Ответы не наши / gista_ / билет 12 / МИТОХОНДРИИ

МИТОХОНДРИИ

Митохондрии представляют собой мембранные полуавтономные органеллы, обеспечивающие клетку энергией, получаемой благодаря процессам окисления и запасаемой в виде фосфатных связей АТФ. Ми­тохондрии также участвуют в биосинтезе стероидов, окислении жирных кислот и синтезе нуклеиновых кислот.

Митохондрии могут иметь эллиптическую, сферическую, палочко­видную, нитевидную и др. формы, которые могут изменяться в течение определенного времени. Их размеры составляют 0.2-2 мкм в ширину и 2-10 мкм в длину, а количество в различных клетках варьирует в ши­роких пределах, достигая в наиболее активных 500-1000. В клетках пе­чени (гепатоцитах) их число составляет около 800, а занимаемый ими объем равен примерно 20% объема цитоплазмы. На светооптическом уровне митохондрии выявляются в цитоплазме специальными методами и имеют вид мелких зерен и нитей (что обусловило их название - от греч. mitos - нить и chondros - зерно).

В цитоплазме митохондрии могут располагаться диффузно, однако обычно они сосредоточены в участках максимального потребления энергии, например, вблизи ионных насосов, сократимых элементов (ми-офибрилл), органелл движения (аксонем спермия, ресничек), компо­нентов синтетического аппарата (цистерн ЭПС).

Митохондрии состоят из наружной и внутренней мембран, разде­ленных межмембранным пространством, и содержат митохондриаль-ный матрикс, в который обращены складки внутренней мембраны -кристы (рис. 3-12).

рикс, МГ - митохондриальные гранулы, МК - мембрана кристы, ЭЧ - элементарные частицы, Г - головка, Н - ножка.

(1) наружная митохондриальная мембрана напоминает плазмо-лемму и обладает высокой проницаемостью для молекул массой до 10 килодальтон, проникающих из цитозоля в мемжмембранное простран­ство. Она содержит много молекул специализированных транспортных белков (например, порин), которые формируют широкие гидрофильные каналы и обеспечивают ее высокую проницаемость, а также небольшое количество ферментных систем. На ней находятся рецепторы, распо­знающие белки, которые переносятся через обе митохондриальные мем­браны в особых точках их контакта • зонах слипания.

(2) внутренняя митохондриальная мембрана отделена от на­ружной межмембранным пространством шириной 10-20 нм, которое содержит небольшое количество ферментов. В ее состав входят белки трех типов: (а) транспортные белки, (б) ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназаназа (СДГ), в) комплекс АТФ-синтетазы. Низ­кая проницаемость внутренней мембраны для мелких ионов из-за высо­кого содержания фосфолипида кардиолипина имеет большое значение для функции митохондрий, так как она обеспечивает возможность со­здания электрохимических градиентов при продукции высокоэнергети­ческих метаболитов клетки.

Кристы - складки внутренней мембраны толщиной 20 нм; распола­гаются чаще всего перпендикулярно длиннику митохондрии, но могут лежать и продольно. Их число и площадь пропорциональны активности митохондрии. На кристах находятся элементарные (грибовидные) час­тицы, называемые также оксисомами или F ^частицами, в количестве 10⁴-10⁵, состоящие из головки диаметром 9 нм и ножки толщиной 3 нм (см. рис 3-12). На них происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования. В области округлой головки частицы осуществля­ется синтез АТФ из ЛДФ. Разобщение метаболических процессов окис­ления и фосфорилирования приводит к образованию значительного ко­личества тепла вместо накопления энергии в форме макроэргических соединений. Такое разобщение характерно, например, для митохондрий клеток бурой жировой ткани, специализированной на продукции тепла (термогенезе). Оно обусловлено присутствием в них особого белка UCP (сокр. от англ, uncoupling protein - разобщающий белок), или тер-могенина, варианты которого в последние годы обнаружены в митохон­дриях клеток различных тканей. Высказано предположение, что склон­ность к развитию некоторых метаболических заболеваний, например, ожирения, может определяться нарушениями выработки или функции этих белков.

Форма крист - в митохондриях большинства клеток - пластин-штая (ламеллярная); в некоторых клетках встречаются кристы в виде грубочек и пузырьков - тубулярно-везикулярные кристы (рис. 3-13). !оследний вариант характерен для клеток, синтезирующих стероидные

•62-

гормоны (клетки коркового вещества надпочечников, фолликулярные клетки и клетки желтого тела яичника, клетки Лейдига яичка). В таких клетках ферменты стероидогенеза локализуются частично в аЭПС, а частично - на внутренней митохондриальной мембране. В ходе синте­за стероидов промежуточные продукты неоднократно перемещаются между этими органеллами.

(3) митохондриалъный матрикс - гомогенное мелкозернистое ве­щество умеренной плотности, заполняющее полость (внутреннюю каме­ру) митохондрии и содержащее несколько сотен ферментов: раствори­мые ферменты цикла Кребса (за исключением СДГ), ферменты, участ­вующие в окислении жирных кислот, ферменты белкового синтеза. В матриксе находятся также митохондриальные рибосомы, митохонд-риальные гранулы и митохондриальная ДНК (что отличает митохонд­рии от всех остальных оргапелл).

Митохондриальные рибосомы имеют вид мелких плотных гра­нул, распределенных в матриксе. Белки, образующие эти рибосомы, лишь частично продуцируются в самой митохондрии.

Митохондриальные гранулы - частицы высокой электронной плотности диаметром 20-50 нм с мелкозернистой или пластинчатой структурой, разбросанные по митохондриальному матриксу, содержа­щие ионы Са²⁺ и Mg²⁺, а также другие дивалентные катионы. Функ­ция гранул выяснена неполностью; предполагается, что их катионы не­обходимы для поддержания активности митохондриальных ферментов.

Митохондриальная ДНК (мтхДНК) - образует собственный геном митохондрий, на который приходится около 1% общего содержания ДНК в клетке и который включает 37 генов (в ядре клеток человека насчитывают примерно 100 тыс. генов). МтхДНК - кольцевой формы двунитчатая молекула ДНК длиной 5.5 мкм и толщиной 2 нм (в каждой митохондрии имеется 2-10 таких молекул). Она сходна с бактериальной ДНК и отличается от ядерной ДНК генетическим кодом, низким содер­жанием некодирующих последовательностей и отсутствием связи с гис-тонами.

Генетическая информация мтхДНК обеспечивает синтез лишь 5-6% митохондриальных белков, в частности, большей части ферментов электронтранспортной системы и некоторых ферментов синтеза АТФ. Синтез других белков и репликация митохондрий контролируются ядер­ной ДНК. МтхДНК кодирует иРНК, тРНК и рРНК, формируя, таким образом, частично независимую от ядра систему репликации, транс­крипции и трансляции. Вместе с тем, синтез мтхДНК и РНК зависит от ферментов, которые являются продуктами ядерных генов. Большая часть рибосомалъных белков митохондрий синтезируется в цитоплазме, а затем транспортируется в митохондрии. Область митохондрии, содержащая мтхДНК, иногда выявляется в матриксе как тонкофибриллярная зона низкой плотности (нуклеоид).

Наследование мтхДНК у многих видов, включая человека, проис­ходит только от матери (мтхДНК отца исчезает при образовании эм­бриона).

Повреждение мтхДНК и митохондриальные болезни. МтхДНК часто испытывает повреждения, что объясняется ее расположением не­посредственно в митохондриальном матриксе, где она постоянно под­вергается окислительному стрессу высокой интенсивности из-за обра­зования в нем значительного количества биоокислителей (перекиси во­дорода и реактивных радикалов кислорода). Вследствие этого частота мутаций мтхДНК в 10 раз выше, чем ядерной, что усугубляется отсут­ствием защитных белков, контроля репликации и неэффективной репа­рацией. Мутации мтхДНК вызывают ряд заболеваний (так называемых "митохондриальных болезней") с широким спектром клинических про­явлений (слепота, глухота, нарушения движения, сердечная недостаточ­ность, диабет, патология печени и почек и др.). Симптомы большинства митохондриальных болезней проявляются с возрастом, что, вероятно, обусловлено накоплением мутаций, связанных с "окислительными уда­рами" по мтхДНК. Так как биоокислители генерируются в максималь­ных количествах при окислительном фосфорилировании, чаще поража­ются органы, наиболее нуждающиеся в энергии, продуцируемой мито­хондриями (UHC, сердце, скелетные мышцы, почки, печень, островки Лангерганса). Диагноз некоторых митохондриальных болезней может быть поставлен при изучении биоптата мышечной ткани, в котором выявляются аномальные митохондрии.

Жизненный цикл митохондрий сравнительно короткий (около 10 сут); их разрушение происходит путем аутофагии, а гибнущие орга-неллы замещаются новыми, которые формируются путем перешнуровки предсуществующих. Репликация мтхДНК происходит в любые фазы клеточного цикла независимо от репликации ядерной ДНК.