Митохондрия
-
Структура и функции митохондрий
- Митохондрии — органеллы, содержащиеся в клетках большинства эукариот.
- Используют аэробное дыхание для выработки АТФ.
- Обнаружены Альбертом фон Келликером в 1857 году.
- Термин «митохондрия» введен Карлом Бендой в 1898 году.
-
Структура митохондрий
- Двойная мембранная структура: внешняя и внутренняя мембраны.
- Внешняя мембрана содержит белки и ферменты, участвует в транспорте веществ.
- Внутренняя мембрана содержит белки для окислительно-восстановительных реакций и АТФ-синтазу.
- Кристы увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны.
- Матрица содержит белки, ферменты и ДНК.
-
Функции митохондрий
- Производство АТФ через цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование.
- Участие в передаче сигналов, клеточной дифференцировке и гибели клеток.
- Контроль клеточного цикла и роста клеток.
-
Эндосимбиотическая гипотеза
- Митохондрии имеют свой геном, аналогичный бактериальным.
- Эволюционировали из свободноживущих прокариотических предков.
-
Количество и разнообразие митохондрий
- Количество митохондрий варьируется в зависимости от организма и ткани.
- В зрелом эритроците митохондрии отсутствуют.
- В клетке печени может быть более 2000 митохондрий.
-
Анаэробная ферментация и аэробное дыхание
- При нехватке кислорода продукты гликолиза метаболизируются анаэробно.
- Аэробное дыхание производит АТФ в 13 раз эффективнее, чем ферментация.
- Митохондрии растений могут вырабатывать АТФ без кислорода, используя нитрит.
-
Цикл лимонной кислоты
- Пируват транспортируется через внутреннюю мембрану митохондрий.
- Пируват может окисляться или карбоксилироваться, увеличивая количество оксалоацетата.
- Ацетил-КоА является единственным топливом для цикла лимонной кислоты.
-
Цепь переноса электронов
- Электроны переносятся от NADH и FADH2 к кислороду и протонам.
- Основные реакции происходят в комплексах I, III и IV.
- Протоны возвращаются в матрицу через АТФ-синтазу, образуя АТФ.
-
Производство тепла
- Протоны могут повторно проникать в матрикс, высвобождая тепло.
- Термогенин в бурой жировой ткани отвечает за термогенез.
-
Синтез жирных кислот
- Синтез жирных кислот в митохондриях важен для клеточного дыхания и биогенеза митохондрий.
- Октаноил-ACP является важным конечным продуктом, влияющим на энергетический метаболизм.
-
Поглощение, хранение и высвобождение ионов кальция
- Митохондрии временно накапливают кальций для поддержания кальциевого гомеостаза.
- Кальций поступает в матрикс через митохондриальный переносчик кальция.
- Высвобождение кальция может инициировать кальциевые волны, активирующие белки системы вторичных мессенджеров.
-
Регуляция биоэнергетики дыхания
- Приток Ca2+ к митохондриальному матриксу регулирует биоэнергетику дыхания.
- Это позволяет электрохимическому потенциалу временно «пульсировать» от δΨ-доминирующего к pH-доминирующему.
- В нейронах увеличение содержания цитозольного и митохондриального кальция синхронизирует активность нейронов с энергетическим метаболизмом митохондрий.
-
Регуляция клеточной пролиферации
- Митохондрии играют важную роль в клеточной пролиферации.
- Опухолевым клеткам требуется АТФ для синтеза биологически активных соединений.
- Воздействие Оксфоса вызывает остановку клеточного цикла.
- Митохондриальный АТФ важен для клеточного деления и дифференцировки.
-
Запрограммированная гибель клеток и врожденный иммунитет
- Митохондрии участвуют в запрограммированной гибели клеток (PCD).
- Они высвобождают цитохром с, который индуцирует апоптоз.
- Митохондрии также являются источником DAMPs, распознаваемых иммунной системой.
- Митохондрии регулируют иммунные белки и белки, регулирующие апоптоз.
-
Дополнительные функции митохондрий
- Митохондрии участвуют в передаче сигналов через активные формы кислорода.
- Они регулируют мембранный потенциал и кальциевую сигнализацию.
- Митохондрии участвуют в синтезе гема, стероидов и гормональной сигнализации.
- Митохондрии способствуют развитию и функционированию иммунных клеток.
-
Организация и распространение митохондрий
- Митохондрии встречаются у всех эукариот, образуя высокодинамичную сеть.
- Количество и расположение митохондрий различаются в зависимости от типа клетки.
- Митохондрии связаны с цитоскелетом и образуют сложную трехмерную сеть.
-
Мембрана ER, ассоциированная с митохондриями (MAM)
- MAM играет важную роль в клеточной физиологии и гомеостазе.
- MAM связывает митохондрии с ER, обеспечивая фосфолипидный обмен и сигнализацию Ca2+.
- MAM подчеркивает интеграцию митохондрий в общую клеточную физиологию.
-
Роль MAM в липидном метаболизме
- MAM обогащена ферментами, участвующими в синтезе липидов.
- Митохондрии нуждаются в постоянном снабжении фосфолипидами для поддержания целостности мембран.
- MAM участвует в межорганельном транспорте липидов и метаболизме холестерина.
-
Роль MAM в кальциевой сигнализации
- MAM обеспечивает передачу кальция между ER и митохондриями.
- MAM служит буфером для Ca2+ волн, предотвращая их распространение по клетке.
- MAM регулирует активность IP3R и SERCA, обеспечивая обратную связь.
-
Молекулярные основы взаимодействия
- ERMES, мультипротеиновый комплекс, участвует в липидном транспорте.
- Другие белки, такие как mitofusins и grp75, также играют роль в межорганельном взаимодействии.
- Sigma-1R стабилизирует IP3R, поддерживая связь между ER и митохондриями.
-
Перспективы и эволюция
- MAM интегрирует функции ER и митохондрий, обеспечивая клеточный гомеостаз.
- Митохондрии и MAM в нейронах участвуют в межклеточной коммуникации и контроле качества клеток.
- Существуют две гипотезы происхождения митохондрий: эндосимбиотическая и автогенная.
-
Происхождение и эволюция митохондрий
- Митохондрии, вероятно, тесно связаны с бактериями Rickettsia.
- Точное отношение митохондрий к альфапротеобактериям и их формирование остаются спорными.
- Митохондрии могут быть сестринской группой для альфапротеобактерий и маринпротео1.
-
Генетика митохондрий
- Митохондрии содержат свой геном, состоящий из 37 генов.
- Геном митохондрий человека имеет длину около 16 килобаз.
- Митохондриальная ДНК не содержит интронов, но может иметь альтернативные генетические коды.
-
Функции и структура митохондрий
- Митохондрии выполняют важные функции, такие как дыхание и синтез АТФ.
- Митохондрии имеют свою собственную рибосомы, кодируемую митохондриальной ДНК.
- Митохондрии делятся путем бинарного деления, регулируемого клеткой.
-
Роль митохондрий в эволюции
- Митохондрии являются важным источником информации для изучения популяционной генетики и эволюции.
- Митохондриальная ДНК используется для определения возраста и происхождения популяций.
- Митохондрии также играют роль в патологических процессах, связанных с различными заболеваниями.
-
Митохондриальное наследование
- Митохондриальные гены человека наследуются только от матери.
- Митохондрии сперматозоида не передают генетическую информацию эмбриону.
- Митохондрии сперматозоида помечаются убиквитином для уничтожения.
-
Рекомбинация митохондриальной ДНК
- Митохондрии могут подвергаться рекомбинации, но данные о людях противоречивы.
- Ферменты для рекомбинации присутствуют в клетках млекопитающих.
- Митохондрии животных могут подвергаться рекомбинации.
-
Узкое место мтДНК
- Митохондрии избегают накопления мутаций с помощью «узкого места» мтДНК.
- «Узкое место» использует стохастические процессы для увеличения межклеточной вариабельности мутантной нагрузки.
-
Восстановление ДНК
- Митохондрии восстанавливают окислительные повреждения ДНК с помощью ядерных белков.
- Основные пути репарации ДНК включают эксцизионную репарацию и репарацию двухцепочечного разрыва.
-
Отсутствие митохондриальной ДНК
- Некоторые организмы утратили митохондриальную ДНК.
- У криптоспоридий и морских паразитических динофлагеллят митохондрии лишены ДНК.
-
Митохондриальные заболевания
- Повреждение митохондрий вызывает неврологические расстройства и другие системные нарушения.
- Заболевания, вызванные мутациями в мтДНК, передаются от матери к детям.
- Раковые клетки могут захватывать митохондрии иммунных клеток.
-
Влияние окружающей среды
- Воздействие пестицидов может вызывать митохондриальные заболевания.
- Митохондриальная дисфункция связана с шизофренией, биполярным расстройством, деменцией и другими заболеваниями.
-
Митохондриальная заместительная терапия
- Разработана митохондриальная заместительная терапия для борьбы с митохондриальными заболеваниями.
- Терапия использует донорские митохондрии, но все еще находится в стадии изучения.
-
История изучения митохондрий
- Первые наблюдения митохондрий сделаны в 1857 году Альбертом фон Колликером.
- В 1890 году Ричард Альтманн назвал их «биопластами».
- В 1898 году Карл Бенда ввел термин «митохондрии».
- В 1900 году Леонар Михаэлис открыла метод окрашивания митохондрий.
- В 1904 году Фридрих Меве сделал первое наблюдение митохондрий в растениях.
- В 1912 году Бенджамин Кингсбери связал митохондрии с клеточным дыханием.
- В 1925 году Дэвид Кейлин описал дыхательную цепь.
- В 1939 году эксперименты показали, что клеточное дыхание образует четыре молекулы АТФ.
- В 1941 году Фриц Альберт Липманн разработал концепцию фосфатных связей АТФ.
- В 1946 году Альберт Клод выделил митохондрии из других клеточных фракций.
- В 1948 году Юджин Кеннеди и Альберт Лехенинджер обнаружили, что митохондрии являются местом окислительного фосфорилирования.
- В 1952 году появились первые электронные микрофотографии митохондрий.
- В 1957 году Филип Зикевиц ввел термин «энергетическая станция клетки».
- В 1967 году было обнаружено, что митохондрии содержат рибосомы.
- В 1968 году разработаны методы картирования митохондриальных генов.
-
Функции митохондрий
- Митохондрии играют ключевую роль в клеточном дыхании, обеспечивая АТФ.
- Митохондрии участвуют в окислительном фосфорилировании и синтезе жирных кислот.
- Митохондрии также участвуют в синтезе некоторых витаминов и гормонов.
-
Роль митохондрий в старении
- Митохондрии подвержены окислительному стрессу, что приводит к мутациям ДНК.
- Мутации митохондриальной ДНК могут вызывать ферментативные нарушения и дальнейший окислительный стресс.
- Митохондриальные мутации связаны с различными заболеваниями, такими как Паркинсон и БАС.
-
Митохондрии и репродуктивная система
- Митохондрии важны для функции яичников, обеспечивая АТФ для развития яйцеклеток.
- Снижение функции митохондрий может привести к воспалению и преждевременной недостаточности яичников.
- Митохондриальные мутации и повреждения связаны с генетическими нарушениями и могут влиять на выбор эмбриона.
-
Митохондриальные заболевания
- Митохондриальные заболевания включают митохондриальную дисфункцию, митохондриальные мутации и митохондриальные повреждения.
- Примеры включают митохондриальную миопатию, митохондриальную дистрофию и митохондриальную болезнь.
-
Методы исследования митохондрий
- Методы исследования митохондрий включают фракционирование тканей, электронную микроскопию и генетическое картирование.
- Современные методы позволяют лучше понять структуру и функции митохондрий.