В данной статье мы расскажем об митохондрии – органелле, которую называют энергетической станцией клетки.
Определение №1 Митохондрии — органеллы клеток, обеспечивающие клетки энергией для метаболических процессов.
Митохондрии присутствуют в клетках эукариотов, как растительных, так и животных. Исключение составляют некоторые группы клеток. Например, в организме человека данные органеллы отсутствуют в эритроцитах.
В 1850 году швейцарский анатом-гистолог Альберт Келликер впервые наблюдал «крошечные гранулы» в цитоплазме мышечных клеток. В 1890 году другой гистолог Густав Ретциус назвал органеллы саркосомами. В 1894 году их подробно описал немецкий ученый Рихард Альтман. Через 3 года другой немецкий ученый Карл Бенд дал открытым органеллам название митохондрии – от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зернышко, крупинка.
Полноценное изучение митохондрий началось в 40–50-ых годах ХХ века. В настоящее время накоплено много данных о многофункциональности митохондрий.
Для объяснения происхождения митохондрий используется теория симбиогенеза. Согласно ей, органеллы произошли от безъядерных организмов — бактерий, которые вступили в симбиоз с древними, примитивными клетками. Этим объясняется то, что митохондрии имеют свою ДНК и находятся в клетках эукариотов.
Митохондрии появились около 600 млн лет назад. Еще задолго до этого в атмосфере планеты стало появляться много кислорода. Существующие клетки были анаэробами и не могли жить в присутствии кислорода. Для внутриклеточных органических и неорганических элементов окисление было опасным. Но некоторые бактерии смогли поглощать кислород в присутствии ионов водорода с образованием воды. В результате внутри клетки уменьшается концентрация кислорода и возможность нежелательного окисления клеточных компонентов.
Такие бактерии стали предшественниками митохондрий. В то время как они умели использовать кислород для получения энергии, другие клетки испытывали в этом большие ограничения. Таким образом клетки, поглотившие фотосинтезирующие бактерии, получили преимущество в получении энергии. Они приспособились к жизни в кислородных условиях. Митохондрии получают от клетки питательные вещества, а клетки от митохондрий — энергию.
Размеры митохондрии — около 1×2 мкм. В среднем, в клетке содержится около 2000 митохондрий, что составляет почти четверть общего объема клеток. Наибольшее количество митохондрий содержат ткани с высокой потребностью в энергии — это мозг, мышцы, печень, бурая жировая ткань.
Фото: Строение митохондрии.
Основные части митохондрии:
Митохондрия ограничена двухслойной мембраной, каждая часть которой состоит из двойного слоя липидов.
Верхняя, наружная мембрана имеет гладкую поверхность. В ее структуре имеются гидрофильные белковые каналы, которые пропускают вещества с молекулярной массой до 10 кДа. Их распознают и связывают рецепторные комплексы.Основная функция внешней мембраны — обособление органеллы от внутриклеточной жидкости и транспорт веществ, необходимых для клеточного дыхания.
Внутренняя мембрана содержит большое количество «двойного» фосфолипида кардиолипина (около 30%), поэтому она непроницаема для большинства веществ. Свободно проникают внутрь кислород, водород и углекислый газ. Транспорт необходимых веществ происходит с помощью белков-транспортеров.
Внутренняя мембрана имеет складчатую структуру. Складки глубоко уходят внутрь матрикса, образуя кристы — перегородки, на которых находятся ферменты.
На внутренней мембране расположены ферменты и белковые комплексы большого размера. Это электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) с транспортными белками-переносчиками, ферментами и другими компонентами дыхательной цепи.
С помощью крист в митохондриях осуществляется окислительное фосфолирование и транспорт электронов.
Между внешней и внутренней мембраной находится пространство шириной 10–20 нм.Здесь присутствуют ферменты и белки, которые помогают в клеточных процессах.
Основная функция межмембранного пространства — транспорт протонов ферментов, жирных кислот и белков между слоями мембраны.
Матрикс имеет гелеобразную структуру. В нем содержатся белки, преимущественно цитратного цикла, так как они участвуют в цикле Кребса. Также в матриксе содержится собственные ДНК и рибосомы. Молекулу митохондриальной ДНК образует кольцеобразно замкнутая двойная спираль. Она примерно 105 раз меньше ДНК, содержащейся в ядре.
С помощью рибосом происходит синтез митохондриальных белков.
В митохондрии синтезируется часть мембранных белков и ферментов. Большая часть митохондриальных белков кодируются ядерной ДНК и поступают в органеллы.
Митохондрии — пластичные органеллы. В разных клетках они могут иметь различную форму и количество крист. Митохондрии могут находиться в виде цепочек или быть раздробленными. При этом определенная форма не во всех случаях будет постоянной. Органеллы могут соединяться, увеличиваясь в размерах, и вновь распадаться на фрагменты.
Митохондрии участвуют в регулировании многих физиологических процессов. Она выполняет следующие функции.
Энергетическая функция выполняется за счет синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Реакции идут как в матриксе посредством цикла Кребса, так и на кристах через окислительное фосфорилирование.
Многостуступенчатый процесс образования энергии в митохондриях можно разделить на главные стадии:
В процессе окислительных реакций в митохондриях увеличивается количество активного кислорода. В дальнейшем активные формы кислорода запускают окисление клеток и вместе с группой белков-индукторов приводят их к самоуничтожению – апоптозу и аутофагии.
Регулируемое уничтожение клеток начинается с набухания митохондрий. Специализированные белки митохондрий запускают дальнейшее разрушение клетки.
Апоптозу подвергаются старые или недееспособные клетки. Особенное значение запуск программируемой гибели имеет при наличии опухолевых клеток.
Митохондрии поддерживают постоянство внутриклеточного содержания кальция. Органеллы поглощают ионы кальция из внутриклеточной среды, тем самым предотвращая его избыточную концентрацию, а также активируют или ограничивают действие кальциевых сигналов в клетках.
Вследствие этого они способствуют иммунному ответу лимфоцитов, передаче нервных импульсов, нормализации свертываемости крови и другим физиологическим процессам.
Митохондриальное окисление жирных кислот — один из главных источников энергии в условиях дефицита глюкозы и гликогена. Процесс покрывает около 80% от общей потребности организма.
Жирные кислоты проникают в митохондриальный матрикс с помощью карнитиновой транспортной системы. В матриксе они разрушаются и полностью окисляются до образования углекислого газа и высвобождения энергии с молекулами АТФ.
Митохондрии также задействованы в других процессах организма. Они участвуют в синтезе гормонов, белков, нуклеотидов, ферментов и антиоксидантов. Например, митохондрии клеток надпочечников поддерживают выработку стероидных гормонов.
Также митохондрии участвуют во всех видах обмена веществ и подавлении воспалительных реакций.
