Руководство оператора



страница2/6
Дата17.11.2018
Размер0.68 Mb.
ТипКурсовая
1   2   3   4   5   6

Морфология митохондрий


В митохондриях можно выделить четыре субкомпартмента: митохондриальный матрикс, внутреннюю мембрану, межмембранное пространство и внешнюю мембрану, обращенную к цитозолю (рис. 5).
Рисунок 5: Митохондрии из цетроацинозной клетки поджелудочной железы: внеш – внешняя мембрана, мп – межмембранное пространство, внутр – внутренняя мембрана, к – криста митохондрии, м –матрикс митохондрии.

1.Митохондриальный матрикс


Матрикс - это внутреннее пространство митохондрий, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной (рис.5). Оно является местом локализации важнейших ферментов и ферментативных путей, предопределяющих роль митохондрий в общем клеточном обмене. Прежде всего, следует упомянуть о цикле ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса), занимающем центральное место в обмене благодаря интеграции процессов деградации и биосинтеза клеточных компонентов и сопряжения их с запасанием значительных количеств энергии.

Еще в митохондрии локализовано бета-окисление жирных кислот, но это характерно только для животного царства [6], а в дрожжах, грибах и растениях бета- окисление сосредоточено в микротелах, главным образом в пероксисомах. В матриксе присутствуют пируватдегидрогеназный комплекс, ферменты окисления аминокислот и множество других ферментов, АТФ, АДФ, Pi, Mg2+, Ca2+, K+ и множество метаболических интермидиатов.

В матриксе митохондрий находятся рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эукариотических рибосом. На них синтезируется не более 5% от всех митохондриальных белков, а большинство белков кодируется клеточной ДНК и поступает в митохондрии из цитозоля. Как правило, кодируемые мтДНК белки, сильно гидрофобны и локализованы на внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса. В целом же рост и функционирование митохондрии невозможны без импорта белков, кодируемых ядерным геномом и синтезированных на цитоплазматических рибосомах (так называемых белков-предшественников). Каждый поступивший белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует. Таким образом, рост митохондрий возможен за счет импорта цитоплазматических белков, включающего последовательный избирательный перенос белков через одну или две мембраны.

Митохондриальный геном


Подавляющее большинство описанных митохондриальных геномов представляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линейные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнаружены только линейные ДНК [46]. Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них — по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, содержащих по два генома, а в клетках дрожжей S.cerevisiae — до 22 митохондрий, имеющих по четыре генома.

Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар нуклеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7—8-кратные различия в размерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного семейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно (табл.1).



Таблица 1: Размеры мтДНК млекопитающих.

организм

человек

свинья

дельфин

шпорцевой лягушки Xenopus laevis

карп

Размер генома

(пар нуклеотидов)



16569

16350

16330

17533

16400

Эти геномы сходны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что последний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% некодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается [47].

Количество генов, кодируемых мтДНК разных организмов, колеблется от 37 (у млекопитающих) до 97 (у простейших) (табл.2). Все митохондриальные геномы кодируют две рРНК, двадцать две или более тРНК, тринадцать или более белков комплекса Таблица 2: дыхательной цепи и дополнительные митохондриальные гены (нет у млекопитающих).



Таблица 2: Количество генов кодируемых мтДНК у разных организмов

организмы

гены,

кодируемые мтДНК



Простейшие

(Reclinomonas americana)



млекопитающие и большинство грибов

растения

Белки электрон-транспортной цепи и аппарата окислительного фосфорилирования

23

13

13

рРНК

3

(5S РНК, 12S рРНК, 16S рРНК)



2

(12S рРНК, 16S рРНК)



более 2х

(12S рРНК, 16S рРНК и другие рРНК)



5S РНК

1

не найдены

не найдены

тРНК

27

22

22

РНК компонент рибонуклеазы Р (РНК процессинг)-

1

не найдены

не найдены

мультисубъединичной РНК полимеразы - аналога эукариотичекой полимеразы

4

Похоже, что гены эубактериальной мультисубъеди-ничной рнк-полимеразы потерялись из всех прочих митохондрий и заменились на одно-субъединичный фермент, который кодируется ядерным геномом.

миторибосомальные белки

18

не найдены

несколько

всего

97 генов (геном в 69034 пар оснований)

37 генов

более 37 генов

Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отличие от ядерных и прокариотических ДНК [48].



Эволюционное происхождение митохондрий


Существуют две основные теории, объясняющих происхождение органелл с собственным не ядерным геномом.

Теории первой группы предполагают, что геном органелл происходит от ядерного генома. Предполагается, что часть ядерного генома оказалась механически отделена мембранами от основной части ядерного генома и постепенно приобрела способность к независимому функционированию.

Теории второй группы предполагают симбиотические события и то, что геномный материал органелл имеет внеклеточного происхождения. Факультативные прокариотические симбионты, попавшие в клетку хозяина путем эндоцитоза, с течением времени потеряли часть своих генов и стали облигатными симбионтами. Постепенно за ними закрепилась и определенная функция внутриклеточного метаболизма.

Одним из доказательств эндосимбиотической теории стало открытие митохондриальной ДНК [17] и обнаружение таковой во всех эукариотических митохондриях. Но мтДНК слишком мала, чтобы содержать информацию о свободноживущем организме. Это говорит о том, что часть митохондриального генома была утеряна и, скорее всего, недостающие промитохондриальные гены частично были перенесены в ядро, а частично безвозвратно утеряны. Еще в пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:

совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);

по нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;

митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику; ингибирование рибосом стрептомицином

белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот: ингибирование рибосом стрептомицином, зависимость транскрипции от рифамицина и ее устойчивость к циклогексимидину, участие в начале транскрипции формилметионин, прокариотическая структура промотера

в митохондрии, как и в бактериях, полиаденилирование мРНК отсутствует или выражены слабо

липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;

кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;

Результаты сиквенса митохондриальных генов свидетельствуют о монофилетическом происхождении митохондрии из эубактериального предка, относящегося к подразделу a-протеобактерий. В течение последних лет были определены полные последовательности большого числа митохондриальных и эубактериальных геномов. Эти результаты свидетельствуют о том, что митохондриальный геном эволюционировал из единого предка, общего для всех существующих в настоящее время эукариот, и что митохондриальная и ядерная компоненты эукариотной клетки возникли одновременно [45].



2.Внутренняя митохондриальная мембрана

Внутренняя мембрана митохондрий отличается от прочих клеточных мембран своим белково-липидным составом. Так, в большинстве мембран клетки соотношение белков и липидов составляет 50:50, в рамках концепции “белков, плавающих в липидном море”, когда как во внутренней митохондриальной мембране это соотношение равно 75:25, предполагая сравнительно плотную упаковку белков. Тем не менее, внутренняя мембрана, вероятно, находится в текучем, а не в твердом состоянии[7,8].

Белки внутренней мембраны, кодируемые мтДНК, образуют субъединицы белковых комплексов, другие компоненты которых кодируются ядерными генами и поступают из цитозоля. Образование таких гибридных агрегатов требует сбалансированного синтеза этих двух типов субъединиц; каким образом координируется синтез белка на рибосомах разных типов, разделенных двумя мембранами, остается загадкой.

Внутренняя митохондриальная мембрана легко проницаема для О2, СО2, Н2О и некоторых других соединений и слабо проницаема (в силу специфики белково-липидного состава) для нуклеотидов, сахарозы, ионов водорода, калия, натрия, кальция, магния и т. д. Связь внутреннего компартмента митохондрий с цитоплазмой осуществляется через сеть специфических белков-переносчиков, обеспечивающих активный избирательный транспорт необходимых веществ: неорганических анионов и катионов, моно-, ди- и трикарбоновых кислот, аминокислот, жирных кислот, адениновых нуклеотидов.

Наиболее изучен транслокатор адениновых нуклеотидов (АДФ/АТФ - переносчик) (рис.9). АДФ/АТФ-переносчик катализирует высокоспецифичный электрогенный обмен цитоплазматического АДФ на внутримитохондриальный АТФ, образующийся в результате окислительного фосфорилирования. Это наиболее характерный компонент митохондрий, эукариотической клетки, его содержание составляет до 15-20% от общей белковой массы внутренней митохондриальной мембраны. Фосфатный переносчик, расположенный на внутренней мембране, поставляет, фосфат для синтеза АТФ [9].

Белки дыхательной цепи также расположены во внутренней мембране (рис.7 и ниже).

Внутренняя мембрана образует регулярные складчатые структуры – кристы, за счет которых площадь ее поверхности очень сильно возрастает. Криста состоит из ламеллярной и соединенной с внутренней мембранной более узкой трубковидной частей ([10]). Т.е. внутренняя мембрана, смежная с наружной мембраной, и внутренняя мембрана ламеллы соединены посредством структуры, названной кристоножкой (pedicula cristae). Топологически межмембранное пространство все еще продолжается внутри ламеллы. Можно выделить три типа организации крист:

ламеллярные (плоские) кристы, подразделяющиеся также на подтипы: лентовидные, листовидные, многослойные цилиндрические и шаровидные (дисковидные и пластинчатые) структуры

везикулярные кристы, включающие пузырьковидные, колбовидные и мешковидные

трубчатые кристы (рис.6Б).

Эти типы крист встречаются во всех эукариотических царствах. Митохондриальные кристы растений и высших животных в основном относится к ламеллярному типу, хотя в некоторых тканях обнаружены митохондрии с везикулярными и трубчатыми кристами.

Среди остальных эукариот везикулярные кристы распространены так же широко, как ламеллярные и трубчатые. Так у Ciliophora-только трубчатые кристы, а у Cryptophyta -только ламеллярные. У некоторых организмов (Euglenophyta, Chlorophyta, Chrysophyta, Mycetozoa) вообще отличный от вышеперечисленных тип крист. У других (Sporozoa, Myxospora и Ascetospora.) же вообще встречаются смешанные типы.


Рисунок 6 A: Митохондрия с ангулярными кристами из сердечной мышцы. Б: Митохондрия с трубчатыми кристами из амебы. В: Митохондрия из коры надпочечника. Г: Митохондрия из астроцита. Д: Митохондрия из псевдобранхии рыбы. Е: Митохондрия из коры надпочечника (из клеток, секретирующих стероиды).

Количество и морфология крист отражают изменение активности митохондрий в зависимости от потребности клетки в энергии. Так, например, сильно складчатые ламеллярные кристы с обширной площадью поверхности характерны для интенсивно дышащих тканей, таких как мышечная и нервная.

Но может быть и так, что морфологические изменения митохондрий не обязательно связаны с дыхательной функцией митохондрий. В клетках, секретирующих стероиды, таких как клетки Лейдига (железистые клетки [гландулоцит] яичка), митохондрии могут очень сильно изменяться в размерах (что не характерно для митохондрий многоклеточных организмов), и порядок расположения в них крист так же своеобразен (рис.6 Е). [11].

Кристы могут также располагаться параллельно, гексагонально, образуя треугольники на поперечном сечении. Примером подобной структуры могут быть митохондрии сердечной мышцы (рис.6А), кристы которых на протяжении все длины образуют острые углы по направлению к соседней.

Наружная мембрана имеет постоянную площадь поверхности и поэтому может поддерживать фиксированные границы, в то время как внутренняя мембрана с огромной площадью поверхности вынуждена образовывать складки (выпячиваться), чтобы поместиться в имеющийся в распоряжении объем.

3.Межмембранное пространство

Межмембранное пространство разделяет внешняя и внутренняя мембраны, ширина его составляет около 10-20 нм. Здесь накапливаются различные киназы и протоны (рис.8), переносимые сюда из матрикса митохондрии при дыхании, создавая протонный градиент ΔμН, за счет электрохимической энергии которого образуется АТФ.



4.Внешняя митохондриальная мембрана

Во внешней мембране локализованы белки порины (рис. 7), обеспечивающие свободную проницаемость мембраны для неорганических ионов и метаболитов, а так же для белковых молекул, размер которых не превышает 10 кДа. Для больших по размеру белков внешняя мембрана является барьером и поэтому помогает удержать белки межмембранного пространства от утечки обратно в цитозоль.


5.Внешняя и внутренняя мембраны - транспорт белков в митохондрию

Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс, обычно поступают из цитозоля в течение одной - двух минут после их отделения от полирибосом. Белки переносятся в матрикс митохондрии через зоны слипания, связывающие внешнюю и внутреннюю мембраны. Для этого переноса требуется гидролиз ATP, а также электрохимический градиент на внутренней мембране. Этот градиент образуется в процессе транспорта электронов по мере того, как протоны откачиваются из матрикса в межмембранное пространство.

Транспортируемый белок разворачивается, когда пересекает митохондриальные мембраны. Поскольку в развернутом состоянии и водорастворимые, и гидрофобные белки имеют сходную структуру, они могут быть перенесены с помощью общего механизма.

Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс, почти всегда несут на N-конце сигнальный пептид длиной от 20 до 80 аминокислотных остатков. После поступления белка в митохондрию сигнальный пептид быстро удаляется при помощи специфической протеазы (сигнальной пептидазы) матрикса и затем, вероятно, деградирует в матриксе до аминокислот. Сигнальный пептид может быть исключительно простым. На втором этапе транспорта белок может переноситься во внутреннюю мембрану. Для этого он должен иметь еще гидрофобный сигнальный пептид; этот пептид открывается после удаления первого сигнала.

Импорт кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии - сложный мультистадийный процесс [12,13,14]. Наряду с основным направлением импорта белков - в матрикс митохондрий - существуют пути импорта белков в другие митохондриальные субкомпартменты. Транслокация предшественников кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии осуществляется как котрансляционная (импорт белков происходит одновременно с их синтезом, т. е. в процессе элонгации), так и посттрансляционная (включение их в мембрану митохондрий происходит только после окончания процесса их синтеза: белок-предшественник отделяется от полисомы и лишь после этого импортируется в митохондрию).

6.Метаболические функции митохондрий

В митохондриях за счет окислительной деградации питательных веществ синтезируется большая часть необходимых клетке АТФ. В митохондрии локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом; цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название окислительное фосфорилирование); расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины (рис.8). Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют на ряде с ЭР (эндоплазматическим ретикулюмом) как депо ионов Ca, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Ca2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л).

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО2 и Н2О, сопряженное с синтезом АТФ.
Рисунок 8: Метаболические функции митохондрии (схематическое изображение [55]).

Реакции цитратного цикла приводят к полному окислению углеродсодержащих соединений (СО2) и образованию восстановительных эквивалентов, главным образом в виде восстановленных коферментов. Большинство этих процессов протекает в матриксе. Ферменты дыхательной цепи, которые реокисляют восстановленные коферменты, локализованы во внутренней мембране митохондрий. В качестве доноров электронов для восстановления кислорода и образования воды используются НАДН и связанный с ферментом ФАДН2. Это высоко экзергоническая реакция является многоступенчатой и сопряжена с переносом протонов Н+ через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В результате на внутренней мембране создается электрохимический градиент. В митохондриях электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата при катализе АТФ-синтазы. Электрохимический градиент является также движущей силой ряда транспортных систем.





Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница