2.2.1.4. Митохондрии

Это органелла, в которой происходит окисление органических соединений (клеточное дыхание) и синтез АТФ, поэтому ее считают «энергетической силовой станцией» клетки. Митохондрии были открыты в 1890 году немецким ученым Р.Альтманом. Сам Р.Альтман счи- тал, что митохондрии произошли от бактерий, которые внедрились в клетку с пара­зитическими целями, в последствие став ее симбионтом. Эта теория получила название симбиотической и в настоящее время широко распространена.

2.2.1.4.1. Общая структура митохондрий

Митохондрии (рис.85) присутствуют во всех клетках, кроме эритроцитов и кератиноцитов. Это подвижные органеллы, постоянно перемещающиеся по цитоплазме к уча­сткам клетки, в которых происходит повышенное потребление энергии. Форма митохондрий разнообраз­на в различных клетках: сферическая, овальная, лентовидная, гантелевидная и т.д. Размеры колеб­лются от 0,5 до 7 мкм; количество в клетки - от 50 до 5000. Совокупность всех митохондрий клетки называется хондриом.

Митохондрия окружена двойной мембраной (рис.86) и имеет две полости: межмембранное простран­ство (20нм) между наружной и внутренней мембраной и митохондриальный матрикс, ограниченный внутренней мембраной. Двойная мембрана митохондрий имеет 4 мемб- ранные поверхности: две у наружной и две у внутренней мембран.

Рис.85. Митохондрия. А-электро-нограмма панкреатической клет-

ки крысы; Б-модель митохондрии; В - митохондрии клеток раз-

ных тканей человека. 1 –наружная мембрана, 2 –внутренняя мемб-

рана, 3 – кристы, 4 – матрикс, 5 – увеличенная криста ( Из: Куз –

нецов, 2000; Де Дюв,1987)

Наружная мембрана - гладкая, содержит большое количество белка порина, формирующего водные каналы - поры с диаметром, позволяющим свободно проходить в межмембранную по­лость молекулам размером до 5000 дальтон (ионы, аминокислоты, сахара). В состав наружной мембраны входят также рецепторы для полипептидов, которые переносятся в матрикс, во внутреннюю мембрану и межмембранное пространство.

Внутренняя мембрана - значительно плотнее и чуть толще наружной. В ее состав входит фосфолипид кардиолипин, отличающийся от других липидов мембран наличием 4 жирных кислот, соединен­ных глицеролом. Кардиолипин делает внутреннюю мембрану непроницаемой для ионов. Внут­ренняя мембрана образует многочисленные впячивания - кристы, в состав которых входят:

а) белки, участвующие в окислительных реакциях дыхательной цепи переноса электронов: цитохромы а, а_3, в, с, с₁;

б) АТФ-синтазный ферментный комплекс, участвующий в синтезе АТФ;

в) транспортные белки, регулирующие транспорт метаболитов в матрикс и обратно.

Ферменты дыхательной цепи погружены в эту мембрану и осуществляют окислительное фосфорилирование, сопряженное с образованием АТФ.

Рис.86. Схема строение митохондрии: А - общий вид; В - увеличенная

часть участки мембраны с кристой (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Межмембранное пространство - полость между наружной и внутренней мембранами, 20 нм толщиной, содержит уникальный состав ферментов, которые используют молекулы АТФ, синтези­рованные на внутренней мембране, обеспечивая окислительное фосфорилирование. Группа ферментов (аденилаткиназы и креатинкиназы), локализованная в межмембранном пространстве фосфорилирует нуклеотиды и сахара нуклеотидов.

Митохондриальный матрикс - это полость, окруженная внутренней мембраной. В ней со­держатся ферменты, участвующие в окислении липидов, жирных кислот, аминокислот, углеводов, цикла Кребса; образуется СО₂ и восстановленный NАДН (никотинамидадениндинуклеотид), кото- рый является донором электронов, переносимых по дыхательной цепи. Кроме того, в матриксе содержатся митохондриальная ДНК, рибосомы, некоторые тРНК и ферменты активации митохондриального генома. Имея собственный геном, митохондрии обладают автономной системой синтеза белка для собст­венных мембран.

Митохондриальная ДНК (мтДНК) (рис.87) - небольшая, кольцевая молекула, содержит 16569 нуклеотидных пар; кодирует 15 митохонд- риальных белков, 22 тРНК и 2 рибосомные РНК. В 1 митохондрии 2-10 мо­лекул мтДНК. Генетический код мтДНК несколько отличается от ядерной ДНК, в частности, имеет измененные стоп-кодоны, не имеет интронов. МтДНК реплицируется в интерфазе, перед делением митохонд- рии, которое происходит один раз в клеточном цикле. Репликация мтДНК не связана с S-периодом интерфазы.

Рибосомы по размерам близки к бактериальным, то есть, мельче цитоплазматических рибосом. Трансляция митохондриальных белков инициируется формилметионином мет-т-РНК_f^met. Количество транслируе- мых с митохондриальной рРНК белков ограничено; они формируют некоторые субъединицы крупных ферментных комплексов дыхательной цепи переноса электронов и АТФсинтазы. Все остальные митохондриальные белки (около 1100) кодируются генами ядерной ДНК. Нарушение взаимодействия между митохондриальным и ядерным геномами служит причиной возникновения митохондриальных болезней (табл. 15-16).

Рис.87. Митохондриальная ДНК человека : ori (H) и ori (L) – сайты

инициации репликации тяжелой и легкой цепей ДНК; обозначены

гены тРНК, рРНК и др. (Из: Коничев, 2003)

Таблица 15

Митохондриальные болезни, связанные с дефектами

ядерной ДНК (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Таблица16

Митохондриальные болезни, вызываемые дефектами мтДНК

Заболевание	Клинические фенотипы	Тип
Синдром Кернса-Сейра Синдром Пирсона Сахарный диабет и глухота	Делеции и дупликации мтДНК	Ненаследуемый Ненаследуемый Наследуются по мате -ринской линии
LHON;наследственная атро- фия зрительных нервов Лебера NARP; нейропатия, атаксия, пигментный ретинит MELAS; митохондриальная энцефаломиопатия с инсуль- топодобными эпизодами MERRE;миоклоническая эпилепсия MiMyCa; наследуемое по материнской линии заболе- вание с миопатией и кардио- миопатией, возникающее во взрослом состоянии Сахарный диабет и глухота, наследуемые по материнской линии	Точечные мутации мтДНК	Наследуется по Наследуется по мате- ринской линии Наследуется по мате- ринской линии Наследуется по мате- ринской линии Наследуется по мате- ринской линии Наследуется по мате- ринской линии Наследуется по мате- ринской линии
	Мутации структурных генов мтДНК Точечные мутации мтДНК, приводящие к повреждению тРНК Точечные мутации мтДНК

Митохондриальные белки, кодируемые ядерной ДНК, синте-зируются на полисомах гиалоплазмы и имеют сигнальную последова- тельность (СП), локализованную на N-конце (12-80 аминокис­лотных остатков) (рис.88).

Рис.88. Синтез митохондриальных белков

(Из: Мушкамбаров, 2003)

СП формирует амфифильный завиток: заряженные остатки сгруппированы на одной стороне спирали, незаряженные - на другой. СП соединяется с участком связывания митохондриального распознающего рецептора, локализованного на наружной мембране. После про­хождения белка через наружную и внутреннюю мембраны его СП отщепляется в матриксе. Если белок после этого должен попасть в межмембранное пространство, то он имеет вторую СП, с помощью которой он проникает туда из матрикса. Для прохождения через мембраны полипептид должен находится в развернутом состоянии, то есть, в состоянии незавершенного фолдинга в виде расплавленной глобулы, что обеспечивается специальными шаперонами. Шапероны связываются с полипептидом в процессе их трансляции на рибосомах и препятствуют их фолдингу; диффундирут через мембраны, сохра­няя связь с полипептидом. Эти шапероны относятся к семейству белков теплового шока (hsр), обнаруженных впервые в клетках дрозофилы; их активный синтез начинается при повышении температуры. У митохондрий (как и бактерий) это белки hsр70 и hsp90 . Их функция - пре­дотвращение преждевременного фолдинга и предупреждение «неправильных» взаимодействий внутри незавершенных полипептидов, путем блокирования их активных поверхностей, с целью избегания агрегации.

Во внутреннем митохондриальном пространстве - матриксе проис- ходит завершение фолдин­га при участии шаперонов системы GroEL/GrоЕS. Шаперон GrоЕL относится к белкам Нsр60 и содержится в клетках бактерий и митохондриях эукариот. Белок GrоЕS является ко-шапероном (помощником) GrоЕL и имеет меньшую массу.