Митохондрии кратко: Функции митохондрий в клетке – описание основных

мтДНК приводят к такому разнообразию заболеваний и симптомов из-за различных метаболических потребностей органов в организме.Например, мозг, печень и мышцы обычно потребляют большое количество энергии, поэтому при дисфункции митохондрий они серьезно страдают. Тяжесть митохондриального заболевания также зависит от количества митохондрий, несущих мутацию в мтДНК.

Источники:

• www.newcastle-mitochondria.com/mitochondria/what-do-mitochondria-do/
• bscb.org/…/
• https://ghr.nlm.nih.gov/mitochondrial-dna
• http: // митохондриальные болезни.org / митохондриальная болезнь /
• Кэмпбелл, Н. А., Рис, Дж. Б., Урри, Л. А., Каин, М. Л., Вассерман, С. А., Минорский, П. В., Джексон, Р. Б. (2015). Биология: глобальный подход (десятое издание). Эссекс: Pearson Education Limited.
• Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, К. А., Кригер, М., Скотт, М. П., Бретчер, А., Плоег, Х., Мацудаира, П. (2008). Молекулярно-клеточная биология (шестое издание). Нью-Йорк: У. Х. Фриман и компания.

Дополнительная литература

Митохондрии: определение, структура и функции (со схемой)

Эукариотические клетки живых организмов постоянно проводят огромное количество химических реакций, чтобы жить, расти, воспроизводиться и бороться с болезнями.

Все эти процессы требуют энергии на клеточном уровне. Каждая клетка, которая участвует в любом из этих видов деятельности, получает энергию от митохондрий, крошечных органелл, которые действуют как электростанции клеток. Особенность митохондрий — митохондрии.

У людей такие клетки, как красные кровяные тельца, не имеют этих крошечных органелл, но большинство других клеток имеют большое количество митохондрий. Например, мышечные клетки могут иметь сотни или даже тысячи, чтобы удовлетворить свои потребности в энергии.

Практически каждое живое существо, которое движется, растет или думает, имеет митохондрии, производящие необходимую химическую энергию.

Структура митохондрий

Митохондрии представляют собой мембранные органеллы, окруженные двойной мембраной.

Они имеют гладкую внешнюю мембрану, охватывающую органеллу, и складчатую внутреннюю мембрану. Складки внутренней мембраны называются кристами, единственной из которых является криста, а в складках происходят реакции, создающие митохондриальную энергию.

Внутренняя мембрана содержит жидкость, называемую матрицей, в то время как межмембранное пространство, расположенное между двумя мембранами, также заполнено жидкостью.

Из-за этой относительно простой клеточной структуры митохондрии имеют только два отдельных рабочих объема: матрицу внутри внутренней мембраны и межмембранное пространство. Они полагаются на передачу энергии между двумя объемами.

Для повышения эффективности и максимального увеличения потенциала выработки энергии складки внутренней мембраны глубоко проникают в матрицу.

В результате внутренняя мембрана имеет большую площадь поверхности, и никакая часть матрицы не находится далеко от внутренней складки мембраны. Складки и большая площадь поверхности помогают митохондриальной функции, увеличивая потенциальную скорость переноса между матриксом и межмембранным пространством через внутреннюю мембрану.

Почему митохондрии важны?

В то время как отдельные клетки первоначально развивались без митохондрий или других мембраносвязанных органелл, сложные многоклеточные организмы и теплокровные животные, такие как млекопитающие, получают свою энергию от клеточного дыхания, основанного на функции митохондрий.

Высокоэнергетические функции, такие как сердечные мышцы или крылья птиц, имеют высокую концентрацию митохондрий, обеспечивающих необходимую энергию.

Благодаря своей функции синтеза АТФ митохондрии в мышцах и других клетках производят тепло тела, чтобы поддерживать стабильную температуру теплокровных животных. Именно эта концентрированная способность митохондрий к производству энергии делает возможными высокоэнергетическую деятельность и производство тепла у высших животных.

Функции митохондрий

Цикл производства энергии в митохондриях основан на цепи переноса электронов наряду с лимонной кислотой или циклом Кребса.
Подробнее о цикле Кребса.

Процесс расщепления углеводов, таких как глюкоза, до образования АТФ называется катаболизмом. Электроны от окисления глюкозы проходят по цепи химических реакций, которая включает цикл лимонной кислоты.

Энергия окислительно-восстановительных или окислительно-восстановительных реакций используется для переноса протонов из матрицы, в которой протекают реакции. Заключительная реакция в функциональной цепи митохондрий — реакция, в которой кислород, выделяемый клеточным дыханием, восстанавливается с образованием воды.Конечными продуктами реакции являются вода и АТФ.

Ключевыми ферментами, ответственными за выработку энергии митохондриями, являются никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), никотинамидадениндинуклеотид (НАД), аденозиндифосфат (АДФ) и флавинадениндинуклеотид (FAD).

Они работают вместе, помогая переносить протоны от молекул водорода в матрице через внутреннюю митохондриальную мембрану. Это создает химический и электрический потенциал через мембрану, при этом протоны возвращаются в матрицу через фермент АТФ-синтазу, что приводит к фосфорилированию и производству аденозинтрифосфата (АТФ).
Прочтите о структуре и функциях АТФ.

Синтез АТФ и молекулы АТФ являются основными переносчиками энергии в клетках и могут использоваться клетками для производства химических веществ, необходимых для живых организмов.

••• Sciencing

Помимо того, что митохондрии являются производителями энергии, они могут способствовать передаче сигналов от клетки к клетке посредством высвобождения кальция.

Митохондрии обладают способностью накапливать кальций в матриксе и могут высвобождать его при наличии определенных ферментов или гормонов.В результате клетки, вырабатывающие такие триггерные химические вещества, могут видеть сигнал о повышении содержания кальция в митохондриях.

В целом митохондрии являются жизненно важным компонентом живых клеток, помогая во взаимодействии клеток, распределяя сложные химические вещества и вырабатывая АТФ, который составляет энергетическую основу всей жизни.

Внутренняя и внешняя митохондриальные мембраны

Двойная митохондриальная мембрана выполняет разные функции для внутренней и внешней мембраны и двух мембран и состоит из разных веществ.

Внешняя митохондриальная мембрана окружает жидкость межмембранного пространства, но она должна пропускать через нее химические вещества, необходимые митохондриям. Молекулы-накопители энергии, вырабатываемые митохондриями, должны иметь возможность покидать органеллы и доставлять энергию остальной части клетки.

Чтобы обеспечить такой перенос, внешняя мембрана состоит из фосфолипидов и белковых структур, называемых поринами , которые оставляют крошечные отверстия или поры на поверхности мембраны.

Межмембранное пространство содержит жидкость, состав которой аналогичен составу цитозоля, составляющего жидкость окружающей клетки.

Небольшие молекулы, ионы, питательные вещества и несущая энергию молекула АТФ, образующаяся в результате синтеза АТФ, могут проникать через внешнюю мембрану и переходить между жидкостью межмембранного пространства и цитозолем.

Внутренняя мембрана имеет сложную структуру с ферментами, белки и жиры, позволяющие свободно проходить через мембрану только воде, двуокиси углерода и кислороду.

Другие молекулы, включая большие белки, могут проникать через мембрану, но только через специальные транспортные белки, которые ограничивают их прохождение. Большая площадь поверхности внутренней мембраны, образованная складками крист, обеспечивает место для всех этих сложных белковых и химических структур.

Их большое количество обеспечивает высокий уровень химической активности и эффективное производство энергии.

Процесс, при котором энергия вырабатывается за счет передачи химических веществ через внутреннюю мембрану, называется окислительным фосфорилированием .

Во время этого процесса окисление углеводов в митохондриях перекачивает протоны через внутреннюю мембрану из матрицы в межмембранное пространство. Дисбаланс протонов заставляет протоны диффундировать обратно через внутреннюю мембрану в матрицу через ферментный комплекс, который является предшественником АТФ и называется АТФ-синтазой.

Поток протонов через АТФ-синтазу, в свою очередь, является основой синтеза АТФ и производит молекулы АТФ, основной механизм хранения энергии в клетках.

Что в матрице?

Вязкая жидкость внутри внутренней мембраны называется матрицей.

Он взаимодействует с внутренней мембраной, чтобы выполнять основные функции митохондрий по выработке энергии. Он содержит ферменты и химические вещества, которые участвуют в цикле Кребса для производства АТФ из глюкозы и жирных кислот.

Матрица — это место, где находится митохондриальный геном, состоящий из кольцевой ДНК, и где расположены рибосомы. Присутствие рибосом и ДНК означает, что митохондрии могут производить собственные белки и могут воспроизводиться с использованием собственной ДНК, не полагаясь на деление клеток.

Если митохондрии кажутся крошечными полными клетками сами по себе, то это потому, что они, вероятно, были отдельными клетками в какой-то момент, когда отдельные клетки все еще развивались.

Митохондрионоподобные бактерии проникли в более крупные клетки как паразиты, и им позволили остаться, поскольку их расположение было взаимовыгодным.

Бактерии смогли размножаться в безопасной среде и снабжали энергией более крупные клетки. За сотни миллионов лет бактерии интегрировались в многоклеточные организмы и превратились в сегодняшние митохондрии.

Поскольку сегодня они обнаруживаются в клетках животных, они составляют ключевую часть ранней эволюции человека.

Поскольку митохондрии размножаются независимо в зависимости от митохондриального генома и не участвуют в делении клеток, новые клетки просто наследуют митохондрии, которые оказываются в их части цитозоля при делении клетки.

Эта функция важна для воспроизводства высших организмов, включая человека, поскольку эмбрионы развиваются из оплодотворенной яйцеклетки.

Яйцеклетка от матери большая и содержит много митохондрий в цитозоле, в то время как оплодотворяющая сперматозоид от отца их почти не имеет. В результате дети наследуют свои митохондрии и митохондриальную ДНК от матери.

Благодаря функции синтеза АТФ в матрице и клеточному дыханию через двойную мембрану митохондрии и функция митохондрий являются ключевыми компонентами клеток животных и помогают сделать жизнь такой, какой она существует.

Клеточная структура с мембраносвязанными органеллами сыграла важную роль в эволюции человека, и митохондрии внесли важный вклад.

От структуры к функции: морфология, движение и форма митохондрий в гладких мышцах сосудов — FullText — Journal of Vascular Research 2013, Vol. 50, № 5

Абстрактные

Разнообразие митохондриальных структур, которые возникают из-за того, что органеллы статичны или движутся, или сливаются и делятся в динамически изменяющейся сети, только начинают цениться.Несмотря на то, что был достигнут значительный прогресс в понимании белков, которые реорганизуют митохондрии, физиологическое значение различных механизмов недостаточно изучено. Непонимание может происходить отчасти из-за того, что морфология митохондрий чаще всего изучается в культивируемых клетках. Простая анатомия культивируемых клеток представляет собой привлекательную модель для визуализации митохондриального поведения, но контрастирует со сложностью нативных клеток, в которых сложные митохондриальные движения и морфология могут отсутствовать.Митохондриальные изменения могут происходить в нативных клетках (в ответ на стресс и пролиферацию), но в течение медленного времени и их клеточная функция неясна. Чтобы определить роль митохондриальных механизмов в функционировании клеток, важным первым шагом является характеристика взаимодействий между митохондриальными компонентами. В этом обзоре описаны три аспекта митохондриального поведения: (1) морфология, (2) движение и (3) быстрые изменения формы. Также описаны предполагаемые физиологические роли, которым способствуют различные устройства митохондрий, и трудности в интерпретации некоторых физиологических заключений.

© 2013 S. Karger AG, Базель

Введение

Митохондрии контролируют практически все аспекты функции клеток, обеспечивая непрерывную поставку аденозинтрифосфата (АТФ), модулируя передачу сигналов Ca ²⁺ , влияя на уровни активных форм кислорода (ROS) и регулируя окислительно-восстановительный контроль (через глутатион и ROS). поддержание). Митохондрии могут быстро меняться от контроля нормальной функции клеток до содействия их гибели, поскольку органеллы также играют центральную роль в некрозе и апоптозе [1,2,3].Признано, что функция митохондрий зависит от структуры органелл, а структура органелл, в свою очередь, контролируется функцией клеток. Из этих экспериментальных наблюдений делается вывод, что изменения в структуре митохондрий важны для нормального функционирования клеток. Это предположение подтверждается частыми динамическими перестройками митохондрий, которые происходят в некоторых нормальных клетках, и морфологическими изменениями в органеллах, которые сопровождают многие заболевания человека, включая миопатии, сахарный диабет, заболевания печени, нейродегенерацию, старение и рак. [4,5,6,7,8].Однако изменения в структуре митохондрий могут быть вторичными по отношению к (а не вызывать) изменения в производительности клеток, и то, как именно изменения в структуре митохондрий влияют на функцию клеток при здоровье и болезни, не подтверждено и даже не продемонстрировано. Тем не менее, динамическая реорганизация митохондрий и изменения в структуре органелл должны регулировать функцию клеток. Понимание потенциальных физиологических функций, которым могут способствовать изменения в расположении митохондрий, требует характеристики митохондриального фенотипа.В этом обзоре описывается разнообразие митохондриальных структур и динамики, а также предлагается физиологическая роль различных механизмов.

Морфология митохондрий

Митохондрии имеют двойную мембранную структуру, которая разделяет органеллы на четыре отдельных отсека — внешнюю мембрану, межмембранное пространство, внутреннюю мембрану и матрикс. Каждое отделение выполняет разные функции. Наружная мембрана содержит ряд поринов, которые обеспечивают свободную диффузию молекул в пространство между внешней и внутренней мембранами.Пространство между двумя мембранами (межмембранное пространство) содержит белки (например, цитохром с), которые играют важную роль в митохондриальной энергетике и апоптозе. В отличие от внешней мембраны, внутренняя мембрана очень непроницаема, и для пересечения большинства ионов и молекул требуются переносчики. Внутренняя мембрана содержит большой компонент (20%) от общей белковой композиции митохондрий, среди которых есть переносчики для переноса белков в матрицу (например, транслоказа внутренней мембраны) и ферменты цепи переноса электронов.Матрица содержит большинство ферментов, ответственных за реакции цикла лимонной кислоты.

Помимо общепризнанного расположения мембран, морфология и даже распределение органелл сильно различаются между типами клеток. Традиционное описание структуры митохондрий происходит в основном из исследований с помощью электронной микроскопии (ЭМ) и характеризует митохондрии как сферические или короткие стержневые структуры, расположенные в различных частях цитоплазмы. Однако значительная степень, в которой митохондрии различаются между клетками, только начинает осознаваться.Митохондрии в фибробластах обычно представляют собой длинные филаменты (длиной 1-10 мкм с довольно постоянным диаметром ~ 700 нм), тогда как в гепатоцитах митохондрии более однородны по форме сфер или овоидов [9]. В нативных гладких мышцах сосудов митохондрии представляют собой яйцевидные или палочковидные органеллы [10,11,12,13], тогда как в эндотелии существует трубчатая митохондриальная сеть [14]. Даже внутри отдельных клеток структура митохондрий различается. В скелетных мышцах митохондрии представляют собой яйцевидные структуры, и могут существовать две популяции — одна расположена близко к сарколемме, а другая встроена в миофибриллы [15].Митохондрии субсарколеммы более округлые и мелкие, чем митохондрии, заключенные в миофибриллах [16]. В ацинарных клетках поджелудочной железы есть три различные региональные группы функционально не связанных митохондрий; одна группа в периферической базолатеральной области рядом с плазматической мембраной, другая вокруг ядра и третья расположена на периферии гранулярной области, отделяющей гранулы от базолатеральной области [17]. Три отдельные митохондриальные группы могут выполнять различные функции, как следует из наблюдения, что каждая группа активируется независимо специфическими типами цитозольных сигналов Ca ²⁺ [17].В сердечных миоцитах также есть три отдельные популяции: перинуклеарные, субарколеммальные и межфибриллярные. Митохондрии в перинуклеарной области имеют более округлый вид и плотно упакованы, чем где-либо еще [18,19].

Вместе эти наблюдения подчеркивают часть структурного разнообразия и предполагают, что митохондрии представляют собой яйцевидные или палочковидные образования, расположенные в различных частях цитоплазмы, что в целом согласуется с обычными ЭМ-описаниями митохондрий. Хотя разрешение ЭМ дало подробное представление о структуре митохондрий, недостатком ЭМ является то, что она обеспечивает только моментальный снимок расположения митохондрий в конкретный фиксированный момент времени.Вдобавок ЭМ-срезы настолько тонкие, что всю морфологию митохондрий невозможно понять без серийных срезов и реконструкции изображений, что делается редко [16,20].

Совсем недавно понимание структуры митохондрий было пересмотрено с помощью визуализации живых клеток, и было поставлено под сомнение предположение, что митохондрии существуют только в виде одиночных овоидных структур [21]. Было предложено не быть одиночными структурами, а единственная митохондрия, состоящая из непрерывного митохондриального ретикулума, распространенного по всей клетке [22,23].Эта единственная структура может обеспечить быструю диффузию растворенных веществ внутри органеллы. Было выдвинуто два объяснения, объясняющих одиночный овоидный или палочковидный вид органеллы, наблюдаемый в других исследованиях. Во-первых, одиночный вид может возникать из-за того, что митохондрии фрагментированы в нездоровых и подверженных окислительному стрессу клетках [24]. Или, во-вторых, единичный овоидный вид может быть срезами изображения одной и той же митохондрии, разрезанными через небольшие кусочки единой сети митохондриального ретикулума [21].Митохондриальные структуры яйцевидной формы, которые были выделены из клеток и которые, по-видимому, подтверждают обычное ЭМ-описание митохондриальной структуры, были предположительно артефактом фракционирования, возникающим из везикул, фрагментированных из исходной митохондриальной сети, присутствующей в клетке [24]. .

В соответствии с предположением, что митохондрии представляют собой взаимосвязанные структуры, в различных культивируемых клетках органеллы имеют разнообразный вид. В культивируемых гладких мышцах сосудов митохондрии существуют в виде длинных нитчатых образований, петель и сетей (рис.1). В культивируемых клетках было идентифицировано несколько повторяющихся типов структурных классов митохондрий (рис. 1). К ним относятся маленькие сферы, набухшие сферы, прямые стержни, скрученные стержни, разветвленные стержни и петли [25] (рис. 1).

Рис. 1

Митохондриальные фенотипы в нативных и культивируемых гладкомышечных клетках. a Культивированные клетки гладкой мускулатуры сосудов, демонстрирующие расположение митохондрий. Органелла разбросана по цитоплазме и расположена в различной ориентации.Митохондрии были помечены MitoTracker Green. b Примеры митохондрий, демонстрирующих различные фенотипы, которые включают маленькие сферы, набухшие сферы, прямые стержни, скрученные стержни, разветвленные стержни и петли. c Нативная гладкомышечная клетка, демонстрирующая расположение митохондрий. Органелла распределена по цитоплазме и, по-видимому, в значительной степени организована параллельно длинной оси клетки. Митохондрии были помечены MitoTracker Green. d Пример митохондрий, демонстрирующих относительно однородный митохондриальный фенотип (по сравнению с культивируемой клеткой) сфер и прямых стержней.Масштабные линейки = 10 мкм.

В естественных гладкомышечных клетках сосудов митохондрии не обладают таким же разнообразием и выглядят как отдельные сферы и палочки разных размеров (рис. 1). Действительно, палочки и сферы, по-видимому, характеризуют структуру митохондрий в нативных клетках большинства тканей [26]. Кажется маловероятным, что отдельные палочки и сферы являются следствием окислительного стресса или метода визуализации органелл. Митохондрии в нативных клетках не связаны электрически, как можно было бы ожидать, если бы органеллы образовывали непрерывную сеть [27,28].Скорее, мембранный потенциал отдельных митохондрий изменяется независимо от даже очень близких соседей (рис. 2) [28,29,30,31,32]. Это отсутствие электрического взаимодействия предполагает, что матрицы митохондрий являются структурно отдельными объектами. Поскольку различия в расположении митохондрий в культивируемых и нативных клетках были измерены в идентичных условиях визуализации (рис. 1), органелла может претерпевать реорганизацию в условиях культивирования. Несмотря на кажущийся менее сложный внешний вид, в нативных гладкомышечных клетках сосудов существует большое разнообразие размеров митохондрий (∼0.5-10 мкм; инжир. 1). Являются ли более крупные структуры отдельными крупными митохондриями, несколькими кластерами, но отдельными митохондриями или локальной сетью, в настоящее время неизвестно. В самом деле, хотя до настоящего времени изменения в морфологии митохондрий напрямую не наблюдались, они могут происходить в нативных мышечных клетках. Например, в сосудистой системе при легочной гипертензии [33] митохондрии были меньше митохондрий в гладких мышцах контрольной легочной артерии. В гладких мышцах вен от пациентов с почечной недостаточностью [34] митохондрии были больше, чем в контрольной группе.Эти наблюдения предполагают, что структура органелл претерпевает изменения при сосудистых заболеваниях. Происходят и другие изменения. Гигантские митохондрии обнаруживаются в стареющих клетках и в клетках с метаболическими повреждениями [5,6]. В атрофированных скелетных мышцах в результате аутофагии распределение митохондрий изменяется от организованного расположения интермиофибриллярных и субарколеммальных митохондрий до разбросанных и дезорганизованных по всему волокну [35]. Вместе, несмотря на относительно постоянное появление митохондрий в нативных клетках, структурная реорганизация действительно происходит, по крайней мере, в случаях стресса.

Рис. 2

b Временная деполяризация ΔΨ _M в отдельных митохондриях. ΔΨ _M отдельных митохондрий примерно для половины одной интактной гладкомышечной клетки. ΔΨ _M измеряли с помощью флуорофора мембранного потенциала TMRE (10 нМ). Интенсивность флуоресценции TMRE (10 нМ) прямо пропорциональна ΔΨ _M отдельных митохондрий. Две подобласти ( a , c ) показаны в увеличенном масштабе, и измерена интенсивность флуоресценции четырех отдельных соседних митохондрий (области показаны в кружках четырьмя цветами, которые соответствуют четырем цветным линиям на графиках ai и . cii ). aii , ci Выбранные рамки в указанные моменты времени показывают локализованные области флуктуации флуоресценции TMRE (красные стрелки). ai , cii Интенсивность флуоресценции (F) отдельных представляющих интерес областей соответствующего цвета, нормализованная к начальным значениям флуоресценции (F₀), показывает, что в обоих случаях области, обведенные красным кружком, временно теряют (деполяризуются), а затем восстанавливают (реполяризовывают) флуоресценцию. . Таким образом, поскольку ΔΨ _M митохондрий может изменяться независимо от ближайших соседей, органеллы представляют собой серию отдельных структур [из Avlonitis et al., [29]].

Функциональное значение различных морфологий митохондрий

Хотя существенные различия в структуре митохондрий, по-видимому, важны для клеточной физиологии, функции, выполняемые различными механизмами, неясны. Одно из предположений состоит в том, что морфология и распределение митохондрий определяются энергетическими потребностями клетки. Ранние исследования показали, что обратимое ультраструктурное изменение митохондрий сопровождается изменениями метаболического состояния.Активные митохондрии из нативных клеток печени имели повышенную электронную непрозрачность матрикса и меньший объем матрикса, чем метаболически неактивные митохондрии [36]. Связь между маленькими митохондриями и высокими энергетическими потребностями клетки была поставлена ​​под сомнение в более поздних исследованиях [37,38]. Впоследствии было предложено, что митохондриальные сети характеризуют метаболически и энергетически активные клетки, а маленькие митохондрии чаще встречаются в покоящихся и неактивных в дыхательном отношении клетках [37,38]. Преобладание митохондриальных сетей в культивируемых мышечных клетках, в том числе полученных из сердца [37], по-видимому, подтверждает взаимосвязь между возникновением сетей и энергетической активностью.Было высказано предположение, что расширенная взаимосвязанная митохондриальная сеть обеспечивает эффективное перемешивание митохондриального содержимого для увеличения дыхательной активности [37]. Однако предполагаемая взаимосвязь между сетями и высокой метаболической активностью сама по себе была поставлена ​​под сомнение из-за наблюдения, что экспериментальное увеличение степени сетевого взаимодействия снижает митохондриальное дыхание в клетках HeLa [39].

Важно то, что в клетках млекопитающих митохондриальные сети, по-видимому, уникальны для культивируемых клеток, и предполагаемая взаимосвязь между сетями и энергетически активными клетками противоречит морфологии митохондрий в естественных сердечных и гладкомышечных клетках.В каждом из этих естественных типов клеток с высоким потреблением энергии митохондрии имеют овальную форму или форму коротких стержней. Возможно, увеличенная площадь поверхности мелких митохондрий может способствовать обмену метаболитов.

Присвоение функции митохондриальной морфологии, которая существует в конкретном типе клеток (например, сети в энергетически активных клетках), также осложнялось наблюдением, что выраженные морфологические изменения митохондрий могут происходить в пределах одного типа клеток, особенно во время прогрессирования клеточного цикла.При переходе клеточного цикла G1-S митохондрии превращаются из изолированных фрагментированных органелл в сверхслитую сеть в нормальной линии эпителиальных клеток почек крысы [38]. Реорганизация может быть важной для определения накопления циклина E и прогрессирования клеточного цикла [38].

Возможно, скорее, чем энергетический статус, изменения в структуре митохондрий могут влиять на другие важные, но более временные клеточные функции, такие как Ca ²⁺ и передача сигналов ROS или биосинтетические процессы.Например, митохондриальная сеть может определять природу митохондриального сигнала Ca ²⁺ . В клетках HeLa, стимулированных гистамином, митохондриальный захват Ca ²⁺ инициировался в предпочтительных точках митохондриальной сети, и увеличение [Ca ²⁺ ] перемещалось по сети [40]. Когда сеть была фрагментирована, локальное увеличение митохондрий [Ca ²⁺ ] происходило в ответ на гистамин, но диффузия Ca ²⁺ была ограничена, и меньшие митохондрии имели меньшее повышение Ca ²⁺ [40].Митохондриальная сеть рядом с ядром также может быть важна для транскрипции генов в ответ на гипоксию в интактных легких и культивируемых эндотелиальных клетках легочной артерии [41]. В этом случае перинуклеарная кластеризация митохондрий запускалась гипоксией и приводила к увеличению ROS в ядре, что, в свою очередь, вызывало окислительную модификацию промотора фактора роста эндотелия сосудов, снижая сборку транскрипционного комплекса и экспрессию мРНК [41].

Таким образом, в культивируемых клетках существует широкий спектр митохондриальных фенотипов, которые включают маленькие сферы, набухшие сферы, прямые стержни, скрученные стержни, разветвленные стержни и петли, и есть явные изменения в митохондриальной организации, которые происходят между клетками и внутри них.В нативных клетках морфология митохондрий изменяется во время стресса, но физиологическая функция и значение изменения митохондриального фенотипа в значительной степени неизвестны. Возникает вопрос, если митохондриальные сети имеют решающее значение для нормальной клеточной и митохондриальной функции, как многие нативные клетки поддерживают активность при фактическом отсутствии структурной митохондриальной сети?

Движение митохондрий

Во многих клетках распределение митохондрий неоднородно, и органеллы накапливаются в определенных субклеточных областях, которые требуют высокой метаболической активности.Примеры включают накопление митохондрий в активных конусах роста развивающихся нейронов [42] и дендритные выпячивания в шипах и синапсах [43]. Очевидно специфическое расположение митохондрий подразумевает, что движение митохондрий происходит. Действительно, в различных культивируемых клетках, включая культивированные сосудистые миоциты, митохондрии, по-видимому, движутся почти постоянно. Было идентифицировано несколько типов динамического поведения [44,45,46], в том числе броуновское движение, при котором органелла демонстрирует в основном мелкомасштабные, термически обусловленные, случайные движения (рис.3). Стохастически детерминированное направленное движение — это еще один тип движения [44], в котором происходят краткосрочные моторные события с различной произвольно определенной продолжительностью. Также часто наблюдается смещение, приводимое в движение двигателем на большие расстояния. В этом случае органелла движется со значительной скоростью, иногда на значительные расстояния, по единственному пути. В наших наблюдениях скорость митохондрий, претерпевающих направленное движение, была переменной, и короткие всплески движения до 160 нм с ^-1 происходили при комнатной температуре.При 37 ° C движение было значительно быстрее, и скорость всплеска достигала 1000 нм с ^-1 . Другие типы митохондриального движения включают митохондриальное удлинение, при котором органелла увеличивает свою длину за счет процесса, совершенно отличного от слияния (онлайн-видео 1; все онлайн-материалы см. На сайте www.karger.com/doi/10.1159/ 000353883). Втягивание — это еще один тип движения, при котором митохондрии сокращают свою длину за счет процесса, отличного от деления (онлайн-приложение.видео 1). По нашим наблюдениям, растяжение и ретракция происходили в палочковидных митохондриях, но не в сферических митохондриях. Палочковидные митохондрии при направленном движении могут значительно изменить форму, а органелла может расширяться, втягиваться и изгибаться при движении. Сферические митохондрии не меняют своей формы при движении.

Рис. 3

Митохондрии в значительной степени неподвижны в естественных и очень динамичных в культивируемых гладкомышечных клетках церебральной резистентной артерии. a Дорожки движения 6 наиболее подвижных митохондрий нативных клеток (вверху) сравниваются с типичным движением органелл в культивируемых клетках (внизу).График показывает x-y смещение и скорости каждой митохондрии. Митохондрии в нативных клетках почти не движутся, тогда как митохондрии в культивируемых клетках совершают короткие всплески движения со скоростью ~ 160 нм с ^-1 , что приводит к значительному движению органеллы. b Чтобы обеспечить ощущение масштаба движения, дорожки движения (красные) накладываются на изображения митохондрий. Желтые кружки показывают положение центра митохондрии в первом кадре последовательности.Красные дорожки движения на митохондриях нативных клеток имеют размер ~ 1 пиксель и поэтому их трудно визуализировать. c Смещение отслеживаемых митохондрий в зависимости от времени. Смещение определяется как расстояние между положением органеллы в момент времени t и в момент времени t = 0. Митохондрии в культивируемых клетках (синий) подвергаются всплескам движения, которые покрывают большие расстояния по сравнению со смещением митохондрий внутри нативных клеток (красный ). d Мгновенную скорость отслеживаемых митохондрий (нативные, красные; культивируемые, синие) измеряли путем сравнения положения органелл в течение 1-секундных интервалов.Для наглядности скорости разделены по вертикальной оси. За исключением двух событий глобального движения из-за небольшого сокращения всей клетки (показано серым), митохондрии в нативной клетке неактивны. В культивируемой клетке происходило множество всплесков высокоскоростного движения с максимальной скоростью обычно 100 нм с ^-1 . Во всех экспериментах TMRE использовался для визуализации митохондрий, и эксперименты проводились при комнатной температуре [от Chalmers et al., [26]].

Двигательные смещения митохондрий, в том числе в гладких мышцах сосудов, являются двунаправленными — одни органеллы движутся к ядру, другие — от ядра.Иногда митохондрии быстро меняют направление в секундах. Митохондрии также могут перемещаться между быстрыми движениями со скоростью в несколько сотен нм с ^-1 и оставаться практически неподвижными. Различные наблюдения предполагают, что механизмы митохондриальной мембраны должны включать двигатели и якорные компоненты.

В клетках млекопитающих сеть микротрубочек обеспечивает основу, по которой происходит транспорт органелл с помощью моторных и линкерных белков [47] (рис.4). Иммобилизация митохондрий на цитоскелете может быть достигнута путем стыковки с актином [48] или микротрубочками, позже с использованием синтафилина [49]. Микротрубочки представляют собой полые цилиндры 24 нм (внешний диаметр), построенные путем полимеризации повторяющихся димерных единиц, каждая из которых состоит из глобулярного белка альфа- и бета-тубулина. Моторные белки представляют собой семейства кинезина и динеина микротрубочек-связывающих АТФаз, которые обеспечивают источник процессивного движения митохондрий (рис. 4).

Рис. 4

Иллюстрация общей схемы, принятой транспортной сетью эукариотических органелл. a Димеры тубулина полимеризуются с образованием цилиндрической микротрубочки. Один конец молекулярного мотора (кинезин или динеин; зеленый) связывается с участками микротрубочек, по которым они «ходят». Другая сторона молекулярного мотора прикрепляется к специфическим мембранно-ассоциированным белкам (например, миро или синтабулин; красный цвет) в митохондриях через специализированные линкерные белки (милтон; синий) [8]. Сигнальные молекулы, такие как Ca ²⁺ , регулируют прикрепление (левая вставка) комплекса двигатель / линкер [7,8], чтобы обеспечить контроль позиционирования митохондрий [108]. b Кинезин исчезающе мал по сравнению с размером митохондрии. Рисунок митохондрии, микротрубочки и моторного белка кинезина нарисован приблизительно в масштабе. Микротрубочка имеет диаметр около 24 нм и прикреплена к ножкам моторного белка кинезина. Расстояние между ступнями составляет ∼5 нм [50]. Кинезиновые ножки прикрепляются к митохондрии через длинную (~ 70 нм) спиральную катушку, соединяющую стержень [109]. Митохондрия, нарисованная на рисунке, имеет размер 2000 × 500 нм. Кинезин мал по сравнению с митохондрией (на вставке показан увеличенный вид кинезиновых ножек).Возможно, несколько моторов кинезина присоединяются к митохондриям для достижения более высоких скоростей митохондриального движения [51,110]. Взаимодействие множества двигателей, движущихся в противоположных направлениях, может создать «перетягивание каната» для регулирования направления движения и скорости органелл [111, 112].

Моторы кинезина и динеина состоят из пары глобулярных белков (стоп), связывающих микротрубочки, которые прикреплены к длинному телу (рис. 4). Ноги связываются со специфическими сайтами микротрубочек, и каждый сайт связывания находится на расстоянии ~ 8 нм друг от друга.В случае кинезина каждая ножка прикрепляется к последовательным участкам связывания на микротрубочке, поэтому каждая «ступенька» кинезина составляет около 8 нм. В наших исследованиях митохондриальные скорости 1000 нм с ^-1 мы наблюдали в одиночных клетках при 37 ° C [26]. Эта скорость соответствует 125 шагам кинезина с ^-1 , что близко к максимальной скорости кинезинового двигателя, о которой сообщается в анализах in vitro [50]. «Шаги» динеина могут быть больше, чем у кинезина; Динеиновые ножки разделены между 1 и 4 сайтами связывания вдоль микротрубочек, поэтому этапы динеина находятся на расстоянии 8, 16, 24 или 32 нм друг от друга [51,52].

Важно отметить, что внутренняя структурная полярность микротрубочек гарантирует, что двигательные ножки связываются в определенном направлении, эффективно создавая «переднюю ступню» и «заднюю ступню». Гидролиз АТФ запускает отсоединение моторных ножек от микротрубочек и по механизму, который до конца не изучен, преимущественно отвязывает заднюю ступню. Некоторая комбинация стохастических броуновских сил и направленной силы, использующая энергию гидролиза АТФ, может сдвинуть заднюю ногу на два места связывания вдоль микротрубочек, т.е.е. к следующему доступному месту привязки перед предыдущей передней ногой. Стопа связывается в новом сайте, продвигая центр масс моторного белка на один сайт связывания и генерируя процессивное движение мотора и прикрепленных митохондрий [53]. Молекулярные двигатели исчезающе малы по сравнению с размером перемещаемого груза (митохондрий) (рис. 4b), что подчеркивает огромную мощность, генерируемую кинезином и динеином. Действительно, отношение мощности к массе кинезина намного превышает таковое у современных реактивных двигателей [50].

В нативных типах клеток двигательное смещение наблюдается реже (рис. 3), а митохондрии могут вообще не двигаться [26,54]. В сердечно-сосудистой системе особенно мало известно о движении митохондрий в нативных клетках. В клетках взрослого сердца и неповрежденном сердце, хотя все белки, необходимые для митохондриального движения, экспрессируются, текущие исследования в измерении митохондриального движения не увенчались успехом, т.е. нет сообщений, показывающих значительные митохондриальные движения.Единственными изменениями, обнаруженными в клетках взрослого сердца, было ограниченное броуновское движение, которое было приписано морфологическим изменениям органелл, возникающим в результате сокращения и расширения митохондриального матрикса (конденсированные / ортодоксальные переходы) [54]. В нативных гладкомышечных клетках сосудов подавляющее большинство митохондрий обнаруживают только ограниченное броуновское смещение, которое не приводит к значительному смещению органеллы из ее положения (рис. 3) [26].

Функциональное значение движения митохондрий

Несмотря на то, что были достигнуты значительные успехи в идентификации белков, опосредующих и регулирующих движение митохондрий, понимание физиологической цели и клеточной функции митохондриального движения является гораздо более предварительным.Функция одного типа митохондриальной динамики, двигательного смещения, вероятно, наиболее изучена в нейронах [8,55,56]. Митохондрии синтезируются в теле нейрональной клетки [57], а затем транспортируются по аксону [58]. Предполагается, что поврежденные митохондрии, например митохондрии, неспособные поддерживать мембранный потенциал (т.е. деполяризованные), транспортируются обратно в тело клетки для деградации [46]. Эта гипотеза подтверждается наблюдением, что деполяризация митохондрий с использованием антимицина, ингибитора комплекса III, или аннонацина, ингибитора комплекса I, увеличивает движение митохондрий по направлению к телу клетки (ретроградно), но мало влияет на движение митохондрий (антероградно) от тела клетки [46 , 59].Однако есть противоречивые данные [60]. Деполяризация митохондрий с использованием разобщителей CCCP и FCCP блокирует весь цитоплазматический транспорт, в то время как другой деполяризующий агент, DNP (также разобщитель), не влияет ни на один [61]. Нарушение функции митохондрий за счет истощения мтДНК, что приводит к нарушению дыхательной цепи и повышенной восприимчивости к окислительному стрессу, примерно удваивается двунаправленное движение митохондрий (ретроградное и антероградное) и увеличивается плотность митохондрий вдоль проксимальных аксонов [62].Вместе эти наблюдения не полностью совместимы с предположением, что скомпрометированные митохондрии нейронов транспортируются для того, чтобы происходила деградация, и требуются дальнейшие исследования.

Другое предложение объяснить физиологическое значение митохондриального движения вытекает из наблюдения резкого изменения положения органелл во время хемотаксической миграции в лимфоцитах. Митохондрии перераспределяются в тыл движущихся активированных Т-клеток (уропод), где они, как полагают, обеспечивают АТФ для поддержания двигательной активности клеток [63].Движение митохондрий также может потребоваться для поддержки миграции раковых клеток. В клетках рака молочной железы митохондрии, по-видимому, перемещаются к передней части клетки (передний край) во время направленного движения. Экспериментальные маневры, которые уменьшали движение митохондрий (например, путем создания удлиненных митохондрий или кластеров), подавляли индуцированное хемоаттрактантом рекрутирование митохондрий в ламеллиподиальные области, ингибировали образование ламеллиподий и снижали метастатические способности клеток рака молочной железы [64].Увеличение движения митохондрий (за счет уменьшения размера митохондрий) привело к увеличению количества митохондрий в областях ламеллиподий, увеличению образования ламеллиподий и усилению метастатической способности клеток рака молочной железы [64].

Двигательное смещение митохондрий часто было связано с расположением органелл в местах, где есть потребность в энергии [48,65]. Эта гипотеза предположительно требует наличия значительных градиентов АТФ, хотя прямые доказательства в поддержку этого предложения отсутствуют.Действительно, в интересном эксперименте, разработанном для изучения градиентов АТФ, зрелые ооциты мыши (которые полностью зависят от митохондрий для производства АТФ) были центрифугированы, так что весь митохондриальный комплемент был перемещен в одну сторону ооцита. После центрифугирования, когда митохондрии были ограничены одной стороной ооцита, градиент [АТФ] (измеренный с помощью визуализации люциферазы) не существовал в цитоплазме между 50-мкм концом ооцита, свободным от митохондрий, и областью, содержащей митохондрии [Prof.Карл Суонн, Университет Кардиффа, перс. общ.]. Эти результаты предполагают, что диффузия АТФ была достаточно быстрой, чтобы предотвратить развитие градиентов в покоящихся клетках.

С другой стороны, изменения уровней АТФ по всей клетке (т.е. глобальный [АТФ]) могут коррелировать с митохондриями, претерпевающими транслокацию и агрегацию во время созревания ооцитов [66]. Всплески глобального увеличения [АТФ] происходили, когда митохондрии подвергались транслокации и агрегировались в кластеры в перинуклеарной области [66]. Хотя механизм, который связывает степень кластеризации митохондрий и способность органелл генерировать АТФ, неясен [66], эти наблюдения, тем не менее, подчеркивают физиологические последствия изменения митохондриального поведения.

Один из способов позиционирования митохондрий в определенных частях клетки может происходить за счет увеличения [Ca ²⁺ ] _c , подавляющего двигательное движение митохондрий [8,67,68,69], чтобы определить местонахождение органеллы, в которой клеточная активность увеличивается (по оценке сигналов Ca ²⁺ ). Митохондрии, расположенные в этих местах, могут затем сами модулировать сигналы. Локализация митохондрий на субплазматической мембране в Т-лимфоцитах и ​​гладких мышцах модулировала ионный канал, управляемый хранилищем плазматической мембраны, и активность обменника Na ⁺ / Ca ²⁺ , соответственно [70,71], в то время как митохондрии вблизи саркоплазматического ретикулума [72] ] оказывает значительный контроль над высвобождением Ca ²⁺ путем модуляции активности кластеров рецепторов IP ₃ в гладких мышцах [73].

Заметное отсутствие движения в нативных клетках в отличие от выраженного движения в быстро делящихся культивируемых сосудистых миоцитах (рис. 3) и привело нас к гипотезе о том, что движение было необходимым условием для пролиферации [26]. Мы обнаружили, что митохондрии в неповрежденных резистентных артериях в основном неподвижны. Однако, что важно, в небольшом количестве клеток в неповрежденной артерии сопротивления происходило митохондриальное движение. Это наблюдение было одним из немногих прямых наблюдений за движением митохондрий в любой неповрежденной ткани и остается единственным наблюдением в интактной ткани сердечно-сосудистой системы.Мы предположили, что клетки, в которых происходило митохондриальное движение, могут подвергаться пролиферации. В подтверждение этого, когда в интактной артерии в органной культуре поощрялась пролиферация, степень митохондриального движения в интактной артерии увеличивалась. Когда движение митохондрий было снижено, пролиферация подавлялась, о чем свидетельствовало снижение экспрессии пролиферативных маркеров (в интактных артериях) и захвата ³ H ​​тимидина (в культивируемых клетках) [26]. Сортировка клеток, активируемая флуоресценцией, FACS, была использована для изучения распределения клеточного цикла и показала, что подавление митохондриального движения увеличивает долю клеток в G0 / G1 и снижает их в S-фазе [26].Нарушение митохондриального поведения может приводить к смещению митотических хромосом во время митоза [38] и активировать контрольную точку G0 / G1 в последующем клеточном цикле [26]. Вместе эти наблюдения предполагают, что митохондрии адаптируются и могут переключаться между жесткой неподвижностью и высокой подвижностью, когда гладкие мышцы сосудов переключаются из нативной непролиферативной формы в пролиферативную. Эта митохондриальная пластичность является важным механизмом для развития разрастания гладких мышц.

В родственном, но отдельном предположении, движение митохондрий между клетками может запускать пролиферацию в мультипотентных мезенхимальных клетках. При поддержании в совместных культурах митохондрии перемещались от гладких мышц сосудов к мультипотентным мезенхимальным клеткам через туннельные нанотрубки. Движение митохондрий увеличивает пролиферацию мультипотентных мезенхимальных клеток [74].

Таким образом, точные функции митохондриального движения еще не ясны, хотя существует несколько возможностей.Движение митохондрий может быть вовлечено в круговорот органелл, локализованное обеспечение АТФ или пролиферацию клеток.

Изменения формы митохондрий

Зависимое от кинезина и динеина движение митохондрий по микротрубочкам требует наличия груза определенного размера для транспортировки. Следовательно, митохондриальная сеть должна быть разделена на более мелкие органеллы, которые могут легко перемещаться двигателями [65]. С этой целью механизм, который транспортирует митохондрии, вероятно, скоординирован с другим типом динамического поведения — объединением (посредством слияния) или разделения (посредством деления) митохондрий.

Слияние и деление действуют на два липидных бислоя, которые окружают митохондрии, и достигаются с помощью нескольких белков, которые иногда называют «митохондриеформирующими белками». Эти белки представляют собой связанные с динамином гуанозинтрифосфатазы (GTPases) [75] и включают слитые белки митофузин (Mfn1 и Mfn2) и белок атрофии зрительного нерва 1 (Opa1) и белки деления, связанный с динамином белок 1 (Drp1) и его внешние митохондрии. мембранный адаптер деления белка 1 (hFis1) [75].

Mfn1 и Mfn2 расположены во внешней митохондриальной мембране [76] и участвуют в первой стадии слияния. Mfn1 / 2 в одной митохондрии взаимодействует с митофузинами в другой, чтобы связывать соседние органеллы [77]. Гидролиз GTP способствует следующему этапу слияния внешних мембран. Когда активность ГТФазы предотвращается, митохондрии связываются, но не сливаются [78]. Opa1 также необходим для слияния. Opa1 находится либо в межмембранном пространстве, либо связан с поверхностью внутренней митохондриальной мембраны и необходим для связывания и слияния внутренней мембраны органеллы [79].

Митохондрии млекопитающих подвергаются делению за счет взаимодействия цитозольного белка Drp1 и белка hFis1, закрепленного за внешней митохондриальной мембраной. Drp1 рекрутируется из цитозоля с помощью hFis1, чтобы сформировать спирали вокруг митохондрий, которые сжимаются, разрывая как внутренние, так и внешние мембраны. Эндоплазматический ретикулум (ЭР) может играть активную роль в определении участков деления митохондрий. Drp1 собирается на митохондриях в местах контакта митохондрий с ER, чтобы вызвать деление митохондрий на сайтах, близких к ER [80].В сайте взаимодействия митохондрий с ER др. Белок, инвертированный formin 2, также может вносить вклад в деление, действуя для полимеризации актина, чтобы инициировать сокращение митохондрий и облегчить сборку кольца Drp1 в сайте сжатия [81].

Деление и слияние взаимодействуют, чтобы создать множество митохондриальных структур (рис. 5; онлайн-приложение, видео 1). Создаваемые устройства включают стержни различной длины, внешний вид колбасных нитей, петлевые структуры и различные разветвленные и сетевые устройства (рис.5; онлайн-поставка. видео 1 и 2). Деление и слияние широко наблюдаются в культивируемых клетках, но нечасто встречаются в нативных клетках [9]. Тем не менее, некоторая поддержка возникновения слияния, по крайней мере, в нативных клетках обнаружена в наблюдении ЭМ, что митохондрии контактировали в точках электронно-плотных бляшек [16]. Это наблюдение предполагает, что прикрепление внешней митохондриальной мембраны происходит в нативных скелетных мышцах [16]. Доказательства полного слияния органелл в нативных клетках получены в результате работы со скелетными мышцами мышей, которые были модифицированы для экспрессии нацеленного на митохондрии фотоактивируемого зеленого флуоресцентного белка (GFP) [82].При фотоактивации GFP, расположенный в матриксе, перемещается между соседними митохондриями, указывая тем самым, что митохондриальное слияние происходит даже при том, что органеллы кажутся статичными и хорошо организованными [82]. В нативной сердечной мышце, поддерживаемой в краткосрочной культуре (3 дня), расположенный в матрице флуорофор также перемещался между соседними митохондриями либо посредством временного слияния («поцелуй и беги» [83]), либо временного образования соединительной нанотубулярной системы [84]). ].

Рис. 5

Предлагаемые пути динамических изменений морфологии митохондрий.Путем деления, слияния, роста и структурной реорганизации митохондрии непрерывно модифицируются, создавая разнообразные морфологии. Структуры диаграммы (i-x) и соответствующие стрелки иллюстрируют возможные пути морфологического изменения, наряду с репрезентативными изображениями живых клеток митохондрий из клеток, окрашенных MitoTracker Green ( a-g ). Шаровидные ( i , a ) и стержневидные структуры ( ii-iv , a ) могут быть преобразованы как в разветвленные ( v , b ), так и в изогнутые структуры ( vi-vii , c , d ), в то время как удлиненные палочковидные митохондрии могут фрагментироваться на несколько более мелких митохондрий ( viii-x , например, ). e-g Изображения берутся из одиночной серии изображений, фильм о которой представлен в дополнительном материале (онлайн-приложение, видео 2, «фильм с колбасной цепочкой», работающий с ~ 40-кратной скоростью в реальном времени). Увеличение одинаково для всех изображений, а желтая шкала масштаба ( a ) = 5 мкм.

Функциональное значение деления и слияния

В различных моделях сердечно-сосудистой системы (например, перевязка коронарных артерий [85], ишемическое реперфузионное повреждение [86,87], легочная гипертензия [33], сахарный диабет [14]) митохондрии изменяются, становясь необычно большими или small [88], предполагая, что деление или синтез могли иметь место (хотя и не наблюдались напрямую).Важно отметить, что по крайней мере в некоторых случаях предотвращение изменений формы митохондрий может быть защитным. Низкомолекулярный ингибитор деления митохондрий Mdivi-1 уменьшал гибель клеток кардиомиоцитов после ишемии-реперфузии и уменьшал размер инфаркта миокарда in vivo у мышей, подвергшихся окклюзии коронарной артерии [86]. Mdivi-1 также снижает апоптоз клеток канальцев и повреждение почек при ишемии / реперфузии почек [87]. При легочной гипертензии ингибирование деления с помощью Mdivi-1 снижает мускуляризацию мелких легочных артерий у животных с легочной гипертензией.Этот эффект снизил сопротивление легочных сосудов и гипертрофию правого желудочка, а также повысил переносимость физической нагрузки [33]. Эта экспериментальная работа предполагает, что изменение формы митохондрий играет важную роль в изменениях, происходящих при болезни.

Дополнительное подтверждение важности деления и слияния для нормальной физиологической функции предлагается, как предполагается, из последствий нарушения функции белков, участвующих в слиянии и делении. Мыши с мутациями в Mfn1, Mfn2 или Opa1 не выживают во время беременности [89].У людей мутации Mfn2 вызывают дефекты периферических нейронов и связаны с нейропатией Шарко-Мари-Тута типа 2А [90], состоянием, вызывающим моторный и сенсорный дефицит. Opa1 мутирует в нейроофтальмологическом состоянии (доминантная атрофия зрительного нерва), при котором происходит дегенерация зрительных нервов, вызывающая потерю зрения [90]. Мутации в белках, способствующие делению митохондрий, также могут быть летальными. Мыши, лишенные Drp1, не выживают во время беременности [91], и интерферирующая РНК, направленная против Drp1, является летальной для эмбрионов Caenorhabditis elegans [92].

Разнообразие и количество серьезных физиологических изменений, которые возникают в результате мутаций в белках, контролирующих слияние и деление митохондрий, широко интерпретируются как свидетельство как наличия митохондриальной динамики в форме деления и слияния, так и обязательного физиологического требования процессов. . Однако была установлена ​​корреляция, а не причинно-следственная связь. Экспериментальные процедуры, при которых заключение об обязательной физиологической потребности митохондриальной динамики основывается на манипуляции с белками деления и слияния (например,грамм. Mfn, Opa1 и Drp1), а не митохондриальной формы или динамики как таковых. Примечательно, что белки, участвующие в слиянии и делении митохондрий (например, Mfn, Opa1 и Drp1), вносят вклад в другие клеточные активности, которые имеют решающее значение для физиологической функции, но не связаны с изменениями морфологии митохондрий. Напр., Сверхэкспрессия Mfn2 подавляет, а подавление Mfn2 усиливается, пролиферацию гладких мышц сосудов полностью независимо от роли Mfn2 в активности формирования митохондрий [93].Повышенная экспрессия триггеров Mfn2 и подавление Mfn2 защищает от апоптоза гладких мышц сосудов, опять же способом, который не зависит от слияния митохондрий [94]. Mfn также связывает митохондрии и эндоплазматический ретикулум со значительными последствиями для передачи сигналов Ca ²⁺ [95,96]. Mfn2 контролирует экспрессию генов, которые кодируют белки, необходимые для окислительного фосфорилирования (комплексы I, II, III и V) посредством механизма, который полностью не связан с ролью белка в слиянии митохондрий [97].Подавление Mfn2 подавляет экспрессию кодируемых ядром субъединиц комплексов I, II, III и V и, предположительно, как следствие, снижает потенциал митохондриальной мембраны [97]. Opa1 прикрепляет А-киназу к липидным каплям, чтобы контролировать фосфорилирование перилипина и распад липидов [98], и может ремоделировать митохондриальные кристы по механизму, который не зависит от роли белка в слиянии [99]. Drp1 локализуется в пероксисомах и важен для деления пероксисом, роль которого не зависит от формирования митохондрий [100].Изменение любого из этих процессов путем манипулирования «митохондриально-формирующими белками» (Mfn, Opa1 и Drp1) может иметь значительные физиологические последствия, все из которых не связаны с делением и слиянием митохондрий.

В самом деле, на клеточном уровне точные физиологические последствия, возникающие при нарушении деления и слияния, являются неопределенными. Деление и слияние митохондрий связывают с апоптозом и контролем качества митохондрий посредством аутофагии (митофагии), но существует множество противоречивых данных.Например, на ранней стадии апоптоза фрагмент митохондрии [101], что является наблюдением, интерпретируемым как деление митохондрий, способствующее апоптозу. Подтверждением является наблюдение, что нарушение Drp1 может изменять апоптоз [101,102]. Доминантно-отрицательный Drp1 и мешающая РНК, направленная против Drp1, предотвращают фрагментацию митохондрий во время апоптоза и, что интересно, также снижают апоптоз [101]. Однако в других исследованиях усиленное деление митохондрий не индуцировало, а скорее защищало от апоптоза [40,103,104].Существенная избыточная экспрессия Drp1 и повышенное деление митохондрий не индуцировали ни некротической, ни апоптотической гибели клеток и предотвращали зависимый от Ca ²⁺ апоптоз [40].

Деление митохондрий может также потребоваться для сегрегации дисфункциональных митохондрий для деградации под действием митофагии [105]. Процесс может позволить удалить поврежденные митохондрии или митохондрии с мутированной ДНК. В самом деле, избыточная экспрессия Drp1 (приводящая к фрагментации митохондрий) способствует митофагии, тогда как избыточная экспрессия доминантно-негативной формы Drp1 (Drp1 ^K38A ) предотвращает элиминацию органелл [105].Кроме того, Mfn1 / 2 д. Диссоциировать от митохондрий для продолжения митофагии [106]. Эти наблюдения предполагают, что диссоциация слитых белков и повышенное деление должны происходить для развития митофагии. С другой стороны, деление митохондрий обычно происходит в здоровых клетках, не приводя к митофагии, а отсутствие митохондриального деления может привести к окислительному повреждению митохондрий, потере митохондриальной ДНК и усилению митофагии [107].

Таким образом, манипулирование белками, которые участвуют в делении и слиянии митохондрий, изменяет несколько клеточных активностей, но точные последствия и действительно фундаментальная физиологическая причина этих изменений неясны.Отчасти сложность в раскрытии вклада деления и слияния состоит в том, что вовлеченные белки выполняют несколько функций, не связанных с изменением формы митохондрий. Примечательно, что работа на клеточном уровне ведется почти исключительно на культивируемых клетках, и гораздо меньше известно о нативных клетках.

В заключение, структурное разнообразие митохондрий возникает из-за того, что органеллы переключаются из статического состояния в почти постоянное движение или сливаются и делятся в динамичной, постоянно меняющейся сети (рис.5; онлайн-поставка. видео 1). Процессы, вызывающие изменения морфологии, движения и формы митохондрий, тесно взаимодействуют, определяя расположение митохондрий (рис. 5). Митохондриальная динамика часто наблюдается в культивируемых клетках и в меньшей степени в нативных типах клеток. Тем не менее, в естественных гладких мышцах сосудов значительные изменения в митохондриальной организации происходят во время стресса и пролиферации. Действительно, очевидно, что структура митохондрий контролируется деятельностью клеток.Напротив, хотя вероятно, что изменяющаяся структура критически регулирует несколько клеточных функций, точно неизвестно, какую именно роль выполняют различные устройства митохондрий в функции клетки. Новые методики изучения митохондриальных фенотипов, особенно в нативных клетках, необходимы для выяснения взаимосвязи между структурой и функцией митохондрий.

Благодарности

Эта работа финансировалась Wellcome Trust (092292 / Z / 10 / Z), British Heart Foundation (PG / 11/70/29086) и EPSRC; их поддержка признательна.

Список литературы

1. Hajnoczky G, Hager R, Thomas AP: Митохондрии подавляют активацию локальной обратной связи инозитол-1,4,5-трифосфатных рецепторов с помощью Ca ²⁺ . J Biol Chem 1999; 274: 14157-14162.
2. Narayanan D, Xi Q, Pfeffer LM, Jaggar JH: Митохондрии контролируют функциональную полость1.2 экспрессия в гладкомышечных клетках церебральных артерий. Circ Res 2010; 107: 631-641.
3. Чалмерс С., Олсон М.Л., Макмиллан Д., Рейнбоу Р.Д., Маккаррон Дж. Г.: Ионные каналы в гладких мышцах: регуляция саркоплазматической сетью и митохондриями. Cell Calcium 2007; 42: 447-466.
4. Уоллес Д.К .: Митохондриальные заболевания у человека и мыши.Наука 1999; 283: 1482-1488.
5. Tandler B, Hoppel CL: Исследования гигантских митохондрий. Ann NY Acad Sci 1986; 488: 65-81.
6. Огава К., Ногучи Х., Цудзи М., Сасаки Ф .: Голодание вызывает образование гигантских митохондрий в париетальных клетках желудка морских свинок.J Electron Microsc (Tokyo) 2003; 52: 217-225.
7. Лю X, Hajnoczky G: Ca ²⁺ -зависимая регуляция митохондриальной динамики комплексом miro-milton. Int J Biochem Cell Biol 2009; 41: 1972-1976.
8. Ван X, Шварц Т.Л.: Механизм зависимой от Ca ²⁺ регуляции кинезин-опосредованной подвижности митохондрий.Cell 2009; 136: 163-174.
9. Das S, Hajnoczky N, Antony AN, Csordas G, Gaspers LD, Clemens DL, Hoek JB, Hajnoczky G: Морфология и динамика митохондрий в гепатоцитах от нормальных крыс и крыс, получавших этанол. Арка Пфлюгерса 2012; 464: 101-109.
10. Никсон Г.Ф., Миньери Г.А., Сомлио А.В.: Иммуноголдистская локализация инозитол-1,4,5-трифосфатных рецепторов и характеристика ультраструктурных особенностей саркоплазматического ретикулума в фазовых и тонических гладких мышцах.J. Muscle Res Cell Motil 1994; 15: 682-700.
11. Devine CE, Somlyo AV, Somlyo AP: Саркоплазматический ретикулум и связь возбуждения-сокращения в гладких мышцах млекопитающих. J. Cell Biol. 1972; 52: 690-718.
12. Дай Дж., Куо К. Х., Лео Дж. М., ван Бримен С., Ли С. К.: Перестройка тесного контакта между митохондриями и саркоплазматической сетью в гладких мышцах дыхательных путей.Cell Calcium 2005; 37: 333-340.
13. Taggart MJ, Wray S: Вклад саркоплазматического ретикулярного кальция в активацию сократительной способности гладких мышц: гестационная зависимость в изолированной матке крысы. J. Physiol 1998; 511: 133-144.
14. Шенуда С.М., Видлански М.Э., Чен К., Сюй Дж., Холбрук М., Табит К.Э., Гамбург, Нью-Мексико, Фрейм А.А., Кайано Т.Л., Клюге М.А., Дуэсс М.А., Левит А., Ким Б., Хартман М.Л., Джозеф Л., Ширихай О.С., Вита Дж.А. : Измененная динамика митохондрий способствует дисфункции эндотелия при сахарном диабете.Тираж 2011; 124: 444-453.
15. Огата Т., Мурата Ф .: Цитологические особенности трех типов волокон в поперечно-полосатых мышцах человека. Тохоку Дж. Экспер. Мед. 1969; 99: 225-245.
16. Пикард М., Уайт К., Тернбулл Д.М.: Морфология, топология и мембранные взаимодействия митохондрий в скелетных мышцах: количественное трехмерное электронно-микроскопическое исследование.Журнал Appl Physiol 2013; 114: 161-171.
17. Парк М.К., Эшби М.К., Эрдемли Г., Петерсен О.Н., Тепикин А.В.: Перинуклеарные, перигранулярные и субплазмалеммальные митохондрии выполняют разные функции в регуляции клеточного транспорта кальция. Embo J 2001; 20: 1863-1874.
18. Hom J, Sheu SS: Морфологическая динамика митохондрий — особое внимание уделяется клеткам сердечной мышцы.J Mol Cell Cardiol 2009; 46: 811-820.
19. Шимада Т., Хорита К., Мураками М., Огура Р.: Морфологические исследования различных митохондриальных популяций в клетках миокарда обезьян. Cell Tissue Res 1984; 238: 577-582.
20. Hoffmann HP, Avers CJ: Митохондрия дрожжей: ультраструктурные доказательства наличия одной гигантской разветвленной органеллы на клетку.Наука 1973; 181: 749-751.
21. Bereiter-Hahn J, Voth M, Mai S, Jendrach M: Структурные последствия митохондриальной динамики. Biotechnol J 2008; 3: 765-780.
22. Риццуто Р., Пинтон П., Кэррингтон В., Фэй Ф. С., Фогарти К. Е., Лифшиц Л. М., Тафт Р. А., Поццан Т.: Тесные контакты с эндоплазматическим ретикулумом как детерминанты митохондриальных ответов Ca ²⁺ .Наука 1998; 280: 1763-1766.
23. De Giorgi F, Lartigue L, Ichas F: электрическая связь и пластичность митохондриальной сети. Cell Calcium 2000; 28: 365-370.
24. Jezek P, Plecita-Hlavata L: Динамика сети митохондриального ретикулума в зависимости от окислительного стресса, окислительно-восстановительной регуляции и гипоксии.Int J Biochem Cell Biol 2009; 41: 1790-1804.
25. Peng JY, Lin CC, Chen YJ, Kao LS, Liu YC, Chou CC, Huang YH, Chang FR, Wu YC, Tsai YS, Hsu CN: Автоматическое морфологическое определение подтипов открывает новые роли каспаз в динамике митохондрий. PLoS Comput Biol 2011; 7: e1002212.
26. Чалмерс С., Сонтер С., Уилсон С., Коутс П., Гиркин Дж. М., Маккаррон Дж. Г.: Подвижность митохондрий и пролиферация гладких мышц сосудов.Артериосклер Thromb Vasc Biol 2012; 32: 3000-3011.
27. Коллинз Т.Дж., Берридж М.Дж., Липп П., Бутман М.Д.: Митохондрии морфологически и функционально неоднородны внутри клеток. Embo J 2002; 21: 1616-1627.
28. Чалмерс С., Маккаррон Дж. Г.: потенциал митохондриальной мембраны и колебания Ca ²⁺ в гладких мышцах.J Cell Sci 2008; 121: 75-85.
29. Avlonitis N, Chalmers S, McDougall C, Stanton-Humphreys MN, Brown CT, McCarron JG, Conway SJ: Caged ag10: новые инструменты для пространственно заданного митохондриального разобщения. Мол Биосист 2009; 5: 450-457.
30. Chalmers S, Caldwell ST, Quin C, Prime TA, James AM, Cairns AG, Murphy MP, McCarron JG, Hartley RC: селективное разъединение отдельных митохондрий внутри клетки с использованием фотоактивированного протонофора, нацеленного на митохондрии.J Am Chem Soc 2012; 134: 758-761.
31. O’Reilly CM, Fogarty KE, Drummond RM, Tuft RA, Walsh JV Jr: Спонтанная митохондриальная деполяризация не зависит от высвобождения SR Ca ²⁺ . Am J Physiol Cell Physiol 2004; 286: C1139-C1151.
32. O’Reilly CM, Fogarty KE, Drummond RM, Tuft RA, Walsh JV Jr: Количественный анализ спонтанной митохондриальной деполяризации.Biophys J 2003; 85: 3350-3357.
33. Marsboom G, Toth PT, Ryan JJ, Hong Z, Wu X, Fang YH, Thenappan T, Piao L, Zhang HJ, Pogoriler J, Chen Y, Morrow E, Weir EK, Rehman J, Archer SL: белок, связанный с динамином 1 -опосредованное митохондриальное деление митохондрий делает возможным гиперпролиферацию гладкомышечных клеток сосудов и предлагает новую терапевтическую мишень при легочной гипертензии.Circ Res 2012; 110: 1484-1497.
34. Вали М.А., Эйд Р.А., Аль-Хомрани М.А.: Изменения гладких мышц в головной вене у пациентов с почечной недостаточностью перед использованием в качестве артериовенозной фистулы (АВФ). Журнал Smooth Muscle Res 2002; 38: 75-85.
35. Романелло V, Гуаданьин E, Гомес L, Родер I, Сандри C, Петерсен Y, Милан G, Masiero E, Del Piccolo P, Foretz M, Scorrano L, Rudolf R, Sandri M: деление и ремоделирование митохондрий способствует атрофии мышц.Embo J 2010; 29: 1774-1785.
36. Hackenbrock CR: ультраструктурные основы метаболически связанной механической активности митохондрий. I. Обратимые ультраструктурные изменения с изменением метаболического устойчивого состояния в изолированных митохондриях печени. J. Cell Biol. 1966; 30: 269-297.
37. Вестерманн Б. Биоэнергетическая роль митохондриального слияния и деления.Biochim Biophys Acta 2012; 1817: 1833-1838.
38. Mitra K, Wunder C, Roysam B, Lin G, Lippincott-Schwartz J: состояние гиперфузии митохондрий, достигнутое в G1-S, регулирует накопление циклина E и переход в S-фазу. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 11960-11965.
39. Бенард Г., Белланс Н., Джеймс Д., Паррон П., Фернандес Н., Летелье Т., Россиньоль Р.: Митохондриальная биоэнергетика и структурная сетевая организация.J Cell Sci 2007; 120: 838-848.
40. Szabadkai G, Simoni AM, Chami M, Wieckowski MR, Youle RJ, Rizzuto R: Drp-1-зависимое деление митохондриальной сети блокирует внутриорганеллярные волны Ca ²⁺ и защищает от апоптоза, опосредованного Ca ²⁺ . Mol Cell 2004; 16: 59-68.
41. Аль-Мехди А.Б., Пастух В.М., Свигер Б.М., Рид Д.Д., Патель М.Р., Бардвелл Г.К., Пастух В.В., Алексеев М.Ф., Гиллеспи М.Н.: Перинуклеарная кластеризация митохондрий создает богатый оксидантами ядерный домен, необходимый для индуцированной гипоксией транскрипции. Научный сигнал 2012; 5: ra47.
42. Моррис Р.Л., Холленбек П.Дж .: Регулирование двунаправленного митохондриального транспорта координируется с разрастанием аксонов.J Cell Sci 1993; 104: 917-927.
43. Ли З., Окамото К., Хаяси Ю., Шэн М.: Важность дендритных митохондрий в морфогенезе и пластичности шипов и синапсов. Cell 2004; 119: 873-887.
44. Saunter CD, Perng MD, Love GD, Quinlan RA: Стохастически детерминированное направленное движение объясняет доминирующие мелкомасштабные митохондриальные движения внутри клеток культуры ткани, не являющейся нейронами.FEBS Lett 2009; 583: 1267-1273.
45. Миллер К.Э., Шитц М.П.: Прямые доказательства когерентного низкоскоростного аксонального транспорта митохондрий. J Cell Biol 2006; 173: 373-381.
46. Миллер К.Э., Шитц М.П.: Аксональный митохондриальный транспорт и потенциал взаимосвязаны.J Cell Sci 2004; 117: 2791-2804.
47. Фредерик Р.Л., Шоу Дж. М.: Движущиеся митохондрии: установление распределения важной органеллы. Трафик 2007; 8: 1668-1675.
48. MacAskill AF, Kittler JT: Контроль митохондриального транспорта и локализации в нейронах.Тенденции Cell Biol 2009; 20: 102-112.
49. Kang JS, Tian JH, Pan PY, Zald P, Li C, Deng C, Sheng ZH: Докинг аксональных митохондрий синтафилином контролирует их подвижность и влияет на краткосрочное облегчение. Cell 2008; 132: 137-148.
50. Блок СМ: Кинезин: что дает? Cell 1998; 93: 5-8.
51. Гросс С.П., Вершинин М., Шубейта Г.Т.: Грузовой транспорт: два мотора иногда лучше, чем один. Curr Biol 2007; 17: R478-R486.
52. Маллик Р., Картер Б.К., Лекс С.А., Кинг С.Дж., Гросс С.П.: Цитоплазматический динеин функционирует как механизм в ответ на нагрузку.Nature 2004; 427: 649-652.
53. Атцбергер П.Дж., Пескин К.С.: Броуновская модель динамики кинезина в трех измерениях, включающая профиль силы растяжения грузового троса наматываемой спирали. Bull Math Biol 2006; 68: 131-160.
54. Beraud N, Pelloux S, Usson Y, Kuznetsov AV, Ronot X, Tourneur Y, Saks V: Митохондриальная динамика в клетках сердца: высокочастотные колебания очень низкой амплитуды во взрослых кардиомиоцитах и ​​движение потока в не бьющихся клетках Hl-1.Журнал Bioenerg Biomembr 2009; 41: 195-214.
55. Pilling AD, Horiuchi D, Lively CM, Saxton WM: Кинезин-1 и динеин являются основными двигателями для быстрого транспорта митохондрий в моторных аксонах Drosophila . Mol Biol Cell 2006; 17: 2057-2068.
56. Kerschensteiner M, Reuter MS, Lichtman JW, Misgeld T: Ex vivo визуализация динамики моторных аксонов в эксплантатах triangularis sterni мышей.Нат Протокол 2008; 3: 1645-1653.
57. Дэвис А.Ф., Клейтон Д.А.: Локализация репликации митохондриальной ДНК в интактных клетках млекопитающих. J. Cell Biol 1996; 135: 883-893.
58. Hollenbeck PJ: Паттерн и механизм митохондриального транспорта в аксонах.Фронт Biosci 1996; 1: d91-d102.
59. Эскобар-Хондикер М., Холлерхаге М., Мюриэль М.П., ​​Чампи П., Бах А., Депьен С., Рефекдек Г., Ямада Э.С., Ланнузель А., Яги Т., Хирш Е.С., Эртель У.Х., Якоб Р., Мишель П.П., Руберг М., Хоглингер ГУ: Аннонацин, природный ингибитор митохондриального комплекса I, вызывает патологию тау-белка в культивируемых нейронах.J. Neurosci 2007; 27: 7827-7837.
60. Вербург Дж., Холленбек П.Дж .: Потенциал митохондриальной мембраны в аксонах увеличивается с локальным фактором роста нервов или передачей сигналов семафорина. J. Neurosci 2008; 28: 8306-8315.
61. Холленбек П.Дж., Брей Д., Адамс Р.Дж.: Эффекты разобщающих агентов FCCP и CCCP на скачкообразные движения цитоплазматических органелл.Cell Biol Int Rep 1985; 9: 193-199.
62. Бакри Р.М., Тернер Б.А., Рубен М.Б., Хаммонд Б.Д., Кагуни Л.С., Миллер К.Е.: Нарушение репликации митохондриальной ДНК в Drosophila увеличивает митохондриальный быстрый аксональный транспорт in vivo. PLoS One 2009; 4: e7874.
63. Campello S, Lacalle RA, Bettella M, Manes S, Scorrano L, Viola A: оркестровка хемотаксиса лимфоцитов митохондриальной динамикой.J Exp Med 2006; 203: 2879-2886.
64. Чжао Дж, Чжан Дж, Ю М, Се Ю, Хуанг Й, Вольф Д. В., Абель П. У., Ту И: динамика митохондрий регулирует миграцию и инвазию клеток рака молочной железы. Онкоген 2012, электронный паб впереди печати.
65. Холленбек П.Дж., Сакстон В.М.: аксональный транспорт митохондрий.J. Cell Sci 2005; 118: 5411-5419.
66. Yu Y, Dumollard R, Rossbach A, Lai FA, Swann K: Перераспределение митохондрий приводит к всплескам производства АТФ во время спонтанного созревания ооцитов мыши. J. Cell Physiol 2010; 224: 672-680.
67. Yi M, Weaver D, Hajnoczky G: Контроль подвижности и распределения митохондрий с помощью сигнала кальция: гомеостатический контур.J. Cell Biol 2004; 167: 661-672.
68. Rintoul GL, Filiano AJ, Brocard JB, Kress GJ, Reynolds IJ: Глутамат уменьшает размер митохондрий и движение в первичных нейронах переднего мозга. J. Neurosci 2003; 23: 7881-7888.
69. Brough D, Schell MJ, Irvine RF: Агонист-индуцированная регуляция подвижности митохондрий и эндоплазматического ретикулума.Biochem J 2005; 392: 291-297.
70. Quintana A, Schwarz EC, Schwindling C, Lipp P, Kaestner L, Hoth M: Устойчивая активность кальциевых каналов, активируемых высвобождением кальция, требует транслокации митохондрий на плазматическую мембрану. J Biol Chem 2006; 281: 40302-40309.
71. Poburko D, Liao CH, van Breemen C, Demaurex N: Митохондриальная регуляция содержания Ca ²⁺ в гладкомышечных клетках сосудов саркоплазматического ретикулума.Circ Res 2009; 104: 104-112.
72. Маккаррон Дж. Г., Олсон М. Л.: Единственный непрерывный светящийся саркоплазматический ретикулум с явно отдельными запасами Ca ²⁺ в гладких мышцах. J Biol Chem 2008; 283: 7206-7218.
73. Olson ML, Chalmers S, McCarron JG: Поглощение митохондриальным Ca ²⁺ увеличивает высвобождение Ca ²⁺ кластерами инозитол-1,4,5-трифосфатных рецепторов в гладкомышечных клетках.Журнал J Biol Chem 2010; 285: 2040-2050.
74. Валлабханени К.К., Халлер Х., Дамлер I. Клетки гладких мышц сосудов инициируют пролиферацию мезенхимальных стволовых клеток путем митохондриального переноса через туннельные нанотрубки. Разработка стволовых клеток, 2012; 21: 3104-3113.
75. Хоппинс С., Лакнер Л., Нуннари Дж .: Машины, которые делят и объединяют митохондрии.Анну Рев Биохим 2007; 76: 751-780.
76. Santel A, Fuller MT: Контроль морфологии митохондрий митофузином человека. J Cell Sci 2001; 114: 867-874.
77. Chen H, Chomyn A, Chan DC: Нарушение слияния приводит к гетерогенности и дисфункции митохондрий.J Biol Chem 2005; 280: 26185-26192.
78. Eura Y, Ishihara N, Yokota S, Mihara K: для митохондриального слияния необходимы два митофузиновых белка, гомологи FZO млекопитающих с различными функциями. J Biochem 2003; 134: 333-344.
79. Meeusen S, DeVay R, Block J, Cassidy-Stone A, Wayson S, McCaffery JM, Nunnari J: слияние внутренней мембраны митохондрий и поддержание кристы требует связанной с динамином GTPase Mgm1.Cell 2006; 127: 383-395.
80. Фридман JR, Lackner LL, West M, DiBenedetto JR, Nunnari J, Voeltz GK: канальцы ER маркируют участки митохондриального деления. Наука 2011; 334: 358-362.
81. Коробова Ф, Рамабхадран В., Хиггс Х.Н.: Актин-зависимый этап деления митохондрий, опосредованный ER-ассоциированным формином INF2.Наука 2013; 339: 464-467.
82. Pham AH, McCaffery JM, Chan DC: линии мышей с фотоактивируемыми митохондриями для изучения динамики митохондрий. Бытие 2012; 50: 833-843.
83. Лю X, Уивер Д., Ширихай О., Хайноцки Г.: Митохондриальный «поцелуй и бегство»: взаимодействие между подвижностью митохондрий и динамикой слияния-деления.Embo J 2009; 28: 3074-3089.
84. Хуан Х, Сунь Л., Цзи С., Чжао Т., Чжан В., Сюй Дж, Чжан Дж, Ван И, Ван Х, Францини-Армстронг К., Чжэн М., Ченг Х: Поцелуи и нанотуннелирование опосредуют межмитохондриальную связь в сердце. Proc Natl Acad Sci USA 2013; 110: 2846-2851.
85. Chen L, Gong Q, Stice JP, Knowlton AA: митохондриальный OPA1, апоптоз и сердечная недостаточность.Cardiovasc Res 2009; 84: 91-99.
86. Онг С.Б., Субрайан С., Лим С.И., Йеллон Д.М., Дэвидсон С.М., Хаузенлой Д.Д.: Ингибирование деления митохондрий защищает сердце от ишемии / реперфузионного повреждения. Тираж 2010; 121: 2012-2022.
87. Брукс К., Вэй К., Чо С.Г., Донг З .: Регулирование митохондриальной динамики при остром повреждении почек на моделях клеточных культур и грызунов.Дж. Клин Инвест 2009; 119: 1275-1285.
88. Hom J, Yu T, Yoon Y, Porter G, Sheu SS: Регулирование деления митохондрий внутриклеточным Ca ²⁺ в миоцитах желудочков крысы. Biochim Biophys Acta 2010; 1797: 913-921.
89. Chen H, Detmer SA, Ewald AJ, Griffin EE, Fraser SE, Chan DC: Mitofusins ​​Mfn1 и Mfn2 скоординированно регулируют слияние митохондрий и необходимы для эмбрионального развития.J Cell Biol 2003; 160: 189-200.
90. Делеттр С., Ленарс Дж., Гриффоин Дж. М., Гигарель Н., Лоренцо К., Беленгер П., Пеллокен Л., Гросджордж Дж., Тюрк-Карел С., Перре Е., Астари-Декекер С., Ласкеллек Л., Арно Б., Дукоммун Б., Каплан Дж., Амель CP: Ядерный ген OPA1, кодирующий митохондриальный белок, связанный с динамином, мутировал при доминантной атрофии зрительного нерва.Нат Генет 2000; 26: 207-210.
91. Исихара Н., Номура М., Джофуку А., Като Х., Сузуки С.О., Масуда К., Отера Х, Наканиши Ю., Нонака I, Гото Y, Тагучи Н., Моринага Х., Маеда М., Такаянаги Р., Йокота С., Михара К.: деление митохондрий Фактор Drp1 необходим для эмбрионального развития и образования синапсов у мышей.Nat Cell Biol 2009; 11: 958-966.
92. Labrousse AM, Zappaterra MD, Rube DA, van der Bliek AM: C. elegans связанный с динамином белок DRP-1 контролирует разрыв митохондриальной внешней мембраны. Mol Cell 1999; 4: 815-826.
93. Chen KH, Guo XM, Ma DL, Guo YH, Li QA, Yang DM, Li PF, Qiu XY, Wen SJ, Xiao RP, Tang JA: нарушение регуляции HSG вызывает сосудистые пролиферативные расстройства.Nature Cell Biology 2004; 6: U872-U878.
94. Гуо X, Чен К.Х., Гуо И, Ляо Х., Тан Дж., Сяо Р.П .: Митофузин 2 запускает апоптоз гладкомышечных клеток сосудов через путь гибели митохондрий. Circ Res 2007; 101: 1113-1122.
95. de Brito OM, Scorrano L: Митофузин-2 регулирует морфологию митохондриального и эндоплазматического ретикулума и связывание: роль Ras.Митохондрия 2009; 9: 222-226.
96. de Brito OM, Scorrano L: Митофузин 2 связывает эндоплазматический ретикулум с митохондриями. Природа 2008; 456: 605-610.
97. Pich S, Bach D, Briones P, Liesa M, Camps M, Testar X, Palacin M, Zorzano A: продукт гена типа 2A Шарко-Мари-Тута, Mfn2, регулирует окисление топлива посредством экспрессии системы OXPHOS.Hum Mol Genet 2005; 14: 1405-1415.
98. Pidoux G, Witczak O, Jarnaess E, Myrvold L, Urlaub H, Stokka AJ, Kuntziger T, Tasken K: Optic atrophy 1 — это белок, закрепляющий А-киназу на липидных каплях, который опосредует адренергический контроль липолиза. Embo J 2011; 30: 4371-4386.
99. Frezza C, Cipolat S, Martins de Brito O, Micaroni M, Beznoussenko GV, Rudka T, Bartoli D, Polishuck RS, Danial NN, De Strooper B, Scorrano L: OPA1 контролирует ремоделирование апоптотических крист независимо от слияния митохондрий.Cell 2006; 126: 177-189.
100. Li X, Gould SJ: Динамин-подобная GTPase DLP1 важна для деления пероксисом и частично рекрутируется в пероксисомы с помощью PEX11. J Biol Chem 2003; 278: 17012-17020.
101. Франк С., Гом Б., Бергманн-Лейтнер Е.С., Лейтнер В.В., Роберт Э.Г., Катез Ф., Смит С.Л., Юл Р.Дж.: Роль динаминового белка 1, медиатора деления митохондрий, в апоптозе.Dev Cell 2001; 1: 515-525.
102. Карбовски М: Митохондрии на страже: роль митохондриального слияния и деления в регуляции апоптоза. Adv Exp Med Biol 2010; 687: 131-142.
103. Джеймс Д.И., Мартину Дж. К.: Митохондриальная динамика и апоптоз: болезненное разделение.Dev Cell 2008; 15: 341-343.
104. Perfettini JL, Roumier T., Kroemer G: слияние и деление митохондрий в контроле апоптоза. Тенденции Cell Biol 2005; 15: 179-183.
105. Twig G, Elorza A, Molina AJ, Mohamed H, Wikstrom JD, Walzer G, Stiles L, Haigh SE, Katz S, Las G, Alroy J, Wu M, Py BF, Yuan J, Deeney JT, Corkey BE, Shirihai OS : Деление и избирательное слияние управляют сегрегацией и удалением митохондрий путем аутофагии.Embo J 2008; 27: 433-446.
106. Кагеяма Й., Чжан З., Рода Р., Фукая М., Вакабаяши Дж., Вакабаяши Н., Кенслер Т.В., Редди П.Х., Иидзима М., Сесаки Х.: Деление митохондрий обеспечивает выживание постмитотических нейронов за счет подавления окислительного повреждения. J Cell Biol 2012; 197: 535-551.
107. Parone PA, Da Cruz S, Tondera D, Mattenberger Y, James D.I, Maechler P, Barja F, Martinou JC: Предотвращение деления митохондрий ухудшает функцию митохондрий и приводит к потере митохондриальной ДНК.PLoS One 2008; 3: e3257.
108. Macaskill AF, Rinholm JE, Twelvetrees AE, Arancibia-Carcamo IL, Muir J, Fransson A, Aspenstrom P, Attwell D, Kittler JT: Miro1 — это кальциевый сенсор для зависимой от рецептора глутамата локализации митохондрий в синапсах. Нейрон 2009; 61: 541-555.
109. Фер А.Н., Гутьеррес-Медина Б., Асбери С.Л., Блок С.М.: О происхождении хромоты кинезина.Biophys J 2009; 97: 1663-1670.
110. Хэнкок В.О.: Внутриклеточный транспорт: кинезины работают вместе. Curr Biol 2008; 18: R715-R717.
111. Kural C, Kim H, Syed S, Goshima G, Gelfand VI, Selvin PR: Кинезин и динеин перемещают пероксисому in vivo: перетягивание каната или скоординированное движение? Наука 2005; 308: 1469-1472.
112. Мюллер MJ, Klumpp S, Lipowsky R: Перетягивание каната как кооперативный механизм для двунаправленной транспортировки грузов с помощью молекулярных двигателей. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105: 4609-4614.

Автор Контакты

Доктор.John G. McCarron

Strathclyde Institute of Pharmacy and Biomedical Sciences, University Strathclyde

SIPBS Building, 161 Cathedral Street

Glasgow G4 0RE (UK)

E-Mail [email protected]

Подробности статьи / публикации

Предварительный просмотр первой страницы

Получено: 25 марта 2013 г.
Принято: 7 мая 2013 г.
Опубликовано в Интернете: 24 июля 2013 г.
Дата выпуска: октябрь 2013 г.

Количество страниц для печати: 15
Количество рисунков: 5
Количество столов: 0

ISSN: 1018-1172 (печатный)
eISSN: 1423-0135 (онлайн)

Для дополнительной информации: https: // www.karger.com/JVR

Лицензия открытого доступа / Дозировка лекарства / Отказ от ответственности

Open Access License: это статья в открытом доступе под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0) (www.karger.com/OA-license-WT), применимой к онлайн-версии статьи. Только.
Дозировка лекарств: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор и дозировка лекарств, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Тем не менее, ввиду продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю настоятельно рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новый и / или редко применяемый препарат.
Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.

Митохондрии, слияние, деление | Изучайте науку в Scitable

Александр, К.и другие. OPA1, кодирующий связанную с динамином GTPase, мутирован в аутосомно-доминантная атрофия зрительного нерва, связанная с хромосомой 3q28. Nature Genetics 26 , 211–215 (2000).

Baloh, R.H. et al. Измененный аксональный митохондриальный транспорт в патогенезе болезни Шарко-Мари-Тута в результате мутации митофузина 2. Журнал Неврология 27 , 422–430 (2007) DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.4798-06.2007.

Bereiter-Hahn, J. & Voth, M. Динамика митохондрий в живых клетках: Изменения формы, дислокации, слияние и деление митохондрий. Микроскопия Исследования и техника 27 , 198–219 (1994).

Bleazard, W. et al. Связанная с динамином ГТФаза Dnm1 регулирует митохондриальную деление в дрожжах. Nature Cell Biology 1 , 298–304 (1999).

Cerveny, K. L. et al. Регуляция митохондриального слияния и деления. Тенденции in Cell Biology 17 , 563–569 (2007) DOI: 10.1016 / j.tcb.2007.08.006.

Чен, Х. и Чан, Д.С. Митохондриальная динамика — слияние, деление, движение, а митофагия — при нейродегенеративных заболеваниях. Human Molecular Генетика 18 , R169 – R176 (2009) DOI: 10,1093 / hmg / ddp326.

Чен, Х., Маккаффери, Дж. М. и Чан, Д. С. Слияние митохондрий защищает против нейродегенерации в мозжечке. Ячейка 130 , 548–562 (2007) DOI: 10.1016 / j.cell.2007.06.026.

Chen, H. et al. Слияние митохондрий необходимо для стабильности мтДНК в скелетные мышцы и толерантность к мутациям мтДНК. Ячейка 141 , 280–289 (2010) DOI: 10.1016 / j.cell.2010.02.026.

Chen, H. et al. Митофузины Mfn1 и Mfn2 координируют регуляцию митохондрий. слияние и необходимы для эмбрионального развития. Журнал клеточной биологии 160 , 189–200 (2003).

Cohen, M. M. et al. Убиквитин-протеасомозависимая деградация митофузин, критический регулятор митохондриального слияния. Молекулярная биология ячейки 19 , 2457–2464 (2008) doi: 10.1091 / mbc.E08-02-0227.

де Брито, О.М. и Скоррано, Л. Митофузин 2 скрепляет эндоплазматический ретикулум в митохондрии. Nature 456 , 605–610 (2008) 10.1038 / nature07534.

Delettre, C. et al. Ядерный ген OPA1 , кодирующий митохондриальный динамин-родственный белок, мутировавший при доминантной атрофии зрительного нерва. Nature Genetics 26 , 207–210 (2000) DOI: 10.1038 / 79936.

Detmer, S. A. и Chan, D. C. Функции и дисфункции митохондрий динамика. Nature Reviews Molecular Cell Biology 8 , 870–879 (2007). DOI: 10.1038 / nrm2275.

Detmer, S.A. et al. Дефекты походки задних конечностей из-за потери моторных аксонов и сокращение дистальных мышц в модели трансгенных мышей типа Шарко-Мари-Тута 2А. Human Molecular Genetics 17 , 367–375 (2008) DOI: 10,1093 / hmg / ddm314.

Грипарич, Л., Канадзава, T. & van der Bliek, A.M. Регуляция митохондриального динаминоподобного белок Opa1 протеолитическим расщеплением. Журнал клеточной биологии 178 , 757–764 (2007) DOI: 10.1083 / jcb.200704112.

Griparic, L. et al. Потеря белка межмембранного пространства Mgm1 / OPA1 вызывает набухание и локальные сужения по длине митохондрий. Журнал биологической химии 279 , 18792–18798 (2004).

Hales, K. G. & Fuller, M. T. Митохондриальные клетки, регулируемые в процессе развития. слияние, опосредованное консервативной новой предсказанной ГТФазой. Ячейка 90 , 121–129 (1997).

Hermann, G.J. et al.Слияние митохондрий в дрожжах требует трансмембранная ГТФаза Fzo1p. Журнал клеточной биологии 143 , 359–373 (1998).

Хоппинс, С., Лакнер, Л. и Нуннари, Дж. Машины, которые разделяют и соединяют митохондрии. Ежегодный обзор биохимии 76 , 751–780 (2007) DOI: 10.1146 / annurev.biochem.76.071905.0

Ishihara, N. et al. Регулирование морфологии митохондрий посредством протеолитическое расщепление OPA1. EMBO Journal 25 , 2966–2977 (2006) DOI: 10.1038 / sj.emboj.7601184.

Джеймс, Д. И. и др. hFis1, а новый компонент механизма деления митохондрий млекопитающих. Журнал Биологическая химия 278 , 36373–36379 (2003).

Koshiba, T. et al. Структурная основа связывания митохондрий митофузином комплексы. Наука 305 , 858–862 (2004) DOI: 10.1126 / science.1099793.

Liesa, M., Palacin, M. & Zorzano, A. Митохондриальная динамика у млекопитающих здоровье и болезнь. Физиологические обзоры 89 , 799–845 (2009) DOI: 10.1152 / Physrev.00030.2008.

Мирс, Дж. А. и Хиншоу, Дж. Э. Визуализация динаминов. Методы в Клеточная биология 88 , 237–256 (2008) DOI: 10.1016 / S0091-679X (08) 00413-5.

Meeusen, S. et al. Слияние митохондрий внутренней мембраны и криста поддержание требует связанной с динамином GTPase Mgm1. Ячейка 127 , 383–395 (2006) DOI: 10.1016 / j.cell.2006.09.021.

Misko, A. et al. Митофузин 2 необходим для транспорта аксонов. митохондрии и взаимодействует с комплексом Miro / Milton. Журнал Неврология 30 , 4232–4240 (2010) DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.6248-09.2010.

Mozdy, A. D., McCaffery, J. M. & Shaw, J. M. Опосредованная Dnm1p GTPase деление митохондрий — это многоступенчатый процесс, требующий нового интегрального мембранный компонент Fis1p. Журнал клеточной биологии 151 , 367–380 (2000).

Nunnari, J. et al. Митохондриальная передача при спаривании у Saccharomyces cerevisiae определяется митохондриальным слиянием и делением, а внутримитохондриальная сегрегация митохондриальной ДНК. Молекулярная биология Ячейка 8 , 1233–1242 (1997).

Olichon, A. et al. Потеря OPA1 нарушает внутреннюю мембрану митохондрий. структура и целостность, приводящие к высвобождению цитохрома c и апоптозу. Журнал биологической химии 278 , 7743–7746 (2003).

Otsuga, D. et al. ГТФаза, связанная с динамином, Dnm1p, контролирует митохондриальную морфология дрожжей. Journal of Cell Biology 143 , 333–349 (1998).

Poole, A.C. et al. Митохондриальный Фактор, способствующий слиянию, митофузин является субстратом пути PINK1 / parkin. PLoS Один 5 , e10054 (2010) doi: 10.1371 / journal.pone.0010054.

Santel, A. & Frank, S. Формирование митохондрий: комплекс посттрансляционная регуляция белка деления митохондрий DRP1. IUBMB Life 60 , 448–455 (2008) .doi: 10.1002 / iub.71.

Сесаки, Х. и Дженсен, Р. Е. Разделение против слияния: Dnm1p и Fzo1p антагонистически регулируют форму митохондрий. Журнал клеточной биологии 147 , 699–706 (1999).

Shaw, J. M. & Winge, D. R. Формирование митохондрии: митохондрии биогенез, динамика и дисфункция. Конференция по митохондриальной сборке и Динамика здоровья и болезней. Отчеты EMBO 10 , 1301–1305 (2009) DOI: 10.1038 / embor.2009.247.

Скулачев В.П. Митохондриальные волокна и кластеры как внутриклеточные. силовые кабели. Тенденции в биохимических науках 26 , 23–29 (2001).

Смит Д. М. Онтогенетическая история митохондрий печеночной клетки. белой крысы. Журнал морфологии и физиологии 52 , 485–512 (1931).

Суен, Д. Ф., Норрис, К. Л. и Юл, Р. Дж. Митохондриальная динамика и апоптоз. Гены и развитие 22 , 1577–1590 (2008) DOI: 10.1101 / gad.1658508.

Вестерманн, Б. Слияние митохондрий: клеточная роль и молекулярная механизм митохондриального слияния. Отчеты EMBO 3 , 527–531 (2002).

Вестерманн, Б. Митохондриальная динамика в модельных организмах: какие дрожжи, черви и мухи научили нас слиянию и делению митохондрий. Семинары в области клеточной биологии и развития 21 , 542–549 (2010) DOI: 10.1016 / j.semcdb.2009.12.003.

Вестерманн, Б. Молекулярный аппарат митохондриального слияния и деления. Журнал биологической химии 283 , 13501–13505 (2008) DOI: 10.1074 / jbc.R800011200.

Wong, E. D. et al. Связанная с динамином GTPase, Mgm1p, является межмембранной космический белок, необходимый для поддержания слияния компетентных митохондрий. Журнал клеточной биологии 151 , 341–352 (2000).

Yoon, Y. et al. Митохондриальный белок hFis1 регулирует деление митохондрий. в клетках млекопитающих за счет взаимодействия с динаминоподобным белком DLP1. Молекулярный и клеточная биология 23 , 5409–5420 (2003).

Ziviani, E., Tao, R. N. & Whitworth, A. J. Drosophila parkin требуется PINK1 для митохондриальной транслокации и убиквитинирует митофузин. PNAS 107 , 5018–5023 (2010) DOI: 10.1073 / pnas.0913485107.

Zuchner, S. et al. Мутации в митохондриальной ГТФазе митофузин 2 вызывает невропатию Шарко-Мари-Тута 2А типа. Nature Genetics 36 , 449–451 (2004).

Митохондрии — функции, структура и схема

Введение

Митохондрии — это электростанция клетки, которая производит энергию. Это мембраносвязанная органелла, присутствующая в цитоплазме клетки эукариотических организмов, которая синтезирует энергетические молекулы в форме АТФ, который используется клеткой. Гипотетически считается, что митохондрии возникли как прокариотические клетки, подобные бактериям. Они были способны к окислительным механизмам. В ходе эволюции они начали жить как эндосимбионты внутри клетки прокариот.

Митохондрии содержат фрагменты генетической информации в виде ДНК и могут размножаться самостоятельно путем деления.

Что такое митохондрия?

Митохондрия — это органелла с двойной мембраной, которая находится в цитоплазме большинства клеток большинства эукариотических организмов. Этот небольшой центр выработки энергии переваривает питательные вещества и высвобождает химическую энергию в клетке в форме АТФ-аденозинтрифосфата. Помимо выработки молекул АТФ, митохондрии также регулируют рост и гибель клеток, они сигнализируют клеткам и выделяют тепло.Он играет важную роль в клеточном дыхании. Анаэробная ферментация — это еще один процесс, с помощью которого в организме вырабатывается АТФ, но анаэробная ферментация не происходит в митохондриях. Митохондриям обязательно нужны кислород и глюкоза для выработки АТФ. Энергия, генерируемая в ходе этого процесса, больше, чем энергия, генерируемая анаэробной ферментацией.

Строение митохондрий

Митохондрии у животных имеют округлую или овальную форму и связаны двойной мембраной. Эти мембраны состоят из фосфолипидных бислоев и белков.Различные части митохондрий в животной клетке:

a) Наружная мембрана. Наружная мембрана удерживает внутренние органеллы неповрежденными и на месте. Он состоит из бислоя белков и фосфолипидов. Наружная мембрана содержит ферменты, участвующие в различных видах деятельности. Этот слой также проницаем для макромолекул, так что ионы, АТФ, АДФ и т. Д. Могут легко проходить через эту мембрану.

c) Межмембранное пространство. Пространство между внешней и внутренней мембранами является межмембранным пространством.Это пространство также состоит из небольших молекул, таких как ионы и сахара, поскольку окружающая его внешняя мембрана проницаема для этих молекул.

б) Внутренняя мембрана. Внутренняя мембрана митохондрий состоит из белков, которые выполняют различные функции. В нем также есть необходимые ферменты, которые катализируют процессы, необходимые для производства АТФ. Внутренняя мембрана митохондрий проницаема для кислорода, углекислого газа и воды. Внутренняя митохондриальная мембрана является основным местом генерации АТФ.Внутренняя митохондриальная мембрана имеет несколько складок, называемых кристами, для увеличения площади поверхности.

г) Кристы — Внутренняя мембрана митохондрий сложена в несколько складок. Эти складки называются кристами. Кристы увеличивают площадь поверхности внутри митохондриальной мембраны, чтобы эффективно генерировать молекулы АТФ. Чем больше поверхность, тем больше места для выполнения клеточных функций. К поверхности крист прикреплены оксисомы, которые способствуют осмосу ионов.Во внутренней мембране на поверхности крист происходит множество химических реакций.

д) Матрица. Пространство во внутренней мембране помимо гребешков — это матрица. Он текучий и содержит белки, рибосомы, ферменты, тРНК и геномную ДНК. Благодаря наличию генетического материала митохондриальная матрица может синтезировать собственную РНК и белки. Синтез АТФ был бы неполным без ферментов матрицы, которые помогают наиболее важным химическим циклам.

Функции митохондрий

Основная функция митохондрий — производить энергию.Это электростанция, на которой питательные вещества в результате химического процесса превращаются в АТФ. Другая важная роль митохондрий — это обмен веществ в клетках. Через клеточный метаболизм осуществляются три основных процесса.

1. Преобразование пищи в энергию

2. Преобразование пищи в молекулы, которые необходимы для организма, такие как белки, углеводы и т. Д.

3. Удаление отходов.

Митохондрии также отвечают за рост и размножение клеток.Когда орган, выполняющий определенную задачу, испытывает слишком большую нагрузку, митохондрии размножаются сами по себе, чтобы более эффективно выполнять свою задачу.

Он также играет важную роль в апоптозе или клеточном самоубийстве. Во время апоптоза клетка умирает не от повреждения, а в результате ряда химических реакций, ведущих к уничтожению клетки.

Он также отвечает за гомеостаз за счет производства тепла. Это произошло в процессе митохондриального разобщения, при котором повторно введенные протоны в матрицу не превращаются в АТФ.

Он накапливает ионы кальция, помогая клеткам передавать сигналы. Свободный кальций регулирует ряд химических реакций в клетке, и, таким образом, митохондрии регулируют передачу сигналов в клетке.

Помимо этого, митохондрии регулируют клеточную дифференцировку и клеточное старение или прекращение клеточного деления.

Факты о митохондриях

Митохондрии представляют собой бесцветные органеллы; поэтому их нельзя увидеть под микроскопом, если они не окрашены. Итак, Ричард Альтман использовал и красил эти органеллы, наблюдал их под микроскопом и объяснил, что эти структуры являются основными единицами клеточной активности.В 1898 году Карл Бенда ввел термин «митохондрии» для этих органелл.

В красных кровяных тельцах или эритроцитах отсутствуют митохондрии. Поскольку эритроциты не используют кислород, который они переносят в организме, они не обладают митохондриями. Вместо этого они получают энергию в результате другого химического процесса, называемого гликолизом.

Митохондрии имеют много общих черт с бактериями.

Синтез митохондриального белка | Study.com

Синтез митохондриального белка

Прежде чем мы обсудим, как образуются митохондриальные белки, давайте заложим основу с небольшой клеточной терминологией.

Большинство митохондриальных белков, до 99%, производятся вне самой митохондрии, в жидкой цитоплазме , заполняющей всю клетку. Митохондрии плавают в этой цитоплазме вместе с остальными органеллами, которые обеспечивают бесперебойную работу клетки.

Другие митохондриальные белки образуются внутри митохондрии, внутри заполненного жидкостью внутреннего отсека органеллы, известного как митохондриальная матрица .Матрикс содержит складки и карманы, называемые кристами , в которых происходят химические реакции внутри митохондрии. Митохондрии окружают внутренняя мембрана и внешняя мембрана . Тонкое пространство между внутренней и внешней митохондриальной мембраной известно как межмембранное пространство .

Белки, которые образуются вне митохондрии в клеточной цитоплазме, подвергаются процессу трансляции из матричной РНК в отдельные аминокислоты, составляющие белковую цепь.Затем эти белки доставляются в митохондрии через специальные клеточные сигналы, которые сопоставляют белки с поверхностью внешней мембраны.

С поверхности белки взаимодействуют с белком, называемым транслоказой , который сортирует белки по направлению к их конечному месту назначения внутри митохондрии. Экстра-митохондриальные белки могут в конечном итоге складываться во внешнюю или внутреннюю мембраны, захватываться внутри межмембранного пространства или сортироваться во внутренней матрице митохондрии.

Внутри митохондрии производится лишь небольшая часть белков. Этих матричных белков может быть немного, но они выполняют важные функции внутри органелл. Части митохондриальных рибосом , небольших комплексов РНК и белка, которые переводят митохондриальную РНК в белки, образуются внутри митохондрии. Другой важный белок, образующийся в митохондриях, — это часть белкового комплекса, вырабатывающего АТФ, известного как АТФ-синтаза .

Функция митохондриального белка

В некоторых дрожжах для правильного функционирования митохондрий кодируется более тысячи белков. Большая часть этих белков транспортируется из цитоплазмы дрожжей в митохондрии клетки. Около 25% этих белков экспрессируют и поддерживают части ДНК в митохондриальном геноме. Фактически, содержание генов, по-видимому, в значительной степени сосредоточено на поддержании целостности небольшого процента белков, которые вырабатываются в митохондриальном матриксе.

Перемещение белков через клеточные мембраны и сворачивание белков координируются примерно 10% белков в том же примере с дрожжами. Функция около 20% митохондриальных белков до сих пор неизвестна.

Резюме урока

Митохондрии (единственное число митохондрия ) — это электростанции клетки, действующие как батареи, обеспечивающие организм энергией, необходимой для выживания. Без способности производить или синтезировать белков , эти важные органелл перестали бы функционировать.Митохондрии используют белки для расщепления сахаров и выработки клеточной энергии в виде АТФ .

Безусловно, большинство митохондриальных белков, около 99%, производятся вне митохондрий в цитоплазме клетки . Затем эти белки транспортируются во внешнюю мембрану , внутреннюю мембрану , межмембранное пространство или матрицу митохондрий. Специализированный белок, известный как транслоказа , помогает сортировать и распределять поступающие цитоплазматические белки.

Небольшое, но важное количество белков также производится в митохондриальной матрице , где они используются в ряде критических митохондриальных функций, таких как создание АТФ и митохондриальных рибсосом .

При исследовании митохондриальных белков дрожжей 25% белков, синтезируемых в цитоплазме, продолжали функционировать в экспрессии генов и поддержании ДНК. Большая часть поддержки ДНК и белков внутри клетки, по-видимому, сосредоточена на поддержании синтезируемых внутри клеток белков в наилучшей форме, поскольку их очень мало, но они очень важны для функции митохондрий.

Независимо от того, где производятся митохондриальные белки, они синтезируются на рибосомах, которые переводят информационную РНК в аминокислоты, образующие белковые цепи. Большинство белков в митохондриях участвуют в регуляции генома, поддержании ДНК и поддержании небольшого процента внутренних митохондриальных белков.

Эти крошечные батарейки клетки не смогли бы функционировать без сочетания внешнего и внутреннего синтеза митохондриального белка.Вместе широкий спектр белков поддерживает работу этих электростанций клетки в отличной форме, поэтому вся клетка в целом может продолжать функционировать.

Митохондрии — электростанции клеток — Science Learning Hub

Митохондрии — это крошечные органеллы внутри клеток, которые участвуют в высвобождении энергии из пищи.

Этот процесс известен как клеточное дыхание. Именно по этой причине митохондрии часто называют электростанциями клетки. Клетки, которым требуется много энергии, например мышечные клетки, могут содержать тысячи митохондрий.

Помимо клеточного дыхания, митохондрии также играют ключевую роль в процессе старения, а также в возникновении дегенеративных заболеваний.

Функция электростанции

Когда продукты разложения в результате переваривания пищи попадают в клетку, в цитоплазме происходит ряд химических реакций. Это позволяет высвободить часть энергии, заключенной в этих продуктах, и включить ее в универсальный поставщик энергии в клетках, известный как АТФ (аденозинтрифосфат).

Остающиеся в результате этого процесса молекулярные фрагменты затем попадают в митохондрии и в результате сложной серии этапов, наконец, превращаются в диоксид углерода и воду. Энергия, заключенная в этих фрагментах, включается в большее количество АТФ.

Молекулы АТФ, полученные таким образом, затем могут использоваться клеткой для обеспечения энергии, необходимой для функционирования. АТФ → АДФ + P + энергия для функционирования.

Общая химическая реакция, которая происходит при расщеплении глюкозы:

Было подсчитано, что у среднего человека оборот Скорость (скорость производства и потребления АТФ) составляет 65 кг в день.

Человеческое тело — фантастически энергичная машина. Было подсчитано, что, килограмм на килограмм, человеческое тело, когда он удобно сидит, каждую секунду преобразует в 10 000 раз больше энергии, чем Солнце!

Свободные радикалы: побочный продукт дыхания

Во время клеточного дыхания в митохондриях образуются высокореактивные молекулы, называемые свободными радикалами. Возможно, самый известный свободный радикал, образующийся таким образом, — это супероксидный радикал, O ₂ ^— .

Свободные радикалы потенциально могут очень сильно повредить компоненты клетки, такие как белки и генетический материал, такой как ДНК и РНК. Если в митохондриях выделяется слишком много свободных радикалов, повреждение может быть серьезным, что в конечном итоге приведет к гибели клетки. Для защиты от повреждения свободными радикалами митохондрии вырабатывают собственные антиоксидантные ферменты. Один из таких ферментов известен как супероксиддисмутаза или СОД.

Хотя свободные радикалы наносят вред, они играют важную сигнальную роль.Ученые теперь полагают, что митохондрии управляют механизмом чувствительной обратной связи, в котором некоторые из свободных радикалов сами действуют как сигналы для клетки, заставляя ее калибровать и регулировать клеточное дыхание, поэтому полное их удаление вредно для клетки.

Антиоксиданты в митохондриях

Было показано, что химические вещества, присутствующие в некоторых фруктах и ​​овощах, обладают антиоксидантной активностью. Это означает, что в лабораторных исследованиях они могут нейтрализовать свободные радикалы. Считалось, что употребление этих продуктов или экстрактов из них поможет организму удалить вредные свободные радикалы.

Недавние исследования показывают, что антиоксиданты работают в организме иначе, чем в лабораторных условиях. Сейчас считается, что некоторые антиоксиданты, в частности класс растительных химикатов, известный как полифенолы, оказывают прямое воздействие на митохондрии. Похоже, что они стимулируют митохондрии, чтобы они могли более эффективно генерировать энергию из пищи, поэтому они генерируют меньше свободных радикалов и быстрее их нейтрализуют. Как будто функционирование митохондрий «настраивается» этими полифенолами — эффект, аналогичный тому, который вызывается в митохондриях при физической нагрузке.

Узнайте больше об антиоксидантах.

Поддержание здоровых митохондрий

Если митохондрии не функционируют эффективно, их способность производить энергию снижается, больше свободных радикалов ускользает, вызывая повреждение клетки и может последовать ранняя гибель клетки.

Исследования последних лет показывают, что здоровье митохондрий во многом зависит от образа жизни и диеты. Чрезмерное потребление сладких продуктов и напитков снижает митохондриальную эффективность.Недостаток упражнений уменьшает количество митохондрий в активных клетках, таких как мышцы, и они становятся неэффективными, просачивая в клетку больше свободных радикалов.