер их составляет около 7 мкм, в одну циклическую молекулу митохондрий животных входит 16-19 тыс. нуклеотидных пар ДНК. У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 тыс. н.п., она полностью расшифрована. Найдено, что митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представляют множественные копии, собранными в группы, кластеры. Так в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около одного процента. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре.
Так же как и у бактерий митохондральная ДНК собрана в отдельную зону – нуклеоид, его размер составляет около 0, 4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях должна быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз исходя из типа клеток.
В некоторых культурах в клетках от 6 до 60% митохондрий не имеют нуклеоида, что может объясняться тем, что деление этих органелл скорее связано с фрагментацией, а не с распределением нуклеоидов.
Как уже говорилось, митохондрии могут как делиться, так и сливаться друг с другом. При слиянии митохондрий друг с другом может происходить обмен их внутренними компонентами.
Важно подчеркнуть, что рРНК и рибосомы митохондрий и цитоплазмы резко отличны. В случае если в цитоплазме обнаруживаются 80s рибосомы, то рибосомы митохондрий растительных клеток принадлежат к 70s рибосомам (состоят из 30s и 50s субъединиц, содержат 16s и 23s РНК, характерные для прокариотических клеток), а в митохондриях клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50s).
Рибосомные РНК митохондрий синтезируются на митохондриальных ДНК. В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается, в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах, при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий.
На митохондриальном геноме синтезируются 22 транспортные РНК. Триплетный код митохондриальной синтетической системы отличен от такового, используемого в гиалоплазме. Несмотря на наличие казалось бы всех компонентов, необходимых для синтеза белков, небольшие молекулы митохондриальной ДНК не могут кодировать все митохондриальные белки, только лишь их небольшую часть. Так ДНК размером 15 тыс.н.п. может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6х10 5 . В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля митохондрии достигает величины около 2х10 6 . В случае если учесть, что кроме белков окислительного фосфорилирования в митохондрии входят ферменты цикла трикарбоновых кислот, ферменты синтеза ДНК и РНК, ферменты активации аминокислот и другие белки, то видно, что, для того чтобы кодировать эти многочисленные белки и рРНК и тРНК, количества генетической информации в короткой молекуле митохондриальной ДНК явно не хватает. Расшифровка нуклеотидной последовательности митохондриальной ДНК человека показала, что она кодирует всего лишь 2 рибосомные РНК, 22 трансферных РНК и всего 13 различных полипептидных цепей.
Сегодня доказано, что большая часть белков митохондрий находится под генетическим контролем со стороны клеточного ядра и синтезируется вне митохондрий. Большинство митохондриальных белков синтезируется на рибосомах в цитозоле. Эти белки имеют специальные сигнальные последовательности, которые узнаются рецепторами на внешней мембране митохондрий. Эти белки могут встраиваться в них (см. аналогию с мембраной пероксисом), а затем перемещаться на внутреннюю мембрану. Этот перенос происходит в точках контакта наружной и внутренней мембран, где такой транспорт отмечен (рис. 214). Большинство липидов митохондрий так же синтезируются в цитоплазме.
Все это говорит о эндосимбиотическом происхождении митохондрий, о том, что митохондрии представляют из себяорганизмы типа бактерий, находящиеся в симбиозе с эукариотический клеткой.
Хондриом. Совокупность всех митохондрий в одной клетке принято называть хондриомом. Она должна быть различной исходя из типа клеток. Во многих клетках хондриом состоит из разрозненных многочисленных митохондрий, равномерно расположенных по всей цитоплазме или локализуются группами в местах интенсивной траты АТФ. В обоих этих случаях митохондрии функционируют поодиночке, их кооперативная работа͵ возможно, координируется какими-то сигналами из цитоплазмы. Существует и совершенно иной тип хондриома, когда вместо мелких одиночных разрозненных митохондрий в клетке располагается одна гигантская разветвленная митохондрия (рис. 215в). Такие митохондрии встречаются у одноклеточных зеленых водорослей (к примеру у Chlorella). Οʜᴎ образуют сложную митохондриальную сеть или митохондриальный ретикулум (Reticulum miyochondriale). Согласно хемоосмотической теории биологический смысл появления такой гигантской разветвленной митохондриальной структуры, объединенной в одно целое своими внешними и внутренними мембранами состоит по сути в том, что в любой точке поверхности внутренней мембраны такой разветвленной митохондрии может идти синтез АТФ, который будет поступать в любую точку цитоплазмы, где в данном есть крайне важно сть.
В случае гигантских разветвленных митохондрий в любой ее точке может на внутренней мембране накопиться потенциал, достаточный для того, чтобы начался синтез АТФ. С этих позиций митохондриальный ретикулум представляет собой как бы электрический проводник, кабель, соединяющий отдаленные точки такой системы. Митохондриальный ретикулум оказался очень полезным не только для мелких подвижных клеток, таких как хлорелла, но и для более крупных структурных единиц таких как, к примеру, миофибриллы в скелетных мышцах.
Известно, что скелетные мышцы состоят из массы мышечных волокон, симпластов, содержащих множество ядер.
Размещено на реф.рф
Длина таких мышечных волокон достигает 40 мкм, при толщине 0,1 мкм — ϶ᴛᴏ гигантская структура, содержащая великое множество миофибрилл, все из которых сокращаются одновременно, синхронно. Важно заметить, что для сокращения к каждой единице сокращения, к миофибрилле, доставляется большое количество АТФ, которых обеспечивают митохондрии на уровне z-дисков. На продольных ультратонких срезах скелетных мышц в электронном микроскопе видны многочисленные округлые мелкие сечения митохондрий, располагающихся в соседстве с саркомерами (рис. 217). Мышечные митохондрии представляют из себяне мелкие шарики или палочки, а как бы паукообразные структуры, отростки которых ветвятся и простираются на большие расстояния, иногда через весь поперечник мышечного волокна. При этом разветвления митохондрий окружают каждую миофибриллу в мышечном волокне, снабжая их АТФ, крайне важно го для мышечного сокращения. Следовательно, в плоскости z-диска митохондрии представляют типичный митохондриальный ретикулум. Такой пласт или этаж митохондриального ретикулума повторяется дважды на каждый саркомер, а все мышечное волокно имеет тысячи поперечно расположенных “поэтажных” пластов митохондриального ретикулума. Между “этажами” вдоль миофибрилл располагаются нитчатые митохондрии, соединяющие эти митохондриальные пласты. Таким образом создана трехмерная картина митохондриального ретикулума, проходящего через весь объём мышечного волокна (рис. 218).
Далее было установлено, что между ответвлениями митохондриального ретикулума и нитевидными продольными митохондриями существуют специальные межмитохондриальные соединения или контакты (ММК). Οʜᴎ образованы плотно прилегающими наружными митохондриальными мембранами контактирующих митохондрий, межмембранное пространство и мембраны в этой зоне имеют повышенную электронную плотность (рис. 219). Через эти специальные образования происходит функциональное объединение соседних митохондрий и митохондриальных ретикулумов в единую, кооперативную энергетическую систему. Все миофибриллы в мышечном волокне сокращаются синхронно по всей их длине, следовательно, и поступление АТФ на любом участке этой сложной машины тоже должно происходить синхронно, а это может происходить лишь в том случае, в случае если огромное количество разветвленных митохондрий-проводников будет связано друг с другом с помощью контактов.
О том, что межмитоходриальные контакты (ММК) участвуют в энергетическом объединении митохондрий друг с другом удалось на кардиомиоцитах, клетках сердечных мышц.
Хондриом клеток сердечной мышцы не образует ветвящихся структур, а представлен множеством небольших вытянутых митохондрий, располагающихся без особого порядка между миофибриллами. При этом, все соседние митохондрии стыкуются друг с другом с помощью митохондриальных контактов такого же типа, как в скелетной мышце, только их число очень велико: в среднем на одну митохондрию приходится 2-3 ММК, которые связывают митохондрии в единую цепь, где каждым звеном такой цепи (Streptio mitochondriale) является отдельная митохондрия (рис. 220).
Оказалось, что межмитохондриальные контакты (ММК), как обязательная структура сердечных клеток обнаружены в кардиомиоцитах как желудочков, так и предсердий всех позвоночных животных: млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, амфибий и костистых рыб. Более того ММК были обнаружены (но в меньшем числе) в клетках сердца некоторых насекомых и моллюсков.
Количество ММК в кардиомиоцитах изменяется исходя из функциональной нагрузки на сердце. Число ММК увеличивается при повышении физических нагрузок животных и, напротив — при падении нагрузки на сердечную мышцу происходит резкое сокращение числа ММК.
Митохондрии – строение и функции — понятие и виды. Классификация и особенности категории «Митохондрии – строение и функции» 2017, 2018.
Митохондрии — органеллы энергообеспечения метаболических процесов в клетке. Размеры их варьируют от 0,5 до 5-7 мкм, количество в клетке составляет от 50 до 1000 и более. В гиалоплазме митохондрии распределены обычно диффузно, однако в специализированных клетках сосредоточены в тех участках, где имеется наибольшая потребность в энергии. Например, в мышечных клетках и симпластах большие количества митохондрий сосредоточены вдоль рабочих элементов — сократительных фибрилл. В клетках, функции которых сопряжены с особо высокими энергозатратами, митохондрии образуют множественные контакты, объединяясь в сеть, или кластеры (кардиомиоциты и симпласты скелетной мышечной ткани). В клетке митохондрии выполняют функцию дыхания. Клеточное дыхание — это последовательность реакций, с помощью которых клетка использует энергию связей органических молекул для синтеза макроэргических соединений типа АТФ. Образующиеся внутри митохондрии молекулы АТФ переносятся наружу, обмениваясь на молекулы АДФ, находящиеся вне митохондрии. В живой клетке митохондрии могут передвигаться с помощью элементов цитоскелета. На ультрамикроскопическом уровне стенка митохондрии состоит из двух мембран — наружной и внутренней. Наружная мембрана имеет относительно ровную поверхность, внутренняя — образует направленные в центр складки, или кристы. Между наружной и внутренней мембранами возникает неширокое (около 15 нм) пространство, которое называется наружной камерой митохондрии; внутренняя мембрана ограничивает внутреннюю камеру. Содержимое наружной и внутренней камер митохондрии различно, и так же, как и сами мембраны, существенно отличается не только по рельефу поверхности, но и по ряду биохимических и функциональных признаков. Наружная мембрана по химическому составу и свойствам близка к другим внутриклеточным мембранам и плазмолемме.
Ее характеризует высокая проницаемость, благодаря наличию гидрофильных белковых каналов. Эта мембрана имеет в своем составе рецепторные комплексы, распознающие и связывающие вещества, поступающие в митохондрию. Ферментный спектр наружной мембраны небогат: это ферменты метаболизма жирных кислот, фосфолипидов, липидов и др. Главной функцией наружной мембраны митохондрии является отграничение органеллы от гиалоплазмы и транспорт необходимых для осуществления клеточного дыхания субстратов. Внутренняя мембрана митохондрий в большинстве клеток тканей различных органов формирует кристы в виде пластин (ламеллярные кристы), что значительно увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны. В последней 20-25 % всех белковых молекул составляют ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. В эндокринных клетках надпочечников и половых желез митохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов. В этих клетках митохондрии имеют кристы в виде трубочек (тубул), упорядоченно расположенных в определенном направлении. Поэтому кристы митохондрий в стероидпродуцирующих клетках названных органов именуются тубулярными. Матрикс митохондрии, или содержимое внутренней камеры, представляет собой гелеобразную структуру, содержащую около 50 % белков. Осмиофильные тельца, описанные при электронной микроскопии, — это резервы кальция. Матрикс содержит ферменты цикла лимонной кислоты, катализирующие окисление жирных кислот, синтез рибосом, ферменты, участвующие в синтезе РНК и ДНК. Общее число ферментов превышает 40. Помимо ферментов, матрикс митохондрии содержит митохондриальную ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы. Молекула митДНК имеет кольцевидную форму. Возможности внутримитохондриального белкового синтеза ограничены — здесь синтезируются транспортные белки митохондриальных мембран и некоторые ферментные белки, участвующие в фосфорилировании АДФ. Все остальные белки митохондрии кодируются ядерной ДНК, и их синтез осуществляется в гиалоплазме, и в дальнейшем они транспортируются в митохондрию. Жизненный цикл митохондрий в клетке короткий, поэтому природа наделила их двойственной системой воспроизводства — помимо деления материнской митохондрии, возможно образование нескольких дочерних органелл путем почкования.
Митохондрия (с греческого μίτος (митос) – нить и χονδρίον (хондрион) – гранула) клеточная – двумембранный органоид, содержит свой собственный генетический материал, митохондриальную . Они встречаются как сферические или трубчатые клеточные структуры у почти всех эукариотов, но не у прокариотов.
Митохондрии – это органеллы, которые регенерируют высокоэнергетическую молекулу аденозинтрифосфата через дыхательную цепь. В дополнение к этому окислительному фосфорилированию они выполняют другие важные задачи, например, участвуют в образовании кластеров железа и серы . Строение и функции таких органоидов подробно рассмотрены ниже.
Вконтакте
Общие сведения
Особенно много находится митохондрий в с высоким энергопотреблением. К ним относятся мышечные, нервные, сенсорные клетки и ооциты. В клеточных структурах сердечной мышцы объемная доля этих органоидов достигает 36 %. Они имеют диаметр около 0.5-1.5 мкм и разнообразные формы, от сфер до сложных нитей. Их число корректируется с учетом энергетических потребностей клетки.
Эукариотические клетки, которые теряют свои митохондрии, не могут их восстановить . Существуют также эукариоты без них, например, некоторые простейшие. Количество данных органоидов на клеточную единицу обычно составляет от 1000 до 2000 при объемной доле в 25 %. Но эти значения могут сильно варьироваться в зависимости от типа клеточной структуры и организма. В зрелой клетке спермы их около четырех-пяти, в зрелой яйцеклетке – несколько сотен тысяч.
Митохондрии передаются через плазму яйцеклетки только от матери, что стало причиной исследования материнских линий. В настоящее время установлено, что также через сперму некоторые мужские органоиды импортируются в плазму оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Вероятно, они будут устранены довольно быстро. Однако есть несколько случаев, когда врачи смогли доказать, что митохондрии ребенка были отцовской линии. Заболевания, вызванные мутациями в митохондриальных генах, наследуются только от матери.
Интересно! Популярный научный термин «энергетическая станция клетки» был придуман в 1957 году Филиппом Сикевицем.
Схема строения митохондрии
Рассмотрим особенности строения этих важных структур. Они образованы в результате сочетания нескольких элементов. Оболочка этих органоидов складывается из внешней и внутренней мембраны, они в свою очередь состоят из фосфолипидных бислоев и белков. Обе оболочки отличаются по своим свойствам. Между ними расположено пять различных отсеков: наружная мембрана, межмембранное пространство (промежуток между двумя мембранами), внутренняя, криста и матрикс (пространство внутри внутренней мембраны), в целом – внутренние структуры органоида.
На иллюстрациях в учебниках митохондрия преимущественно выглядит как отдельная бобовидная органелла. Так ли это на самом деле? Нет, они образуют трубчатую митохондриальную сеть , которая может проходить и изменять всю клеточную единицу. Митохондрии в клетке способны сочетаться (путем слияния) и повторно делиться (делением).
Обратите внимание! В дрожжах за одну минуту совершается около двух митохондриальных слияний. Поэтому невозможно точное определение текущей численности митохондрий в клетках.
Внешняя мембрана
Наружная оболочка окружает всю органеллу и включает в себя каналы белковых комплексов, что позволяют обмен молекулами и ионами между митохондрией и цитозолем. Крупные молекулы не могут пройти через мембрану .
Внешняя, которая охватывает всю органеллу и не свернута, имеет весовое отношение фосфолипида к белку 1:1 и, таким образом, похожа на эукариотическую плазматическую мембрану. Она содержит множество интегральных белков, поринов. Порины образуют каналы, которые обеспечивают свободную диффузию молекул с массой до 5000 дальтон через оболочку. Более крупные белки могут вторгаться, когда сигнальная последовательность на N-конце связывается с большой субъединицей белка транслоксазы, из которой они затем активно перемещаются по мембранной оболочке.
Если трещины возникают во внешней оболочке, белки из межмембранного пространства могут выходить в цитозоль, что может привести к гибели клетки . Наружная мембрана может сливаться с оболочкой эндоплазматического ретикулума, а затем формировать структуру под названием MAM (ER, ассоциированную с митохондрией). Это важно для обмена сигналами между ER и митохондрией, что также необходимо для переноса .
Межмембранное пространство
Участок представляет собой промежуток посреди внешней и внутренней мембраны. Поскольку внешняя обеспечивает свободное проникновение малых молекул, их концентрация, таких как ионы и сахар, в межмембранном пространстве идентична концентрациям в цитозоле. Однако для больших белков требуется передача специфической сигнальной последовательности, так что состав белков различается между межмембранным пространством и цитозолем. Таким образом, белок, который удерживается в межмембранном промежутке, является цитохромом.
Внутренняя мембрана
Внутренняя митохондриальная мембрана содержит белки с четырьмя видами функций:
- Белки – проводят реакции оксидации респираторной цепочки.
- Аденозинтрифосфатсинтаза, которая производит в матрице АТФ.
- Специфические транспортные белки, которые регулируют проход метаболитов между матрицей и цитоплазмой.
- Системы импорта белков.
Внутренняя имеет, в частности, двойной фосфолипид, кардиолипин, замещенный четырьмя жирными кислотами. Кардиолипин обычно характерен для митохондриальных мембран и бактериальных плазматических мембран. В организме человека он в основном присутствует в областях с высокой метаболической активностью или высокой энергетической активностью, таких как сократительные кардиомиоциты, в миокарде.
Внимание! Внутренняя мембрана содержит более 150 различных полипептидов, около 1/8 всех митохондриальных белков. В результате концентрация липидов ниже, чем у внешнего бислоя, и его проницаемость ниже.
Разделяется на многочисленные кристы, они расширяют внешнюю область внутренней митохондриальной оболочки, поднимая ее способность вырабатывать АТФ.
В типичной митохондрии печени, например, внешняя область, в частности кристы, примерно в пять раз превышает площадь наружной мембраны. Энергетические станции клеток, которые имеют более высокие потребности в АТФ, например, мышечные клетки, содержат больше крист, чем типичная митохондрия печени.
Внутренняя оболочка охватывает матрикс, внутреннюю жидкость митохондрии. Он соответствует цитозолю бактерий и содержит митохондриальную ДНК, ферменты цитратного цикла и их собственные митохондриальные рибосомы, которые отличаются от рибосом в цитозоле (но также и от бактерий). Межмембранное пространство содержит ферменты, которые могут фосфорилировать нуклеотиды под потреблением АТФ.
Функции
- Важные пути деградации: цитратный цикл, для которого пируват вводится из цитозоля в матрикс. Затем пируват декарбоксилируют пируватдегидрогеназой до ацетилкофермента А. Другим источником ацетилкофермента А является деградация жирных кислот (β-окисление), которая происходит в клетках животных в митохондриях, но в растительных – только в глиоксисомах и пероксисомах. С этой целью ацилкофермент А переносят из цитозоля путем связывания с карнитином через внутреннюю митохондриальную мембрану и превращают в ацетилкофермента А. Из него большинство восстановительных эквивалентов в цикле Кребса (также известный как цикл Кребса или цикл трикарбоновой кислоты), которые затем превращаются в АТФ в окислительной цепи.
- Окислительная цепь. Установлен электрохимический градиент между межмембранным пространством и митохондриальным матриксом, который служит для получения АТФ с помощью АТФ-синтазы, с помощью процессов переноса электронов и накопления протонов. Электроны и протоны, необходимые для создания градиента, получают путем окислительной деградации из питательных веществ (например, глюкозы), поглощаемых организмом. Первоначально гликолиз происходит в цитоплазме.
- Апоптоз (запрограммированная гибель клеток)
- Хранение кальция: благодаря способности абсорбировать ионы кальция и затем высвобождать их, митохондрии вмешиваются в гомеостаз клетки.
- Синтез кластеров железа-серы, требуемый, среди прочего, многими ферментами дыхательной цепи. Эта функция теперь считается существенной функцией митохондрий, т.е. как это причина, по которой почти все клетки полагаются на энергетические станции для выживания.
Матрикс
Это пространство, включенное во внутреннюю митохондриальную мембрану. Содержит около двух третей общего белка. Играет решающую роль в производстве АТФ с помощью синтазы АТФ, включенной во внутреннюю мембрану. Содержит высококонцентрированную смесь сотен различных ферментов (главным образом, участвующих в деградации жирных кислот и пирувата), митохондриально-специфических рибосом, передаточной РНК и нескольких копий ДНК митохондриального генома.
Данные органоиды имеют свой собственный геном, а также ферментативное оборудование, необходимое для осуществления собственного биосинтеза белка .
Митохондрия Что такое Митохондрия и её функции
Строение и функционирование митохондрий
Вывод
Таким образом, митохондриями называются клеточные электростанции, которые производят энергию и занимают ведущее место в жизни и выживаемости отдельной клетки в частности и живого организма в целом. Митохондрии – это неотъемлемая часть живой клетки, в том числе растительной, которые до конца еще не изучены. Особенно много митохондрий в тех клетках, которым требуется больше энергии.
Митохондрии — это структуры палочковидной или овальной формы (греч. mitos — нить, chondros — гранула). Они обнаружены во всех животных клетках (исключая зрелые эритроциты): у высших растений, у водорослей и простейших. Отсутствуют они только у прокариот бактерий.
Эти органеллы впервые были обнаружены и описаны в конце прошлого столетия Альтманом. Несколько позже эти структуры были названы митохондриями. В 1948 г. Хогебум указал на значение митохондрий как центра клеточного дыхания, а в 1949 г. Кеннеди и Ленинджер установили, что в митохондриях протекает цикл окислительного фосфорилирования. Так было доказано, что митохондрии служат местом генерирования энергии.
Митохондрии видны в обычном световом микроскопе при специальных методах окраски. В фазово — контрастном микроскопе и в «темном поле» их можно наблюдать в живых клетках.
Строение, размеры, форма митохондрий очень вариабельны. Это зависит в первую очередь от функционального состояния клеток. Например, установлено, что в мотонейронах мух, летающих непрерывно 2 часа, проявляется огромное количество шаровидных митохондрий, а у мух со склеенными крыльями число митохондрий значительно меньше и они имеют палочковидную форму (Л. Б. Левинсон). По форме они могут быть нитевидными, палочковидными, округлыми и гантелеобразными даже в пределах одной клетки.
Митохондрии локализованы в клетке, как правило, либо в тех участках, где расходуется энергия, либо около скоплений субстрата (например, липидных капель), если таковые имеются.
Строгая ориентация митохондрий обнаруживается вдоль жгутиков сперматозоидов, в поперечно-полосатой мышечной ткани, где они располагаются вдоль миофибрилл, в эпителии почечных канальцев локализуются во впячиваниях базальной мембраны и т.д.
Количество митохондрий в клетках имеет органные особенности, например, в клетках печени крыс содержится от 100 до 2500 митохондрий, а в клетках собирательных канальцев почки — 300, в сперматозоидах различных видов животных от 20 до 72, у гигантской амебы Chaos chaos их число достигает 500 000. Размеры митохондрий колеблются от 1 до 10 мкм.
Ультрамикроскопическое строение митохондрий однотипно, независимо от их формы и размера. Они покрыты двумя липопротеидными мембранами: наружной и внутренней. Между ними располагается межмембранное пространство.
Впячивания внутренней мембраны, которые вдаются в тело митохондрий, называются кристами . Расположение крист в митохондриях может быть поперечным и продольным. По форме кристы могут быть простыми и разветвленными. Иногда они образует сложную сеть. В некоторых клетках, например, в клетках клубочковой зоны надпочечника кристы имеют вид трубочек. Количество крист прямо пропорционально интенсивности окислительных процессов, протекающих в митохондриях. Например, в митохондриях кардиомиоцитов их в несколько раз больше, чем в митохондриях гепацитов. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, составляет внутреннюю камеру митохондрий. В нем между кристами находится митохондриальный матрикс — относительно электронно плотное вещество.
Белки внутренней мембраны синтезируются миторибосомами, а белки внешней мембраны — циторибосомами.
«Наружная мембрана митохондрий по многим показателям сходна с мембранами ЭПС. Она бедна окислительными ферментами. Немного их и в мембранном пространстве. Зато внутренняя мембрана и митохондриальный матрикс буквально насыщены ими. Так, в матриксе митохондрий сосредоточены ферменты цикла Кребса и окисления жирных кислот. Во внутренней мембране локализована цепь переноса электронов, ферменты фосфорилирования (образования АТФ из АДФ), многочисленные транспортные системы.
Кроме белка и липидов, в состав мембран митохондрий входит РНК, ДНК, последняя обладает генетической специфичностью, и по своим физико-химическим свойствам отличается от ядерной ДНК.
При электронно-микроскопических исследованиях обнаружено, что поверхность наружной мембраны покрыта мелкими шаровидными элементарными частицами. Внутренняя мембрана и кристы содержат подобные элементарные частицы на «ножках», так называемые грибовидные тельца. Они -состоят из трех частей: головки сферической формы (диаметр 90-100 А°), ножки цилиндрической формы, длиной 5 нм и шириной 3-4 нм, основания, имеющего размеры 4 на 11 нм. Головки грибовидных телец связаны с фосфорилированием, затем обнаружено, что головки содержат фермент, обладающий АТФ-идной активностью.
В межмембранном пространстве находится вещество, обладающее более низкой электронной плотностью, чем матрикс. Оно обеспечивает сообщение между мембранами и поставляет для ферментов, находящихся в обеих мембранах, вспомогательные катализаторы-коферменты.
В настоящее время известно, что наружная мембрана митохондрий хорошо проницаема для веществ, имеющих низкий молекулярный вес, в частности, белковых соединений. Внутренняя мембрана митохондрий обладает избирательной проницаемостью. Она практически непроницаема для анионов (Cl -1 , Br -1 , SO 4 -2 , HCO 3 -1 , катионов Sn +2 , Mg +2 , ряда cахаров и большинства аминокислот, тогда как Са 2+ , Мп 2+ , фосфат, многокарбоновые кислоты легко проникают через нее. Имеются данные о наличии во внутренней мембране нескольких переносчиков, специфических к отдельным группам проникающих анионов и катионов. Активный транспорт веществ через мембраны осуществляется благодаря использованию энергии АТФ-азной системы или электрического потенциала, генерируемого на мембране в результате работы дыхательной цепи. Даже АТФ, синтезированная в митохондриях, может выйти с помощью переносчика (сопряженный транспорт).
Матрикс митохондрий представлен мелкозернистым электронно-плотным веществом. В нем располагаются миторибосомы, фибриллярные структуры, состоящие из молекул ДНК и гранул, имеющих диаметр более 200А ◦ образованные солями: Ca 3 (PO 4) , Ba 3 (PO 4) 2 , Mg 3 (PO 4) . Полагают, что гранулы служат резервуаром ионов Са +2 и Мg +2 . Их количество увеличивается при изменении проницаемости митохондриальных мембран.
Присутствие в митохондриях ДНК обеспечивает участие митохондрий в синтезе РНК и специфических белков, а также указывает на существование цитоплазматической наследственности. Каждая митохондрия содержит в зависимости от размера одну или несколько молекул ДНК (от 2 до 10). Молекулярный вес митохондриальной ДНК около (30-40)*10 6 у простейших, дрожжей, грибов. У высших животных около (9–10) *10 6.
Длина ее у дрожжей примерно равна 5 мкм, у растений — 30 мкм. Объем генетической информации, заключенный в митохондриальной ДНК, невелик: он состоит из 15-75 тыс. пар оснований, которые могут кодировать в среднем 25-125 белковых цепей с молекулярным весом около 40000.
Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК рядом особенностей: более высокой скоростью синтеза (в 5-7 раз), она более устойчива к действию ДНК-азы, представляет собой двухкольцевую молекулу, содержит больше гуанина и цитозина, денатурируется при более высокой температуре и легче восстанавливается. Однако не все митохондриальные белки синтезируются митохондриальной системой. Так, синтез цитохрома С и других ферментов обеспечивается информацией, содержащейся в ядре. В матриксе митохондрий локализованы, витамины А, В 2 , В 12 , К, Е, а также гликоген.
Функция митохондрий заключается в образовании энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток. Источником энергии в клетке могут служить различные соединения: белки, жиры, углеводы. Однако единственным субстратом, который немедленно включается в энергетические процессы, является глюкоза.
Биологические процессы, в результате которых в митохондриях образуется энергия, можно подразделить на 3 группы: I группа — окислительные реакции, включающие две фазы: анаэробную (гликолиз) и аэробную. II группа — дефосфорилирование, расщепление АТФ и высвобождение энергии. III группа — фосфорилирование, сопряженное с процессом окисления.
Процесс окисления глюкозы вначале происходит без участия кислорода (анаэробным или гликолитическим путем) до пировиноградной или молочной кислоты.
Однако при этом энергии выделяется лишь небольшое количество. В дальнейшем эти кислоты вовлекаются в процессы окисления, которые протекают с участием кислорода, т. е. являются аэробными. В результате процесса окисления пировиноградной и молочной кислоты, названной циклом Кребса, образуется углекислый газ, вода и большое количество энергии.
Образующаяся энергия не выделяется в виде тепла, что привело бы к перегреванию клеток и гибели всего организма, а аккумулируется в удобной для хранения и транспорта форме в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Синтез АТФ происходит из АДФ и фосфорной кислоты и вследствие этого называется фосфорилированием .
В здоровых клетках фосфорилирование сопряжено с окислением. При заболеваниях сопряженность может разобщаться, поэтому субстрат окисляется, а фосфорилирование не происходит, и окисление переходит в тепло, а содержание АТФ в клетках снижается. В результате повышается температура и падает функциональная активность клеток.
Итак, основная функция митохондрий заключается в выработке практически всей энергии клетки и происходит синтез компонентов, необходимых для деятельности самого органоида, ферментов «дыхательного ансамбля», фосфолипидов и белков.
Еще одной стороной деятельности митохондрий является их участие в специфических синтезах, например, в синтезе стероидных гормонов и отдельных липидов. В ооцитах разных животных образуются скопления желтка в митохондриях, при этом они утрачивают свою основную систему. Отработавшие митохондрии могут накапливать также продукты экскреции.
В некоторых случаях (печень, почки) митохондрии способны аккумулировать вредные вещества и яды, попадающие в клетку, изолируя их от основной цитоплазмы и частично блокируя вредное действие этих веществ. Таким образом, митохондрии способны брать на себя функции других органоидов клетки, когда это требуется для полноценного обеспечения того или иного процесса в норме или в экстремальных условиях.
Биогенез митохондрий. Митохондрии представляют собой обновляющиеся структуры с довольно кратким жизненным циклом (в клетках печени крысы, например, период полужизни митохондрий охватывает около 10 дней). Митохондрии образуются в результате роста и деления предшествующих митохондрий. Деление их может происходить тремя способами: перетяжкой, отпочковыванием небольших участков и возникновением дочерних митохондрий внутри материнской. Делению (репродукции) митохондрий предшествует репродукция собственной генетической системы — митохондриальной ДНК.
Итак, согласно взглядам большинства исследователей, образование митохондрий происходит преимущественно путем саморепродукции их de novo.
Американские и российские ученые выяснили, как образуются регуляторы воспаления и других патологических процессов
Российские ученые из МГУ совместно с коллегами из Питтсбургского университета выяснили, как образуются липидные медиаторы — молекулы, играющие важную роль как посредники в процессе воспаления, тромбообразования, боли, регуляции тонуса сосудов. За исследование некоторых из них в 1982 году была вручена Нобелевская премия.
Митохондрии известны как энергетические подстанции клетки — клеточные органеллы, в которых путем окисления различных субстратов образуется универсальная молекула запасания энергии — аденозинтрифосфат (АТФ). Но это не единственная их роль в клетке. Вот как пояснил «Газете.Ru» академик РАМН Юрий Владимиров, заведующий кафедрой медицинской биофизики факультета фундаментальной медицины МГУ им. М.В. Ломоносова: «Митохондрии — это не только система преобразования энергии, но и химическая фабрика, вырабатывающая молекулы — регуляторы внутриклеточных процессов, а также управляющая процессом запрограммированной смерти клетки — апоптозом».
Работа именно этой химической фабрики стала предметом исследования, опубликованного в ночь на понедельник в журнале Nature Chemistry.
Международная команда ученых из Питтсбургского университета под руководством профессора Валериана Кагана, в которую входил академик РАМН Юрий Владимиров, открыла новый путь биосинтеза липидных медиаторов. Медиаторами (передатчиками) называют химические вещества, передающие внешние сигналы на биохимические пути, приводящие к каким-то эффектам на уровне клетки. Липидные же медиаторы — это молекулы жироподобных веществ.
Эти молекулы стали изучать еще в 30-х годах прошлого века и выяснили их важную роль как посредников в процессе воспаления, тромбообразования, боли, регуляции тонуса сосудов.
К липидным медиаторам относятся простагландины, среди которых есть «полезные», обладающие противовоспалительными свойствами, снижающие артериальное давление и риск тромбообразования, а есть и «вредные», которые действуют ровно наоборот. Последние служат мишенями для действия противовоспалительных лекарств, таких как аспирин.
В 1982 году шведские биохимики Суне Бергстрём и Бенгт Самуэльсон получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование простагландинов.
Липидные медиаторы образуются из полиненасыщенных жирных кислот (их молекула имеет две двойные связи и более, к ним относятся известные омега-3 и омега-6 жирные кислоты). Но до сих пор ученым было неизвестно, как именно это происходит и где. Теперь исследователи показали, что полиненасыщенные жирные кислоты окисляются в митохондриях, а окислителем служит вещество цитохром С, которое находится между внешней и внутренней мембранами митохондрии. Это совершенно новый путь образования липидных молекул — регуляторов обмена веществ.
Работая на двух типах тканей — кишечнике мыши и мозге крысы, исследователи показали, что этот процесс резко усиливается при повреждениях в тканях.
«Статья во многом является итогом многолетних исследований коллектива, руководимого выходцем из России, известным советским, а теперь американским ученым Валерианом Ефимовичем Каганом, в числе прочего лауреатом Государственной премии СССР в области науки и техники 1983 года (наряду с вашим покорным слугой и другими известными советскими учеными), — рассказал «Газете.Ru» Юрий Владимиров. — В последние годы Валериану Ефимовичу удалось организовать первоклассную лабораторию, оснащенную самыми современными приборами, включая почти десяток масс-спектрометров, что позволило раскрыть химический состав продуктов, образуемых в митохондриях в норме и при различных заболеваниях.
Вклад в работу лично мой и руководимой мною аспирантки кафедры медицинской биофизики факультета фундаментальной медицины МГУ Анны Викулиной (также соавтора статьи) заключается в участии в разработке алгоритма обработки данных и в расшифровке масс-спектров во время наших длительных научных командировок в лабораторию Кагана».
Остается предположить, что знание механизма биосинтеза разнообразных липидных медиаторов можно будет использовать для того, чтобы воздействовать на него при различных заболеваниях. Например, воздействовать на синтез простагландинов для лечения воспалительного процесса.
Материал подготовлен отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки».
Химический состав митохондрий (873 слова)
Прочтите эту статью, чтобы узнать о химическом составе митохондрий!
Состав митохондриальной мембраны такой же, как и плазматическая мембрана, то есть фосфолипиды и белки. Белок присутствует на двух поверхностях и бимолекулярный слой липида между ними. Наружная мембрана содержит больше холестерина и больше фосфатидилинозита.
Изображение предоставлено: nature.com/ki/journal/v61/n6/images/4492972f2.gif
Но кардиолипин ниже по сравнению с внутренней мембраной. Бенсли дает следующий состав высушенных митохондрий печени —
(1) Белки и неизвестные 65%
(2) Глицериды 29%
(3) Лецитин и цефалин (фосфолипиды) 4%
(4) Холестерин 2%
Бенсли считает, что поверхность митохондрий состоит из мозаики белковых и липидных веществ. Он предполагает, что кора митохондрий должна содержать молекулы белка, глицеридов и холестерина.
Кон дает следующий состав сухих митохондрий (по весу) —
Белки 70%, липиды 25-30%
90% липидов составляют фосфолипиды и 10% холестерин, каротиноиды, витамин Е и другие неорганические элементы, такие как S, Fe и Cu. Содержание серы также относительно высокое, поскольку значительное количество сульфгидрила (SH) присутствует в активных группах некоторых ферментов.
Кроме них, есть 0,5% РНК и небольшое количество ДНК, а также респираторные ферменты, которые помогают в дыхании, такие как цитохромоксидаза, редуктаза, трансаминаза, кофермент 1, октаноксидаза, оксидаза жирных кислот и т. Д.
Из белков наибольшая часть, вероятно, состоит из ферментов, но структурные белки составляют около 30% от общего количества белка. Сообщалось, что из митохондрий печени поступает актомиозиноподобный белок, который расщепляет аденозинтрифосфат (АТФ) и сокращается при добавлении АТФ. Фосфолипиды также важны для функции ферментов, поскольку их добавление к очищенным ферментам также увеличивает активность.
Митохондриальные липиды представляют собой в основном фосфолипиды, из которых выделяется лецитин, но также присутствуют триглицериды, фосфатидная кислота и холестерин.
[I] Митохондриальные ферменты:Все три основных компонента пищи (углеводы, белки и липиды) разлагаются в цитоплазме, входят в митохондриальный цикл Кребса и подвергаются окислению. Электроны, испускаемые во время цикла Кребса, переносятся в систему транспорта электронов (ETS). Некоторые ферменты и коферменты участвуют в окислительном фосфорилировании и механизме переноса электронов. Lehninger (1969) классифицирует их следующим образом:
1. Ферменты наружной мембраны митохондрий:Это следующие —
(i) Моноаминоксидаза
(ii) Кофермент А-лигаза жирных кислот
(iii) кинуренингидроксилаза
(iv) НАДН-цитохром-С редуктаза
2.Ферменты наружной митохондриальной камеры:Это следующие —
(i) Аденилаткиназа
(ii) Нуклеозид дифосфокиназа
ДНКаза 1 и 5 ‘- эндонуклеаза
3. Ферменты внутренней митохондриальной мембраны:Это электронная передача, связь следующим образом —
(i) Ферменты дыхательной цепи, а именно НАДН-сукцинатдегидрогеназа, ФАД, четыре цитохрома, цитохром С-редуктаза убихинон.
(ii) АТФ-синтетаза оксидаза
(iii) Янтарная дегидрогеназа
(iv) P-гидроксибутиратдегидрогеназа
(v) Ацилтрансфераза жирных кислот карнитина
Он также содержит глицерин-фосфатдегидрогеназу, холин-дегидрогеназу и несколько переносчиков или транслокаторов для проникновения фосфата, глутамата, аспарата, АДФ и АТФ.
Внутренняя мембрана содержит высокую концентрацию кардиолипина (полиглицерофосфатидов), который важен для всех систем, связанных с транспортом электронов.
4. Ферменты митохондриального матрикса:Они растворимы и участвуют в цикле Креба и цикле жирных кислот. В их состав входят следующие ферменты —
.(1) Фумараза и аконитаза
(2) Цитрат-синтетаза
(3) дегидрогеназы α-кетокислот
(4) ферменты β-окисления
(5) L-малатдегидрогеназа
(6) L-глутаматдегидрогеназа
(7) Изоцитратдегидрогеназа
(8) Цитидилтрансфераза фосфатидной кислоты (CTP)
(9) Нуклеотиды, K + , Mg + + .Сl — , S0 4 — , HPO 4 — и т. Д.
Матрица также содержит ДНК, рибосомы и другие виды РНК и ферменты, участвующие в синтезе белка.
[II] Митохондриальная ДНК (М-ДНК):Митохондрии содержат одну или несколько молекул ДНК, которые имеют круглую форму, сильно скручены и имеют длину около 5 мкм. Он напоминает бактериальную ДНК, которая также имеет круглую форму. Соотношение оснований ДНК в митохондриальной ДНК напоминает таковое в прокариотических клетках и больше, чем у ядерной ДНК.Митохондриальная ДНК образует петлю, от которой начинается репликация и проходит в одном направлении.
Большая часть ДНК может иметь форму петли. Однако только небольшая часть ДНК реплицируется одновременно. Таким образом, репликация не синхронизирована и продолжается в течение всего клеточного цикла и не согласована с циклической репликацией ядерной ДНК. Синтез ДНК в митохондриях происходит медленнее, чем в ядерной ДНК.
Митохондриальная ДНК кодирует внутреннюю рибосомную РНК, транспортную РНК, рибосомные белки и некоторые другие белки, регулирующие ферменты и структуру.Многие митохондриальные белки (особенно ферментные белки) кодируются ядерной ДНК.
Митохондрия, несмотря на наличие собственной ДНК, не зависит от ядра. Митохондриальная ДНК способна к мутации. М-ДНК ведет себя как хромосома и обычным образом дублируется в несколько кругов. Благодаря ДНК митохондрии способны к самовоспроизведению и, таким образом, могут проявлять цитоплазматическое наследование. М-ДНК отличается от ядерной ДНК по нескольким аспектам, таким как —
(1) Согласно Rabinowitch (1968), митохондриальная ДНК содержит больше гуанин-цитозина (GC), чем ядерная ДНК, и имеет более высокую плотность.
(2) Температура денатурации или плавления М-ДНК выше, чем ядерной ДНК.
(3) М-ДНК имеет круглую форму, как у бактерий, и не скручена.
(4) Скорость ренатурации М-ДНК больше.
(5) Молекулярная масса M — ДНК колеблется от 9 до 11 миллионов.
[III] Митохондриальная РНК :Точно так же встречается митохондриальная РНК (М-РНК). Она отличается от РНК ядерного происхождения, поскольку устойчива к ферменту рибонуклеазе.Он синтезируется внутри митохондрий на матрице ДНК. К настоящему времени выделены три вида М-РНК, а именно 23S, 16S и 4S.
Структура, химический состав и функция митохондрий
Митохондрии обнаружены во всех эукариотических клетках. Они могут быть потеряны на более поздних стадиях развития (эритроциты и ситовидные трубки флоэмы). Это зернистые или нитчатые органеллы, обладающие характерными морфологическими, биохимическими и функциональными свойствами.
Митохондрии впервые были обнаружены в конце 19 века Альтманном (1894). Он назвал их биопластами. Бенда (1897) назвал эти структуры «митохондриями». Альтманн предсказал взаимосвязь между митохондриями и клеточным дыханием.
Hogeboom с соавторами окончательно продемонстрировали это в 1948 году. В последние годы с помощью электронного микроскопа было много известно о его ультраструктурной организации. Долгие годы считалось, что митохондрия полностью закрыта и автономна.Однако теперь предлагается быть динамичным, широко взаимодействующим с другими клеточными структурами.
Форма митохондрий изменчива. Как правило, эти органеллы представляют собой нитевидные или зернистые, но в некоторых случаях они имеют форму булавы или полые, чтобы принимать форму теннисной ракетки. В других случаях митохондрии могут выглядеть везикулярными.
Размер митохондрий также различен. Однако в большинстве ячеек ширина постоянна (0,05 мкм), а длина варьируется, достигая максимального значения 7.0 вечера.
Структура:
Митохондрия, как видно под микроскопом высокого разрешения, состоит из двух мембран и двух отсеков. Его окружает внешняя ограничивающая мембрана толщиной 6,0 нм.
Внутренняя мембрана отделена от внешней промежутком примерно от 6,0 до 8,0 нм. Они выступают в полость митохондрий в виде складок, называемых кристами (гребнями).
Внутренняя мембрана делит митохондрию на два отсека.Внешняя камера, занимающая пространство между двумя мембранами, и внутренняя камера, заполненная относительно плотным белковым материалом, обычно называемым матриксом митохондрий. Обычно он однороден, но в некоторых случаях содержит очень плотные гранулы. Эти гранулы содержат фосфолипиды.
Митохондриальные кристы показывают неполное разделение. Это делает внутреннюю камеру сплошной матрицей. Видно, что мембрана кристы имеет частицы, каждая из которых имеет головку, стебель и основание.Их называют элементарными частицами / F t частиц / оксисомами. Каждая частица своим основанием прикреплена к внутренней мембране. Частицы равномерно расположены с интервалом 10 нм. Каждая частица имеет сферическую головку, называемую F-субъединицей, диаметром около 10 нм
и соединенную с основанием субъединицей F 0 , длина которой составляет от 3,5 до 5 нм. Эти частицы соответствуют особой АТФазе, участвующей в взаимодействии окисления и фосфорилирования
Химический Состав:
Наружные и внутренние мембраны и гребни могут рассматриваться как жидкие и молекулярные структуры.Матрица гелеобразная и содержит множество растворимых белков. Из матрицы также получают другие молекулы меньшего размера. В нем расположено несколько рибосом и круговая ДНК. Кроме того, он содержит ферменты цикла лимонной кислоты, метаболизма липидов и аминогруппы, синтеза белка и дыхательной цепи.
Функция:
Митохондрии — основные органеллы клеток, трансформирующие энергию. Разрыв субстратов дыхания на пировиноградную кислоту происходит в цитоплазме.Но процесс преобразования энергии, такой как цикл Кребса и система переноса электронов, принимает pi
внутри митохондрий. Поскольку митохондрии несут ответственность за снабжение энергией, их все вместе называют электростанцией клетки.
Митохондрии — обзор | ScienceDirect Topics
1. MITOCHONDRIA
Митохондрии — это органеллы, обычно размером от 0,5 микрометра до 1 микрометра в длину, обнаруженные в цитоплазме эукариотических клеток.Митохондрии содержат внутреннюю и внешнюю мембраны, разделенные пространством. Как внутренняя, так и внешняя мембраны состоят из двойных слоев фосфолипидов от хвоста к хвосту, в которые в основном встроены гидрофобные белки. Одна часть молекулы липида является гидрофильной (притягивающей воду), а другая часть — гидрофобной (притягивающей липиды). В результате этого уникального свойства липиды спонтанно образуют бимолекулярный липидный бислой в водном растворе. Самособирающийся липидный бислой находится в динамическом и жидкокристаллическом состоянии.Наружная мембрана содержит белки и липиды. Гладкая внешняя мембрана содержит многочисленные транспортные белки, которые перемещают материалы внутрь и из митохондрии. Наружная мембрана имеет толщину 60–70 Å и проницаема для небольших молекул, включая соли, нуклеотиды аденина и никотинамида, сахара и коферменты. Внутренняя мембрана содержит все ферменты и меньше липидов, чем внешняя мембрана. Эти мембраны образуют два отдельных отсека, образующих межмембранное пространство (C-сторона) и пространство, ограниченное внутренней мембраной, называемой матрицей (M-сторона) (рис.1). Межмембранное пространство обычно имеет ширину 60–80 Å и содержит некоторые ферменты. Однако матрица очень вязкая и богата белком, ферментами и жирными кислотами. Компонент мембраны проявляет аллотропию и меняет свои свойства при разделении. Экспериментальные данные показывают, что митохондрии проявляют анизотропию.
Рис. 1. Строение митохондрий.
Внутренняя мембрана содержит дыхательную цепь и синтез АТФ и проницаема для небольших нейтральных молекул, таких как вода, кислород и углекислый газ.Его проницаемость для заряженных молекул, таких как протоны и ионы, ограничена. Внутренняя мембрана имеет многочисленные складки, называемые кристами , которые имеют складчатую структуру, значительно увеличивающую площадь поверхности, на которой происходит синтез АТФ. Транспортные белки, молекулы, называемые цепями переноса электронов, и ферменты, синтезирующие АТФ, входят в число молекул, встроенных в кристы (рис. 1 и 2). Кристы имеют основные факторы связывания F1 (гидрофильный белок) и F o (гидрофобный липопротеиновый комплекс), которые вместе составляют комплекс АТФазы, активируемый Mg +2 .АТФаза катализирует гидролиз АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) и фосфата, в то время как АТФ-синтаза производит АТФ, используя энергию, выделяемую окислительно-восстановительными реакциями дыхательной цепи. Обе реакции подавляются антибиотиками, такими как олигомицин.
Рис. 2. Строение внутренней мембраны митохондрий.
Митохондрии содержат дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибосомы, органеллы, продуцирующие белок в цитоплазме. Внутри митохондрий ДНК направляет рибосомы на производство белков в качестве ферментов или биологических катализаторов при производстве АТФ.Митохондрии несут ответственность за преобразование питательных веществ в АТФ, дающий энергию, для обеспечения жизнедеятельности клетки. Количество митохондрий в клетке зависит от функции клетки. Клетки с особенно высокой потребностью в энергии, такие как мышечные клетки, имеют больше митохондрий, чем другие клетки.
Основная функция митохондрий — обеспечивать энергией клеточную активность в процессе аэробного дыхания. В этом процессе глюкоза расщепляется в цитоплазме клетки с образованием пировиноградной кислоты, которая транспортируется в митохондрии.В серии реакций, часть которых называется циклом лимонной кислоты или циклом Кребса, пировиноградная кислота реагирует с водой с образованием диоксида углерода и атомов водорода. Эти атомы водорода транспортируются со специальными молекулами-носителями, называемыми коферментами, к кристам, а некоторые в конечном итоге соединяются с кислородом с образованием воды.
Электроны текут от коферментов вниз к атомам кислорода, а протоны перекачиваются из матрицы в межмембранное пространство. Когда протоны текут обратно в матрицу, к АДФ добавляется фосфатная группа с образованием АТФ, который транспортируется в цитоплазму клетки и гидролизуется в АДФ практически для каждой энергоемкой реакции и процесса.АДФ возвращается в митохондрии для повторного использования.
Пища, содержащая сахар или углеводы, превращается в основные химические вещества, которые может использовать клетка. Сахар расщепляется ферментами на глюкозу, которая далее расщепляется с образованием АТФ двумя путями. Первый путь, называемый гликолизом, происходит в цитоплазме вне митохондрий и не требует кислорода. Во время гликолиза глюкоза расщепляется на пируват, который представляет собой 3-углеродную молекулу. После того, как он попадает в митохондрии, он расщепляется на молекулу с 2 атомами углерода с помощью специального фермента, и выделяется углекислый газ.2-углеродная молекула называется ацетил-КоА, и она входит в цикл Креба, присоединяясь к 4-углеродной молекуле, называемой оксалоацетатом. Как только две молекулы соединяются, они производят лимонную кислоту. Это первая реакция, при которой образуется лимонная кислота, и цикл лимонной кислоты получил свое название от этого. Только молекулы 4-АТФ могут быть произведены одной молекулой глюкозы.
Существует два типа молекул-носителей для электронов: один называется никотинамидадениндинуклеотидом (NAD + ), а другой — флавинадениндинуклеотидом (FAD + ).Третья молекула, конечно же, кислород. В конце концов, процесс снова дает четырехуглеродный оксалоацетат и называется циклом, потому что он всегда заканчивается там, где был начат, оксалоацетатом, доступным для объединения с большим количеством ацетил-КоА. Окисление НАДН и поток электронов через систему переноса электронов приводит к переносу протонов из матрицы в межмембранное пространство. Это создает жизненно важный протонный электрохимический градиент для синтеза АТФ.
Мембранные белки переносят материал и информацию между клетками и их средой, а также между компартментами, в которых находятся органеллы.Некоторые из этих белков избирательно переносят определенные молекулы и ионы, а некоторые другие являются рецепторами химических сигналов извне клетки. Они могут поддерживать перенос ионов и электронов, а также преобразование и сохранение энергии. Они действуют как преобразователи, способные собирать информацию, обрабатывать ее и давать ответ. Это указывает на электронный и молекулярный характер их функций. Их электрическая активность измеряется как разность электрических потенциалов на мембране.Изменение проницаемости мембраны приведет к изменению разности потенциалов. В системе котранспорта движение одного пермеанта зависит от одновременного движения другого пермеанта либо в том же направлении, называемом symport , либо в противоположном направлении, называемом антипортом . Самая известная антипортовая система — насос Na + / K + -АТФазы, который присутствует в плазматической мембране всех клеток животных. Этот насос транспортирует ионы натрия из клетки, а ионы калия в клетку через липидный бислой против градиентов их электрохимического потенциала и работает как антипорт. Этот антипорт, как и любой другой активный транспорт, должен быть связан с диссипативным процессом в метаболической активности. как гидролиз АТФ.Трансмембранные активности термодинамически обусловлены градиентами химических и электрохимических потенциалов. Метаболические процессы обычно способны поддерживать устойчивые неравновесные условия на клеточных мембранах, генерируя потоки ионов или электронов. Следовательно, уравнения переноса и скорости используются при формулировании метаболической активности.
Цитоплазма содержит множество метаболических циклов и путей синтеза, а также синтез белка. Помимо передачи вещества и информации через клеточную мембрану, существует существенное взаимодействие живых организмов с внешней средой.Скоординированное действие организма требует интеграции дыхательных путей, нервов, органов чувств, мышц и т. Д. На клеточном уровне коммуникация через мембрану называется передачей сигнала и осуществляется с помощью лигандов или мессенджеров, таких как белки, пептидные гормоны. Эти лиганды облегчают коммуникацию, напрямую проникая в клетку или взаимодействуя со специфическим рецептором, расположенным на / в липидном бислое мембраны.
Перенос электрона и связанные с ним реакции, приводящие к синтезу АТФ, полностью связаны с мембраной.Сохранение фотосинтетической энергии происходит в тилакоидной мембране хлоропластов растений; окислительное фосфорилирование происходит во внутренней мембране митохондрий. Эти мембраны облегчают взаимодействие между окислительно-восстановительной системой и синтезом АТФ и называются мембранами связывания. Механизмы сопряжения окислительного фосфорилирования могут изменяться в процессе развития. Во-первых, мембрана — это эффективная и регулируемая единица преобразования энергии, поскольку она организует окислительно-восстановительные системы и связанные с ними ферменты.Во-вторых, мембрана является барьером проницаемости клетки, регулирует перенос определенных растворенных веществ и эффекты осмотического дисбаланса.
Митохондрия — гораздо больше, чем преобразователь энергии
Быстрый просмотр:
Митохондрия (plur: митохондрии) — преобразователь энергии, детерминатор, генератор (реактивных кислородных химических веществ), энхансер, источник генетической истории и, что спорно, средство для повышения эффективности лечения бесплодия.
Митохондрии — это органеллы, которые фактически являются клетками внутри клетки. Вероятно, они возникли миллиарды лет назад, когда бактериальная клетка была поглощена при посещении того, что должно было стать клеткой-хозяином. Бактериальная клетка не переваривалась и оставалась в симбиотических отношениях.
Правдивая история о посетителе, который оставался …… навсегда. Как и многие посетители, гостевая бактерия вносит свой вклад в ее содержание; митохондрия, безусловно, убедилась, что ее присутствие ощущается. Помимо перечисленных ниже свойств митохондрии также принимают участие в реакциях, касающихся метаболизма жирных кислот, цикла мочевины и биосинтеза гемоглобина
Щелкните здесь, чтобы просмотреть изображение митохондрий, интерпретированное с помощью прибора перекрестия Gridpoint
Митохондрии: преобразователи энергии
Митохондрии, используя кислород, доступный внутри клетки, преобразуют химическую энергию пищи в клетке в энергию в форме, пригодной для использования клеткой-хозяином.Этот процесс называется окислительным фосфорилированием и происходит внутри митохондрий. В матрице митохондрий реакции, известные как лимонная кислота или цикл Кребса, производят химическое вещество, называемое НАДН. Затем НАДН используется ферментами, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий, для образования аденозинтрифосфата (АТФ). В АТФ энергия хранится в форме химических связей. Эти облигации могут быть открыты и энергия погашена.
В свою очередь, клетка-хозяин обеспечивает физическую защиту и постоянный приток пищи и кислорода.
Митохондриальные клетки делятся, используя собственную кольцевую цепь ДНК, и в результате в одной клетке может быть много митохондрий. В клетках, требующих большого количества энергии, обнаруживается большое количество митохондрий.
Хвост сперматозоида содержит множество митохондрий, которые образуют спираль по всей длине хвоста. В клетках сердечной мышцы около 40% цитоплазматического пространства занято митохондриями. В клетках печени этот показатель составляет около 20-25% с 1000-2000 митохондрий на клетку.
Митохондрии: детерминаторы
Недавние исследования показывают, что помимо преобразования энергии митохондрии играют довольно большую роль в определении того, когда клетка умрет от обычной клеточной смерти (некроза) или запрограммированной клеточной смерти (апоптоза). При апоптозе митохондрия высвобождает химическое вещество, цитохром с, и это может вызвать запрограммированную гибель клеток (апоптоз).
Также считается, что митохондрии влияют на то, какие яйцеклетки у женщины должны высвобождаться во время овуляции, а какие должны быть уничтожены посредством запрограммированной гибели клеток (апоптоза).Это часть процесса, называемого атрезией. Похоже, что в этом процессе митохондрии и ядро клетки, в которой находятся митохондрии, проверяются на биохимическую совместимость. Несовместимые пары отключаются из-за запрограммированной гибели клеток.
Митохондрии: генераторы расстройств и болезней
Митохондрии — очень важные преобразователи энергии. В этом процессе они производят отходы. В митохондриях они называются активными формами кислорода (АФК).и включают «свободные радикалы».
АФК могут повредить ДНК. Митохондриальная ДНК не является исключением, и, поскольку она расположена так близко к преобразователям энергии, она может подвергаться сильной атаке, иногда мутируя в десять раз быстрее, чем ядерная ДНК в обычной клетке.
Эти мутации являются источником митохондриального заболевания, которое может поражать области с высоким потреблением энергии, такие как мозг, мышцы, центральная нервная система и глаза. У людей, страдающих болезнью Паркинсона или Альцгеймера, частота митохондриальных мутаций намного выше, чем у здоровых людей, и поэтому функционирование митохондрий может быть связано с этими заболеваниями.
Было высказано предположение, что мутации, вызванные АФК, вносят вклад в процесс старения. У людей старше 65 лет происходит гораздо больше мутаций в митохондриальной ДНК, чем у молодых людей, но в этот неизбежный (в настоящее время), но изменчивый процесс вовлечено гораздо больше факторов.
Работа митохондрий на молекулярном уровне также способствует хорошему (или нет) прогрессу людей на самых ранних стадиях выздоровления после операции на открытом сердце и трансплантации.
Почти во всех этих состояниях «беспорядка» очень вероятно, что другие факторы, такие как генетика, также вовлечены.
Недавняя работа связывает несколько серьезных побочных эффектов лечения ВИЧ с лечебными препаратами АЗТ и 3ТС. Похоже, что препараты повреждают митохондрии и блокируют производство митохондриальной ДНК.
Митохондрии: усилитель
Плодовые мушки, которые были генетически сконструированы для детоксикации АФК, живут на 40% дольше, чем обычные контроли. У французских и японских долгожителей обнаруживаются полезные мутации в митохондриальной ДНК. У французов этот вариант был обнаружен у 14% долгожителей по сравнению с 7% всего населения.62% долгожителей Японии обладали выгодной митохондриальной ДНК по сравнению с 45% населения в целом. Это интересно, но поскольку мы не знаем о причине и следствии, необходимо проявлять осторожность при рассмотрении этих цифр.
В области спорта нетрудно предположить, что спортсмены с большим количеством митохондрий в сердце и других соответствующих мышечных клетках могут делать это немного лучше, чем другие менее обеспеченные спортсмены.
Митохондрии: источники генетической истории
Митохондрии — это фактически клетки внутри клетки, и каждая из них имеет свою собственную ДНК.Митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии. Любая митохондриальная ДНК, предоставленная отцом, активно разрушается запрограммированной смертью клетки после слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Эта интересная ситуация предоставила генетикам и антропологам очень полезный аналитический и измерительный инструмент.
На протяжении многих лет материнская митохондриальная ДНК наследуется по прямой линии, никогда не объединялась или не перетасовывалась с ДНК митохондрий мужской линии. Благодаря анализу митохондриальной ДНК этнического состава генетические данные подтверждают идею о том, что основная масса наших предков произошла «из Африки» около 200 000 лет назад и что мы не произошли от неандертальцев.Наша митохондриальная ДНК произошла от общей предковой группы «митохондриальных канун» или «африканских канун». Некоторые люди скептически относятся к этой идее, но веские доказательства в ее поддержку накапливаются.
Митохондрии: органелла, вероятно, используемая для повышения эффективности лечения бесплодия.
«Младенцы, рожденные от двух матерей и одного отца» — так одна британская национальная газета опубликовала статью о спорном методе, запрещенном в Великобритании, при котором цитоплазма, включая митохондрии из клеток молодой женщины, вводится в яйцеклетки пожилой женщины. женщина ищет лечение бесплодия ЭКО.Техника, называемая ооплазматической трансплантацией, направлена на исправление нарушений, возможно, связанных с митохондриями, в яйце. Митохондриальная ДНК будет включена в клетки, образующие эмбрион, и по этой причине это первый пример генной терапии зародышевой линии. Есть опасения по поводу возможных долгосрочных побочных эффектов, которые могут быть переданы последующим поколениям. Хотя многие выступают против этой техники, ее сторонники утверждают, что они не «вмешиваются» в ядерную ДНК и что эта процедура помогла женщинам примерно 30 детей во всем мире стать матерями.
Митохондрия. На что это похоже?
На рисунках из учебников митохондрии почти всегда изображены как «колбасные», и эта форма почти стала условным обозначением митохондрий. Если продолжить эту аналогию, митохондрии могут быть длинными, как сосиски Франкфуртера, или короткими, как чиполаты. В эпителиальных клетках улитки митохондрии представляют собой длинные червеобразные структуры, тогда как у эмбрионов они имеют тенденцию быть более сферическими. Митохондрии могут довольно быстро изменять свою форму до некоторой степени.Они также могут образовывать спирали, как видно на хвосте сперматозоидов. Они также могут объединиться, а затем, при необходимости, снова разделиться.
Митохондрия обычно имеет диаметр около 0,5 мкм, что соответствует размеру некоторых бактерий. Его можно идентифицировать с помощью хорошего светового микроскопа по «нитям, усеянным зернами», которые, кажется, проходят по диаметру органеллы. Именно из-за этого название «митохондрия» происходит от греческого слова mitos, означающего нить, и chondrion, означающего зерно. На заре исследований клеточной биологии митохондрии отделяли от клеток с помощью тонких игл.
Внутренняя структура и функции
Внутренняя структура митохондрии не отличается от хлоропласта тем, что обе органеллы имеют две мембраны. Считается, что в митохондриях внешняя мембрана фактически происходит от той части клеточной мембраны эукариотической клетки, которая сформировала везикулу, содержащую поглотившую посещающую бактерию. Внутренняя мембрана, которая сейчас сильно сложена, считается клеточной мембраной захваченных бактерий.
Очень сложенная внутренняя мембрана обеспечивает очень большую площадь поверхности, на которой могут происходить реакции (много места на лабораторном столе).
Складки, называемые кристами, образуются при загибании мембраны сбоку. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называется матрицей. Он содержит химические вещества и структуры, включая митохондриальную ДНК и небольшие рибосомы.
Матричная сторона свернутой мембраны усеяна структурами, напоминающими обычные электрические (ламповые) лампочки в патронах. Именно в этих белковых структурах, иногда называемых стеблевыми частицами, поток протонов через христы от внутренней мембраны к матрице позволяет преобразовать аденозиндифосфат (АДФ) в аденозинтрифосфат (АТФ).Аденозинтрифосфат «накапливает» энергию в виде химической связи, и в этой форме он может распределяться и использоваться по всей клетке. Это похоже на движение электронов по проводу к электрической лампочке, когда энергия преобразуется в энергию света, но это аналогия, и ее не следует заходить слишком далеко.
РЕЗЮМЕ
Митохондрии — это большие органеллы, обнаруженные в цитоплазме всех клеток растений и животных. Однако они возникли в результате того, что клетка поглотила небольшую бактерию, а затем две единицы, живущие в симбиотических отношениях.Митохондрии воспроизводятся внутри клетки-хозяина. Эти « посетители » (см. Выше) стали настолько важными для жизни (они обеспечивают большую часть химической энергии в виде АТФ) и смерти (они могут выделять химическое вещество, которое запускает запрограммированную смерть клетки) клетки, что медицинские специалисты активно внедряют их в яйцеклетки. Это делается в рамках протокола лечения бесплодия у людей. Интересно поразмышлять над тем фактом, что органелла, которая однажды случайно попала в клетку, теперь захватывается и переносится людьми и помещается в яйцеклетки другого человека.
Митохондрии — определение, структура, функции и схема
Главная »Клеточная биология» Митохондрии — определение, структура, функции и схема
Определение митохондрий
- Митохондрии представляют собой потребляющие кислород ленточные клеточные органеллы огромной важности, свободно плавающие по всей клетке.
- Они известны как «электростанция клетки», поскольку эти органеллы снабжают клетку всей необходимой биологической энергией, окисляя доступные субстраты.
- Ферментативное окисление химических соединений в митохондриях высвобождает энергию.
- Поскольку митохондрии действуют как электростанции, они в изобилии встречаются на тех участках, где серьезно требуется энергия, таких как хвост спермы, мышечные клетки, клетки печени (до 1600 митохондрий), микроворсинки, ооциты (более 300000 митохондрий) и т. Д.
- Обычно на клетку приходится около 2000 митохондрий, что составляет около 25% объема клетки.
- В 1890 году митохондрии впервые были описаны Ричардом Альтманном, который назвал их биобластами.Бенда в 1897 году ввел термин «митохондрия».
Митохондрии — это подвижные пластичные органеллы с двухмембранной структурой. Его диаметр колеблется от 0,5 до 1,0 микрометра. Он имеет четыре различных домена: внешнюю мембрану, внутреннюю мембрану, межмембранное пространство и матрицу.
- Органелла окружена двумя мембранами — гладкой внешней мембраной и заметно складчатой или трубчатой внутренней митохондриальной мембраной, которая имеет большую поверхность и охватывает матриксное пространство.
- Межмембранное пространство находится между внутренней и внешней мембранами.
- Число и форма митохондрий, а также количество крист, которые они имеют, могут сильно различаться от типа клетки к типу клетки.
- Ткани с интенсивным окислительным метаболизмом — e. g., сердечная мышца — имеют митохондрии с особенно большим количеством крист.
- Даже в пределах одного типа ткани форма митохондрий может варьироваться в зависимости от их функционального статуса.
- Обе митохондриальные мембраны очень богаты белками.
- Наружная мембрана митохондрий больше похожа на плазматическую мембрану по структуре и химическому составу.
- Порины на внешней мембране позволяют обмениваться небольшими молекулами между цитоплазмой и межмембранным пространством.
- Внутренняя мембрана митохондрий богата множеством ферментов, коферментов и других компонентов цепи переноса электронов.Он также содержит протонные насосы и множество белков пермеазы для транспорта различных молекул, таких как цитраты, АДФ, фосфат и АТФ.
- Внутренняя митохондриальная мембрана дает пальцеобразные выросты (кристы) в направлении просвета митохондрии и содержит частицы F1 в форме теннисной ракетки, которые содержат фермент АТФ-азу для синтеза АТФ.
- Внутренняя мембрана митохондрий полностью непроницаема даже для небольших молекул (за исключением O2, CO2 и h3O).
- Многочисленные транспортеры во внутренней мембране обеспечивают импорт и экспорт важных метаболитов.
- Это пространство между внешней и внутренней мембранами митохондрий, оно имеет тот же состав, что и цитоплазма клетки.
- Есть разница в содержании белка в межмембранном пространстве.
- Митохондриальный матрикс, представляющий собой жидкую (коллоидную) область, окруженную внутренней мембраной, содержит растворимые ферменты цикла Кребса , которые полностью окисляют ацетил-КоА с образованием CO2, h3O и ионов водорода.Ионы водорода восстанавливают молекулы НАД и ФАД, оба из которых передают ионы водорода дыхательной цепи или цепи переноса электронов, где происходит окислительное фосфорилирование с образованием богатых энергией молекул АТФ.
- Митохондрии также содержат в своей матрице одно- или двухцепочечные кольцевые и двухцепочечные молекулы ДНК, называемые mt-ДНК, а также рибосомы 55S, называемые миторибосомами. Поскольку митохондрии могут синтезировать 10 процентов своих белков в собственном белково-синтетическом аппарате, они считаются полуавтономными органеллами .
- Самая важная функция митохондрий — вырабатывать энергию. Митохондрии производят молекулу аденозинтрифосфата (АТФ), одну из энергетических валют клетки, которая обеспечивает энергию для запуска множества клеточных реакций и механизмов.
- Более простые молекулы питания отправляются в митохондрии для обработки и производства заряженных молекул. Эти заряженные молекулы соединяются с кислородом и производят молекулы АТФ.Этот процесс известен как окислительное фосфорилирование.
- Митохондрии могут также выделять тепло (бурый жир) и накапливать железосодержащие пигменты (гем ферритин), ионы Ca2 + и HPO 4 2– (или фосфат, например, остеобласты костей или белки желтка).
- Митохондрии помогают клеткам поддерживать надлежащую концентрацию ионов кальция в компартментах клетки.
- Митохондрии также помогают в построении определенных частей крови и гормонов, таких как тестостерон и эстроген.
- Митохондрии клеток печени содержат ферменты, которые выводят токсины из аммиака.
- Митохондрии также играют важную роль в процессе апоптоза или запрограммированной гибели клеток.
- Аномальная гибель клеток из-за дисфункции митохондрий может повлиять на функцию органа.
- Смит, К. М., Маркс, А. Д., Либерман, М. А., Маркс, Д. Б., и Маркс, Д. Б. (2005). Базовая медицинская биохимия Марка: клинический подход.Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
- Koolman, J. & Röhm, K.-H. (2005). Цветной атлас биохимии. Штутгарт: Тиме.
- Альбертс, Б. (2004). Существенная клеточная биология. Нью-Йорк, Нью-Йорк: научный паб Garland.
- Verma, P. S., & Agrawal, V. K. (2006). Клеточная биология, генетика, молекулярная биология, эволюция и экология (1-е изд.). С.Чанд и компания ООО
- https://alevelbiology.co.uk/notes/mitochondria-structure-and-functions/
- https: // биология.tutorvista.com/animal-and-plant-cells/mitochondria.html
Митохондрии — определение, структура, функции и схема
Категории Клеточная биология Теги Внутренняя митохондриальная мембрана, Межмембранное пространство, Митохондрии, Состав митохондрий, Функции митохондрий, Структура митохондрий, Митохондриальный матрикс, Внешняя митохондриальная мембрана сообщение навигацииBiology4Kids.com: Структура клетки: Митохондрии
Митохондрии известны как электростанции клетки.Это органеллы , которые действуют как пищеварительная система, которая поглощает питательные вещества, расщепляет их и создает для клетки молекулы, богатые энергией. Биохимические процессы в клетке известны как клеточное дыхание . Многие реакции клеточного дыхания происходят в митохондриях. Митохондрии — это рабочие органеллы, которые поддерживают энергию в клетке.
Митохондрии — это маленькие органеллы, свободно плавающие по клетке. В одних клетках несколько тысяч митохондрий, в других их нет.Мышечным клеткам нужно много энергии, поэтому в них много митохондрий. Нейронов (клеток, передающих нервные импульсы) не нужно столько. Если клетка чувствует, что не получает достаточно энергии для выживания, может быть создано больше митохондрий. Иногда митохондрии могут увеличиваться в размерах или объединяться с другими митохондриями. Все зависит от потребностей клетки.
Митохондрии имеют идеальную форму, чтобы максимизировать их продуктивность. Они состоят из двух мембран. Наружная мембрана покрывает органеллу и содержит ее, как кожу.Внутренняя мембрана многократно складывается и образует слоистые структуры, называемые кристами . Жидкость, содержащаяся в митохондриях, называется матрицей .Складывание внутренней мембраны увеличивает площадь поверхности внутри органеллы. Поскольку многие химические реакции происходят на внутренней мембране, увеличенная площадь поверхности создает больше места для протекания реакций. Если у вас есть больше места для работы, вы можете выполнять больше работы. Аналогичные стратегии площади поверхности используются микроворсинками в вашем кишечнике.
Что в матрице? Это совсем не похоже на фильмы. Митохондрии особенные, потому что у них есть собственные рибосомы и ДНК, плавающие в матрице. Существуют также структуры, называемые гранулы , которые могут контролировать концентрацию ионов. Клеточные биологи все еще изучают активность гранул.
Как происходит клеточное дыхание в митохондриях? Матрикс наполнен водой и белками ( ферментов, ). Эти белки берут органические молекулы, такие как пируват и ацетил-КоА , и химически их переваривают.Белки, встроенные во внутреннюю мембрану, и ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты , в конечном итоге высвобождают молекулы воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2 ) при расщеплении кислорода (O 2 ) и глюкозы ( C 6 H 12 O 6 ). Митохондрии — единственные места в клетке, где кислород восстанавливается и в конечном итоге распадается на воду. Митохондрии также участвуют в контроле концентрации ионов кальция (Ca 2+ ) в клетке.Они очень тесно взаимодействуют с эндоплазматической сетью, чтобы ограничить количество кальция в цитозоле.
Chalk Talk: митохондрии (видео США-NSF)
Полезные ссылки
Encyclopedia.com:http://www.encyclopedia.com/topic/mitochondria.aspx#2
Википедия:
http://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
9000dia Encyclop Британника:
http: // www.britannica.com/EBchecked/topic/386130/mitochondrion
Формирование и регуляция митохондриальных мембран
Фосфолипиды митохондриальных мембран необходимы для митохондриальной архитектуры, активности респираторных белков и транспорта белков в митохондрии. Накопление фосфолипидов в митохондриях зависит от координированного синтеза, деградации и перемещения фосфолипидов между эндоплазматическим ретикулумом (ER) и митохондриями, а также от внутримитохондриального транспорта липидов.Несколько исследований подчеркивают вклад пищевых жирных кислот в ремоделирование фосфолипидов и гомеостаз митохондриальных мембран. Понимание роли фосфолипидов в митохондриальной мембране и их метаболизме прольет свет на молекулярные механизмы, участвующие в регуляции функции митохондрий и в заболеваниях, связанных с митохондриями.
1. Введение
Митохондрии участвуют в широком спектре клеточных процессов, важных для выживания клеток.Внутренняя митохондриальная мембрана является активным местом для цепи переноса электронов и производства АТФ. Его целостность имеет решающее значение для функции митохондрий и зависит от поступления белков и фосфолипидов. Как один из основных классов липидов в липидном бислое мембран клеток и органелл, фосфолипиды отвечают как за поддержание структурной целостности клетки, так и за пространственное разделение субклеточных компартментов. Основные классы фосфолипидов, обнаруженных в митохондриальной мембране, аналогичны другим мембранам, таким как фосфатидилхолин (PC) и фосфатидилэтаноламин (PE), а некоторые являются исключительно компонентами митохондриальной мембраны, например кардиолипин (CL) [1].
Взаимодействие между фосфолипидами и белками особенно важно во внутренней митохондриальной мембране. Значительная часть белков, связанных с внутренней мембраной, состоит из белков, участвующих в окислительном фосфорилировании, и их активность зависит от фосфолипидного состава мембраны. Изменения в составе фосфолипидов могут влиять на митохондриальное дыхание [2], что связано с различными заболеваниями человека, такими как синдром Барта, ишемия и сердечная недостаточность [3, 4].На разнообразие фосфолипидов в митохондриальной мембране также влияет изменение длины и степени ненасыщенности жирной ацильной цепи, присутствующей в каждом классе фосфолипидов [5]. Однако роль состава ацильных цепей фосфолипидов в функции митохондрий все еще плохо изучена.
Поддержание состава фосфолипидов в митохондриальных мембранах важно для функции, структуры и биогенеза митохондрий и зависит от метаболизма фосфолипидов, транспорта в митохондрии и поступления липидов с пищей.В этом обзоре мы сосредоточены на биосинтезе, перемещении и деградации фосфолипидов, а также на их регуляции / ремоделировании с помощью пищевых липидов, а также на их роли в целостности и функции внутренней митохондриальной мембраны.
2. Липидный состав митохондриальных мембран
Митохондрии имеют структуру, отличную от структуры других органелл, поскольку они содержат две мембраны: внешнюю митохондриальную мембрану (OMM) и внутреннюю митохондриальную мембрану (IMM), разделяющую межмембранное пространство (IMS). ) из матрицы.Однако состав митохондриальных мембран аналогичен составу других мембран. Основными фосфолипидами митохондриальных мембран являются фосфатидилхолин (PC), фосфатидилэтаноламин (PE), фосфатидилинозитол (PI), фосфатидилсерин (PS) и фосфатидная кислота (PA), что касается плазматической мембраны; фосфатидилглицерин (PG) и кардиолипин (CL) являются исключительно компонентами митохондриальной мембраны (рис. 1). PC и PE являются наиболее распространенными фосфолипидами, составляющими 40 и 30% от общего количества митохондриальных фосфолипидов, соответственно.ПА и ФС составляют 5% от суммы митохондриальных фосфолипидов [6, 7]. В отличие от плазматической мембраны, митохондриальные мембраны содержат высокие уровни кардиолипина (~ 15% от общего количества фосфолипидов) и низкие уровни сфинголипидов и холестерина [8, 9].
Фосфолипид CL не только играет роль в поддержании мембранного потенциала и архитектуры внутренней митохондриальной мембраны, но также обеспечивает существенную структурную и функциональную поддержку нескольким белкам, участвующим в митохондриальном дыхании.Уникальная структура CL (рис. 1), которая содержит три глицериновых скелета и четыре жирных ацильных цепи, делает его очень важным для оптимального функционирования митохондрий [10]. Включение четырех боковых цепей линолевой кислоты в одну и ту же молекулу CL делает ее основной мишенью для атаки свободных радикалов, вызывая ее перекисное окисление. Перекисное окисление ХЛ митохондрий, по-видимому, является ранним событием, предшествующим внутренней апоптотической гибели клеток [11]. Поскольку его роль в апоптозе и функции митохондрий, уровни CL и перекисное окисление CL участвуют в нескольких заболеваниях человека, таких как атеросклероз [12], рак [13], синдром Барта [14] и нейродегенеративные расстройства, включая болезнь Альцгеймера [15] и болезнь Паркинсона. [16].
Другая особенность IMM — высокое количество мембранно-ассоциированных белков. Некоторые исследования оценивают соотношение белков и липидов внутренней мембраны как 3: 1 [17]. Среди белков IMM значительная часть белков включает систему окислительного фосфорилирования, которая содержит пять мультибелковых комплексов. Важность этой системы зависит от ее роли в обеспечении клеточных молекул АТФ, необходимых для выживания клеток. На активность и стабильность белков окислительного фосфорилирования влияет их взаимодействие с фосфолипидами в IMM.Например, было обнаружено, что недостаток кардиолипина в IMM дестабилизирует комплексы III и IV системы окислительного фосфорилирования [18, 19], что свидетельствует о важности CL для митохондриального дыхания. Кроме того, CL также участвует в импорте и сборке белков. Большинство митохондриальных белков кодируются ядром и требуют протеиновых транслоказ в митохондриальных мембранах для импорта [20]. Несколько исследований показали, что CL важен для сборки и функции транслоказ, обеспечивая целостность механизма импорта митохондрий [21-23].
Помимо того, что они играют роль в регуляции импорта и активности белков, CL, как и PE, важны для морфологии канальцевых митохондрий и слияния мембран [24–28]. Морфология митохондрий зависит от баланса между событиями слияния и деления. Слияние митохондрий требует фузогенного липидного PA, который генерируется гидролизом CL фосфолипазой D [26]. PE — еще один фосфолипид, необходимый для слияния митохондрий. Нарушение синтеза PE через путь декарбоксилирования PS вызывает дефекты слияния митохондрий [25].Накопление CL и PE в митохондриях регулируется белками Ups1 и Ups2, соответственно, которые участвуют во внутримитохондриальном перемещении фосфолипидов (см. Раздел 6). Ups1 и Ups2 влияют на процессинг OPA1 (или Mgm1 у дрожжей), внутренней мембранной динамин-подобной GTPase, которая регулирует слияние мембран [8]. Было высказано предположение, что нарушение процессинга Mgm1 может объяснить дефекты в морфологии митохондрий с измененным составом фосфолипидов мембран [8]. Было обнаружено, что снижение митохондриального содержания PE изменяет морфологию митохондрий в клетках дрожжей [27] и млекопитающих [25].Джоши и его коллеги показали, что CL и PE имеют перекрывающиеся функции в митохондриальном слиянии и что нарушение как PE, так и CL вызывает потерю потенциала митохондриальной мембраны и фрагментацию митохондрий дрожжей [27]. Фрагментированные митохондрии связаны с кардиомиопатией и синдромом Барта, что показывает важность роли CL и PE в слиянии митохондрий. В этой линии мутант crd1 дрожжей, который не синтезирует CL, проявляет множественные митохондриальные и клеточные дефекты, включая потерю митохондриальной ДНК, снижение респираторной функции и мембранного потенциала и снижение жизнеспособности клеток при повышенных температурах как следствие отсутствия CL [ 29].Сходные фенотипы были обнаружены у дрожжевого мутанта psd1 , который имеет сниженный митохондриальный PE [30]. Взятые вместе, митохондриальные фосфолипиды CL и PE регулируют митохондриальное слияние / деление и биогенез, которые, в свою очередь, связаны с клеточным гомеостазом.
Фосфолипид PA выполняет важные функции в качестве липидного якоря для рекрутирования белков, участвующих в транспортировке [31], передаче сигналов липидов [32] и слиянии [33] с поверхностями мембран. Было обнаружено, что регуляция слияния и деления митохондрий с помощью PA позволяет митохондриям изменять свою морфологию, повышать эффективность производства энергии и маркировать нездоровые митохондрии для аутофагии [34].Кроме того, PA может служить субстратом для продукции сигнальных липидов диацилглицерина (DAG) и лизофосфатидной кислоты. Мутации в гене липина-1, фосфатазы PA, которая генерирует DAG из PA, были связаны с метаболическими и неврологическими заболеваниями [35].
Эти доказательства демонстрируют важность фосфолипидов митохондриальной мембраны для архитектуры IMM, апоптоза, активности респираторных белков и транспорта белков в митохондрии.Из-за их широкой роли в функции митохондрий изменения фосфолипидов были связаны с несколькими заболеваниями [36]. Например, раковые клетки, для которых характерны изменения биоэнергетики и апоптоз, изменили состав фосфолипидов митохондрий [37]. Сердечные патологии приводят к снижению тетралинолеил-ХЛ с последующим увеличением перекиси водорода в дыхательной цепи и апоптозу [38, 39]. Метаболические заболевания, такие как диабет и неалкогольная жировая болезнь живых организмов, также были связаны со снижением митохондриальной ХЛ и изменением ремоделирования ацильной цепи ХЛ [40, 41].Еще одним важным аспектом, связанным с составом фосфолипидов, является их изменение при старении. Исследования показали, что старение обратно пропорционально содержанию ненасыщенных фосфолипидов [42]. Потеря текучести мембран в результате перекисного окисления липидов, а также снижение содержания ХЛ в митохондриях и изменение активности дыхательной цепи также являются признаками старения [43]. Следовательно, регуляция гомеостаза фосфолипидов в митохондриальных мембранах посредством их синтеза / деградации и транспорта в митохондриальную мембрану и из нее играет решающую роль в поддержании жизнеспособности и здоровья клеток.
3. Биосинтез основных мембранных фосфолипидов происходит в ER
Два основных мембранных двухслойных фосфолипида PC и PE производятся из холина и этаноламина и обычного липидного промежуточного соединения диацилглицерина в процессе, известном как de novo CDP-холин и путь Кеннеди ЦДФ-этаноламин [44, 45] (рис. 2). Обе ветви этого пути зависят от доступности внеклеточных субстратов, холина и этаноламина, а также от их проникновения в клетки.Эти субстраты представляют собой полярные молекулы и должны активно транспортироваться в клетки. Транспортная система этаноламина не была широко изучена и остается малоизученной. Транспорт холина для синтеза ПК, как известно, опосредуется группой повсеместно распространенных переносчиков растворенных веществ из семейства SLC44A, в основном членом A1, также известным как холиновый переносчик-подобный белок 1 (CTL1) и антиген клеточной поверхности CDw92 [46 ]. Сразу после попадания в клетки холин и этаноламин фосфорилируются холино- и этаноламиновыми киназами, из которых и — и — были идентифицированы и полностью охарактеризованы в системах млекопитающих [47].Продукты киназы, фосфохолин и фосфоэтаноламин, затем связываются с CTP с помощью специфических и регулирующих путей ферментов CDP-фосфохолина и CDP фосфоэтаноламинцитидилилтрансфераз (CCT / Pcyt1 и ECT / Pcyt2) с образованием CDP-холина и CDP-этаноламина, соответственно. высвобождать неорганический пирофосфат. На заключительных стадиях производные ЦДФ-холина и ЦДФ-этаноламина конденсируются с диацилглицерином, катализируемым множеством фосфотрансфераз ДАГ-холин и ДАГ-этаноламин (СРТ, ЕРТ, СЕРТ), для высвобождения ЦДФ и образования бислоя, образующего фосфолипиды ПК. и PE в эндоплазматическом ретикулуме (ER).
Основными точками регуляции синтеза PC и PE посредством пути Кеннеди являются самые медленные (ограничивающие скорость) реакции, управляемые Pcyt1 и Pcyt2, соответственно. Также, как и другие метаболические пути, путь Кеннеди регулируется доступностью субстрата (холина / этаноламина и DAG). Регуляция Pcyt1 и Pcyt2 широко изучена и исторически считается сходной, но появляются доказательства того, что они полностью различны и по-разному регулируются [48-53].
Скорость синтеза PC регулируется преимущественно активностью Pcyt1 [54]. Pcyt1 активируется за счет ассоциации с мембранами и подавляется фосфорилированием [55]. Транслокация Pcyt1 в клеточные мембраны стимулируется жирными кислотами, а также анионными фосфолипидами [56-59]. Они индуцируют связывание Pcyt1 с мембранами из-за их отрицательно заряженных головных групп [59]. Таким образом, изменения липидного состава мембран могут модифицировать активность Pcyt1, что обычно приводит к стимуляции синтеза ПК.
Еще одним регуляторным этапом синтеза ПК является доступность холина, которая регулируется белком-опосредованным транспортом на уровне плазматической мембраны. Универсальный транспортер CTL1 транспортирует холин в различные ткани [60–62] и считается преобладающим транспортером холина в ненейрональных клетках [46, 60, 62, 63]. Недавно было обнаружено, что экспрессия CTL1, захват холина и синтез ПК могут напрямую регулироваться дефицитом холина [64] и насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (ЖК) в клетках скелетных мышц [65].Доступность холина и тип ЖК регулируют синтез PC вместе с различным изменением транспорта холина, синтеза PC и гомеостаза DAG / TAG. В холин-дефицитных клетках синтез PC из холина был притуплен, что привело к увеличению доступности DAG и FA для синтеза TAG [64]. Подобно дефициту холина, хроническое воздействие пальмитиновой кислоты на мышечные клетки снижает CTL1, поглощение холина и синтез ПК и увеличивает DAG и TAG [65]. Напротив, олеиновая кислота не оказывала влияния на поглощение CTL1 и холина; однако он увеличивал синтез PC на уровне Pcyt1 и повышал содержание ТАГ [65].Олеиновая кислота является хорошо известным стимулятором связывания и активности мембраны Pcyt1 [56–59].
Синтез PE de novo может быть ограничен доступностью субстратов этаноламина [66, 67] и DAG [68] или ферментов EK [69] и Pcyt2 [53]. Согласно многочисленным исследованиям радиоактивной метки и моделям на животных, Pcyt2 является основным регуляторным ферментом в пути ЦДФ-этаноламин. Гетерозиготные по гену Pcyt2 () мыши имеют сниженное образование CDP-этаноламина, что ограничивает синтез PE и увеличивает доступность DAG для синтеза TAG [70].С другой стороны, сверхэкспрессия Pcyt2 не может ускорять синтез PE, когда доступность DAG для последней стадии пути ограничивает образование PE [68], тогда как сверхэкспрессия EK ускоряет синтез PE в клетках Cos-7 [69]. При низких уровнях этаноламина Pcyt2 ограничивает скорость реакции, тогда как при высоких уровнях этаноламина EK ограничивает скорость [71]. В среде с дефицитом этаноламина клетки адаптируют путь декарбоксилирования митохондриального PS, чтобы продуцировать дополнительный PE из серина (see Section 4) [72].Однако при нормальном метаболизме это не так. Исследования на животных показывают, что путь ЦДФ-этаноламин является основным путем, способствующим синтезу ПЭ [53].
В печени альтернативный путь использует PE для производства большего количества PC и холина в трехступенчатом метилировании PE S-аденозилметионином (SAM), катализируемом фосфатидилэтаноламин-N-метилтрансферазой (PEMT). Путь PEMT составляет ~ 30% синтеза PC в печени и координируется с путем CDP-холина Kennedy [73].Неизвестно, каким образом путь Кеннеди CDP-этаноламин, который производит только PE de novo , связан с PE, используемым в пути PEMT для образования PC. Однако у мышей, нокаутных по PEMT, путь CDP-холина активируется, тогда как во время сверхэкспрессии PEMT в клетках гепатомы он снижается, показывая сильную связь пути PEMT с метаболизмом PC в печени [74, 75]. В качестве резервного пути PEMT поставляет PC для сборки липопротеинов очень низкой плотности (VLDL) и для продукции желчи и является источником холина для синтеза бетаина в митохондриях [76].Метилирование PE в печени также обеспечивает PC для синтеза PS посредством реакции обмена оснований, катализируемой PS-синтазой 1 (PSS1). Вновь образованный PS может затем трансформироваться в митохондриальный PE с помощью PS декарбоксилазы (PSD), образуя специфический цикл PE в печени [77] (Рисунок 2). Печеночный цикл PE-PC-PS может участвовать в поддержании уровней фосфолипидов, когда нарушены пути de novo, CDP-холин и CDP-этаноламин.
У млекопитающих PS может быть получен только из ранее существовавших фосфолипидов (PC и PE) и L-серина, катализируемых PS-синтазами 1 и 2 (PSS1 и PSS2) в мембранах, ассоциированных с митохондриями (MAM), субфракции ER .Предполагается, что MAM является отдельным доменом ER, который вступает в тесный контакт с OMM и тем самым опосредует импорт вновь синтезированных PS в митохондрии для декарбоксилирования в PE. Декарбоксилирование PS с помощью PSD с образованием митохондриального PE является ключевой функцией PS в митохондриях (см. Раздел 4).
Синтез PS регулируется фосфорилированием PS-синтазы в клетках дрожжей и млекопитающих [78, 79]. Основным механизмом регуляции синтеза PS в клетках млекопитающих является механизм обратной связи, посредством которого активность PS-синтаз 1 и 2 регулируется конечным продуктом, PS [77, 80, 81].Кроме того, PSS1 и PSS2 по-разному модулируют метаболизм фосфолипидов. Сверхэкспрессия PSS1 в клетках гепатомы снижает скорость синтеза PE через путь CDP-этаноламин [82], тогда как сверхэкспрессия PSS2 нет [83].
4. Биосинтез митохондриальных фосфолипидов
Поддержание митохондриального бислоя и определенного состава митохондриальных фосфолипидов зависит от способности органелл синтезировать CL, PE, PG и PA in situ и от внешнего источника PC и PS, которые синтезируются исключительно в ER и MAM и должны импортироваться в митохондрии [8].
PE производится в митохондриях декарбоксилированием PS. Эта реакция катализируется внутренним митохондриальным ферментом фосфатидилсериндекарбоксилазой (PSD). Даже несмотря на то, что PE, продуцируемый путем CDP-этаноламин, может быть импортирован в IMM, декарбоксилирование PS обеспечивает большую часть митохондриального PE [84]. Мыши с нокаутом PSD имеют митохондриальную дисфункцию и умирают в эмбриональной фазе [25]. Кроме того, митохондриальный дефицит PE в результате подавления siRNA PSD в клетках CHO изменяет морфологию митохондрий и влияет на продукцию АТФ, потребление кислорода и активность компонентов транспорта электронов [85].
Кардиолипин, важный фосфолипид в митохондриальных мембранах, синтезируется путем конденсации фосфатидилглицерина (PG) и ЦДФ-диацилглицерина, катализируемой кардиолипинсинтазой (CLS) на матричной стороне внутренней митохондриальной мембраны (рис. 2). PG образуется в результате двухстадийной реакции: глицерин-3-фосфат и CDP-диацилглицерин конденсируются до фосфатидилглицеринфосфата, который затем дефосфорилируется до PG. Отсутствие CLS снижает активность системы окислительного фосфорилирования и импорт белков в митохондрии у дрожжей [86], но, что интересно, фундаментальные функции митохондрий остаются неизменными [87].Было обнаружено, что регуляция синтеза CL включает множество механизмов, таких как факторы, влияющие на биогенез митохондрий, матричную PH и дыхание [88]. Недавно было обнаружено, что Tam41 (транслокатор и поддерживающий белок 41), компонент митохондриальной транслокаторной системы, регулирует синтез CL [23]. Tam41 мутантные клетки демонстрируют почти полное отсутствие CL и PG, предполагая, что регуляция может происходить на уровне CDP-диацилглицерин (CDP-DAG) синтазы. Это исследование демонстрирует, что Tam41 в первую очередь необходим для биосинтеза PG и CL и что дефекты импорта белка в Tam41 дефицитных клетках являются следствием потери PG и CL [23].
Наконец, фосфолипид фосфатидная кислота (PA) представляет собой точку разветвления для синтеза всех фосфолипидов [89] (Рисунок 2). PA может быть преобразован в CDP-DAG с помощью CDP-DAG-синтазы для синтеза PG, PS и CL в реакции, катализируемой CTP: PA цитидилилтрансферазой [90]. Альтернативно, PA может быть преобразован в DAG, который является субстратом для синтеза PE и PC, в реакции, катализируемой фосфатазами PA, такими как Lipin-1 [35, 91]. Фосфатазы PA являются одними из наиболее регулируемых ферментов липидного обмена.Их активность регулируется фосфорилированием, ассоциацией с мембранами и модуляцией такими компонентами липидного метаболизма, как CL и CDP-DAG [92, 93].
Синтез PA происходит в две стадии ацилирования; первый глицерин-3-фосфат превращается в 1-ацилглицерин-3-фосфат (лизофосфатидную кислоту) глицерин-3-фосфатацилтрансферазой. Затем 1-ацил-sn-глицерин-3-фосфатный продукт ацилируется до 1,2-диацил-sn-глицерин-3-фосфата (фосфатидная кислота) с помощью 1-ацил-sn-глицерин-3-фосфатацилтрансферазы [94] .Исследования показали, что и лизофосфатидная кислота, и фосфатидная кислота синтезируются на внешней поверхности внешней мембраны митохондрий, а затем фосфатидная кислота перемещается на внутреннюю митохондриальную мембрану, где она служит предшественником для биосинтеза кардиолипина [95]. PA также может генерироваться посредством фосфорилирования DAG под действием большого семейства киназ DAG (DAGK) или путем гидролиза фосфолипидов PC и CL фосфолипазой D (см. Раздел 8). В свою очередь, PA может метаболизироваться в лизофосфатидную кислоту фосфолипазой A2 или дефосфорилироваться до DAG липином-1.
5. Перенос фосфолипидов в митохондрии и из них
Внутриклеточный перенос фосфолипидов играет решающую роль в гомеостазе фосфолипидов и обеспечивает фосфолипиды для мембран клеток и органелл, включая OMM и IMM. Поскольку большинство фосфолипидов, таких как PE, PS и PC, синтезируются в ER, они должны быть импортированы в митохондрии. Было обнаружено, что импорт PE, продуцируемого путем CDP-этаноламин, в IMM эффективен в клетках CHO, клетках HeLa и дрожжах [96–98].Однако большая часть PE в митохондриях происходит за счет декарбоксилирования PS [85]. Синтез PE из PS в IMM требует транслокации PS из сайтов его синтеза в ER. Кроме того, несколько исследований показали, что PE, образованный из PS в митохондриях, может экспортироваться из этой органеллы [85, 97]. Было обнаружено, что транспорт производного ФС PE из митохондрий зависит от скорости синтеза PE через путь ЦДФ-этаноламин и управляется градиентом концентрации [97].
Было предложено, что механизм транспорта фосфолипидов внутрь и из митохондриальных мембран включает временные участки контакта с мембраной. Эти контактные сайты встречаются в различных органеллах, включая ER и митохондрии, и могут участвовать в транспортировке PS внутрь и PE из митохондрий [99, 100]. Недавние исследования показали, что мембрана ER физически связана с OMM с помощью структуры встречи ER-митохондрий (ERMES) [101]. ERMES состоит из пятибелкового комплекса, резидентного как в ER, так и в митохондриях [101].Основная функция ERMES — действовать как механическое звено между ER и митохондриями и обеспечивать обмен фосфолипидами между этими органеллами [102, 103]. Дефектный комплекс ERMES изменяет уровни фосфолипидов в митохондриальных мембранах и вызывает морфологические дефекты митохондрий [103, 104]. Однако поток фосфолипидов между ER и митохондриями не устраняется полностью в ERMES дефицитных клетках, это указывает на то, что дополнительные ERMES-независимые пути для транспорта фосфолипидов также должны существовать [102].
Белки-переносчики липидов, такие как белок-переносчик ПК и неспецифический белок-переносчик липидов, как было показано, переносят фосфолипиды в плазматическую мембрану и могут также участвовать в обмене фосфолипидов между мембранами органелл [105]. Однако на сегодняшний день не установлено, что белок-переносчик, опосредующий перенос PC, PS и PE в / из митохондрий.
Скорость импорта PS и экспорта PE из митохондрий регулируется составом ацильной цепи и скоростью метаболизма [97].Исследования по маркировке показали, что полиненасыщенные виды PS предпочтительно декарбоксилируются, то есть импортируются в IMM [97]. В свою очередь, PE, полученный в результате декарбоксилирования PS, содержит основные полиненасыщенные частицы, а также мононенасыщенные 36: 1, тогда как PE, полученный по пути CDP-этаноламин, содержит несколько моно- и диненасыщенных частиц. Видовой состав PE IMM и ER показывает, что большая часть PE в IMM происходит из импортированного PS, тогда как большая часть PE в ER синтезируется посредством пути CDP-этаноламин [97].Кроме того, Кайну и его коллеги обнаружили, что увеличение синтеза PE по пути CDP-этаноламин снижает экспорт PS-производного PE из IMM. Точно так же транслокация PS в митохондрии связана с его синтезом в ER. Однако скорость транспорта вновь синтезированных ФС к митохондриям напрямую не коррелирует со скоростью их синтеза, а зависит от их гидрофобности [97].
6. Внутримитохондриальный трафик фосфолипидов
Трансбислойные движения между митохондриальными листочками должны существовать, чтобы обеспечить перемещение и накопление фосфолипидов, либо при импорте из ER, либо при синтезе в IMM.Несколько исследований показали, что импорт PS в митохондрии опосредуется мембранным контактом между MAM, субфракцией ER и OMM [84, 85, 97, 106, 107]. PS затем д. Перемещаться через OMM и впоследствии доставляться из внутреннего листка OMM через межмембранное пространство к внешнему листку IMM, который является активным сайтом декарбоксилирования PS в PE [108]. Было высказано предположение, что механизмы, лежащие в основе движения внутримитохондриальных липидов, происходят через сайты контакта с мембраной [99, 109].Модель, которая лучше всего описывает внутримитохондриальный транспорт PS, включает поры в OMM, которые приводят к его перемещению от внешнего листка OMM к внутреннему листку OMM. PS затем диффундирует дальше в IMM по липидным мостикам, которые аналогичны участкам контакта с мембраной, соединяющим две мембраны [110]. Попав в IMM, PS можно преобразовать в PE. PE, произведенный в IMM, может затем диффундировать обратно во внешний монослой OMM по обратному маршруту.
Фосфолипидные скрамблазы (PLS), члены семейства трансмембранных переносчиков липидов, известных как флиппазы, представляют собой ферменты, ответственные за двунаправленное движение фосфолипидов между двумя компартментами.PLS3 этого семейства был идентифицирован в митохондриях, и он модулирует транслокацию CL от IMM к OMM, влияя на структуру митохондрий, дыхание и апоптоз [111]. Неизвестно, регулирует ли PLS3 транспорт других фосфолипидов. Белки межмембранного пространства Ups1 и Ups2 ответственны за транспортировку CL и PE между внешней и внутренней мембранами митохондрий [112]. Потеря интрамитохондриального транспорта CL в Ups1-дефицитных клетках изменяет митохондриальный фосфолипидный состав и морфологию, подобно ERMES-дефицитным клеткам [112].Mdm35, общий партнер связывания Ups1 и Ups2 в межмембранном пространстве, также обеспечивает скоординированную регуляцию транспорта PE и CL с помощью этих консервативных регуляторных белков [113].
Таким образом, транспортировка фосфолипидов в митохондрии и внутримитохондриальное пространство обеспечивает эту органеллу вновь синтезированными фосфолипидами, которые либо необходимы для состава митохондриальной мембраны, либо являются предшественниками для синтеза специфических митохондриальных фосфолипидов. Баланс в перемещении фосфолипидов вместе с их синтезом и деградацией важен для поддержания гомеостаза фосфолипидов.Однако не только класс фосфолипидов, накапливаемых в митохондриальной мембране, но и жирная ацильная цепь, присутствующая в фосфолипидах, важна для структуры и функции митохондрий, которые будут описаны в следующем разделе.
7. Ремоделирование митохондриальных фосфолипидов и роль пищевых липидов
После синтеза de novo фосфолипидов многие из них претерпевают ремоделирование ацильной цепи, известное как цикл Ландса. Вариация длины цепи и степени ненасыщенности жирных кислот, присутствующих в фосфолипидах, способствует разнообразию фосфолипидов митохондриальной мембраны, что важно для биофизических свойств мембраны [114, 115].Кроме того, активация ферментов внутренней митохондриальной мембраны требует ремоделирования ацильной цепи. Например, нарушение ремоделирования ХЛ может нарушать сборку и стабильность белков дыхательной цепи [115]. Обычно ремоделирование ацильной цепи включает семейство фосфолипаз A (PLA), которые катализируют удаление ацильной цепи из глицеринового фрагмента, и трансацилаз, которые опосредуют реацилирование с различными ЖК [114, 116].
Ремоделирование кардиолипина широко изучалось из-за его роли в функционировании митохондрий.Ремоделирование ХЛ включает тафаззин, трансацилазу, которая генерирует специфические паттерны видов ХЛ [117]. Дефицит тафазцина изменяет состав ХЛ и связан с резкими изменениями морфологии митохондрий и синдромом Барта [118]. Синдром Барта — это Х-сцепленное рецессивное заболевание, характеризующееся снижением уровня ХЛ из-за мутации в гене тафаззина [119]. У пациентов Барта отсутствует один молекулярный вид, а именно тетралинолеоил-кардиолипин, в то время как другие кардиолипины либо не затронуты, либо даже увеличены.Это вызвано сниженным включением линолевой кислоты (C18: 2) в CL из-за нарушения ремоделирования ЖК тафаззином [118, 120]. Изменения в составе ЖК кардиолипина при синдроме Барта также могут нарушать сборку и стабильность комплексов окислительного фосфорилирования.
Другой фермент, участвующий в ремоделировании кардиолипина, — ацилкофермент А тиоэстераза (Them5). Мыши, лишенные Them5, имеют измененную морфологию митохондрий и функцию гепатоцитов [121]. Точно так же дефицит липокалина-2, белка-переносчика липидов, изменяет состав жирных кислот PE, PC и PS, а также количество митохондриального кардиолипина в сердце мыши [122].Было обнаружено, что липокалин снижает содержание линолевой кислоты (C18: 2) в фосфолипидах и отрицательно влияет на функцию митохондрий и выработку энергии [122]. Действительно, кардиолипин, обогащенный симметричной линолевой кислотой, обеспечивает оптимальную функцию митохондрий [123].
Состав жирных кислот в рационе может дополнительно изменять ремоделирование ацильной цепи фосфолипидов и функцию митохондрий. В одном исследовании мышей, получавших диету, богатую рапсовым маслом, показали измененный состав фосфолипидов митохондриальной мембраны с точки зрения как типа ацильных цепей в фосфолипидах, так и пропорций классов фосфолипидов.В результате изменения состава митохондриальной мембраны у этих мышей обнаружена измененная биоэнергетика митохондрий печени [124]. Гудерлей с соавторами показали, что в митохондриях форели изменения в характеристиках мембранных фосфолипидов, в том числе в составе ацильных цепей, следуют структуре жирных кислот, присутствующих в пище. В этом же исследовании респираторная способность митохондрий красных мышц была изменена различными диетами, и было обнаружено, что она выше в диете, богатой полиненасыщенными липидами [125].Несколько других исследований на млекопитающих также продемонстрировали, что диетические изменения изменяют состав ЖК основных митохондриальных фосфолипидов [126–128] и, в частности, молекулярные виды, связанные с митохондриальной ХЛ [57]. После диеты с дефицитом линолевой кислоты (C18: 2), незаменимой жирной кислоты, в сердце крысы наблюдалось значительное снижение тетралинолеил-CL, что влияло на потребление кислорода митохондриями [127, 129]. И наоборот, добавка линолевой кислоты к пище восстанавливала тетралинолеиловый ХЛ в культивируемых фибробластах пациентов с синдромом Барта и повышала уровни ХЛ [130].
Было обнаружено, что состав митохондриальной ХЛ зависит как от количества, так и от качества пищевых жиров [131]. В гепатоцитах состав митохондриальной ХЛ был изменен у крыс, получавших диету с 30% жирами, по сравнению с крысами, получавшими диету с 5% жира. Кроме того, содержание мононенасыщенных жирных кислот (МНЖК) и n-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) было увеличено при использовании богатой рыбьим жиром диеты по сравнению с основной диетой, как при 5%, так и 30% жирах в рационе. Как общее содержание ХЛ, так и содержание в нем С18: 2 повышались при стеатозе печени и коррелировали с активностью АТФ-синтазы [131].Недавно митохондриальный липидомный анализ показал, что состав ЖК пула CL не имеет прямого отношения к присутствию данной ЖК в рационе, но есть выбор для включения отдельных цепей FA в пул CL [132]. Например, соотношение 18: 2 оказалось аналогичным, несмотря на то, что в рационах содержалось ~ 4-кратное изменение этой важной ЖК.
Содержание n-3 ПНЖК в плазматической мембране в различных тканях мыши имело наибольшую чувствительность к изменениям пищевых жирных кислот [133].Тот факт, что как n-6, так и n-3 классы ПНЖК не могут быть синтезированы млекопитающими de novo , предполагает, что на состав мембранных фосфолипидов может сильно влиять соотношение и количество n-6 и n-3 ПНЖК в рационе. . Несколько исследований показали, что увеличение содержания ПНЖК в рационе увеличивает скорость метаболизма [134–136]. Например, обработка крыс n-3 PUFA уменьшала утечку протонов из дыхательной цепи, и это было связано с включением PUFA в митохондриальный PC, PE и CL [137].Лечение докозагексаеновой кислотой (DHA), но не эйкозапентаеновой кислотой (EPA), глубоко изменяет состав жирных кислот митохондриальных фосфолипидов в сердце крысы, уменьшая арахидоновую кислоту и увеличивая содержание DHA. Повышенное содержание DHA задерживает открытие поры перехода митохондриальной проницаемости (MPTP), что связано с апоптозом и повреждением миокарда во время ишемии [127]. Было также обнаружено, что включение DHA в CL регулирует митохондриальные липидно-белковые кластеры, которые изменяют несколько аспектов функции митохондрий [17].Взятые вместе, эти результаты предполагают, что увеличение уровня ПНЖК в рационе изменяет состав фосфолипидов митохондриальной мембраны и, следовательно, может изменять емкость и функцию митохондрий.
Реакция на пищевые жирные кислоты также варьируется в зависимости от класса фосфолипидов. Было обнаружено, что ПК более чувствителен к изменению содержания МНЖК в рационе, чем другие классы фосфолипидов, тогда как ПЭ был более чувствителен, чем ПК, как к п-6 ПНЖК, так и к п-3 ПНЖК [133].Интересно, что мыши с дефицитом Pcyt2, у которых снижена скорость синтеза PE, испытывают дефицит PUFA и имеют специфически модифицированный состав ЖК в PE и TAG [70]. Следовательно, изменение состава жирных ацильных цепей фосфолипидов зависит не только от профиля жирных кислот в рационе, но также и от классов затрагиваемых фосфолипидов.
В совокупности эти исследования продемонстрировали, что нарушение ферментов, участвующих в ремоделировании фосфолипидов, а также изменения жирных кислот в пище могут изменять фосфолипидный состав митохондриальной мембраны.Диетические вмешательства, которые могут влиять на фосфолипиды митохондриальной мембраны, тем самым изменяя ее физические свойства, дыхание и другие процессы, такие как MPTP, становятся новыми терапевтическими стратегиями [124]. Терапия, направленная на митохондриальные фосфолипиды, была предложена как потенциально полезная для лечения патологий, таких как рак, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, ожирение и нарушения обмена веществ [124].
8. Распад митохондриальных фосфолипидов
Многие фосфолипиды имеют быстрый оборот, что указывает на то, что их распад играет важную роль в гомеостазе мембран.Разложение фосфолипидов в основном катализируется нелизосомальными фосфолипазами. Эти фосфолипазы делятся на три класса в зависимости от того, какие связи они расщепляют: фосфолипазы A (PLA), фосфолипазы C (PLC) и фосфолипазы D (PLD).
PLA высвобождают жирную кислоту в положении sn- 1 и sn- 2 фрагмента глицерина, генерирующего лизофосфолипид и свободную ЖК. Лизофосфолипид повторно ацилируется с образованием нового фосфолипида, механизм, известный как ремоделирование ЖК, или он разрушается лизофосфолипазой.Некоторые исследования предполагают, что PLA опосредуют большую часть обмена фосфолипидов [138, 139]. Семейство PLA2, которое гидролизует FA, связанную в положении sn -2 фосфолипида, связано с оборотом и ремоделированием фосфолипидов, а также с гомеостазом мембран [140, 141]. iPLA2, компонент -независимого семейства PLA2, преимущественно распределяется в митохондриях. Из-за ассоциации iPLA2 с митохондриальными мембранами этот фермент может участвовать в интеграции фосфолипидов и энергетическом метаболизме.Мыши, нулевые по iPLA2, демонстрируют аномальную функцию митохондрий с резким снижением потребления кислорода [142]. Таким образом, iPLA2 необходим для поддержания биоэнергетической функции митохондрий посредством регуляции гомеостаза фосфолипидов митохондриальной мембраны. Поскольку его роль в ремоделировании кардиолипина, гиппокамп iPLA2 нулевых мышей обнаруживает повышенное содержание митохондриального кардиолипина с измененным составом длины цепи [142].
Фосфолипазы C (PLC) гидролизуют связь между основной цепью глицерина и фосфатом с образованием DAG и фосфорилированной головной группы.PLC обычно участвуют в генерации вторичных мессенджеров для передачи сигналов [143], но они также играют роль в обороте PC и PE [144, 145].
Фосфолипазы D гидролизуют связь между фосфатом и головной группой с образованием PA и группы со свободной головкой. Оба члена семейства классических фосфолипаз D (PLD), обнаруженные на многих поверхностях цитоплазматических мембран, и MitoPLD, член семейства PLD, обнаруженный на поверхности митохондрий, могут генерировать PA посредством гидролиза фосфолипидов PC и CL [26].Генерируемый MitoPLD PA регулирует форму митохондрий путем облегчения слияния митохондрий [146]. Слияние и деление митохондрий очень важны для поддержания митохондриальной и клеточной функции, а морфологические изменения митохондрий связаны с апоптозом клеток и нейродегенеративными заболеваниями [146]. Например, в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера PLD1 активируется в митохондриальной мембране, что влияет на состав фосфолипидов митохондриальной мембраны [147].
Участие фосфолипаз в гомеостазе фосфолипидов также продемонстрировано PLD-подобными ферментами, которые катализируют синтез PS посредством реакций обмена оснований.PS-синтазы 1 и 2 (PSS1 / 2), PLD-подобные ферменты, в основном катализируют обмен головной группы PE или PC на серин, а не обмен сериновой головной группы PS на холин или этаноламин. Таким образом, PLD и PLD-подобные ферменты могут играть важную роль в гомеостазе различных фосфолипидов [84].
9. Заключение
Идентификация связи между фосфолипидами и белками в митохондриальной мембране улучшила наше понимание морфологии и функции митохондрий.Регуляция синтеза, перемещения и деградации фосфолипидов необходима для поддержания гомеостаза фосфолипидов в митохондриях. Ремоделирование фосфолипидов в митохондриях может быть изменено за счет пищевых жирных кислот, которые способствуют целостности митохондриальной мембраны. Однако молекулярный механизм координации синтеза, деградации, перемещения и ремоделирования фосфолипидов все еще является активной областью исследований. Например, как взаимосвязаны синтез и деградация? Каковы сигналы транспорта фосфолипидов в митохондрии и из них? Как с помощью диеты можно регулировать гомеостаз фосфолипидов при здоровых и болезненных состояниях? Несомненно, через несколько лет будет сделано много открытий.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.