Митохондрии. 
Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Это органелла, обеспечивающая 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 считал, что митохондрии произошли от бактерий, которые внедрились в клетку с паразитическими целями, в последствии став ее симбионтом. Эта теория получила название симбиотической и в настоящее время широко распространена.

Общая структура.

Митохондрии (рис.) присутствуют во всех клетках, кроме эритроцитов и кератиноцитов. Это подвижные органеллы, постоянно перемещающиеся по цитоплазме к участкам клетки, в которых идет 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; имеет две полости: межмембранное пространство (20нм) между наружной и внутренней мембраной и митохондриальный матрикс, ограниченный внутренней мембраной; а также 4 мембранные поверхности: две у наружной и две у внутренней мембран.

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), и 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: белки, участвующие в окислительных реакциях дыхательной цепи переноса электронов: цитохромы а, а_3, в, с, с₁, АТФ-синтаза, транспортные белки, регулирующие транспорт метаболитов в матрикс и обратно. Ферменты дыхательной цепи погружены в эту мембрану и осуществляют окислительное фосфорилирование, сопряженное с образованием АТФ.

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 NАДФ (никотинамидадениндинуклеотид), который 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.) — небольшая, кольцевая молекула, содержит 16 569 нуклеотидных пар; кодирует 15 митохондриальных 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 митохондрии, 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. Трансляция митохондриальных белков инициируется формилметионином мет-т-РНК_f^met. Количество транслируемых с ми-тохондриальной 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.

Митохондриальные белки, кодируемые ядерной ДНК синтезируются на полисомах гиалоплазмы и имеют сигнальную последовательность (СП), локализованную на N-конце (12−80 аминокислотных остатков)(рис.). 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 наружной и внутренней мембран 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, т. е. с незавершенным фолдингом 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 — происходит 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.

Функции митохондрий.

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Энергия, которую используют живые организмы для своей жизнедеятельности высвобождается при окислении питательных веществ — углеводов, пептидов и, частично, белков. Кислород поступает в организм в процессе дыхания и используется клетками в процессе окисления. Такое окисление называется клеточным дыханием. Освобождение энергии в живом организме происходит ступенчато, а не одномоментно как при горении, включая целый ряд биохимических реакций, в которых принимают участие несколько ферментных комплексов. В результате этих реакций питательные вещества расщепляются до СО₂ и Н₂О. Этот процесс получил название биологического окисления.

С₆Н₁₂О₆+6О₂ 6Н₂О+6СО₂+686ккал.

Таким образом, биологическое окисление или клеточное дыхание — это процесс ферментативного окисления питательных веществ (углеводов, липидов, белков), происходящий в митохондриях с участием молекулы кислорода до получения конечных продуктов СО₂ и Н₂О.

В процессе биологического окисления высвобождается энергия, которая называется свободной энергией. Эту энергию несут электроны, которые высвобождаются при отщеплении водорода в процессе окисления органических соединений. Окисление углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот служит источником электронов. Основными источниками электронов являются углеводы и жиры.

Молекула глюкозы, например, начинает окисляться в гиалоплазме в процессе 10 ферментативных реакций, называемых гликолиз, до 2 молекул пирувата, который затем переносится через мембраны в матрикс митохондрий, где окисляется полностью. Суммарная реакция гликолиза имеет следующий вид:

глюкоза + 2АДФ +2Рi + 2NaD⁺ = 2пируват + 2NаДН + 2АТФ.

Молекулы пирувата окисляются до ацетил — СоА, который затем окисляется в цикле лимонной кислоты. При этом высвобождаются электроны, перенос которых по дыхательной цепи сопровождается синтезом АТФ, в котором участвует фермент АТФ-синтаза.

Электроны не могут существовать в свободном состоянии и переносятся от одного субстрата к другому. В процессе переноса электронов от NaDH, FADH₂ и других восстановленных переносчиков до молекулярного кислорода извлекается энергия электронов.

Цепь окислительно-восстановительных реакций, в которых электроны от NaDH, FADH₂ передаются от одного переносчика (фермента) к другому и в конечном итоге к молекулярному кислороду называется дыхательной цепью.

Компоненты дыхательной цепи расположены во внутренней мембране митохондрии и включают 4 ферментных комплекса (рис.;табл.): I комплекс — NaDH дегидрогеназный (25 субъединиц); II комплекс — сукцианат дегидрогеназный (4 субъединицы); III комплекс — цитохром вс, -комплекса содержит 10 молекул белка: цитохромы в;с; Fе-Ѕ (железо серные белки) и еще 6 видов белка. Цитохромы, содержит в качестве простатической группы гемм; IV комплекс -цитохромоксидазный комплекс; содержит 6−12 молекул белка, в том числе цитохромы а и а₃, а также ионы меди.

В процессе переноса электронов по дыхательной цепи образуется АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата под действием ферментного комплекса АТФ-синтазы. Процесс окислительного фосфорилирования может быть разделен на 3 три части:

• 1. Биохимические реакции, обеспечивающие образование электронов с высоким уровнем энергии;
• 2. Система транспорта электронов, которая позволяет превращать энергию электронного транспорта в протонный градиент (разность ионов Н⁺ по обе стороны внутренней мембраны) (рис);
• 3. АТФ-синтаза использует протонный градиент для синтеза АТФ. Энергия, которая запасается в АТФ, выделяется при переходе протонов Н⁺ из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс.

АТФ —синтаза (рис) — ферментный комплекс, расположенный на внутренний мембране. Состоит из двух белковых компонентов F₀ и F₁. Компонент F₀ погружен во внутреннюю мембрану и состоит из субъединицы б, в и 6−12 субъединиц с. Этот комплекс гидрофобен и в нем имеются поры для прохода протонов Н⁺ через мембрану. Компонент F₁ имеет форму сферической глобулы, состоит из трех б -субъединиц, трех в-субъединиц и по одной субъединицы г, д и е. Компонент гидрофилен, обращен в сторону матрикса и прикреплен к компоненту F₀ с помощью ножки. Он обладает каталитической функцией, но не синтезирует АТФ из АДФ. Такой функцией обладает весь комплекс F₀ —F₁.

Таким образом, на митохондриальной мембране электрическая энергия разности потенциалов Н⁺ превращается в химическую энергию молекулы АТФ, Молекулы АТФ переносятся наружу в цитоплазму в обмен на молекулы АДФ, находящиеся в цитоплазме и используются как источник энергии в процессах жизнедеятельности клетки.

Кроме синтеза АТФ митохондрии принимают участие в:

• 1- биосинтезе стероидных гормонов (отдельные звенья синтеза происходят в митохондриях).
• 2 — депонировании кальция.
• 3 — биосинтезе пуринов.

У человека возникают различные митохондриальные болезни, причиной которых являются мутации генов ферментов процесса окислительного фосфорилирования. В таблице показаны заболевания, связанные с мутацией генов ядерной ДНК, а в таблице — с мутацией генов мтДНК.