Строение и функции клетки митохондрии: Строение митохондрии и их функции в таблице

Учёные обнаружили сложные микроорганизмы с ядром и другими признаками строения эукариотов, у которых при этом отсутствует одна из главных составляющих – митохондрии. Это первые эукариоты с таким строением, обнаруженные биологами.

Эукариотическими организмами называют те организмы, клетки которых содержат ядро (в котором находится генетический аппарат), и особые органеллы, размножающиеся делением и окружённые мембраной — митохондрии и пластиды.

По своему строению (у них даже есть своя ДНК) и жизнедеятельности эти органеллы так похожи на бактерий, что учёные решили – они и являются потомками бактерий, вступившими в симбиотические отношения с эукариотами. Митохондрии работают энергетическими станциями клетки; их основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза аденозинтрифосфата и выработки тепла.

Кроме эукариот, существуют прокариоты – одноклеточные живые организмы, у которых нет ядра и большинства органелл, включая митохондрий. В результате, все клеточные организмы поделены на эукариоты (с ядром и митохондриями) и прокариоты (без них). Но теперь, похоже, учёным придётся переписывать учебники биологии.

«Митохондрии рассматривались как необходимые составляющие эукариотических клеток и самим признаком таких клеток»,- делится наблюдениями Анна Карнковская, исследователь эволюционной биологии в Университете Британской Колумбии.

Учёные давно пытались найти сложные клеточные организмы, лишённые митохондрий, и один раз им даже показалось, что они нашли такой организм – это были лямблии, кишечные паразиты, живущие в кишечнике у человека и птиц. Однако вскоре выяснилось, что хотя они лишены митохондрий и аппарата Гольджи, у них есть рудиментарные митохондрии — митосомы, имеющие двойную мембрану и снабжаемые белками тем же способом, что и митохондрии, но лишённые генетического материала.

Одна из основных функций митохондрий – сборка железосерных кластеров для определённых белков. Так что, даже если микроб получает энергию каким-то экзотическим способом, и у него есть некие органеллы, которые не похожи на митохондрии людей – это всё равно будут митохондрии.

Так что исследователи искали именно такие, рудиментарные органеллы, выполняющие функции митохондрий, в новом микробе, выделенном из кишечной микрофлоры шиншиллы. Но после расшифровки ДНК оказалось, что микроорганизм не производит вообще никаких митохондриальных белков. «Это было для нас огромным сюрпризом,- поясняет Анна. – В теории такая ситуация должна была просто убить эту клетку – она не должна существовать».

Судя по всему, микроорганизмы используют другой механизм для сборки железосерных кластеров, который они переняли у бактерий. При этом учёные уверены, что эти микроорганизмы не являются переходным звеном между прокариотами и эукариотами, а просто демонстрируют нам, насколько гибкой может быть жизнь.

«Они живут в среде при отсутствии кислорода, и поэтому им не нужна та сложная химия, которая нужна нам с вами для выживания наших клеток,- поясняет Марк ван дер Гизен, исследователь в области эволюционной биохимии Эксетерского университета. – Этот организм сумел приспособиться к среде, утеряв органеллу, которая в любом учебнике представлена неотъемлемым свойством эукариот. Это удивительно. Это показывает, насколько творчески подходит жизнь к тому, чтобы продлить своё существование».

Исследование опубликовано в журнале Current Biology

Mitochondria — The Cell — NCBI Bookshelf

Митохондрии играют решающую роль в выработке метаболической энергии в эукариотических клетках. Как уже говорилось в главе 2, они ответственны за большую часть полезной энергии, получаемой при расщеплении углеводов и жирных кислот, которая в процессе окислительного фосфорилирования превращается в АТФ. Большинство митохондриальных белков транслируются на свободных цитозольных рибосомах и импортируются в органеллы с помощью специфических сигналов-мишеней. Кроме того, митохондрии уникальны среди уже рассмотренных цитоплазматических органелл тем, что содержат собственную ДНК, которая кодирует тРНК, рРНК и некоторые митохондриальные белки.Таким образом, в сборке митохондрий участвуют белки, кодируемые их собственными геномами и транслируемые внутри органеллы, а также белки, кодируемые ядерным геномом и импортируемые из цитозоля.

Организация и функция митохондрий

Митохондрии окружены двойной мембранной системой, состоящей из внутренней и внешней митохондриальных мембран, разделенных межмембранным пространством (). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки ( cristae ), которые простираются внутрь (или в матрикс) органеллы.Каждый из этих компонентов играет различные функциональные роли, при этом матрикс и внутренняя мембрана представляют собой основные рабочие отсеки митохондрий.

Рисунок 10.1

Строение митохондрии. Митохондрии ограничены двойной мембранной системой, состоящей из внутренней и внешней мембран. Складки внутренней мембраны (кристы) вдаются в матрикс. (Микрофотография K. R. Porter/Photo Researchers, Inc.)

Матрица содержит митохондриальную генетическую систему, а также ферменты, ответственные за центральные реакции окислительного метаболизма ().Как обсуждалось в главе 2, окислительный распад глюкозы и жирных кислот является основным источником метаболической энергии в клетках животных. Начальные стадии метаболизма глюкозы (гликолиз) происходят в цитозоле, где глюкоза превращается в пируват (см.). Затем пируват транспортируется в митохондрии, где его полное окисление до CO ₂ дает большую часть полезной энергии (АТФ), полученной в результате метаболизма глюкозы. Это включает первоначальное окисление пирувата до ацетил-КоА, который затем расщепляется до CO ₂ посредством цикла лимонной кислоты (см. и ).Окисление жирных кислот также дает ацетил-КоА (см. ), который аналогичным образом метаболизируется в цикле лимонной кислоты в митохондриях. Таким образом, ферменты цикла лимонной кислоты (расположенные в матриксе митохондрий) играют центральную роль в окислительном расщеплении как углеводов, так и жирных кислот.

Рисунок 10.2

Метаболизм в матриксе митохондрий. Пируват и жирные кислоты импортируются из цитозоля и превращаются в ацетил-КоА в митохондриальном матриксе. Затем ацетил-КоА окисляется до CO ₂ через цикл лимонной кислоты, центральный путь окислительного метаболизма. (подробнее…)

Окисление ацетил-КоА до СО ₂ сопряжено с восстановлением НАД ⁺ и ФАД до НАДН и ФАДН ₂ соответственно. Большая часть энергии, полученной в результате окислительного метаболизма, затем производится в процессе окислительного фосфорилирования (подробно обсуждается в следующем разделе), которое происходит во внутренней митохондриальной мембране. Высокоэнергетические электроны от NADH и FADH ₂ переносятся через ряд переносчиков в мембране к молекулярному кислороду.Энергия, полученная в результате этих реакций переноса электронов, преобразуется в потенциальную энергию, хранящуюся в градиенте протонов через мембрану, которая затем используется для запуска синтеза АТФ. Таким образом, внутренняя митохондриальная мембрана представляет собой основное место образования АТФ, и эта важная роль отражена в ее структуре. Во-первых, площадь его поверхности существенно увеличивается за счет складывания в кристы. Кроме того, внутренняя митохондриальная мембрана содержит необычно высокий процент (более 70%) белков, которые участвуют в окислительном фосфорилировании, а также в транспорте метаболитов (напр. г., пируват и жирные кислоты) между цитозолем и митохондриями. В противном случае внутренняя мембрана непроницаема для большинства ионов и малых молекул — свойство, имеющее решающее значение для поддержания протонного градиента, который запускает окислительное фосфорилирование.

В отличие от внутренней мембраны, внешняя митохондриальная мембрана свободно проницаема для малых молекул. Это связано с тем, что он содержит белки, называемые поринами , которые образуют каналы, обеспечивающие свободную диффузию молекул размером менее 6000 дальтон.Таким образом, состав межмембранного пространства подобен цитозолю в отношении ионов и малых молекул. Следовательно, внутренняя митохондриальная мембрана является функциональным барьером для прохождения малых молекул между цитозолем и матриксом и поддерживает протонный градиент, который запускает окислительное фосфорилирование.

Генетическая система митохондрий

Митохондрии содержат собственную генетическую систему, которая отделена от ядерного генома клетки. Как было рассмотрено в главе 1, считается, что митохондрии произошли от бактерий, которые развили симбиотические отношения, в которых они жили внутри более крупных клеток (эндосимбиоз). Эта гипотеза недавно была подтверждена результатами анализа последовательности ДНК, которые выявили поразительное сходство между геномами митохондрий и бактерии Rickettsia prowazekii . Rickettsia — это внутриклеточные паразиты, которые, подобно митохондриям, способны воспроизводиться только в эукариотических клетках.В соответствии с их схожим симбиотическим образом жизни, последовательности геномной ДНК Rickettsia и митохондрий предполагают, что они имеют общего предка, от которого развилась генетическая система современных митохондрий.

Митохондриальные геномы обычно представляют собой кольцевые молекулы ДНК, как и у бактерий, которые присутствуют во множестве копий на органеллу. Они значительно различаются по размеру у разных видов. Геномы митохондрий человека и большинства других животных имеют размер всего около 16 т. п.н., но значительно большие митохондриальные геномы обнаружены у дрожжей (примерно 80 т.п.н.) и растений (более 200 т.п.н.).Однако эти более крупные митохондриальные геномы состоят преимущественно из некодирующих последовательностей и, по-видимому, не содержат значительно большего количества генетической информации. Например, самый большой секвенированный митохондриальный геном принадлежит растению Arabidopsis thaliana . Хотя митохондриальная ДНК Arabidopsis составляет приблизительно 367 т.п.н., она кодирует только 32 белка: чуть более чем в два раза больше, чем митохондриальная ДНК человека. Наибольшее количество митохондриальных генов обнаружено в митохондриальной ДНК простейшего Reclinomonas americana , которая составляет 69 т.п.н. и содержит 97 генов.Митохондриальный геном Reclinomonas , по-видимому, больше напоминает бактериальный геном, из которого произошли митохондрии, чем большинство современных митохондриальных геномов, которые кодируют лишь небольшое количество белков, являющихся важными компонентами системы окислительного фосфорилирования. Кроме того, митохондриальные геномы кодируют все рибосомные РНК и большинство транспортных РНК, необходимых для трансляции этих кодирующих белок последовательностей в митохондриях. Другие митохондриальные белки кодируются ядерными генами, которые, как полагают, были перенесены в ядро ​​из предкового митохондриального генома.

Митохондриальный геном человека кодирует 13 белков, участвующих в транспорте электронов и окислительном фосфорилировании (). Кроме того, митохондриальная ДНК человека кодирует 16S и 12S рРНК и 22 тРНК, которые необходимы для трансляции белков, кодируемых геномом органеллы. Две рРНК являются единственными РНК-компонентами митохондриальных рибосом животных и дрожжей, в отличие от трех рРНК бактериальных рибосом (23S, 16S и 5S). Однако митохондриальные ДНК растений также кодируют третью рРНК 5S.Митохондрии растений и простейших также различаются по импорту и использованию тРНК, кодируемых как ядерным, так и митохондриальным геномом, тогда как в митохондриях животных все тРНК кодируются органеллой.

Рисунок 10.3

Митохондриальный геном человека. Геном содержит 13 белоккодирующих последовательностей, которые обозначены как компоненты дыхательных комплексов I, III, IV или V. Кроме того, геном содержит гены 12S и 16S рРНК и 22 тРНК, которые обозначены (подробнее…)

Небольшое количество тРНК, кодируемых митохондриальным геномом, подчеркивает важную особенность митохондриальной генетической системы — использование несколько иного генетического кода, отличного от «универсального» генетического кода, которым пользуются как прокариотические, так и эукариотические клетки (). Как обсуждалось в главе 3, существует 64 возможных триплетных кодона, 61 из которых кодирует 20 различных аминокислот, входящих в состав белков (см. табл. 3.1). Многие тРНК как в прокариотических, так и в эукариотических клетках способны распознавать более одного кодона в мРНК из-за «колебания», которое допускает некоторое неправильное спаривание между антикодоном тРНК и третьим положением некоторых комплементарных кодонов (см. Однако для трансляции универсального кода в соответствии с правилами колебания требуется не менее 30 различных тРНК. Тем не менее, митохондриальная ДНК человека кодирует только 22 вида тРНК, и это единственные тРНК, используемые для трансляции митохондриальных мРНК. Это достигается крайней формой колебания, при которой U в антикодоне тРНК может спариваться с любым из четырех оснований в третьем положении кодона мРНК, позволяя одной тРНК распознавать четыре кодона. Кроме того, некоторые кодоны определяют в митохондриях другие аминокислоты, чем в универсальном коде.

Таблица 10.1

Различия между универсальным и митохондриальным генетическими кодами.

Как и ДНК ядерных геномов, митохондриальная ДНК может быть изменена мутациями, которые часто вредны для органеллы. Поскольку почти все митохондрии оплодотворенных яйцеклеток формируются ооцитом, а не спермой, мутации зародышевой линии в митохондриальной ДНК передаются следующему поколению от матери. Такие мутации связаны с рядом заболеваний. Например, наследственная оптическая невропатия Лебера, заболевание, приводящее к слепоте, может быть вызвано мутациями в митохондриальных генах, кодирующих компоненты цепи переноса электронов. Кроме того, было высказано предположение, что прогрессирующее накопление мутаций в митохондриальной ДНК в течение жизни людей способствует процессу старения.

Импорт белков и митохондриальная сборка

В отличие от РНК-компонентов митохондриального аппарата трансляции (рРНК и тРНК), большинство митохондриальных геномов не кодируют белки, необходимые для репликации, транскрипции или трансляции ДНК.Вместо этого гены, кодирующие белки, необходимые для репликации и экспрессии митохондриальной ДНК, содержатся в ядре. Кроме того, ядро ​​содержит гены, кодирующие большинство митохондриальных белков, необходимых для окислительного фосфорилирования, и все ферменты, участвующие в митохондриальном метаболизме (например, ферменты цикла лимонной кислоты). Белки, кодируемые этими генами (более 95% митохондриальных белков), синтезируются на свободных цитозольных рибосомах и импортируются в митохондрии в виде законченных полипептидных цепей. Из-за двухмембранной структуры митохондрий импорт белков значительно сложнее, чем перенос полипептида через одиночный фосфолипидный бислой. Белки, нацеленные на матрикс, должны пересекать как внутреннюю, так и внешнюю митохондриальные мембраны, в то время как другие белки должны быть отсортированы по отдельным компартментам внутри органеллы (например, межмембранное пространство).

Импорт белков в матрикс является наиболее изученным аспектом сортировки митохондриальных белков ().Большинство белков нацелены на митохондрии с помощью амино-концевых последовательностей из 20-35 аминокислот (называемых препоследовательностями ), которые удаляются протеолитическим расщеплением после их импорта в органеллу. Препоследовательности митохондриальных белков, впервые описанные Готфридом Шацем, содержат множество положительно заряженных аминокислотных остатков, обычно в амфипатической α-спирали. Первым шагом в импорте белков является связывание этих препоследовательностей с рецепторами на поверхности митохондрий. Затем полипептидные цепи встраиваются в белковый комплекс, который направляет транслокацию через внешнюю мембрану (транслоказа внешней мембраны или комплекс Тома). Затем белки переносятся во второй белковый комплекс внутренней мембраны (транслоказу внутренней мембраны или комплекс Тима). Для непрерывной транслокации белка требуется электрохимический потенциал, устанавливаемый на внутренней митохондриальной мембране во время переноса электронов. Как обсуждается в следующем разделе этой главы, перенос высокоэнергетических электронов от NADH и FADH ₂ к молекулярному кислороду связан с переносом протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство.Поскольку протоны являются заряженными частицами, этот перенос создает электрический потенциал на внутренней мембране, а матрица является отрицательной. Во время импорта белка этот электрический потенциал управляет перемещением положительно заряженной препоследовательности.

Рисунок 10.4

Импорт белков в митохондрии. Белки направляются в митохондрии с помощью амино-концевой последовательности, содержащей положительно заряженные аминокислоты. Белки поддерживаются в частично развернутом состоянии за счет ассоциации с цитозольным Hsp70 и (больше…)

Для перемещения через митохондриальную мембрану белки должны быть хотя бы частично развернуты. Следовательно, импорт белка в митохондрии требует молекулярных шаперонов в дополнение к мембранным белкам, участвующим в транслокации (see). На цитозольной стороне члены семейства шаперонов Hsp70 поддерживают белки в частично развернутом состоянии, так что они могут быть встроены в митохондриальную мембрану. Когда они пересекают внутреннюю мембрану, развернутые полипептидные цепи связываются с другим членом семейства Hsp70, который связан с комплексом Tim и действует как двигатель, который управляет импортом белка.Затем полипептид переносится на шаперон семейства Hsp60 (шаперонин), внутри которого происходит сворачивание белка. Поскольку эти взаимодействия полипептидных цепей с молекулярными шаперонами зависят от АТФ, для импорта белка требуется АТФ как снаружи, так и внутри митохондрий, в дополнение к электрическому потенциалу на внутренней мембране.

Как отмечалось выше, некоторые митохондриальные белки нацелены на внешнюю мембрану, внутреннюю мембрану или межмембранное пространство, а не на матрикс, поэтому необходимы дополнительные механизмы для направления этих белков в правильный субмитохондриальный компартмент.Эти белки направляются к месту назначения с помощью второго сортировочного сигнала, следующего за положительно заряженной предварительной последовательностью, которая направляет митохондриальный импорт. Нацеливание белков на митохондриальные мембраны, по-видимому, опосредовано гидрофобными последовательностями остановки-переноса, которые останавливают транслокацию полипептидных цепей через комплексы Тима или Тома, что приводит к их встраиванию во внутреннюю или внешнюю митохондриальные мембраны соответственно. Белки могут направляться в межмембранное пространство с помощью нескольких разных механизмов (14).Некоторые белки переносятся через внешнюю мембрану через комплекс Тома, но затем высвобождаются в межмембранном пространстве вместо переноса в комплекс Тима. Другие белки переносятся в комплекс Tim, но затем высвобождаются в межмембранное пространство в результате расщепления гидрофобных стоп-трансферных последовательностей. Другие белки могут быть полностью импортированы в митохондриальный матрикс, а затем экспортированы обратно через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.

Рисунок 10.5

Вставка белков митохондриальной мембраны. Белки, нацеленные на митохондриальные мембраны, содержат гидрофобные последовательности остановки-переноса, которые останавливают их транслокацию через комплексы Тома или Тима и приводят к их включению во внешнее или (подробнее…)

Рисунок 10.6

Сортировка белков в межмембранное пространство. Белки могут направляться в межмембранное пространство с помощью нескольких механизмов. Некоторые белки (I) транслоцируются через комплекс Тома и высвобождаются в межмембранное пространство.Другие белки (II) переносятся (подробнее…)

Из цитозоля импортируются не только белки, но и фосфолипиды митохондриальных мембран. В клетках животных фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин синтезируются в ER и переносятся в митохондрии белками-переносчиками фосфолипидов, которые извлекают отдельные молекулы фосфолипидов из мембран ER. Затем липид может транспортироваться через водную среду цитозоля, скрываться в месте гидрофобного связывания белка и высвобождаться, когда комплекс достигает новой мембраны, такой как мембрана митохондрий.Затем митохондрии синтезируют фосфатидилсерин из фосфатидилэтаноламина, в дополнение к катализу синтеза необычного фосфолипида кардиолипина, который содержит четыре цепи жирных кислот (4).

Рисунок 10.7

Структура кардиолипина. Кардиолипин представляет собой необычный «двойной» фосфолипид, содержащий четыре цепи жирных кислот, который в основном обнаруживается во внутренней митохондриальной мембране.

Коробка

Молекулярная медицина: Болезни митохондрий: Наследственная нейропатия зрительного нерва Лебера.

Митохондриальная форма и функция

Природа. Авторская рукопись; Доступно в PMC 2014 30 июня.

Опубликовано в окончательной редактированной форме AS:

PMCID: PMC4075653

NIHMSID: NIHMS5

Джонатан Р. Фридман

¹ Департамент молекулярной и сотовой биологии, колледж биологических наук , Калифорнийский университет, Дэвис, Калифорния 95616, США

Джоди Нуннари

¹ Кафедра молекулярной и клеточной биологии, Колледж биологических наук, Калифорнийский университет, Дэвис, Калифорния 95616, США

¹ Факультет молекулярной и клеточной биологии, Колледж биологических наук, Калифорнийский университет, Дэвис, Калифорния 95616, США

Abstract

Митохондрии являются одной из основных древних эндомембранных систем эукариотических клеток. Благодаря своей способности производить АТФ посредством дыхания они стали движущей силой эволюции. Важным шагом в процессе эукариотической эволюции стало резкое уменьшение размера митохондриальной хромосомы и радикальное изменение поведения митохондрий внутри эукариотических клеток. Недавние достижения показали, как эволюционировало поведение органеллы, чтобы обеспечить точную передачу своего генома и реагировать на потребности клетки и ее собственную дисфункцию.

Митохондрии возникли около двух миллиардов лет назад в результате поглощения α-протеобактерии предшественником современной эукариотической клетки ¹ . Хотя митохондрии сохранили двухмембранный характер своих предков и ядро ​​производства АТФ, их общая форма и состав резко изменились, и они приобрели множество дополнительных функций внутри клетки. Как часть процесса приобретения новых функций в ходе эволюции, большая часть геномного материала предшественника α-протеобактерий была быстро утрачена или перенесена в ядерный геном ² .То, что остается в клетках человека, представляет собой небольшой кольцевой геном размером примерно 16 тысяч оснований, который присутствует в клетках в значительном избытке копий по сравнению с ядерными хромосомами.

Митохондриальный геном человека содержит информацию о генетическом кодировании 13 белков, которые являются основными составляющими митохондриальных дыхательных комплексов I–IV, встроенных во внутреннюю мембрану. Функционируя вместе с циклом Кребса в матриксе, дыхательная цепь создает электрохимический градиент за счет сопряженного переноса электронов на кислород и транспорта протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство.Электрохимический градиент приводит в действие терминальный комплекс V цепи, АТФ-синтазу, которая представляет собой древнюю вращающуюся турбинную машину, катализирующую синтез большей части клеточного АТФ. Электрохимический потенциал используется для дополнительных важных митохондриальных функций, таких как буферизация сигнального иона Ca ²⁺ посредством поглощения uniporter во внутренней мембране ^3,4 . Снижение электрохимического потенциала митохондрий в клетках развилось как показатель функционального статуса митохондрий, который, как обсуждается позже, создает сигналы для активации путей, которые восстанавливают и/или устраняют дефектные митохондрии.

Благодаря сочетанию протеомики, геномики и биоинформатики мы знаем, что современные митохондрии состоят из более чем 1000 белков; состав является пластичным по своей природе, меняющимся в зависимости от вида и между видами в ответ на клеточные и тканеспецифические потребности организма ^5–7 . Происхождение митохондриального протеома представляет собой смесь «старых» бактериальных и «новых» эукариотических белков ² . Например, машины репликации и транскрипции митохондриальной ДНК (мтДНК) имеют отчетливое эволюционное происхождение от бактериофага ^8–10 , тогда как митохондриальная машина трансляции имеет явное эволюционное родство с бактериями ¹¹ .Помимо белковых компонентов, митохондриальный геном кодирует 22 транспортные РНК и 2 митохондриальные РНК, кодирующие рибосомы, которые являются важными компонентами его собственного аппарата трансляции. Сборка митохондриальных рибосом в митохондриальном матриксе является относительно сложным и строго регулируемым процессом, который включает процессинг и созревание митохондриальной рибосомной кодирующей РНК и сборку митохондриальных рибосомных белков в малые и большие субъединицы ¹² . Однако только часть митохондриальных рибосомных белков имеет идентифицируемые гомологи у бактерий ¹³ . Роль митохондриальных специфических рибосомных белков не выяснена, но считается, что эти белки эволюционировали, чтобы регулировать координацию митохондриальной трансляции с внемитохондриальными путями в эукариотических клетках. Таким образом, как и многие митохондриальные машины, рибосома представляет собой смесь старых и новых инноваций.

Кодируемые ядром белки, составляющие большую часть митохондриального протеома, транслируются на цитозольных рибосомах и активно импортируются и сортируются в митохондриальные субкомпартменты с помощью транслоказных машин внешней и внутренней мембраны способом, который зависит от электрохимического потенциала ^{14, 15} .Для кодируемых ядром митохондриальных белков существуют транскрипционные, посттранскрипционные и посттрансляционные способы регуляции. У людей транскрипционная регуляция митохондриального биогенеза происходит за счет действия коактиваторов семейства PGC-1, которые реагируют на изменения в нутритивном статусе, такие как НАД ⁺ /НАДН и соотношения АМФ/АТФ (определяемые через SIRT1 и AMPK). , соответственно), а также сигналы окружающей среды ^16,17 . Комбинаторные взаимодействия между коактиваторами PGC-1 и специфическими факторами транскрипции (NRF1, NRF2 и ERR) уравновешивают и определяют основные функциональные пути внутри митохондрий.Посредством индукции ядерных генов, которые напрямую влияют на поддержание мтДНК, эти взаимодействия координируют ядерный и митохондриальный геномы ¹⁸ . Доказательства в дрожжах подтверждают, что транскрибируемые в ядре матричные РНК, кодирующие митохондриальные белки, посттранскрипционно локализуются на внешней мембране митохондрий строго регулируемым пространственным и временным образом и координированно транслируются ^19,20 . Хотя лежащие в основе молекулярные механизмы нацеливания мРНК на митохондрии плохо изучены, такие пути, вероятно, будут важны в поляризованных клетках, таких как нейроны.Посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование компонентов митохондриального механизма импорта с помощью цитозольных киназ, в конечном итоге точно настраивают протеом в ответ на метаболические сигналы ^-21-.

Мутации либо в генах мтДНК, либо в ядерных генах, которые кодируют митохондриальные белки, необходимые для аэробной выработки АТФ, вызывают разнообразные и часто разрушительные митохондриальные заболевания человека, которые могут поражать любой орган в организме в любой момент жизни человека ²² .Кроме того, существует высокая степень клинической гетерогенности митохондриальных заболеваний. Некоторую его гетерогенность можно объяснить тем фактом, что клетки человека могут содержать переменное соотношение мутантной и дикого типа мтДНК, состояние, называемое гетероплазмией. По-видимому, это относится к мутациям мтДНК в кодирующих белок участках митохондриального генома, в которых увеличение мутантной нагрузки приводит к более тяжелым фенотипам заболевания. Однако гетерогенность заболевания, которую нельзя объяснить гетероплазмией, также существует, когда мутации присутствуют в некодирующих митохондриальных тРНК.Кроме того, мутации в генах с общей функцией, таких как гены, кодирующие субъединицы комплекса I дыхательной цепи, приводят к совершенно различным проявлениям заболевания, таким как атрофия зрительного нерва у взрослых или энцефалопатия у младенцев ^23,24 . Недавние исследования также указывают на причинно-следственную связь между мутациями в мтДНК и старением, вероятно, в результате связанных с мтДНК дефектов в соматических стволовых клетках ^25,26 .

Роль митохондрий в заболевании была расширена за пределы дыхательной цепи, поскольку дефекты дополнительных митохондриальных функций и поведения были связаны с раком, нарушениями обмена веществ и нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Гентингтона ²² .В целом, однако, наше нынешнее понимание лежащих в основе отношений между митохондриальным фенотипом и заболеванием является недостаточным и требует лучшего понимания митохондриальной организации, а также связей митохондрий с ядерным геномом и внемитохондриальными путями в различных типах клеток и в организменном уровне. Чтобы восполнить этот дефицит, возник ренессанс в митохондриальных исследованиях, ускоренный недавними достижениями в генетике, системными подходами и нашей способностью визуализировать митохондрии с высоким временным и пространственным разрешением. В этом обзоре мы обсуждаем, как это возрождение переопределяет и расширяет наши знания о митохондриальном поведении и коммуникации.

Митохондриальная хромосома

Учитывая важность генов, кодируемых мтДНК, для функции митохондрий, неудивительно, что существуют специальные механизмы, которые активно контролируют структуру и распределение митохондрий и мтДНК, но у высших эукариот эти механизмы отличаются от их предков ²² .В отличие от бактерий, в большинстве типов клеток не существует отдельных митохондрий; вместо этого они представляют собой связанную сеть, содержащую несколько копий митохондриальной хромосомы, образующую «синцитий» (4). Подобно бактериальным и ядерным хромосомам, мтДНК сильно компактирована в митохондриальном матриксе, и, следовательно, комплексы мтДНК-белок можно визуализировать в виде точечных структур, называемых нуклеоидами, внутри сетей. Механизм, лежащий в основе конденсации мтДНК, был раскрыт исследователями, которые раскрыли кристаллическую структуру наиболее распространенного белка, ассоциированного с мтДНК, в клетках млекопитающих, митохондриального транскрипционного фактора А (TFAM). Структура указывает на то, что TFAM связывает и изгибает короткие участки мтДНК, образуя петли, которые позволяют упаковывать мтДНК ^27,28 . TFAM также играет решающую роль в транскрипции мтДНК, и его экспрессия контролирует число копий мтДНК в клетках, что делает его центральным игроком в поддержании и передаче мтДНК ^29,30 .

Митохондриальная организация является консервативным признаком. a , мтДНК в фибробластах человека упакована в нуклеоиды (зеленые), распределенные в трубчатых митохондриях (красные) вокруг ядра (синие).Масштабная линейка, 20 микрон. Адаптировано с разрешения исх. 40. b , Аналогичное распределение наблюдается в дрожжевой клетке с нуклеоидами (зеленый) в митохондриях (красный). Масштабная линейка, 2 микрона. c , Количество митохондриальных копий контролируется совместными действиями митохондриального деления и слияния. Митохондриальное деление контролируется сборкой динамин-родственного белка (DRP) на внешней стороне органеллы в спиральную структуру, которая обеспечивает расщепление посредством взаимодействия через спиральные ступени (отмечены оранжевыми кружками).Слияние митохондрий контролируется взаимодействием DRP слияния внешней и внутренней мембран (синий и красный кружки соответственно) через митохондриальные мембраны.

Дополнительные белки, имеющие решающее значение для поддержания мтДНК, локализованы в нуклеоидах. Эти белки включают механизмы репликации и репарации, которые у людей включают ДНК-полимеразу γ и ее вспомогательные белки, такие как репликационная геликаза twinkle ³¹ . Мутации в генах, кодирующих эти и дополнительные факторы, необходимые для поддержания мтДНК, вызывают ряд митохондриальных заболеваний человека, но на молекулярном уровне до сих пор неясно, как эти и многие другие идентифицированные белки, ассоциированные с мтДНК, собираются вместе и организуются для построения нуклеоидов. ³² .И это несмотря на тот факт, что протеомный перечень белков, ассоциированных с мтДНК, был определен для многих видов ^33–35 . Кроме того, как организация нуклеоидов более высокого порядка, так и способ репликации мтДНК различаются между биологическими царствами, что приводит к дополнительной сложности. Эти различия являются следствием состава генома и нуклеоида. Напр., дрожжи обладают активным рекомбинационным аппаратом, сходным с рекомбинационными белками Rad52, и репликация, вероятно, в первую очередь управляется рекомбинацией ³⁶ .В результате, по сравнению с митохондриальным геномом человека, более крупный геном дрожжей размером 80 тысяч оснований упакован в несколько копий в нуклеоид. Напротив, механизм репликации мтДНК человека не зависит от рекомбинации в большинстве тканей и происходит за счет смещения нитей ^37,38 . Визуализация со сверхвысоким разрешением постоянно указывает на то, что нуклеоиды человека содержат относительно небольшое количество молекул мтДНК и, таким образом, являются более одиночными по своей природе ^39,40 . Эти различия в организации и способах передачи митохондриальной хромосомы сильно влияют на поведение сегрегации мтДНК.

Способы сегрегации мтДНК

Многокопийная природа мтДНК означает, что способ передачи мтДНК рассматривается как стохастический или «расслабленный» в большинстве типов клеток и, таким образом, радикально отличается от такового для ядерных генов ⁴¹ . На организменном уровне, например, у людей, мтДНК наследуется однородительским образом по материнской линии, а отцовская мтДНК активно разрушается после оплодотворения ^42,43 . Митохондрии в яйцеклетке и сперме также имеют разные функциональные состояния, формы и клеточное распределение, и эти различия, вероятно, важны для придания приспособленности.Кроме того, от поколения к поколению генотипы мтДНК быстро сегрегируют, указывая на то, что существует «узкое место» для потенциальной элиминации сильно дефектных митохондрий и/или мтДНК. В ооцитах узкое место частично обусловлено способом репликации мтДНК, а также следствием митохондриальной организации. Митохондрии ооцитов организованы в временную структуру, называемую тельцем Бальбиани, состоящую из других органелл, таких как эндоплазматический ретикулум (ER) и аппарат Гольджи, но биогенез этой структуры плохо изучен ⁴⁴ .Во время репрограммирования фибробластов в индуцированные плюрипотентные стволовые (иПС) клетки гетероплазматические генотипы мтДНК также сегрегируют через узкое место, а митохондрии организуются в структуру, подобную Бальбиани ⁴⁵ , что позволяет предположить, что иПС клетки могут быть полезным инструментом для изучения клеточные и молекулярные механизмы сегрегации генотипов мтДНК в процессе развития.

Ядерные гены реплицируются в течение конечной фазы клеточного цикла и разделяются совместным действием механизма веретена на основе микротрубочек и машины цитокинеза на основе актина, которые работают вместе, чтобы физически разделить хромосомы на дочерние клетки.Бактериальные клетки также обладают механизмами клеточного цикла для координации клеточного деления с сегрегацией хромосом за счет размещения тубулиноподобной машины для деления клеток FtsZ. Напротив, репликация и сегрегация митохондриальных хромосом у большинства эукариот строго не связана с клеточным циклом, и в любой момент времени репликация мтДНК происходит только для подмножества нуклеоидов в данной клетке ⁴⁶ . Бактериальный цитоскелетный аппарат был утрачен во время митохондриальной эволюции, что ставит вопрос: какие механизмы используются для размещения сайтов деления и сегрегации мтДНК? Такие механизмы, вероятно, будут важны для понимания клеточно- и тканеспецифических механизмов, лежащих в основе заболеваний, связанных с мутациями мтДНК.

Опосредованная динамином митохондриальная динамика

У высших эукариот сегрегация мтДНК на клеточном уровне частично зависит от непрерывных событий деления и слияния (), скорость которых зависит от потребностей определенного типа клеток ⁴⁷ . Одна фундаментальная роль митохондриального слияния состоит в обеспечении связи между органеллами, возможно, для облегчения доступа к продуктам экспрессии мтДНК ^48-50 . Митохондриальное слияние также служит механизмом для буферизации временных дефектов, возникающих в митохондриях ^-51-.Митохондриальное деление препятствует сборке сети, управляемой слиянием, для облегчения распределения и транспорта митохондрий с помощью моторных белков в сетях цитоскелета в отдаленные места потребности и из них ⁵² . Баланс между делением и слиянием важен для распределения и поддержания мтДНК. Потеря митохондриального слияния вызывает фрагментацию нормально связанной сети на множественные маленькие митохондрии вследствие беспрепятственного деления, и мтДНК либо полностью, либо частично теряется из клеток с ассоциированными тяжелыми дефектами окислительного фосфорилирования ^50,53 .Затухание митохондриального деления заставляет митохондрии удлиняться и формировать высоко взаимосвязанные сетчатые структуры, а также вызывать дефекты окислительного фосфорилирования и потерю мтДНК во время клеточного деления ^54–57 . Связь между митохондриальной динамикой и передачей мтДНК согласуется с первичной ролью динамики в контроле числа копий митохондрий. Таким образом, более дистрибутивная природа митохондриального деления в сочетании с противоположным слиянием эволюционировала, чтобы заменить наследственные бактериальные цитоскелетные машины.

События митохондриального деления и слияния опосредуются действием высококонсервативных родственных динамину белков (DRPs), которые благодаря своей способности к самосборке и гидролизу GTP облегчают ремоделирование мембран различных внутриклеточных мембран ⁵⁸ . Деление митохондрий катализируется одним DRP, DRP1 у млекопитающих (Dnm1 у дрожжей). DRP1 и Dnm1 собираются через стеблевые домены в спиральные структуры, которые обертывают внешнюю поверхность митохондрий в местах перетяжек, диаметры которых совпадают с диаметрами спирали деления ^59,60 .Взаимодействия между доменами GTPase деления DRPs через спиральные звенья катализируют гидролиз GTP — событие, которое, как считается, производит конформационные изменения, которые трансдуцируются через спираль DRP, чтобы сделать возможным координированное расщепление внешней и внутренней мембран ^61-63 . Слияние наружной и внутренней мембран митохондрий требует действия двух эволюционно различных интегральных мембранных DRP, MFN1/MFN2 у млекопитающих (Fzo1 у дрожжей) и OPA1 у млекопитающих (Mgm1 у дрожжей), соответственно ⁶⁴ .Гораздо меньше известно о том, как слитые DRP работают на механистическом уровне, хотя вполне вероятно, что взаимодействия между доменами GTPase на противоположных мембранах используются для связывания мембраны и что самосборка через предполагаемые стеблевидные области внутри мембраны используется для слияние.

Семейство DRP происходит от бактерий, для которых данные свидетельствуют о том, что члены также функционируют в процессах, связанных с мембраной ⁶⁵ . Тем не менее, приобретенные DRP роли в качестве первичных машин, контролирующих число копий митохондрий, являются радикальным отличием от бактериальной FtsZ-зависимой машины деления, которая работает с цитозольной стороны плазматической мембраны, опосредуя сужение и деление (16). Понимание этого перехода к DRP-управляемому делению исходит из машин деления примитивных эукариотических органелл таких организмов, как красные водоросли Cyanidioschyzon merolae , а также из эндосимбиотических пластид и хлоропластов большинства фотосинтезирующих эукариот. Эти эндосимбиотические органеллы обладают гибридными машинами деления, содержащими как внутренние FtsZ, так и внешние сборки DRP ^66,67 . Машина FtsZ функционирует при сжатии и разрыве внутренней и внешней мембран и позиционировании места деления, в то время как машина DRP задействована на внешней поверхности органеллы — в месте сужения — и функционирует относительно поздно в процессе завершения процесса деления. разрыв наружной мембраны.Как и в случае с бактериями, FtsZ-зависимое расположение сайтов деления в этих митохондриях и пластидах имеет решающее значение для передачи органелларных геномов.

a , Роль FtsZ и родственных динамину белков (DRP) в делении бактериальных и эндосимбиотических органелл и размещении мест деления. У α-протеобактериального предка митохондрий кольцо FtsZ помещается в середину клетки с помощью активных механизмов. Комбинированные действия FtsZ-содержащего кольца и синтеза клеточной стенки необходимы для клеточного деления.В хлоропластах и ​​митохондриях водорослей FtsZ-зависимое размещение (указано стрелками) и механизмы деления внутри органеллы сохранились в ходе эволюции. Однако в этих органеллах DRPs также функционируют на цитозольной поверхности при делении органелл, возможно, заменяя потребность в синтезе клеточной стенки при делении. У дрожжей или животных DRP функционируют на цитозольной поверхности при делении органелл. Перед рекрутированием DRP, однако, эндоплазматический ретикулум (ER) связан с размещением сайта деления и сужением снаружи органеллы, потенциально заменяя FtsZ-зависимое размещение и сужение. b , Молекулярная модель размещения сайта деления в сочетании с сегрегацией нуклеоидов в митохондриях дрожжей. У дрожжей комплекс связывания ER-митохондрий, ER-митохондриальная структура столкновения (ERMES) и консервативная Miro GTPase Gem1 пространственно и функционально связаны с ER-ассоциированным митохондриальным делением (ERMD). Сайты ERMD, отмеченные этими компонентами, также пространственно локализованы в подмножестве нуклеоидов, которые активно реплицируются, и они сегрегируют перед ERMD. Gem1 действует как негативный регулятор ERMES-зависимых контактов ER-митохондрий и необходим для пространственного разрешения вновь генерируемых митохондрий с помощью ERMD, возможно, посредством локального рекрутирования актинового цитоскелета.Компоненты цитоскелета могут также участвовать в ER-ассоциированном сокращении митохондрий до рекрутирования DRP. Размещение нуклеоидов в сайтах ERMD может быть опосредовано меткой внутри органеллы, образованной каркасным комплексом MitOS. Mdm33 является возможным кандидатом на роль машины для разрезания внутренней мембраны у дрожжей.

Митохондриальное деление, связанное с ER

Утрата FtsZ-подобной машины у высших эукариот поднимает вопросы о том, как и где в митохондриях располагаются сайты деления и важно ли размещение сайтов деления для передачи мтДНК.Ответы частично получены благодаря открытию того, что размещение сайта митохондриального деления зависит от ключевого межорганеллярного взаимодействия с ER ⁶⁸ . Перед рекрутированием DRP1 на наружную мембрану митохондрий ER-трубочки оборачиваются вокруг митохондрий и отмечают участки митохондриального деления — феномен, названный ER-associated mitochondrial Division (ERMD), который сохранился от дрожжей до человека. В этих местах митохондрии сужаются, и таким образом также создаются геометрические горячие точки для сборки спирали деления DRP.Кроме того, интегральный наружный мембранный рецептор DRP1 и эффектор MFF ⁶⁹ рекрутируются в места контакта, что обеспечивает пространственную метку для связи рекрутирования DRP1 с его активацией и сборкой в ​​машине деления. Ни механизм, лежащий в основе генерации такого ER-митохондриального микродомена, ни связанного с ER митохондриального сужения не понятен. Вполне возможно, что ER способен непосредственно изменять состав и/или морфологию митохондриальной мембраны, чтобы облегчить рекрутирование факторов, локализованных снаружи и/или внутри митохондрий, которые способствуют митохондриальному сужению и делению. В клетках млекопитающих актиновый цитоскелет вовлечен в ERMD, потенциально через ER-локализованную изоформу formin INF2, повышая вероятность того, что митохондриальные сужения во время деления опосредованы актином ⁷⁰ .

ERMD также должен включать связь или связь между двумя органеллами. Молекулярная основа этой связи была недавно выяснена у дрожжей и опосредована мультибелковым комплексом, названным ER-митохондриальной структурой столкновения (ERMES). Эта структура образует дискретное и конечное число интерфейсов между ЭР и митохондриями в клетках ^71,72 .Помимо маркировки участков деления, структуры ERMES тесно связаны с подмножеством нуклеоидов, участвующих в репликации мтДНК ^46,73 , потенциально как компоненты более крупной структуры, которая охватывает несколько мембран. На участках комплекса ERMES нуклеоиды сегрегируют по неизвестному механизму и в большинстве случаев распределяются по обеим верхушкам разделенных митохондрий ⁷² . В этом контексте комплекс ERMES также участвует в качестве моста между митохондриями и актиновой сетью, предполагая, что он может связывать и координировать сегрегацию нуклеоидов, митохондриальные перетяжки во время деления и распределение митохондрий после деления ⁷⁴.Т.о., процесс ERMD и сегрегации нуклеоидов у дрожжей может фундаментально быть связан с ролью актина в ERMD в клетках млекопитающих.

Для распределения дочерних митохондрий после ERMD у дрожжей требуется высококонсервативная Miro GTPase Gem1 (ref. 72). Gem1 может функционировать с ERMES, чтобы способствовать разрешению дочерних митохондрий путем рекрутирования факторов подвижности на кончики митохондрий после деления. Ортологи Gem1 многоклеточных животных, MIRO1 и MIRO2 (здесь и далее обозначаемые как Miro), также функционируют в митохондриальном распределении.В этом случае было предложено, что белки Miro соединяют митохондрии с членом семейства белков Milton/TRAK адаптеров kinesin-1, чтобы обеспечить транспорт митохондрий на основе микротрубочек ^75,76 . Однако, хотя семейство Miro GTPase удивительно консервативно, механизмы митохондриального транспорта различаются у эукариот, а у дрожжей митохондриальная подвижность зависит от актина. Т.о., возможно, что роль Gem1 и Miro GTPases в митохондриальном распределении вместо этого может заключаться в обеспечении подвижности путем непосредственной регуляции молекулярных связей для отделения митохондрий от ER в местах деления.В любом случае Gem1-зависимое распределение дочерних митохондрий после митохондриального деления служит клеточным механизмом для координированного распределения митохондрий и мтДНК.

Внутренние детерминанты митохондриального деления

Обсуждаемые наблюдения рисуют убедительную картину, в которой ERMD размещает плоскость деления рядом с митохондриальными нуклеоидами, чтобы сместить их распределение во вновь образованные дочерние митохондрии (). В клетках млекопитающих нуклеоиды сходным образом локализованы в местах деления митохондрий и на кончиках митохондрий ^77,78 , а в отсутствие деления DRP DRP1 нуклеоиды агрегируют в кластеры внутри гиперфузированных митохондрий ⁷⁹ . Это указывает на то, что роль ERMD в распределении нуклеоидов законсервирована, хотя молекулярная идентичность ER-митохондриальной связи или связей в местах деления в клетках млекопитающих неизвестна. Что еще более важно, вопрос о том, что определяет размещение участков деления, все еще требует ответа. В частности, неизвестно, какие детерминанты необходимы для конечного числа и пространственной локализации сайтов контактов ER-митохондрий, связанных с сегрегацией нуклеоидов. Эти вопросы связаны с тем, существует ли внутри митохондрий механизм, аналогичный бактериальному FtsZ, который способствует митохондриальному делению.У дрожжей прекрасным кандидатом на роль машины для расщепления внутренней мембраны является белок внутренней мембраны Mdm33, который обладает локализованными в матриксе спирально-скрученными областями, которые могут действовать in trans через внутренние мембраны, опосредуя сужение ⁸⁰ .

Учитывая эндосимбиотическое происхождение митохондрий, заманчиво предположить, что пространственная метка внутри органелл используется в качестве детерминанты размещения плоскости деления. Имеются данные об автономной структуре в митохондриях, сходной с ДНК-реплицирующей реплисомой, которая может функционировать как такая метка.В частности, нуклеоидные белки, необходимые для поддержания мтДНК, остаются локализованными в дискретных точечных структурах в митохондриальных канальцах в отсутствие мтДНК в клетках дрожжей и млекопитающих, что позволяет предположить, что они обладают внутренней способностью организовываться в структуру независимым от мтДНК образом ^46,81 . У дрожжей реплисомы сегрегируют внутри митохондрий и поддерживают свою ассоциацию с ERMES-маркированными сайтами контактов ER-митохондрий, даже в отсутствие митохондриальных геномов ⁴⁶ .

Митохондриальные скелетные структуры также могут служить внутренними пространственными метками. Хотя бактериоподобные элементы цитоскелета, по-видимому, утрачены, внутри митохондрий существует множество подобных каркасу структур, способствующих формированию их сложной внешней и внутренней структуры. Митохондриальные каркасы работают вместе, создавая организацию органелл более высокого уровня, которая может кодировать пространственные метки для размещения нуклеоида и/или сайта деления. Эти каркасы включают консервативный комплекс запретина, который образует кольцеобразные структуры во внутренней мембране, которые функционируют вместе с митохондриальными липидами, такими как кардиолипин и фосфатидилэтаноламин, для организации доменов внутренней мембраны ^-82-.Другим первичным «скелетным» элементом в митохондриях является консервативный мультисубъединичный комплекс, ассоциированный с внутренней мембраной MitOS (также называемый MICOS и MINOS) ^83–85 . Имеющиеся данные указывают на то, что MitOS образует расширенную гетероморфную структуру, которая организует и потенциально формирует внутреннюю мембрану митохондрий, которая дифференцируется на области, отличающиеся структурно, композиционно и функционально. Область, расположенная близко к наружной мембране, называемая пограничной областью, облегчает перенос липидов, импорт митохондриальных белков и сборку дыхательных комплексов. Цистернальные инвагинации внутренней мембраны, называемые кристами, содержат собранные дыхательные комплексы и имеют сильно изогнутые края, которые стабилизируются за счет димеризации или мультимеризации комплексов АТФ-синтазы ⁸⁶ . Относительно узкие канальцы, называемые соединениями крист, соединяют кристы с пограничной мембраной и отделяют растворимые компоненты межмембранного пространства от пограничных областей. Эти соединения реструктурируются при апоптозе, чтобы способствовать высвобождению локализованных в межмембранном пространстве медиаторов гибели клеток в цитозоль во время митохондриальной проницаемости внешней мембраны (MOMP) ⁸⁷ .Визуализация сверхвысокого разрешения показала, что нуклеоиды млекопитающих тесно связаны с кристами внутренней мембраны ³⁹ . Т.о., комплекс MitOS может также играть непосредственную роль в позиционировании нуклеоидов и/или может быть частью пространственной метки, которая связывает внутреннюю часть митохондрий с внешней. В соответствии с этой возможностью, у дрожжей элементы комплекса MitOS кажутся смежными с нуклеоидами, и потеря интактного комплекса MitOS приводит к агрегации нуклеоидов ⁸⁸ . Этот комплекс также способствует митохондриальному биогенезу, взаимодействуя с компонентами механизмов импорта и сортировки во внешней митохондриальной мембране ⁸⁵ .Таким образом, MitOS может иметь более глобальную функцию в качестве «чертежа» митохондриальной организации и в этом качестве может действовать как интегратор «форма-функция».

Микродомен ERMD как системный интегратор

Хотя фундаментальная роль связанного с ER деления может заключаться в контроле распределения мтДНК, данные свидетельствуют о том, что домены ERMD используются для дополнительных и разнообразных функций в клетках и, таким образом, могут также функционировать как интеграторы . В дополнение к ERMD комплекс ERMES функционально связан с биогенезом белков внешней мембраны и с транспортом липидов между ER и митохондриями, что имеет решающее значение для синтеза основных митохондриальных липидов, таких как фосфатидилэтаноламин и кардиолипин ^71,89 . Таким образом, домены ERMD могут также контролировать клеточный статус, облегчая связь между митохондриальным поведением и клеточными сигнальными путями, например, между митохондриальным делением, слиянием и гибелью клеток. С этой возможностью согласуется тот факт, что DRP1 облегчает рекрутирование и активацию проапоптотического белка Bcl-2 BAX на внешней мембране митохондрий, чтобы опосредовать MOMP ⁹⁰ . Кроме того, сфинголипиды, синтезированные ER, способствуют митохондриальной сборке BAX и активации MOMP in vitro ⁹¹ .Наоборот, митохондриальное слияние играет негативную регуляторную роль в MOMP, т.к. цитозольный BAX способствует митохондриальному слиянию in vitro посредством DRP MFN2 (ссылка 92), повышая вероятность того, что слитые DRPs также регулируют апоптоз посредством доменов ERMD. Возможно, что домены ERMD простираются как во внутренние митохондриальные компартменты, так и в просвет ER, чтобы интегрировать функциональный статус обеих органелл, как предполагает регуляция MOMP при стрессе ER. В соответствии с этим, когда возникает стресс ER, регулятор апоптоза CDIP1 взаимодействует с белком ER BAP31, что впоследствии приводит к сборке BAX на митохондриях ^-93-.Таким образом, будет интересно определить, совпадают ли сайты взаимодействия BAP31 и CDIP1 с сайтами ERMD. Связь между ЭР и митохондриями подтверждается их ролью в общем наборе заболеваний, связанных с измененной митохондриальной динамикой. Например, белки, локализованные в ER-митохондриальных контактах, вовлечены в болезнь Гентингтона, атрофию зрительного нерва и спиноцеребеллярные атаксии ⁹⁴ ; и изменение ER-митохондриального контакта было описано при болезни Альцгеймера ^95,96 .Таким образом, дисфункция домена ERMD может быть фактором, способствующим развитию многих заболеваний.

Домены ERMD представляют собой только один тип контакта ER-митохондрий. У дрожжей, напр., ER является компонентом двух различных связей Num1 и Mmr1, которые избирательно позиционируют митохондрии в коре материнских и дочерних клеток, соответственно, способом, независимым от ERMES и ERMD ^97,98. Кроме того, слияние DRP MFN2, которое не является существенным для образования контактов ERMD, как предполагается, действует в клетках млекопитающих как ER-митохондриальная связь ^68,99 .Необходима дополнительная работа, особенно в клетках млекопитающих, чтобы понять молекулярную основу контактов ER-митохондрий и существуют ли специализированные контакты и связи для различных общих функций ER-митохондрий, таких как гомеостаз Ca ²⁺ , биосинтез липидов, ERMD и для ER-митохондриальные контакты, участвующие в аутофагии ^100,101 . Это захватывающая область митохондриальной биологии, которая обещает быть весьма актуальной для нашего понимания этиологии, лежащей в основе болезней, связанных с митохондриальной дисфункцией.

Координация разнообразного поведения митохондрий

Хотя митохондриальное деление и слияние являются основными детерминантами распределения митохондрий, поведение митохондриальной сети в клетках контролируется дополнительными действиями, такими как связывание и подвижность. Нейронные клетки являются ярким примером того, как эти поведенческие сети должны работать вместе, чтобы поддерживать клеточную функцию. Нейроны представляют собой длинные, возбудимые клетки, которые сильно разделены, и для правильного функционирования митохондрии должны быть соответствующим образом распределены, чтобы обслуживать различные пространственные и временные потребности клеток.Потребность в митохондриальной продукции АТФ и буферизации Ca ²⁺ особенно высока на окончаниях аксонов, которые представляют собой динамические структуры, требующие локализованного присутствия митохондрий для синаптической передачи. Учитывая, что большая часть митохондриального биогенеза происходит в соме нейрона, необходимы активные механизмы как для транспорта, так и для иммобилизации митохондрий на дистальных синаптических окончаниях.

Понимание того, как эти два процесса координируются и функционируют вместе для избирательного нацеливания митохондрий на активные синаптические окончания, стало возможным благодаря недавним исследованиям нейрон-специфического белка синтафилина, который специфически связывается с наружной мембраной митохондрий и накапливается на иммобилизованных аксональных митохондриях, локализованных в активные терминалы ¹⁰² . Митохондрии, предназначенные для аксонов, образуются в результате митохондриального деления в соме и транспортируются в синапс по микротрубочкам. Пространственная связь между делением и нуклеоидами, а также нуклеоидами и элементами цитоскелета может в клетках этого типа гарантировать, что митохондрии, предназначенные для транспорта, содержат мтДНК. Синтафилин действует как тормоз, используя как минимум два отдельных механизма. Он напрямую связывается с основанным на микротрубочках кинезиновым мотором KIF5 in vitro и ингибирует его моторную активность, указывая на то, что он превращает KIF5 в компонент статической зависимой от микротрубочек митохондриальной связи.Играет ли роль ER в биогенезе связи syntaphilin-KIF5, остается открытым вопросом. Синтафилин также конкурирует за связывание KIF5 с адаптером Milton/TRAK, чтобы облегчить привязку. Т.о., существует обширное взаимодействие между подвижными и связывающими машинами для управления распределением митохондрий зависящим от активности и пространственно специфичным образом.

Митохондриальная динамика, вероятно, также координируется на молекулярном уровне с транспортными и связывающими механизмами в различных типах клеток.В клетках млекопитающих митохондрии, в которых отсутствует слитый DRP MFN2, обнаруживают серьезные дефекты подвижности ¹⁰³ , сходные с дефектами подвижности, наблюдаемыми в клетках, в которых отсутствует Miro, и, как сообщается, MFN2 физически взаимодействует с Miro и Milton/TRAK ¹⁰⁴ . Эта связь между слиянием митохондрий и подвижностью может иметь отношение к пониманию того, почему у людей мутации в MFN2 и OPA1 вызывают тканеспецифические нейродегенеративные заболевания, Charcot Marie Tooth Type 2A (CMT2A) и доминантную атрофию зрительного нерва (DOA), соответственно ²² .Действительно, высокая частота мутаций в мтДНК и ядерных генах, которые вызывают митохондриальную дисфункцию, избирательно влияют на нейроны и вызывают разнообразный набор нейродегенеративных заболеваний ³² .

Митохондриальные пути контроля качества

Митохондриальное поведение не только интегрировано друг с другом, но и интегрировано с аккумулятором стресса или путей контроля качества в клетках, которые чувствуют и реагируют на митохондриальную и клеточную дисфункцию (). Внутри митохондрий молекулярные шапероны и протеазы контроля качества действуют вместе, способствуя сборке белковых комплексов, состоящих из белков, кодируемых мтДНК и ядром, а также для мониторинга и деградации развернутых белков ¹⁰⁵ .Дисбаланс между ядерным и митохондриальным протеомами и/или накопление развернутых митохондриальных белков запускает программу транскрипционного ответа у многоклеточных животных, называемую путем реакции на стресс митохондриальных развернутых белков (UPRmt) ^106–108 . Ответ инициируется сигналами, продуцируемыми на митохондриальном уровне, которые активируют транскрипцию кодируемых ядром генов митохондриальных шаперонов, а также дополнительных генов для восстановления гомеостаза органелл. Этот путь был охарактеризован на молекулярном уровне у Caenorhabditis elegans , для которых и митохондриальный переносчик пептидов внутренней мембраны HAF1, и транскрипционный фактор bZip ATFS1 необходимы для передачи сигналов UPRmt ¹⁰⁹ . Недавние данные указывают на то, что в здоровых клетках ATFS1 активно импортируется в митохондриальный матрикс, где он конститутивно деградирует в здоровых митохондриях ¹¹⁰ . В условиях, когда цепь переноса электронов нарушена, мембранный потенциал ослабляется, и, следовательно, эффективность импорта ATFS1 снижается таким образом, который каким-то образом зависит от HAF1. Внемитохондриальный ATFS1 стабилизируется и направляется в ядро, где он инициирует транскрипционный ответ, который увеличивает экспрессию митохондриальных шаперонов и импортирует механизмы, а также ремоделирует метаболизм, чтобы меньше полагаться на дыхание.Активация UPRmt у C. elegans связана с увеличением продолжительности жизни, а недавние данные свидетельствуют о том, что у млекопитающих активация этого пути также способствует долголетию, далее вовлекая митохондрии как решающий фактор старения ¹⁰⁶ . Остается определить, законсервированы ли молекулярные механизмы, лежащие в основе UPRmt, в системах млекопитающих.

Несколько различных митохондриальных путей реагируют на стресс или повреждение и координируются с митохондриальной динамикой.Митохондрии в здоровых клетках генерируют электрохимический потенциал, который служит для окислительного фосфорилирования и запускает импорт белков в органеллы. Повреждение, которое приводит к потере (синий цвет) потенциала митохондриальной мембраны, может привести к потере эффективности импорта белка. В пути ответа на стресс развернутого белка (UPRmt) потеря импорта приводит к накоплению фактора транскрипции ATFS1 в ядре, активируя репарацию транскрипции митохондрий и метаболический адаптационный ответ.Потеря мембранного потенциала также запускает ОМА1-зависимый протеолиз длинных изоформ слияния внутренней мембраны DRP OPA1, который ослабляет слияние митохондрий и потенциально увеличивает ER-опосредованное митохондриальное деление (ERMD), что приводит к фрагментации митохондрий. Эти фрагментированные митохондрии, утратившие способность дышать и импортировать, могут также накапливать киназу PINK1, запускающую митофагию. Кроме того, в этих условиях домен ERMD может быть изменен, чтобы непосредственно способствовать олигомеризации BAX на внешней мембране митохондрий, пермеабилизации внешней мембраны и высвобождению цитохрома c , что приводит к гибели клеток.Митохондриальная дисфункция и стрессы, такие как голодание, могут вызвать митохондриальную гиперфузию, которая зависит от поддержания потенциала митохондриальной мембраны (красный цвет) и присутствия как длинных, так и коротких изоформ OPA1. Гиперфузии митохондрий могут временно буферировать эффекты дисфункции дыхательной цепи и не вступать в путь митофагии. Связь между UPRmt и формой митохондрий не исследовалась.

Дополнительные пути, индуцированные митохондриальным стрессом, запускаются нарушениями функции электрон-транспортной цепи и/или снижением мембранного потенциала.Слияние митохондриальной внутренней мембраны DRP OPA1 действует как переключатель между двумя путями. В здоровых клетках процессинг OPA1 происходит конститутивно с помощью i-AAA протеазы YME1L с образованием длинных трансмембранных закрепленных и коротких растворимых изоформ, которые необходимы для слияния мембран ¹¹¹ . Снижение потенциала митохондриальной мембраны вызывает преобразование длинных изоформ OPA1 в короткие формы с помощью металлопротеазы OMA1, что приводит к ингибированию слияния митохондрий и последующей фрагментации митохондрий ^112,113 .Это изменение служит для усиления митофагии и/или гибели клеток. И наоборот, длинные изоформы OPA1 необходимы для другого стресс-индуцированного ответа, называемого митохондриальной гиперфузией. Гиперфузия митохондрий опосредует формирование высокосвязанной митохондриальной сети и, таким образом, считается, что она амортизирует потенциально вредные эффекты стрессов, в том числе вызванных ультрафиолетовым облучением и недостатком питательных веществ. В случае голодания гиперфузия была предложена для защиты митохондрий от аутофагической деградации или митофагии посредством стерических затруднений ^114,115 . В более поздних работах показано, что митохондриальная гиперфузия также служит гомеостатическим ответом для поддержания продукции АТФ в случаях, когда комплекс IV цепи переноса электронов нарушен ⁵¹ . Реакция гиперфузии, однако, является временной и, таким образом, не может компенсировать долговременные дефекты в активности цепи переноса электронов. Более терминальной реакцией на митохондриальную дисфункцию является митофагия, которая также запускается снижением импорта белка, управляемого мембранным потенциалом. На этом пути киназа PINK1 импортируется в здоровые митохондрии и подвергается конститутивной деградации.Уменьшение импорта, вызванное митохондриальной дисфункцией, заставляет PINK1 накапливаться на внешней мембране, где он рекрутирует E3 ligase Parkin ^116,117 . Среди мишеней для убиквитинирования Parkin — транспортный фактор Miro и митохондриальный слитый белок MFN2 (ref. 118 ^— 120). Протеасомная деградация убиквитинированных белков внешней мембраны митохондрий зависит от AAA-ATPase p97 способом, аналогичным ER-ассоциированной деградации ^120,121 . Зависимая от паркина деградация факторов, участвующих в подвижности и слиянии митохондрий, повышает селективность удаления дефектных митохондрий путем аутофагии. В дополнение к определению дефектных митохондрий для деградации, исследование in vivo на Drosophila показало, что путь PINK1-Parkin может быть также способен избирательно нацеливаться на дыхательные комплексы для деградации ¹²² . В поддержку этой идеи селективное нацеливание комплекса I на деградацию также было описано в моделях клеточных культур ⁴⁵ , но механизмы, лежащие в основе этого явления, в настоящее время неизвестны.

Пути митохондриального стресса, вероятно, играют важную роль в проявлениях митохондриальной дисфункции и, как таковые, могут указывать на многообещающие терапевтические мишени. В случае пути митофагии PINK1-Parkin мутации в каждом гене связаны с генетически наследуемой болезнью Паркинсона ^123,124 , что подразумевает релевантность пути. Однако большинство стрессовых путей, описанных выше, особенно вызванных потерей мембранного потенциала, были охарактеризованы в условиях острого экстремального стресса, что ставит вопрос об их физиологической значимости ¹²⁵ . Кроме того, несмотря на эти многочисленные стрессовые пути, мутации мтДНК способны накапливаться, особенно в дифференцированных постмитотических клетках, за счет функциональной мтДНК дикого типа, что приводит к болезненным состояниям. Таким образом, будущая работа должна быть сосредоточена на разработке моделей животных, которые имитируют заболевания, связанные с митохондриальной дисфункцией, для оценки физиологического вклада этих путей. Кроме того, необходимы постоянные базовые биологические подходы для оценки того, как клетка адекватно воспринимает, а также по-разному активирует и координирует эти пути друг с другом и с другими сигнальными путями, такими как те, которые участвуют в гибели клеток (4).Например, неясно, как клетки соответствующим образом интегрируют пути UPRmt и митофагии, которые оба регулируются на базовом уровне импорта. Также неизвестно, может ли OPA1 функционировать как молекулярный интегратор стрессов или просто как модулятор митохондриальной формы, или как OPA1-зависимые пути стресса координируются с UPRmt и митофагией.

Возникающая картина митохондрий — это картина «сверхорганизованных» структурных доменов для построения органеллы, поведение которых запрограммировано, чтобы реагировать на клеточные потребности, а также на собственную дисфункцию.Комбинированное использование системных подходов, микроскопии сверхвысокого разрешения и новых генетических инструментов позволит нам детально понять молекулярную основу митохондриальной структуры. То, как именно устроена митохондриальная суперорганизация, ответит на фундаментальный вопрос о том, происходят ли первичные детерминанты организации изнутри органеллы и тесно связаны с самой древней особенностью — геномом.

Благодарности

Мы благодарим сотрудников лаборатории Нуннари за полезные обсуждения и комментарии.Мы также благодарим K. Osteryoung и S. Lewis за полезные обсуждения. Дж.Н. поддерживается грантами NIH R01GM062942, R01GM097432 и R01GM106019. JF поддерживается стипендией Мемориального фонда медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс.

Сноски

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Ссылки

Митохондрии растительных клеток: структура и роль — видео и стенограмма урока

Роль митохондрий

Так что же это означает? Сырьем для растительных митохондрий является глюкоза, образующаяся в результате фотосинтеза.Митохондрии берут это и проходят через процесс, называемый окислительным фосфорилированием , в котором глюкоза трансформируется с помощью ряда белков и ферментов. Преобразованная глюкоза представляет собой молекулу, известную как пируват .

Затем пируват соединяется с кислородом во внутренней части митохондрий, образуя АТФ (аденозинтрифосфат). АТФ — это молекула, которая может быть легко использована растениями в качестве источника химической энергии. Митохондрии являются основными источниками энергии для каждой клетки, а значит и для растения в целом.Процесс преобразования сырых питательных веществ в полезную энергию известен как клеточное дыхание .

Хотя производство энергии является основной функцией митохондрий, они также выполняют другие функции для клетки. Например, митохондрии играют важную роль в запрограммированной гибели клеток, когда клетки, которые ведут себя ненормально, погибают. Это не позволяет аномальным клеткам нанести вред растению или помешать его росту и размножению.

Структура митохондрий

Митохондрии состоят из трех основных частей: внешней мембраны, внутренней мембраны и матрикса, расположенного внутри внутренней мембраны.

Митохондрии представляют собой органеллы, связанные двойной мембраной, что означает, что они имеют два набора мембран. Внешняя мембрана гладкая и проницаемая , что означает, что небольшие молекулы могут свободно проходить через нее в любом направлении. Благодаря этой проницаемости молекулы глюкозы попадают в митохондрии и как молекулы АТФ перемещаются из митохондрий в остальную часть клетки.

Внутренняя мембрана менее гладкая. Он сложен много раз (подумайте о гармошке), чтобы увеличить площадь поверхности и обеспечить более высокую скорость производства АТФ.Белки вдоль мембраны помогают в этом процессе. Внутренняя мембрана менее проницаема, чем наружная. Пропускают только молекулы кислорода и АТФ. Пространство, образованное складками внутренней мембраны, известно как крист , и именно в кристах происходят реакции образования АТФ.

Внутри внутренней мембраны находится матрица . Матрица содержит большое количество белков, ферментов и других молекул, необходимых для производства АТФ.Кроме того, именно здесь находится митохондриальная ДНК (мДНК). Наличие отдельной ДНК позволяет митохондриям воспроизводиться отдельно от клетки в целом. Это также означает, что митохондрии могут производить свои собственные белки, необходимые для производства АТФ.

Итоги урока

Итак, давайте кратко повторим, что мы узнали о митохондриях растительных клеток. Как мы узнали, в целом митохондрий являются жизненно важной частью жизни растения. Они являются электростанцией клетки, а это означает, что они берут сырой питательный материал и превращают его в удобную для использования форму энергии.В растениях это сырье принимает форму глюкозы, образующейся в результате фотосинтеза. Глюкоза превращается в пируват и затем соединяется с кислородом в процессе, известном как окислительное фосфорилирование . При этом образуется АТФ (аденозинтрифосфат), который растение может легко использовать в качестве источника химической энергии. Весь процесс производства АТФ также называют клеточным дыханием .

Митохондрии представляют собой связанные двойной мембраной органеллы , которые представляют собой крошечные органоподобные структуры, поэтому они состоят из внешней мембраны, внутренней мембраны и матрикса , который находится внутри внутренней мембраны и содержит большое количество белков, ферментов и других молекул, необходимых для производства АТФ. Внешняя мембрана обладает высокой проницаемостью , что означает, что небольшие молекулы могут свободно проходить через нее в любом направлении, но внутренняя мембрана гораздо менее проницаема, пропуская только молекулы кислорода и АТФ. Внутренняя мембрана складывается много раз, образуя пространства, называемые cristae , где происходит большая часть производства АТФ.

Это определенно много, но вы должны иметь достаточное представление о том, как работают митохондрии растительных клеток, чтобы никогда больше не смотреть на зеленый лист как раньше!

Общая нить между органами, болезнями и старением

Митохондрии занимают центральное место во всех основных и продвинутых клеточных и организменных функциях.В дополнение к подавляющему большинству клеточной энергии, генерируемой этими уникальными органеллами, они также являются важными сигнальными узлами и связываются с остальной частью клетки с помощью различных средств, включая активные формы кислорода. Их дисфункция связана почти со всеми распространенными заболеваниями, от нервно-мышечных до диабета и рака. В этом специальном выпуске «Митохондриальная структура, функция и динамика: общая нить между органами, болезнями и старением» мы хотели предоставить читателям Oxidative Medicine and Cellular Longevity множество примеров того, как митохондрии функционируют и как различные неблагоприятные условия приводят к их дисфункции.Статьи в этом специальном выпуске можно разделить на статьи, посвященные изучению митохондрий, связанных с такими темами, как болезнь Альцгеймера, раковая кахексия, диабет, заживление ран и сепсис.

В этом выпуске несколько статей посвящены роли митохондрий в мозге. Например, П. Мартин-Маэстро и его коллеги сообщают о подавлении генов, участвующих в митохондриальной динамике, у пациентов с диагнозом болезни Альцгеймера, тогда как Д. Дж. Тиррелл и соавт. исследовали биоэнергетические профили крови в качестве потенциальных биомаркеров изменений метаболизма головного мозга. Д. Ф. Бебенси и его коллеги использовали модель трансгенных мышей (Mecp2 null) для изучения окислительного стресса в области гиппокампа, и потенциальное клиническое применение их результатов связано с пониманием расстройства развития нервной системы, называемого синдромом Ретта. Кроме того, в статье К. К. Гриффитса и Р. Дж. Леви представлен прекрасный обзор роли митохондриальной дисфункции при аутизме. В совокупности эти исследования дают ценную информацию о роли функции митохондрий в мозге.

Другой тканью, в которой митохондрии играют решающую роль в биоэнергетике, являются скелетные мышцы, составляющие 50% общей массы тела человека. Скелетные мышцы динамичны и поэтому реагируют как на положительные стимулы, такие как физические упражнения, так и на негативные, такие как старение. В этом специальном выпуске представлены три статьи, которые дают более глубокое представление о роли митохондрий в скелетных мышцах. Р. Г. Файхтингер и его коллеги представляют случай ребенка, который вскоре после рождения страдал респираторным дистресс-синдромом и нуждался в искусственной вентиляции легких. Кроме того, этому пациенту потребовалась заместительная терапия сурфактантом. В этом отчете обсуждается мутация UQCC2 при неонатальной энцефаломиопатии с особым акцентом на комплекс III. В дополнение к этому клиническому случаю представлены две обзорные статьи из лабораторий Худ и Карсон: «Влияние старения и упражнений на контроль качества митохондрий в скелетных мышцах» и «Нарушенная динамика, митофагия и биогенез скелетных мышц при раковой кахексии»: Роль воспаления», соответственно.В этих статьях представлены два разных сценария (старение/упражнения и раковая кахексия), а также то, как скелетные мышцы реагируют на эти стимулы, и потенциальное влияние на структуру и функцию митохондрий.

Другая область исследований, которая представлена, — это влияние рака на различные ткани и его роль в митохондриальной функции. В отчете А. Койта и его коллег показано, что существуют различия между митохондриальным дыханием, а также проницаемостью мембран у больных раком молочной железы по сравнению с пациентами с диагнозом колоректальный рак. Исследователи используют комбинацию образцов тканей человека, а также моделей клеточных культур, чтобы различать различия в митохондриальных реакциях. В другой статье Р. Г. Файхтингера и его коллег исследователи изучают комплексы OXPHOS при двух основных типах рака желудка.

Направленные на митохондрии поглотители АФК вызвали большой интерес в научном сообществе по мере их продвижения, то есть локализации в основе проблемы митохондрий. Соединения, такие как MitoQ, MitoTEMPO и SKQ1, объединяют поглотитель АФК с положительно заряженной частью трифенилфосфония, которая нацеливает соединения на отрицательно заряженные внутренние части митохондрий, что приводит к обогащению на несколько порядков.Таким образом, P. Rademann и его коллеги использовали модель сепсиса на грызунах, чтобы определить влияние SkQ1 и MitoTEMPO на ослабление воспалительных реакций, что не улучшило выживаемость животных и даже снизило выживаемость для SKQ1. Однако Илья и его коллеги использовали SkQ1 в мышиной модели диабета, чтобы определить, улучшит ли он заживление кожных ран. Авторы сообщили о нескольких положительных эффектах, включая снижение перекисного окисления липидов, увеличение α актин-позитивных клеток гладких мышц и закрытие ран.В заключение, хотя терапевтическая польза митохондриально-направленных поглотителей АФК была убедительно продемонстрирована для ряда острых и хронических заболеваний, связанных с митохондриальными АФК, они не могут считаться универсальным методом лечения за некоторыми исключениями, такими как острая воспалительная сигнализация, наблюдаемая при сепсисе. .

Чтобы лучше понять роль митохондриальной функции, мы представляем обширный обзор субъединиц оксидазы цитохрома c от функции до заболевания человека.С. Тан и Э. Вонг также представляют обзор роли и эффективности полифенолов в контроле качества митохондрий. Кроме того, J.D.A. Losano et al. исследовали метаболические пути в эпидидимальной бычьей сперме, тогда как В. Ян и его коллеги исследовали взаимодействие между тестостероном и окислительным повреждением у орхиэктомированных крыс.

В заключение, все статьи, представленные в этом специальном выпуске, подчеркивают важность правильного функционирования митохондрий для здоровой работы органов и организма, тогда как митохондриальная дисфункция, вызванная различными причинами, от конкретных мутаций до старения как, возможно, окончательного митохондриального заболевания, занимает центральное место во все возрастающем числе патологий, включая все распространенные заболевания.

Мох Х. Малек
Майк Хюттеманн
Иксу Ли

Авторское право

Авторское право © 2018 Мох Х. Малек и др. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ МИТОХОНДРИЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИТОХОНДРИЙ:

Митохондрии являются центром клеточного дыхания. Он преобразует химическую энергию в кинетическую энергию.

Информация о митохондриях

1. В 1857 г. Колликер наблюдал митохондрии и назвал их саркосомами.
2. Флемминг называл их Фила.
3. Альтманн в 1890 году назвал их биопластами.
4. Бенда дал название митохондрии.
5. Porter & Palade описали их электронно-микроскопическую структуру.
6. Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках.

Номер: В Micro monas присутствует только одна митохондрия. В клетке печени имеется от 1000 до 1600 митохондрий.Наибольшее количество митохондрий наблюдается в клетке летательных мышц. Однако клетки зеленых растений содержат меньше митохондрий. В красных кровяных тельцах млекопитающих и других высших животных митохондрии отсутствуют.

Структура митохондрий: Митохондрии покрыты 2 слоями. Он показывает наружную мембрану и внутреннюю мембрану. В каждой митохондрии имеется 2 камеры.

1. Наружная камера
2. Внутренняя камера.

Наружная мембрана: Это непрерывная мембрана, покрывающая и защищающая митохондрию. !t отделяет митохондрию от цитозоля. Он проницаем.

Внутренняя мембрана: Проецируется внутрь в виде крист. Мембрана показывает две стороны. Внешняя грань «C» (цитозольная грань) и внутренняя грань называется «M» гранью (матричная грань). На этой М-грани присутствует ряд структур, похожих на ручки.

Наружная камера: Это пространство между внешней и внутренней мембранами.Это от 60 до 80А°. Он заполнен жидкостью.

Вариации крист: Обычно кристы перпендикулярны, но можно заметить различное их расположение.

Параллельные кристы: В нервных клетках и клетках поперечнополосатых мышц митохондрии имеют параллельные кристы.

Концентрические кристы: В сперматогониях человека митохондрии имеют концентрические кристы.

Беспорядочное расположение: В хоа-хоа митохондрии демонстрируют неправильное расположение крист

Сферические кристы: В сперматоцитах кристы имеют сферическую форму.

Митохондрии без крист: Очень редко внутренняя мембрана гладкая. Он не будет показывать кристы.

Редуцированные гребни: В клетках семенников опоссума гребни редуцированы в митохондриях.

Ферменты: В 1969 г. Ленингер дал учет ферментов в митохондриях.

1) Ферменты наружной мембраны митохондрий

а) Фермент мономиноксидаза.

2) Ферменты наружной камеры митохондрий

1) Аденилаткиназа.

2) Дифосфокиназа нейкоцитов.

3) Ферменты внутренней мембраны

Во внутренней мембране присутствуют ферменты переноса электронов. Это цитохромы, ароматические белки, дегидрогиназы и т. д.

а) АТФ-синтетаза-оксидаза.

b) карнитин-ацилтрансфераза жирных кислот и т. д., ферменты присутствуют. Ферменты матрикса: Эти системы ферментов связаны с циклом Кребса и циклом жирных кислот.

а) Фумараза.

б) Аконитаза.

c) Цитратсинтаза и др.

Элементарные частицы: На внутренней мембране митохондрий присутствуют стебельчатые частицы. Их называют F, или элементарные частицы. Они расположены на равном расстоянии. Каждая частица имеет стебель и головную часть. Длина стебля 50А°. Головка 100° в диаметре.Расстояние между двумя частицами равно 100°. Головка содержит ферменты АТФ-азной системы и осуществляет окислительное фосфорелирование. Поэтому их называют оксисомами.

Комплекс I: Содержит флавопротеин НАДН-дегидрогиназы. Он содержит негемирон, который сочетается с белком.Он получает водород из НАДН.

Комплекс II: Содержит флавопротеин янтарной дегидрогеназы. Он получает водород от янтарной дегидрогиназы.

Комплекс III: Он содержит цитохром b1, цитохром cr

Комплекс IV:

Эти комплексы связаны убинохиноном. Будет присутствовать цитохром С.Убинохинон соединяет комплексы 1,2 и 3. Цитохром С будет соединять комплекс 384.

1. Удача заявила, что свободные существующие митохондрии будут удлиняться и делиться, и образуются новые митохондрии.
2.  Моррисон заявил, что митохондрии возникают либо из плазматической мембраны, либо из эндоплазматического ретикулума.
3. В цитоплазме могут присутствовать мелкие частицы, они называются промитохондриями, они могут давать начало митохондриям.

Митохондриальная ДНК: Митохондрии содержат одну или две молекулы ДНК. Митохондриальная ДНК круглая. Это сильно скрученная двухцепочечная молекула. «Рабино-с» заявил, что митохондриальная ДНК. содержит больше G и C, чем неясная ДНК. Молекулярная масса митохондриальной ДНК составляет от 9 до 11 миллионов. Эта ДНК обладает способностью умножения. ДНК присутствует фермент полимераза. Эта ДНК будет производить R.N.A. Считается, что он может взять на себя производство некоторых белков.

Происхождение Mitochondria

Митохондрий полуавтоматический или прокариотическое происхождение:

1. В бактериях и митохондриях система транспорта электронов присутствует в плазматической мембране и во внутренней мембране соответственно.
2. Бактериальная плазматическая мембрана имеет мезосомы, с ними можно сравнить митохондриальные кристаллы.
3. И бактерии, и митохондрии будут иметь кольцевую ДНК.
4. Сообщается о рибосомах как у бактерий, так и у митохондрий.
5. И бактерии, и митохондрии будут производить АТ.Ф. и Р.Н.А. Следовательно, мы считаем, что митохондрии могли произойти из бактериальной клетки. В клетке митохондрии будут функционировать как полуавтономные органы.

Функции митохондрий:

1. А.Т.П. Синтез: Это электростанция клетки. Он вызывает окисление пищи. Отсюда реакции цикла Кребса, ферменты электронтранспортной системы находятся в митохондриях. При окислении пищи энергия высвобождается в виде АТФ. (Происходит окислительная фосфореляция.)
2. Образование желтка: Митохондрии ответственны за образование желтка в развивающейся яйцеклетке Гранулы образуются в матриксе Они образуют большие массы Митохондрии превращаются в запасающие желток тела.
3. Митохондриальное образование сперматозоидов: Когда сперматиды становятся? Митохондрии
4. Происхождение новой системы: Считается, что некоторые клеточные органеллы могут происходить из митохондрий.
5. Производство тепла: При окислении пищевых продуктов выделяется АТФ. Только 45% всей энергии удерживается в форме АТФ. Остальные 35% АТФ будут выделяться в виде тепла.(У птиц и млекопитающих это тепло полезно для поддержания температуры тела).
6. АТФ, высвобождаемая при дыхании (из-за митохондрий), принимает участие во многих биосинтетических путях клетки.

Клеточная биология

Митохондрии

Энергия, хранящаяся в пище, имеет большие номиналы. Липиды, углеводы и даже белки, потребляемые или поглощаемые клетками, обеспечивают их энергией, необходимой для роста и метаболической активности.Однако, прежде чем клетки смогут получить доступ к этой энергии, она должна быть разбита на кусочки «размера в один укус». Это роль митохондрий.

В эукариотических клетках митохондрии участвуют в заключительных стадиях высвобождения энергии из пищевых молекул, таких как сахара. После распада на двухуглеродные фрагменты в цитоплазме конечные продукты катаболических процессов, таких как гликолиз, перемещаются внутрь органелл митохондрий. В следующей серии химических реакций распада образуется углекислый газ, а энергия захватывается электронами высокой энергии.Наконец, энергия этих электронов высвобождается в ходе ступенчатой ​​цепной реакции, которая передает управляемые порции энергии молекулам АТФ и образует конечный продукт жизнедеятельности — воду.

Такая сложная деятельность возможна из-за структурной организации митохондрий. Каждая органелла имеет двойную мембрану; наружная мембрана гладкая и определяет форму органеллы, а внутренняя мембрана сильно сложена в пальцеобразные кристы, образующие большую площадь поверхности.

В центральном отделе внутренней митохондриальной мембраны находятся ферменты цикла Кребса, которые в циклической серии химических реакций расщепляют двухуглеродные фрагменты до углекислого газа. В ходе этих реакций распада образуются высокоэнергетические электроны. Переносимые модифицированными молекулами нуклеотидов, эти электроны переносятся на высокоорганизованный ряд белков, ферментов и переносчиков электронов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану.Ступенчатым, каскадным образом электроны последовательно передаются вниз по энергетической цепи, теряя часть своей энергии на каждом шаге. Эта высвобождаемая энергия не теряется, а используется для перекачивания ионов водорода с одной стороны мембраны на другую.

Когда электроны находятся на самом низком уровне, они соединяются с ионами кислорода и водорода, образуя воду. Но в митохондриальных мембранах несбалансированный градиент ионов водорода по обе стороны митохондриальной мембраны создает энергетический потенциал через барьер.Когда электроны возвращаются во внутренний компартмент, они проходят через ферментно-белковый комплекс, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Энергия снова перемещается, на этот раз в химическую реакцию, в результате которой образуется АТФ. Эта молекула АТФ является краткосрочной энергетической валютой клеток и организмов.

Все эукариотические клетки имеют митохондрии. Клетки сердца или другие подобные клетки с высокой метаболической активностью имеют много митохондрий, чтобы обеспечить клетку АТФ, необходимой для ее специализированной роли.Другие клетки, такие как запасающие липиды клетки, все еще имеют митохондрии, но из-за гораздо более низкого уровня метаболической активности они имеют меньше таких органелл и производят меньше АТФ.

В отличие от других органелл внутри клетки, митохондрии имеют свои собственные молекулы ДНК, и этот генетический материал отвечает за кодирование некоторых белков и компонентов, используемых в метаболических процессах. Митохондрии также имеют свои собственные различные типы рибосом и подвергаются тому, что выглядит как процесс деления.В момент полового размножения у животных оплодотворенная зигота получает все свои митохондрии от матери. Это «материнское» наследование митохондрий и ДНК, которую они несут, позволяет проследить генезис нашего вида в обратном направлении до «первоначальной» женщины, от чьих митохондрий мы все еще зависим.

инструментов для изучения морфологии и функций митохондрий | Thermo Fisher Scientific

Мультиплексируйте ваши митохондриальные данные

(см. список продуктов, представленных в этой статье.)

Митохондрии могут составлять до 10% объема клеток эукариотических клеток. Изменения в митохондриальной морфологии и функции являются хорошими индикаторами здоровья клеток, и мультиплексирование реагентов митохондриальной морфологии с зондами, которые оценивают функцию, может предоставить более подробную информацию о митохондриальном здоровье. Мы разработали широкий спектр реагентов Molecular Probes™ для исследования митохондрий как при визуализации живых, так и фиксированных клеток. В этой статье мы выделяем некоторые из наших наиболее часто упоминаемых митохондриальных зондов.

Зонды морфологии митохондрий

Митохондрии могут иметь фрагментированную морфологию с множеством митохондрий сфероидальной формы или сетчатую морфологию, при которой митохондрия представляет собой единую многоветвящуюся структуру [1,2]. Количество митохондрий зависит от нескольких переменных, включая тип клеток, клеточный цикл или стадию дифференцировки, уровень клеточной энергии и общее состояние клеток. Простое окрашивание митохондрий и наблюдение за их морфологией под микроскопом может предоставить значительный объем информации об их общей биологии и функциональном состоянии (Таблица 1) . На рис. 1 показаны митохондрии с нормальной сетчатой ​​морфологией, а также митохондрии сфероидной формы, очищенные путем аутофагии.

Таблица 1. Различные инструменты Molecular Probes для изучения митохондриальной морфологии.

Митохондриальные функциональные инструменты

Митохондриальная дисфункция связана с различными заболеваниями [4] и является признаком клеточной токсичности. Мы предлагаем различные реагенты Molecular Probes для изучения функции митохондрий с разных точек зрения, включая зонды для определения потенциала митохондриальной мембраны, потока кальция, окислительного фосфорилирования, аутофагии/митофагии и цитозольного pH (таблица 2) .

Таблица 2. Различные инструменты Molecular Probes для изучения функции митохондрий.

Сила мультиплексирования

Изучение митохондрий может быть улучшено за счет мультиплексирования функциональных зондов с морфологическими зондами.Например, CellLight Mitochondria-GFP или CellLight Mitochondria-RFP можно комбинировать с чувствительными к потенциалу красителями, такими как TMRM, для мониторинга структурной целостности митохондрий, а также для оценки потенциала митохондриальной мембраны (рис. 2) . Рисунок 3 демонстрирует эффективность мультиплексирования индикатора митохондриального потока кальция rhod-2 AM с потенциально независимыми митохондриальными маркерами, такими как CellLight Mitochondria-GFP, что позволяет визуализировать митохондриальное деление, слияние и подвижность до, во время и после кальция. поглощение.С помощью мультиплексирования функцию митохондрий можно определить даже с помощью инструментов, не предназначенных специально для митохондрий, когда они используются совместно с митохондриально-направленными зондами. При мультиплексировании с CellLight Mitochondria-GFP CellROX Orange, зонд общего окислительного стресса, может указывать на состояние окислительного стресса митохондрий (рис. 4) .

Ссылки

1. Koopman WJ, Visch HJ, Smeitink JA et al. (2006) Цитометрия A 69:1–12.
2. Duvezin-Caubet S, Jagasia R, Wagener J et al.