Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

Морфология. Строение, количество и размеры митохондрий в клетке исключительно разнообразны. Они существуют в виде различных морфологических форм. Некоторые из них имеют сферическую форму, другие лентовидную. В мышечных волокнах они часто ветвятся, образуя сети вокруг миофибрилл. При образовании спермиев у животных большое число митохондрий сливается в нити. У млекопитающих четыре такие нити закручены спирально в средней части сперматозоида. Число митохондрий в различных типах клеток колеблется в широких пределах – от одной  до нескольких десятков тысяч. Обычно в клетке, например гепатоците, содержится около 2000 митохондрий.

 Различные типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист (много крист имеют митохондрии в сердечной мышце). Митохондрия имеет  четыре мембранные поверхности (наружные и внутренние) и две полости. В каждом из этих компартментов находятся (те или иные) интегральные и периферические белки, выполняющие функции каналов, насосов, ферментов,  рецепторов, переносчиков электронов. Наружная мембрана содержит значительное количество белка порина. Этот белок формирует поры с диаметром, позволяющим молекулам размером до 5000 дальтон свободно проходить в первую полость – межмембранное пространство, являющееся резервуаром протонов. Сюда беспрепятственно проходят ионы, аминокислоты, сахара и другие цитозольные компоненты.

  Внутренняя мембрана митохондрий формирует гораздо более плотный барьер, она значительно протяженнее наружной мембраны за счет   складок – крист, с которыми связаны многие ферменты. Полость, ограниченная внутренней мембраной,  называется   митохондриальным матриксом. В качестве интегральных белков во внутренней мембране и кристах находятся комплексы ферментов, участвующих в транспорте электронов (дыхательная цепь). Периферические мембранные белки представлены дегидрогеназами, которые  окисляют богатые энергией молекулы, находящиеся в матриксе, и передают отнятые у них электроны в электроннотранспортную (дыхательную) цепь. Матриксная поверхность внутренней мембраны включает в себя белковые комплексы, так называемые АТФ-синтазы, участвующие в синтезе АТФ (окислительном фосфорилировании).

Митохондриальный матрикс играет важную роль. Огромное количество метаболических ферментов располагается в митохондриальном матриксе, включая ферменты, участвующие в окислении жирных кислот, окислении углеводов, в цикле трикарбоновых кислот  (цикле Кребса).

Рис. Схема строения митохондрии: 1-наружная мембрана; 2-внутренняя мембрана; 3-ферменты; 4-кольцевые молекулы ДНК; 5-кристы; 6-рибосомы. (Из кн. Э. Хадорн, Р. Венер «Общая зоология», 1989.)

Функции. Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, ионы пировиноградной кислоты (пируват, СН3-СО-СОО‾), углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО2  и Н2О, сопряженное с синтезом АТФ.

                   Упрощено получение химической энергии из глюкозы можно изложить примерно так. В цитозоле шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух, трехуглеродных молекул пирувата. Затем пируват переносится в матрикс митохондрии, где карбоксилируется (реакция отщепления СО2) и окисляется до остатка уксусной кислоты (СН3-СООН-), которая окисляется в цикле лимонной кислоты или цикле Кребса. Окисление осуществляют ферменты дегидрогеназы, отщипляющие водород, который восстанавливает коферменты НАД и ФАД (переносчики электронов) до НАДН +Н+ и ФАДН2.

Богатые энергией электроны от этих соединений быстро переносятся в систему транспорта электронов (дыхательную цепь), расположенную на внутренней мембране митохондрий. В систему транспорта электронов входят три крупных белковых комплекса, состоящих в общей сложности из 15 переносчиков электронов. Поток электронов движется от одного переносчика к другому и в конце цепи присоединяется к кислороду. При переносе электронов часть энергии затрачивается на перекачку протонов (Н+) в межмембранное пространство. При движении определенного электрохимического градиента (более 200mV) протоны начинают переходить обратно в матрикс через канал фермента АТФ-синтетазы. При этом АДФ неорганического фосфата синтезируется АТФ. Образовавшиеся при окислении пировиноградной кислоты реакционноспособные электроны и протоны нейтролизуются, присоединяясь к электроотрицательному кислороду с образованием, так называемой эндогенной воды.

 Первичной формой накопления энергии в митохондриях является электрохимический градиент, возникающий на внутренней мембране митохондрий, в связи с тем, что в межмембранное пространство (как в резервуар) переносятся протоны. Разность потенциала достигает более 200 mV. На этот перенос затрачивается энергия электронов, образовавшихся при окислении пирувата и жирных кислот. Электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при катализе  ферментом АТФ-синтазой. Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма, и являются наряду с эндоплазматической сетью  депо ионов кальция, участвуя врегуляции его количества.

Окислительные реакции не всегда сопровождаются накоплением энергии. Биологическое окисление, не сопряженное с накопление энергии, называется свободным окислением. Его эффект – накопление тепла. Такое окисление происходит в митохондриях клеток бурой жировой ткани.

             Для работы митохондрий требуется около 700 различных белков, но только 5% из них закодированы в собственном геноме органеллы. Остальные белки  импортируются  из цитоплазмы. Вновь синтезированные белки, предназначенные для митохондрий, при подготовке к импорту связываются с другим классом цитозольных белков – шаперонами (англ. букв. – пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах). Они обнаруживаются почти во всех клеточных органеллах и в цитоплазме. Шапероны обеспечивают правильное сворачивание (фолдинг) и окончательную конформацию многих синтезированных белков, и поэтому необходимы для здоровья клетки и организма.

Шапероны   найдены во всех организмах от бактерий до млекопитающих. В некоторых случаях эти белки имеют другое название. Одно из семейств шаперонов называется белками теплового шока. Белки теплового шока имеют большую внутривидовую устойчивость и интенсивно экспрессируются во всех клетках даже в нормальных для роста условиях. Их транскрипция и трансляция значительно возрастают при чрезвычайных условиях.

 Митохондриальная ДНК у млекопитающих представляет собой кольцевую молекулу, состоящую из 16569 пар нуклеотидов; в каждой митохондрии может быть 5-10 копий молекул ДНК. Митохондриальная хромосома включает 37 генов. Митохондриальный геном всех людей, кроме родственников по женской линии, различен. Это связано с тем, что в его генах нет интронов и отсутствуют системы репарации (восстановления) ДНК. Вследствие этого мутации митохондриальной ДНК возникают примерно в 10 раз чаще, чем в ядерных генах. Различия митохондриальной ДНК разных людей дают возможность использовать анализ этой ДНК для генетической идентификации личности и установления родства. Митохондриальная информация полностью сохраняется и при половом размножении. Только яйцеклетки передают потомкам митохондрии.

          Известна обширная группа болезней, связанных с мутациями ДНК митохондрий (мтДНК), которые оказывают негативное влияние на функционирование этих важнейших органелл. Нарушение работы митохондриальных генов  служит причиной различных патологических состояний от наследственной слепоты и глухоты до диабета и старческого слабоумия. Недостаточность ферментов окислительного фосфорилирования может приводить к нарушению работы мышц и головного мозга. Эти заболевания имеют множество фенотипических проявлений, включая слабость, сниженную толерантность (переносимость) к физическим нагрузкам, миопатию, кардиомиопатию, энцефалопатию. Некоторые дефекты митохондрий являются причиной врожденного бесплодия женщин. Все вызванные митохондриальными мутациями болезни передаются по материнской линии. Некоторые ученые считают, что по мере накопления мутаций мтДНК в соматических клетках индивидуума в них идет процесс разбалансирования, который является одной из основных причин старения организма.

          Компоненты  табачного дыма снижают эффективность  работы митохондрий на 25 процентов. Некоторые инсектициды, лекарственные препараты (барбитураты, антибиотики) способны нарушать перенос электронов  в дыхательной цепи. Алкоголь повреждает митохондрии гепатоцитов печени и вызывает гибель клеток и развитие цирроза. 

          Учитывая важность этой медицинской проблемы,  в мире создано  более десяти международных организаций по изучению митохондрий, а на базе Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) ежегодно проводятся  научные конференции “Mitochondria”.

Пероксисомы

Пероксисомы – это органеллы, приспособленные для осуществления окислительных реакций с участием молекулярного кислорода. При  электронномикроскопическом исследовании они видны как везикулы (пузырьки)  размером 0,1-1,5мкм, иногда с кристаллической сердцевиной, возникающей из-за сгущения ферментов. Пероксисомы  получили свое название из-за высокого содержания  ферментов класса оксидаз, которые производят токсичный (ядовитый)  пероксид водорода (Н2О2) в реакции:  RH2 + O2 → R + Н2О2, где R – органический субстрат, представленный основными классами питательных веществ. Подобно митохондрии, пероксисома – это один из главных центров утилизации кислорода в клетке. По одной гипотезе эта органелла представляет собой рудимент  древней структуры, которая в примитивных прокариотических клетках выполняла  все функции, связанные с метаболизмом кислорода, когда он впервые появился в атмосфере. Для  фотосинтезирующих организмов  – кислород побочный продукт фотосинтеза, однако для  анаэробов – яд. У аэробных организмов кислород используется в митохондриях в качестве акцептора для нейтрализации электронов и протонов, образующихся при окислении питательных веществ: 4е +4р + 02 = 2 Н2О. Возможно, что у древних (домитохондриальных) организмов функцию защиты от кислорода выполняли пероксисомы. Известно, например,  что только в пероксисомах печени утилизируется около 10% , поступающего в этот орган кислорода.

Функции. Эти мембранные пузырьки  присутствуют почти во всех клетках эукариот, в том числе в клетках млекопитающих. Они особенно многочисленны в клетках печени и почки и выполняют важную роль в детоксикации (обезвреживании) различных веществ. Например, почти половина выпитого винного спирта окисляется в пероксисомах клетк печени и почек до ядовитого ацетальдегида (CH3–СOH). Кроме этого, в пероксисомах осуществляется огромное число других реакций детоксикации. В них катализируется распад длинных жирных кислот до ацетил-СоА. Это соединение транспортируется в митохондрии и включается в цикл Кребса или используется в цитозоле в биосинтетических реакциях. Пероксисомы выполняют как анаболические, так и катаболические функции. Они содержат в матриксе около 50 ферментов, участвующих в различных путях метаболизма (обмена веществ), катализирующих анаболические реакции биосинтеза желчных кислот из холестерина. Пероксисомы содержат первые два фермента, которые участвуют в синтезе фосфолипидов. В пероксисомах окисляются некоторые фенолы, d-аминокислоты, пурины, а также жирные кислоты с очень длинными (более 22 углеродных атомов) цепями, которые не могут быть до  укорачивания окислены в митохондриях. Такие жирные кислоты содержатся в рапсовом масле.

 Биогенез пероксисом. Продолжительность жизни пероксисом 5-6 суток. Новые пероксисомы  возникают из предшествующих  пероксисом путем их почкования. Однако в цитозоле находятся и небольшие предшественники этих органелл. Интенсивное размножение их происходит в том случае, когда для роста и выживания требуются в большом количестве ферменты пероксисом. Индукцией размножения являются сигналы роста или поступление в клетку ксенобиотиков (чужеродных веществ), в том числе лекарственных препаратов. В ответ на эти стимулы начинается экспрессия (работа) определенных генов и  интенсивный синтез пероксисомных ферментов на рибосомах. Импорт  белков-ферментов в органеллу стимулирует процесс почкования и увеличения их количества. Это своеобразный адаптивный ответ клеток на  воздействие внешней среды.

У низших животных, протистов и растений эти функции пероксисом более разнообразные. Например, у растений в прорастающих семенах присутствуют пероксисомы, которые служат для превращения жирных кислот, запасенных в липидах семян, в сахара, необходимые для протекания в молодых растениях биосинтетических процессов. Это превращение осуществляется  реакциями глиоксилатного цикла (тесно связанными с реакциями цикла Кребса), поэтому эти пероксисомы называют глиоксисомами. В глиоксисомах две молекулы ацетил-СоА используются для синтеза янтарной кислоты (COOH-CH2-CH2-COOH), которая выходит в цитозоль и превращается в глюкозу. Этот цикл реакций работает у низших животных, но отсутствует у многих высших позвоночных, в том числе млекопитающих. В клетках человека  может синтезировать жир из углеводов, но обратный процесс невозможен, потому что наши пероксисомы не являются глиоксисомами. В связи с этим в организме при голодании,  прежде всего, утилизируются не жиры, а белки. Высвободившиеся при этом аминокислоты могут превращаться в глюкозу и поддерживать необходимый уровень этого сахара в крови.   

    Различные нарушения обмена веществ у человека связаны с неспособностью клетки импортировать белки-ферменты в пероксисомы. В настоящее время известно около 20-ти заболеваний человека, связанных с дисфункцией пероксисом. Все они имеют неврологическую симптоматику и проявляются в раннем детском возрасте. Тип наследования большинства пероксисомных болезней – аутосомно-рецессивный. Пероксисомные болезни могут быть обусловлены нарушением синтеза желчных кислот и холестерина, нарушением  синтеза жирных кислот с длинной и разветвленной цепью, полиненасыщенных жирных кислот, дикарбоновых кислот и др.  Известно редкое смертельное генетическое заболевание, вызываемое накоплением C24  и   C26  - жирных кислот, а также предшественников желчных кислот.