Митохондрии (МТ) – одно из самых интересных мне направлений исследований. Объединение митохондрий с другой клеткой в ходе эндосимбиоза около 1,6 млрд лет назад стало основной всех многоклеточных эукариотов со сложной структурой. Предположительно митохондрии произошли от клеток, напоминающих α-протеобактерии.

Лучшее обзорное исследование последнего времени по митохондриях – работа Вернера Кулбрандта «Структура и функция митохондриальных белковых комплексов мембраны». Если вы знаете английский язык и интересуетесь устройством этих органелл, то настоятельно рекомендую к прочтению. Эта статья так хороша, что может быть смело главой хорошего учебника по молекулярной биологии. Сначала я хотел перевести всю статью, но это бы заняло непростительно много времени и оторвало бы от других дел. Поэтому ограничусь тезисами и картинками. Периодически разбавляя все своими мыслями.

Митохондрия кодирует сама только 13 белков, не смотря на наличие отдельной от клетки ДНК (мтДНК) и всего «производственного» цикла по транскрипции белков. Изолированная митохондрия какое-то время может сохранять композицию и функционировать.


Митохондрии картинки


Рисунок 1. Компоненты мембраны митохондриона. Внешняя мембрана отделяет митохондрию от цитоплазмы. Она окружает внутреннюю мембрану, которая отделяет межмембранное пространство от богатого белками центрального матрикса. Внутреннюю мембрану разделяют на внутреннюю пограничную мембрану и кристы. Две эти части непрерывны в местах крепления крист (cristae junction). Кристы простираются более или менее глубоко в матрикс и являются основным место митохондриального преобразования энергии. Небольшой протоновый градиент в межмембранном пространстве (pH 7,2-7,4) и матрикс (pH 7,9-8,0) приводят к образованию АТФ АТФ-синтазой в мембранах крист.

Внешняя мембрана пористая и позволяет веществам из цитоплазмы проходить через нее. Внутренняя мембрана плотная, для ее пересечения нужны транспортные белки [Гилберт Линг обоснованно не согласен], непрерывность барьера позволяет иметь внутренней мембране электрохимический потенциал в -180 mV. У матрикса довольно большой pH (7,9-8). Еще раз углублюсь в Линга. Щелочной (выше 7) pH способствует более развернутой конформации белков. Высокий pH нарушает водородные и солевые связи, делая поляризованные CO и NH доступными молекулам воды, там самым усиливая дипольный момент всей внутриклеточной воды и связывая ее. В этом ключе наличие мембраны нужно не для «удержания» протоплазмы внутри клетки (это делают сами белки при высоком pH), а для наличия потенциала.


мтДНК находится в нуклеотидах, которых примерно 1000 на клетку. Белковая плотность матрикса довольна высокая (до 500 мг/мл), что близко к кристаллизованным белкам.

Внутренняя мембрана образует инвагинации, называемые кристами, которые глубоко проникают в матрикс. Кристы определяют третий «отсек» митохондрий – просвет крист (cristae lumen). Мембраны кристы содержат большинство, если не все, полностью «собранные» комплексы цепи переноса электронов и АТФ-синтазы. Просвет кристы содержит большое количество маленького растворимого белкового переносчика электронов (цитохром с). Митохондриальные кристы, таким образом, основное место биологической конверсии энергии во всех не фотосинтетических эукариотах.

С кристами тоже много всего интересного. Оптические свойства кристы влияют на распространение и генерацию света в тканях. Я даже встречал идеи о том, что поверхность крист подобна (предположение) поверхностям топологических изоляторов (подразумевалась суперпроводимость без диссипации заряда).

Митохондрии картинки

iv>
ot;}" data-image-title="12915_2015_201_Fig2_HTML" data-image-description="" data-medium-file="https://secureservercdn.net/184.168.47.225/325.d55.myftpupload.com/wp-content/uploads/12915_2015_201_Fig2_HTML-300x189.jpg" data-large-file="https://secureservercdn.net/184.168.47.225/325.d55.myftpupload.com/wp-content/uploads/12915_2015_201_Fig2_HTML.jpg?time=1580920541" class="aligncenter" src="/wp-content/uploads/ae48fd9b195bb5c38cf876ff9b7ef857.jpg" alt="" width="567" height="358" srcset="" sizes="(max-width: 567px) 100vw, 567px" />

Рисунок 2. Мембранные белковые комплексы дыхательной цепи. Комплекс I (NADH / убихинон оксидоредуктаза, синий), Комплекс II (сукцинат дегидрогеназа, розовы), Комплекс III (цитохром С редуктаза, оранжевый), Комплекс IV (цитохром С оксидаза, зеленый) и митохондриальная АТФ синтаза (известная как комплекс V, бежевая) работают вместе во время окислительного фосфорилирования, чтобы клетки могли использовать энергию. Комплексы I, III, IV выкачивают протоны вдоль мембраны кристы, создавая протоновый градиент, стимулирующий синтез АТФ.


Теперь немного внимания на комплекс II. Вы помните, что жир (кето) делает упор в метаболизме на FADH2 и комплекс II. Они восстанавливают пару CoQ, в какой-то момент окисленного CoQ не хватает для транспортировки электронов на комплекс III и образует обратный поток электронов на комплекс I с образованием супероксида. При долгом HFLC-питании комплекс I будет обратимо разрушен, при этом это нормальная физиологическая оптимизация.

Еще прошу вас заметить, что комплекс II не выкачивает протоны. Что у нас рассеивает протоновый градиент, нарушает фосфорилирование и стимулирует сжигание жиров на тепло? Правильно, стресс холода. Термогенез связан с метаболизмом через комплекс, который не выкачивает протоны, тем самым не давая дополнительных протонов для АТФ-синтазы. Можно только удивляться как замечательно у нас продуман организм.

Крепления крист и MICOS

Места крепления крист (cristae junctions) – маленькие круглы отверстия примерно 25 нм диаметром. В митохондриях всех организмов есть система MICOS (mitochondria contact site and cristae to outer membrane), сборка из пяти мембранных и одного растворимого белков, прикрепляющих кристы к наружной мембране.

В клетках с повышенной потребностью в энергии, такие как скелетные и сердечные мышцы, кристы плотно заполняют большую часть объема митохондрии. В тканях с меньшими потребностями в энергии, таких как печень и почки, кристы находятся не так плотно по отношению друг к другу. Остается больше места в матрице для биосинтетических ферментов.

>
Митохондрии картинки


Рисунок 3. Томографический объем митохондрии сердца мыши. А) Трехмерный объем митохондрии сердца мыши, снятый cryo-ET. Наружная мембрана (серая) окутывает внутреннюю мембрану (светло-синяя). Внутренняя мембрана плотно наполнена кристами б) Томографический срез объема. Плотно заполненный матрикс, содержащий большую часть митохондриальных белков, выглядит темным на электронном микроскопе. В то время как межмембранное пространство и просветы крист выглядят светлыми из-за низкой концентрации белков.

Димеры АТФ синтазы

Митохондриальная F1-F0 АТФ синтаза является самым заметным белковым комплексом кристы. АТФ синтаза – это древняя наномашина, которая использует электрохимический протновых градиент вокруг внутренней мембраны для создания АФТ посредством вращательного катализа. Протоны, двигающиеся через F0 комплекс мембраны, вращают ротор из 8 (у млекопитающих) или 10 (у дрожжей) с-узлов. Центральный стебель передает крутящий момент c-ротора каталитической головке F1, где АТФ образуется из АДФ и фосфата через последовательность конформационных изменения. Периферийный стебель предотвращает непродуктивное вращение Головы F1 против комплекса F0.

Многие годы считалось, что АТФ синтаза случайным образом располагается на внутренней мембране. Но оказалось, что АТФ синтаза располагается двойными рядами. Причем линейные ряды АТФ синтазы – фундаментальный атрибут всех живых митохондрий.


Митохондрии картинки


Рисунок 4. Двойные ряды АТФ синтазы у семи разных видов.

Ряды АТФ синтазы располагаются в основном вдоль хребтов крист. Димеры изгибают липидный бислой и как следствие само-организуются в ряды. Когда у митохондрий дрожжей выбивали узлы e и g АФТ синтазы, то штамм рос на 60% медленней диких собратьев, и потенциал мембран их митохондрий был снижен вдвое. У АФТ синтазы прокариотов недостает нескольких узлов, связанных с димерами, ряды димеров не были найдены у бактерий и архей. Кристы и ряды димеров АФТ синтазы, таким образом, являются адаптацией к большим энергетическим потребностям организма.

Митохондрии картинки


.d55.myftpupload.com/wp-content/uploads/12915_2015_201_Fig5_HTML.jpg?time=1580920541" class="aligncenter" src="/wp-content/uploads/917145c092b5e1b979d32455b6daa582.jpg" alt="" width="472" height="349" srcset="" sizes="(max-width: 472px) 100vw, 472px" />

Рисунок 5. Структура димера АТФ синтазы митохондрии polymella sp. Вид сбоку на V-образный димер АТФ синтазы.

Комплексы и суперкомплексы дыхательной цепи

Протоновый градиент вокруг внутренней мембраны создается тремя крупными мембранными комплексами, известными как комплекс I, комплекс III и комплекс IV (см. рисунок 2). Комплекс I кормится электронами из NADH, высвобождаемая при передаче электрона энергия выкачивает четыре протона. Комплекс III получает электрон от восстановленного хинола и передает его носителю электронов (цитохрому с), выкачивая в процессе один протон. Комплекс IV получает электрон из цитохрома с и передает его молекулярному кислороду, выкачивая 4 протона за каждую молекулу кислорода, превращенную в воду. Комплекс II не выкачивает протоны, напрямую передавая электроны хинолу. Как перенос электронов из NADH в хинол связан с транслокацией протонов пока не ясно. Комплекс I – крупнее III и IV вместе взятых.

Митохондрии картинки

Рисунок 6. Комплекс I митохондрии коровьего сердца. Матриксная часть содержит ряд из  восьми железно-серных (Fe-S) кластеров, которые направляют электроны из NADH в хинол на пересечении матрикса и мембраны. Мембранная часть состоит из 78 лопастей, включая выкачивающие протоны молекулы.

Комплексы I, III и IV соединяются в суперкомплексы или респирасомы. У пекарских дрожжей (saccharomyces cerevisiae) нет комплекса I, их суперкомплексы состоят из III и IV. Роль суперкомплексов пока еще не ясна. Предполагают, что это  делает транспорт электронов более эффективным, но прямых доказательств этому пока нет.

Митохондрии картинки

Рисунок 7. Суперкомплекс митохондрии коровьего сердца. Обратите внимание на дистанцию между комплексами I и III, который надо проделать хинолу. Стрелки – движения электрона в суперкомплексе.

Основным белком просвета кристы является цитохром с, который переносит электрон из комплекса III в комплекс IV. Если цитохром с высвобождается в цитоплазму клетки, то вызывает апоптоз.

Митохондрии картинки

Рисунок 8. Ряды димеров АТФ синтазы задают форму кристам. У хребта кристы АФТ синтаза (желтый) образует слив для протонов (красный), протоновые насосы электронной цепи (зеленый) находятся по обоим сторона рядов димеров. Направляя протоны от источника к АТФ синтазе, кристы работают как протоновые направляющие, позволяющие эффективное производство АТФ. Красные стрелки показывают направление потока протонов.

Источник: vladimirfo.com

Что такое митохондрии и их роль

Митохондрии представляют собой двумембранный органоид эукариотической клетки, основное задание которого – окисление органических соединений, синтез молекул АТФ, с последующим применением энергии, образованной после их распада. То есть по сути митохондрии это энергетическая база клеток, говоря образным языком, именно митохондрии являются своего рода станциями, которые вырабатывают необходимую для клеток энергию.

Количество митохондрий в клетках может меняться от нескольких штук, до тысяч единиц. И больше их естественно именно в тех клетках, где интенсивно идут процессы синтеза молекул АТФ.

Сами митохондрии также имеют разную форму и размеры, среди них встречаются округлые, вытянутые, спиральные и чашевидные представители. Чаще всего их форма округлая и вытянутая, с диаметром от одного микрометра и до 10 микрометров длинны.

митохондрия

Примерно так выглядит митохондрия.

Также митохондрии могут, как перемещаться по клетке (делают они это благодаря току цитоплазмы), так и неподвижно оставаться на месте. Перемещаются они всегда в те места, где наиболее требуется выработка энергии.

Происхождение митохондрии

Еще в начале прошлого ХХ века была сформирована так званая гипотеза симбиогенеза, согласно которой митохондрии произошли от аэробных бактерий, внедренных в другую прокариотическую клетку. Бактерии эти стали снабжать клетку молекулами АТФ взамен получая необходимые им питательные вещества. И в процессе эволюции они постепенно потеряли свою автономность, передав часть своей генетической информации в ядро клетки, превратившись в клеточную органеллу.

Строение митохондрии

Митохондрии состоят из:

  • двух мембран, одна из них внутренняя, другая внешняя,
  • межмембранного пространства,
  • матрикса – внутреннего содержимого митохондрии,
  • криста – это часть мембраны, которая выросла в матриксе,
  • белок синтезирующей системы: ДНК, рибосом, РНК,
  • других белков и их комплексов, среди которых большое число всевозможных ферментов,
  • других молекул

Строение митохондрии

Так выглядит строение митохондрии.

Внешняя и внутренняя мембраны митохондрии имеют разные функции, и по этой причине различается их состав. Внешняя мембрана своим строением схожа с мембраной плазменной, которая окружает саму клетку и выполняет в основном защитную барьерную роль. Тем не менее, мелкие молекулы могут проникать через нее, а вот проникновение молекул покрупнее уже избирательно.

На внутренней мембране митохондрии, в том числе на ее выростах – кристах, располагаются ферменты, образуя мультиферментативные системы. По химическому составу тут преобладают белки. Количество крист зависит от интенсивности синтезирующих процессов, к примеру, в митохондриях клеток мышц их очень много.

У митохондрий, как впрочем, у и хлоропластов, имеется своя белоксинтезирующая система – ДНК, РНК и рибосомы. Генетический аппарат имеет вид кольцевой молекулы – нуклеотида, точь в точь как у бактерий. Часть необходимых белков митохондрии синтезируют сами, а часть получают извне, из цитоплазмы, поскольку эти белки кодируются ядерными генами.

Функции митохондрии

Как мы уже написали выше, основная функция митохондрий – снабжение клетки энергией, которая путем многочисленных ферментативных реакций извлекается из органических соединений. Некоторые подобные реакции идут с участием кислорода, а после других выделяется углекислый газ. И реакции эти происходят, как внутри самой митохондрии, то есть в ее матриксе, так и на кристах.

Если сказать иначе, то роль митохондрии в клетке заключается в активном участии в «клеточном дыхании», к которому относится множество химических реакций окисления органических веществ, переносов протонов водорода с последующим выделением энергии и т. д.

Ферменты митохондрий

Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют транспортировку АДФ в АТФ. На головках, что состоят из ферментов АТФазы идет синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи. В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кислот

Источник: www.poznavayka.org

Рис. 1. Митохондрия в электронном микроскопе. Фото с сайта thoughtco.com

До недавнего времени считалось, что митохондрии наследуются потомками только от матери. Авторы новой статьи в PNAS исследовали пациентов с подозрением на митохондриальные заболевания и обнаружили в их клетках смесь отцовских и материнских митохондрий. Механизмы такого наследования пока неизвестны, но сам факт его существования может оказаться крайне полезным для клинической диагностики.

Митохондрии — это бывшие бактерии, поселившиеся внутри предка современных эукариот в обмен на обеспечение его энергией (подробнее см. в новостях Теория симбиогенеза 50 лет спустя: параллельной эукариотизации, скорее всего, не было, «Элементы», 22.11.2017 и Кишечную палочку научили встраиваться в клетки дрожжей и работать митохондрией, «Элементы», 30.10.2018). С тех пор они растеряли большинство своих генов — у митохондрий человека их осталось всего 37 — однако генетикам известен целый ряд заболеваний, которые определяются мутациями митохондриальной ДНК. Подобно большинству других генетических заболеваний, митохондриальные болезни проявляются системно, а их симптомы разбросаны по всему организму (например, синдром диабета и глухоты). Сильнее всего от нехватки энергии страдают мышцы и нервы, поэтому митохондриальные болезни часто проявляются как миопатии или нейропатии (например, синдром Лея или нейропатия Лебера). Лечение в большинстве случаев пока не разработано, удается лишь иногда справиться с отдельными симптомами.

Один из возможных путей борьбы с митохондриальными заболеваниями — технология «ребенка от трех родителей». Большинство митохондрий (а еще совсем недавно считалось, что вообще все) переходят к ребенку от матери, так как при оплодотворении сперматозоид привносит в яйцеклетку только ядро и одну из центриолей. Следовательно, если мать больна митохондриальным заболеванием, спасти ребенка можно с помощью донорских здоровых митохондрий. Поэтому можно, например, пересадить ядро яйцеклетки матери в цитоплазму яйцеклетки донора (удалив ее собственное ядро, конечно же), а затем оплодотворить in vitro полученный гибрид сперматозоидом отца. В мире уже живет несколько детей, родившихся в результате применения этой технологии. Но ее эффективность доказана не окончательно: в некоторых случаях часть митохондрий с мутациями может попадать в гибридную яйцеклетку и размножаться в ней.

И вот, благодаря статье группы ученых из научных учреждений США, Китая и Тайваня, опубликованной в журнале PNAS в понедельник, оказалось, что наследование митохондрий может происходить не исключительно по материнской линии, и самые разные люди могут оказываться гибридами. Такое состояние, при котором в клетке соседствуют органеллы с различиями в последовательностях ДНК (в том числе — от разных родителей), называют гетероплазмией. Ее раньше обнаруживали у дрожжей, мышей и овец, но с человеком ситуация оставалась неясной. Только в одной работе 16-летней давности был описан случай пациента, у которого достоверно обнаружили отцовскую митохондриальную ДНК, но почему-то только в мышечной ткани (M. Schwartz, J. Vissing. Paternal inheritance of mitochondrial DNA). С тех пор никаких свидетельств наследования митохондрий по отцовской линии добыть не удавалось.

Авторы обсуждаемой статьи исследовали пациентов генетической клиники с подозрением на митохондриальные заболевания. Первый пациент (они называют его А) страдал усталостью, мышечной слабостью и болями — характерная для митохондриальных болезней симптоматика. У одной из его сестер была задержка речи, у деда — сердечный приступ, а у матери — нейропатия, однако ни в одном случае врачи не заподозрили митохондриальных причин. В процессе секвенирования ДНК оказалось, что у пациента А нет никаких характерных мутаций, но необычайно высокий уровень гетероплазмии: 21 вариант последовательности встречался примерно в 60% митохондрий клетки, и еще 10 вариантов — 40%. Такая же ситуация обнаружилась и у ближайших родственников пациента А: сестер и матери (рис. 2). Получается, что мать пациента А унаследовала митохондрии от обоих родителей, а потом передала всю эту смесь детям (без участия митохондрий их отца). Секвенирование митохондриальных ДНК других членов семьи А показало похожую картину. Еще в двух ветвях того же семейства матери унаследовали митохондрии от обоих родителей, а затем передали эту гетероплазмию детям без участия отцов.

Источник: pikabu.ru

Вернуться к списку Задать свой вопрос

 

 

Митохондрия и микроскоп - фотоПросмотр органелл в оптический прибор входит в программу общеобразовательных учреждений, также при наличии оптики и лабораторного инструментария, это можно сделать в домашних условиях или на факультативных занятиях. Исследование благодаря своей простоте доступно всем неравнодушным к биологии людям – детям и начинающим биологам, студентам медицинских колледжей. Под микроскопом митохондрии впервые удалось идентифицировать в середине 19-го столетия в процессе микроскопирования мышечной ткани. В настоящей статье мы расскажем об основном способе их визуализации.

Митохондрия – это постоянный компонент эукариотической ядерной клетки живых организмов (структурно — функциональной единицы их строения), называемый органоидом, и важный для обеспечения ее жизни (синтез АТФ). Размер в среднем составляет 1 мкм в диаметре, форма – сферическая или эллипсоидная. Являясь энергетическим катализатором, она использует высвобождающуюся при распаде органики энергию для множества биохимических реакций и переноса молекул при межклеточных взаимодействиях.

Прототипами митохондрий стали безъядерные прокариоты – бактерии, которые со времени передали им частицу своего наследственного материала, генома, и расширили потенциал и возможности клетки в части использования кислорода, фактически обеспечили этим интенсивное развитие протистов — растений, грибов, животных.

Митохондрия ткани поджелудочной железы

Строение митохондрии под микроскопом:

  • Наружная и внутренняя мембраны (тонкие пленки, образованные эластичными молекулярными соединениями). Включают липиды и белки, выполняют защитную функцию, оберегая от внешних воздействий неблагоприятных факторов, и транспортную – доставка питательных веществ;
  • Межмембранное пространство;
  • Митохондриаальный матрикс, имеющий: кристы (складки, нужные для тканевого дыхания), ферменты АТФ-синтеза, двуспиральные макромолекулы ДНК, рибонуклеиновые кислоты.
  • Рибосомы.

Митохондрии в скелетной и эпителиальной тканях

Необходимо приготовить микропрепарат мышечной или нервной ткани. Для этого:

  • Возьмите биоматериал и проведите двухсуточную фиксацию в 40-процентном водном растворе формальдегида (ГОСТ 1625-89);
  • Осуществите заморозку и последующую нарезку микротомом. Второй вариант – обезводить и пропитать парафином перед нарезанием;
  • Произвести последовательное окрашивание в эозине и гематоксилине. Химическое действие красителей на микрообразец позволяет визуально выделять его содержание;
  • Заключите зафиксированный и окрашенный срез между предметным и покровным стеклышками.

Деление митохондрии - фото

Рекомендованные модели из области биологической микроскопии: Levenhuk 320, Биомед-4, Микромед-1 вар.1-20. Начните с маленького увеличения, постепенно добавляя кратности путем смены объективов (максимально 1600x). Малая степень приближения на начальном этапе даст комфортный угол обзора, чтобы провести центрирование препарата на столике. Результаты можно зафиксировать, проведя фотосъемку (для этого подключите цифровой видеоокуляр). Метод, применяемый для описанных выше наблюдений — проходящий свет, светлое поле. При этом галогенный осветитель и умелая работа с конденсором позволят избежать бликов и настроить высокую четкость изображения. 

Источник: oktanta.ru