Вы слышали это в дюжине учебников: митохондрии — это электростанция клетки. Они являются частью клетки, отвечающей за превращение пищи в энергию для организма. Читайте дальше, чтобы узнать больше о митохондриях, о том, как они работают и как они могут повлиять на ваше здоровье.
Что такое митохондрии?
Определение
Митохондрия (множественное число митохондрий) представляет собой окруженную мембраной органеллу, ответственную за превращение жиров и углеводов (глюкозы) в полезные для организма формы энергии [1, 2].
Основной функцией митохондрий является производство АТФ, основного источника энергии, используемого всеми клетками. АТФ используется для всей необходимой деятельности клетки, и мы должны есть, чтобы пополнить производство АТФ [2].
Митохондрии используют кислород для производства АТФ в процессе, известном как аэробное или клеточное дыхание. Эта реакция использует кислород и производит углекислый газ, который мы выдыхаем через наши легкие [2].
Количество митохондрий на клетку варьируется в зависимости от типа клеток. По мере увеличения энергетических потребностей клетки, например, в мышечных клетках, количество митохондрий также будет увеличиваться. Это позволяет увеличить производство и использование энергии в активных клетках [2].
Помимо производства энергии, митохондрии играют жизненно важную роль в контроле уровня кальция, что помогает сбалансировать потребность в энергии и производство в клетке [3].
Он также отвечает за инициирование разрушения старых и дефектных клеток, процесс, называемый апоптозом. Это необходимо, чтобы освободить место для роста и регенерации клеток после повреждений и предотвратить рост рака [4, 5].
Побочные продукты митохондриальной деятельности накапливаются и производят свободные радикалы. Это вызывает окислительный стресс, основную причину почти всех возрастных заболеваний [6].
Неправильная работа митохондрий приводит к накоплению отходов и препятствует удалению дефектных клеток из организма. Это может привести к росту опухоли и раку [5].
Митохондрии являются целью ряда новых многообещающих методов лечения рака, сердечной недостаточности, резистентности к инсулину и нейродегенеративных заболеваний [5].
Поскольку энергия играет центральную роль в жизни, некоторые исследователи утверждают, что улучшение митохондриальной функции может быть напрямую полезно для физического и психического здоровья.
Митохондрии производят АТФ, основную энергетическую валюту клеток. Они также помогают удалить старые и поврежденные клетки. Когда митохондрии разрушаются, могут накапливаться свободные радикалы и клеточные отходы.
Митохондриальная ДНК
Большая часть генома человека, который представляет собой всю ДНК человека, упакована в 23 пары хромосом в ядре клетки. В дополнение к ядерной ДНК люди также несут специфический набор из 37 генов, которые можно найти только в митохондриях [7].
Митохондриальная ДНК (мтДНК) собрана в одну кольцевую хромосому. Каждая митохондрия несет от 2 до 10 копий этой хромосомы [8].
Митохондриальная ДНК в основном кодирует белки, необходимые для функционирования митохондрий. Напротив, ядерная ДНК кодирует белки, необходимые для активации синтеза митохондриальных белков [8].
23 пары хромосом в ядре наследуются от обоих родителей после рекомбинации, процесса, который делает вас уникальным [9].
И наоборот, митохондриальная ДНК может быть унаследована только от матери. Считается, что отцовская мтДНК разрушается и выбрасывается после того, как сперма попадает в яйцеклетку [8].
Митохондрии — единственные клеточные органеллы, содержащие собственную кольцевую ДНК, наследуемую только по материнской линии.
Происхождение митохондрии
Одними из первых живых организмов на Земле были одноклеточные прокариотические организмы, такие как бактерии. Люди — это эукариотические организмы, а это означает, что мы состоим из эукариотических клеток. Предполагается, что эукариотические клетки произошли от прокариотических клеток [10, 11].
Прокариоты отличаются от эукариот по ряду признаков [10]:
- Прокариоты не имеют внутренних компартментов (органелл).
- ДНК кольцевая, а не линейная, как у эукариот.
- У прокариот нет ядра, поэтому их ДНК свободно плавает в центре клетки, в то время как эукариотическая ДНК упакована в ядро каждой клетки.
- ДНК прокариот проще, чем ДНК эукариот.
- Прокариоты размножаются путем деления пополам и образования двух идентичных копий (бинарное деление).
Считается, что из- за их большого сходства митохондрии произошли от древних прокариотических клеток, использующих кислород, таких как бактерии [10, 11].
- По строению митохондрии напоминают бактерии.
- Он состоит из двойной мембраны, через которую синтезируется АТФ, подобно бактериальному производству АТФ.
- Он несет свою собственную кольцевую ДНК.
- Последовательность митохондриальной ДНК сильно напоминает последовательность ДНК современных прокариот (Rickettsia prowazekii) .
- Как и прокариотические организмы, митохондрия может воспроизводить себя внутри клетки путем бинарного деления.
Наиболее широко принятой теорией, объясняющей эти особенности, является эндосимбиотическая теория. Эта теория предполагает, что древние прокариотические организмы, которые производили кислород, потребляющий энергию, случайно слились с эукариотическими клетками, которые не использовали кислород. Две клетки получают взаимную выгоду от совместной работы как индивидуальной единицы (эндосимбионты) [10, 11].
Способность использовать кислород для получения энергии оказалась благоприятной для выживания обеих клеток. Со временем слившиеся клетки превратились в современные эукариотические организмы. Считается, что митохондрии являются остатком этого исходного прокариотического организма [11].
Ученые предполагают, что митохондрии в клетках человека являются остатками древних одноклеточных организмов.
Структура митохондрий
Характеристики
Структура митохондрии весьма необычна, что способствует ее функции в качестве машины для производства АТФ [1].
Митохондрия окружена двойной мембраной, а внутренняя часть органеллы называется матриксом. Внутренняя мембрана несколько раз складывается в структуры, называемые кристами. Белки, производящие АТФ, расположены между этими двумя мембранами, и движение ионов через внутреннюю мембрану приводит в действие эти белки. Наличие крист увеличивает площадь поверхности, доступную для производства АТФ [1, 3].
Матрица содержит копию кольцевой ДНК и белки, ответственные за опосредование митохондриальной активности. К ним относятся белки, которые создают АТФ, стимулируют митохондриальное деление и слияние митохондрий, метаболизируют молекулы и индуцируют апоптоз [1].
Митохондрии могут подвергаться делению (делению) и слиянию. Митохондриальное деление увеличивает количество митохондрий за счет деления одной митохондрии на две или образования новой митохондрии из небольшого фрагмента исходной митохондрии [3].
Слияние митохондрий происходит, когда две митохондрии сливаются вместе, образуя удлиненную структуру. Обычно это происходит при повреждении. Сливаясь вместе, митохондрии могут преодолеть дисфункцию, позволяя двум полуповрежденным митохондриям работать как одна полностью функционирующая митохондрия (комплементация) [3].
Митохондрии имеют двойную мембрану, внешний слой которой имеет характерную криптоподобную форму. Внутри митохондрии состоят из ДНК-содержащего матрикса.
Митохондрии против Хлоропласты
Строение и функции митохондрий очень похожи на хлоропласты. Хлоропласты встречаются в растениях и некоторых водорослях. Как и митохондрии, они:
- имеют собственную двойную мембрану
- имеют собственный набор ДНК и РНК
- обеспечить клетку энергией
- имеют сходные наборы ферментов и белков
В отличие от митохондрий, хлоропласты используют солнечный свет для выработки энергии для растений посредством процесса, известного как фотосинтез.
Функция митохондрий
Митохондрии отвечают за преобразование жиров и углеводов в АТФ, энергетическую валюту клетки. Кроме того, митохондрии могут при необходимости вызывать гибель клеток, регулировать уровень кальция и расщеплять молекулы на основе углерода [3, 12].
Побочные продукты нормального функционирования митохондрий накапливаются и производят свободные радикалы. Это приводит к окислительному стрессу, который является основной причиной почти всех серьезных возрастных заболеваний [12].
1) Электростанция клетки
Наиболее значимая роль, которую играют митохондрии, — производство АТФ. Ряд биохимических реакций как внутри, так и снаружи митохондрий приводит к образованию АТФ посредством процесса, называемого окислительным фосфорилированием. Помимо нормальной клеточной функции, эти реакции требуют пищи и кислорода для производства энергии [13].
Жиры, углеводы и белки обеспечивают организм разным количеством АТФ при расщеплении [12].
Углеводы, которые превращаются в молекулы глюкозы, быстрее всего расщепляются и образуют от 34 до 38 молекул АТФ на каждую молекулу глюкозы, которая подвергается дыханию. Они являются предпочтительной формой энергии тела [14].
Жиры используются для получения энергии, когда уровень глюкозы низкий. Одна молекула пальмитиновой кислоты, обычного насыщенного жира, может производить 130 молекул АТФ. Однако расщепление жиров (липолиз) — гораздо более сложный процесс, и переваривание жирной пищи может занять до 72 часов [15].
Белки используются для получения энергии только тогда, когда организм голодает [15].
С помощью кислорода и различных питательных веществ митохондрии производят источник энергии клеток: АТФ.
Что такое клеточное дыхание?
В клеточном дыхании выделяют 3 стадии [16]: гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.
Гликолиз
Как только углеводы или глицерин из жиров расщепляются на молекулы глюкозы, они подвергаются серии реакций, называемых гликолизом [3].
- Гликолиз происходит вне митохондрий, в цитозоле клетки.
- Это анаэробный процесс, то есть для его осуществления не требуется кислород.
- В результате образуется 2 молекулы АТФ, 2 молекулы НАДН+ и 2 молекулы пирувата.
Гликолиз сам по себе не генерирует достаточно энергии для клетки, но продукты гликолиза попадают в митохондрии, где они проходят через цикл Кребса, также известный как цикл трикарбоновых кислот (TCA) или цикл лимонной кислоты [3].
- Пируват и НАДН диффундируют в митохондрии (матрикс).
- Пируват подвергается реакции, в результате которой образуются 2 промежуточные молекулы, называемые ацетил-КоА.
- Углекислый газ образуется как побочный продукт и может выводиться через легкие.
Жиры превращаются в хвосты глицерина и жирных кислот. Глицерин может быть расщеплен на глюкозу в цитозоле, которая затем входит в путь клеточного дыхания при гликолизе. Хвосты жирных кислот претерпевают ряд реакций посредством процесса, называемого бета-окислением. При этом образуется ацетил-КоА, который может поступать в дыхательные пути на втором этапе [3].
В случае голодания (отсутствие как углеводов, так и жиров) аминокислоты из белков превращаются в небольшие молекулы на основе углерода в митохондриях. Эти молекулы могут поступать в дыхательные пути в цикле Кребса с образованием АТФ. Это вредно, потому что белки, используемые для получения энергии, берутся из наших костей, мышц и кожи [16].
Гликолиз происходит вне митохондрий. Хотя он производит некоторое количество энергии, ее недостаточно для удовлетворения клеточных потребностей.
Цикл Кребса
Цикл Кребса — это стадия, на которой глюкоза полностью превращается в углекислый газ с помощью кислорода (окисление). Он включает серию реакций с использованием ранее полученного ацетил-КоА. На этом этапе в дыхательные пути поступает ацетил-КоА, образующийся при расщеплении жиров. Целью цикла Кребса является производство высокоэнергетических молекул, которые впоследствии могут быть использованы для получения большего количества АТФ [14].
- Ацетил-КоА входит в цикл Кребса в митохондриальном матриксе.
- Четыре реакции, требующие кислорода, приводят к чистому выходу 2 молекул АТФ, 6 НАДН и 2 молекул ФАДН2.
НАДН и ФАДН2 представляют собой высокоэнергетические молекулы, которые обеспечивают наибольший источник энергии для производства АТФ. Они используются на третьей стадии дыхания, окислительном фосфорилировании [14].
Цикл Кребса генерирует большое количество энергии с использованием кислорода. Это происходит в митохондриях и включает несколько фаз химического превращения.
Окислительного фосфорилирования
Эта стадия дыхания является наиболее важной, так как генерирует наибольшее количество АТФ. Здесь большую роль играет структура митохондрии. Кроме того, этот процесс является причиной того, что нам нужен кислород, чтобы выжить [17, 3].
Между внешней и внутренней мембранами митохондрий существует небольшое пространство, называемое межмембранным пространством. Группа митохондриальных ферментов и белковых комплексов выстилает внутреннюю мембрану, образуя структуру, называемую цепью переноса электронов. Окислительное фосфорилирование происходит в два этапа: перенос электронов и хемиосмос [17].
Цепь переноса электронов [17]:
- Шесть NADH и два FADH2 вступают в химические реакции и отдают свои электроны первому из белковых комплексов в электрон-транспортной цепи.
- НАДН становится НАД+.
- FADH2 становится FAD.
- Электроны переходят от комплекса к комплексу по цепочке.
- Когда электроны переходят от одного белкового комплекса к другому, они генерируют энергию.
Окислительное фосфорилирование является наиболее важной фазой цикла Кребса, в ходе которой образуется наибольшее количество АТФ.
Хемиосмос [17]:
- Энергия, генерируемая при прохождении электронов по транспортной цепи, используется для перекачки ионов Н+ из внутреннего матрикса митохондрий в межмембранное пространство.
- Ионы Н+ накапливаются между двумя митохондриальными мембранами.
- В какой-то момент количество ионов Н+ во внутреннем пространстве мембраны намного превышает количество Н+ в митохондриальном матриксе, создавая химический градиент через внутреннюю мембрану.
- Ионы Н+ возвращаются в матрицу по градиенту концентрации, высвобождая большое количество энергии.
- Последний фермент цепи переноса электронов, АТФ-синтаза, улавливает энергию, генерируемую потоком ионов Н+ в матрицу.
- АТФ-синтаза использует эту энергию для образования от 34 до 38 молекул АТФ и 6 молекул Н2О.
Назначение кислорода в дыхательном процессе — улавливать ионы Н+, которые возвращаются в клетку и образуют молекулы воды. Если бы у нас не было кислорода, ионы H+ остались бы внутри митохондриального матрикса. Это уменьшит градиент, создаваемый на внутренней мембране, потому что ионы H+ будут находиться с обеих сторон мембраны. Это предотвратит хемиосмос и в конечном итоге не будет энергии для производства АТФ [17, 3].
2) Запуск гибели клеток
Митохондрии играют важную роль в инициировании гибели клеток, когда клетка повреждена или стареет. Это полезно, чтобы сосредоточить производство энергии на клетках и тканях, которые имеют более высокие потребности в энергии. Клеточная смерть также предотвращает распространение мутировавших и дефектных клеток. Процесс клеточного самоубийства называется апоптозом, который в значительной степени опосредован высвобождением «суицидальных» белков из митохондрий [4, 18].
Когда повреждена только митохондрия, митохондрии могут разрушить себя с помощью процесса, называемого митофагией, оставив клетку и другие митохондрии нетронутыми [18].
Цепь переноса электронов, обнаруженная во внутренней мембране митохондрий, часто пропускает свободные радикалы или активные формы кислорода (АФК). Хотя производство свободных радикалов является нормальным, оно может привести к вредному окислительному стрессу в клетке. Свободные радикалы реагируют со многими другими веществами в клетке, что приводит к повреждению ДНК и разрушению многих жизненно важных белков [4, 18].
Накопление окислительного стресса связано с более чем 200 заболеваниями человека. Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток, предотвращает накопление свободных радикалов. Митохондрии могут реагировать на сигналы апоптоза внутри (внутренний путь) и вне клетки (внешний путь) [4, 18].
Помимо свободных радикалов, некоторые белки могут связываться с рецепторами на поверхности клетки и инициировать апоптоз. Их называют сигналами смерти, и они высвобождаются в ответ на мутации ДНК, радиацию или нехватку питательных веществ [4, 18].
Когда сигналы смерти связываются со своими рецепторами на клетке, они вызывают ряд химических реакций, которые приводят к изменениям в митохондриальной мембране. Это приводит к перемещению белков в митохондриальный матрикс, высвобождая из внутренней мембраны белок, называемый цитохромом С [4, 18].
Цитохром С является одним из белков в цепи переноса электронов. При выходе из митохондрии клетка должна подвергнуться апоптозу. Он является определяющим фактором гибели клеток [3, 18].
Деструктивные события апоптоза осуществляются ферментами каспазами. Каспазы существуют в неактивной форме в каждой клетке. Когда цитохром С высвобождается, серия химических реакций активирует ферменты каспазы. Каспазы расщепляют или разрезают различные белки в клетке. По мере развития процесса каспазы приводят к полной деструкции клеточного содержимого [18].
Митохондрии могут убивать старые и поврежденные клетки, что, как считается, помогает уменьшить количество клеточных отходов и мутаций ДНК.
3) Распад органических молекул
Митохондрии содержат ферменты, которые расщепляют множество различных молекул, которые используются для получения энергии в путях клеточного дыхания. Эти ферменты также производят промежуточные молекулы, состоящие только из одного атома углерода. Эти молекулы на основе 1-углерода обладают высокой реакционной способностью и могут мешать естественной клеточной активности [19, 20].
Внутри митохондрий молекулы с 1 атомом углерода превращаются в различные аминокислоты, необходимые для производства АТФ и белка. Витамины B9, B12, B6 и B2 обеспечивают углерод, необходимый для проведения этих реакций. Дефицит витаминов группы В связан с возрастными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания и рак [19, 21].
Производство групп гема, структурного ядра гемоглобина, обнаруженного в красных кровяных тельцах, является примером одного важного вещества, продуцируемого метаболизмом 1-углерода в митохондриях. Гемоглобин — это железосодержащий белок, который позволяет кислороду и углекислому газу переноситься кровью и транспортироваться по всему телу [12].
Молекулы на основе 1-углерода экспортируются из митохондрий для производства некоторых строительных блоков ДНК. Это происходит в желеобразной жидкости, которая заполняет внутреннюю часть клетки (цитоплазма), где продукты могут либо перемещаться в разные части клетки по мере необходимости, либо экспортироваться в другие ткани [21].
Митохондрии также являются частью цикла мочевины, процесса, в котором атомы азота из разных молекул выводятся через организм в виде мочевины. Мочевина является основным веществом, содержащимся в моче, придающим ей желтый цвет [12, 22].
Следовательно, митохондрии предотвращают нарушение нормальной клеточной функции, участвуют в удалении продуктов жизнедеятельности и обеспечивают молекулы-предшественники, необходимые для других реакций.
Митохондрии помогают перерабатывать клеточные части — различные органические молекулы, которые можно повторно использовать для построения ДНК и других важных структур.
4) Баланс кальция
Митохондрии контролируют уровень кальция в клетке, чтобы координировать производство энергии с потребностью в энергии. Уровни кальция увеличиваются в клетке для активации почти любого биохимического пути. Активация клетки, в свою очередь, требует энергии, поэтому митохондриям придется увеличить производство АТФ [3].
Когда кальций входит в клетку, концентрация кальция увеличивается вне митохондриального матрикса. Это создает градиент концентрации, который стимулирует приток кальция в матрикс. Белковые каналы, обеспечивающие поступление кальция, расположены на внутренней мембране и открываются в ответ на высокие внутриклеточные концентрации кальция [3].
В мышечных клетках поступление кальция приводит к увеличению продукции митохондрий. Это позволяет поставлять энергию для удовлетворения энергетических потребностей этой ткани [3].
Кальций влияет на функцию митохондрий и наоборот.
Митохондрии являются одними из самых необычных клеточных органелл, без которых мы не можем выжить.
Ученые предполагают, что митохондрии — это остатки древних одноклеточных организмов. У них есть собственная ДНК, которая передается по материнской линии и больше похожа на ДНК вирусов, чем на ДНК человека.
Митохондрии производят основной источник клеточной энергии, АТФ. Они также помогают перерабатывать части клеток, которые можно использовать повторно, удаляя старые и поврежденные клетки, не подлежащие ремонту.
Но поскольку митохондрии используют кислород, их побочные продукты могут вызывать окислительный стресс. Когда митохондрии разрушаются, свободные радикалы и клеточные отходы могут накапливаться и причинять широкомасштабный вред. Некоторые экспериментальные новые методы лечения направлены на то, чтобы обратить этот процесс вспять.
