XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Актуальность

Митохондрии – небольшие органеллы, о существовании которых обычный человек может и не задумываться. Но их нахождение в эукариотических клетках не случайно – они выполняют ряд функций, обеспечивающих функциональную и структурную целостность клеток, соответственно, и тканей, систем органов. Митохондрии имеют свое особенное происхождение, исходя из теории симбиогенеза, они когда-то были свободноживущими аэробами. Но результате захвата примитивными клетками (прокариотами), стали обитать внутри них. В течение эволюции, захваченные аэробы потеряли часть генов, они перешли в ядро клеток, уже эукариот. Вот почему современные митохондрии больше не являются самостоятельными организмами. Для подробного ознакомления с особенностями строения и ролью митохондрий необходимо данное исследование.

Цель исследования:изучить строение митохондрий человека, химический состав и роль в организме.

Материалы и методы исследования. В своей работе я использую такой метод научного исследования, как анализ. Произведен обзор отечественной и зарубежной литературы.

Результаты исследования и их обсуждение

Митохондрия – это двухмембранный органоид. Наружная мембрана органеллы – около 7 нм, не образует неровностей, складок. Ее функцией является отграничение митохондрии от цитоплазмы. Особое место в мембране митохондрии занимает порин — каналообразующий белок. Он образует в наружной мембране пориновые каналы диаметром 2-3 нм, с помощью которых перемещаются небольшие молекулы.

В наружной мембране есть некоторые ферменты: ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А₂ (участвует в липидном обмене), монооксигеназы, гексокиназы I II типов (участие в гликолизе). Кроме того мембрана может взаимодействовать с эндоплазматическим ретикулумом для транспортировки липидов и ионов кальция.

Межмембранное пространство – это пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Размер пространства — 10-20 нм. Здесь содержится, как и во внутренней мембране, цитохром c.

Внутренняя мембрана образует много складок — кристы, которые увеличивают площадь рабочей поверхности. Также во внутренней мембране содержится множество белков: транспортные белки, ферментами дыхательной цепи, а еще АТФ-синтазными комплексами.

Внутренняя мембрана митохондрии отличается от внешней тем, что не имеет отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ее внутренней стороне, граничащей с матриксом – веществом, заполняющим внутреннее пространство митохондрии, располагаются комплексы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. Когда протоны с ними взаимодействуют, синтезируется АТФ молекула. В основании частиц располагаются составляющие дыхательной цепи.

А в матриксе митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится ДНК митохондрии, схожая с бактериальной,  и свой белоксинтезирующий аппарат органеллы.

В митохондриях происходят такие реакции метаболизма:

превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: 

цикл Кребса; 

дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ («окислительное фосфорилирование»);

расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины. 

Но главной функцией митохондрий, конечно, является энергетическая. В соответствии с хемиосмотической концепцией П. Митчелла, векторный перенос электронов и протонов через мембрану сопровождается генерацией электрохимической разности протонного электрохимического потенциала из-за ионов Н⁺, переносимых в дыхательной цепи. Электрохимический потенциал используется для процесса окислительного фосфорилирования.

В ходе цитратного цикла (цикл Кребса) происходит образование восстановленных коферментов НАДНН⁺, которые и будут использованы в цепи транспорта электронов 1 типа.

Донором электронов в цепи транспорта электронов 2 типа является ФАДН₂. Перенос электронов и протонов водорода происходят одновременно с образованием молекул АТФ - Н+ перемещается через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Таким образом, образуется электрохимический градиент используется для синтеза АТФ.

Митохондрии участвуют в регуляции гликолиза. Один из ключевых гликолитических ферментов, гексокиназа, может быть связан с наружной мембраной митохондрий. У млекопитающих обнаружены четыре изоформы гексокиназы: типы I, II, III и IV. N-концевая последовательность гексокиназ I и II типов обладает высоким сродством пориновому каналу наружной мембраны митохондрий, в то время как гексокиназы III и IV типов не имеют сродства к нему. Гексокиназа I типа, образующая плотный контакт с пориновым каналом, использует АТФ только митохондриального происхождения (АТФ поступает в канал с внутренней мембраны); это характерная особенность этой изоформы. Таким образом, митохондрии контролируют активность ключевого гликолитического фермента. 

Митохондрии генерируют такие мощные регуляторы окислительно-восстановительного потенциала, как супероксидный анион, перекись водорода. Так митохондрии производят контроль над протеолизом, поддержанием структурной целостности митохондриальной ДНК, клеточным метаболизмом.

Далее нужно определить, каким именно способом митохондрия может участвовать в защите или, наоборот, в нарушении структуры генетического материала клетки. Окислительный стресс разрушает в первую очередь ДНК клетки, также такое происходит при старении или развитии рака. 

И взаимосвязь митохондрий и развития окислительного стресса подтверждена некоторыми исследованиями, так как вещества, взаимодействующие с митохондриями, действуют также, как и эффективные антипролиферативные агенты. Например, родамин 123, который используется для определения мембранного потенциала митохондрий, откладывается в митохондриях опухолевых клеток. Позже это доказало противоопухолевое действие родамина. 

Нужно упомянуть и про участие митохондрий в старении. В митохондриях локализуется порядка 9 сайтов, источников активных форм кислорода (АФК). Именно АФК играет роль в ускорении старения клеток, так как усиливает окислительный стресс. Если активных форм кислорода в клетках много, это приведет к укорочению жизни, и наоборот.

На этом спектр функций митохондрий не ограничивается, данные органеллы непосредственно участвуют в программной гибели клетки (ПГК). Предполагается, что на уровне митохондрий воспринимаются сигнальные молекулы, информирующие о предстоящей гибели клетки, следствием чего является дальнейшая реализация ПГК.

На сегодняшний день известны митохондриальные апоптотические поры (MAP) и поры повышенной проницаемости или мегаканалы (РТP). Механизмом образования апоптотических пор в митохондриях является олигомеризация на митохондриальной мембране белков Bax и Bak. PTP формируются за счет объединения в единый комплекс АТФ-АДФ-антипортера (ANT), локализованного во внутренней митохондриальной мембране, циклофилина D, находящегося в матриксе митохондрий, и порина, который образует отверстия (каналы) во внешней мембране митохондрии. Образование пор в митохондриях приводит к выходу из митохондрий цитохрома С, способствующего образованию апоптосомы и активирующего каспазы. Именно каспазы обеспечивают апоптоз клетки – запрограммированную гибель. Факторы, активирующие реализацию ПГК, транспортируются из митохондрий в цитоплазму, а далее – в ядро и действуют по независимым от каспаз механизмам: эндонуклеаза G и AIF, связывающий ДНК и активирующий нуклеазы и протеазы в ядре. И эти сигнальные молекулы могут стимулировать развитие не только апоптоза, но и некроза.

Помимо специализированных белков, некроз обеспечивают ионы Ca²⁺, активирующие при их выходе в цитоплазму кальпаины и Ca²⁺зависимые липазы. Кроме того, как ранее упоминалось, АФК способствуют укорочению жизни клетки, соответственно, если в цепи транспорта электронов кислород не полностью восстанавливается, образуются радикалы, активирующие механизмы апоптоза, аутофагии и некроза. Но следует помнить, что митохондрии не только обеспечивают запуск механизмов ПКГ, но и их ингибируют.

Необходимо упомянуть о синтетической активности митохондрий. В этих органеллах может происходить синтез стероидов. Сначала холестерин транспортируется в митохондрии, где он подвергается цитохром P450scc-зависимому превращению в прегненолон. Покидая митохондрию, он подвергается последующим превращениям в цитоплазме клетки. Они включают превращение прегненолона в прогестерон, а затем в 17-альфа-гидропрогестерон и, наконец, 11-дезоксикортизол. Продукт реакции транспортируется внутрь митохондрии и образует кортизол. 

Аналогичная компартментализация есть и при биосинтезе гема, который начинается в митохондриальном матриксе в цикле Кребса: сукцинил-КоА конденсируется с глицином с и получается продукт дельта-аминолевулинат. Он перемещается в цитозоль, где становится порфобилиногеном, а затем уропорфириногеном III и копропорфириногеном IX, который поступает в митохондрии и последовательно преобразуется в протопорфириноген IX и протопорфирин IX. На заключительном этапе фермент феррохелатаза катализирует включение атома железа в протопорфирин IX, и это приводит к образованию протогемы IX.

Еще одной интересной деталью является участие митохондрий в кальциевом гомеостазе. Центральным механизмом в реализации иммунного ответа является кальциевая сигнализация. Иммунореактивность лимфоцитов обеспечивается интеграцией митохондрий и механизмов кальциевой сигнализации. Митохондрии играют важную роль в гомеостазе Ca2+ лимфоцитов, как и в других клетках. Они имеют огромный потенциал для его быстрого накопления, поэтому участвуют в модуляции пространственно-временного профиля кальциевых сигналов (Bonifaz 2015, Chandel 2014).

В последние годы все большее внимание исследователей привлекает изучение работы митохондрий как кальциевых депо клетки в процессе реализации специфических функций иммунокомпетентных клеток, так как белки компоненты этой сложной системы регуляции кальциевого гомеостаза могут рассматриваться в качестве молекул-мишеней для направленной регуляции функциональной активности лимфоцитов в норме и при патологических процессах (воспаление, аутоиммунная патология, аллергические реакции, иммунодефициты).

Взаимосвязь между динамикой митохондрий и кальциевыми сигналами связана с двумя аспектами клеточных функций: хемотаксисом и регуляцией формирования иммунологического синапса. Иммунологический синапс представляет собой важный кальций – зависимый процесс, который осуществляется во время активации лимфоцитов (Kock 2016). Особая роль при этом принадлежит митохондриям, так как способность митохондрий поглощать Ca2+ оказывает влияние на формирование кальциевых сигналов и их распространение. Во время активации лимфоцитов митохондрии локализуются вблизи иммунологического синапса, образуют сложный структурный комплекс, связывающий мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭПР) с мембранами митохондрий и плазматической мембраной, так называемую «ассоциированную мембрану» (Quintanaa 2012). Поглощая ионы из внутриклеточной среды, данные органеллы, накапливают их в матриксе митохондрий и высвобождают избыточное количество в цитозоль. Так митохондрии регулируют уровень Ca2+, действуя в качестве буферов, активируют или ограничивают действие кальциевых сигналов в клетке, а именно, контролируют уровень Ca2+ в цитозоле и цитоплазматических микродоменах, изменяя частоту осцилляций кальциевых сигналов и снижая амплитуду распространяющихся волн.

Вывод

Таким образом, исследовав строение, функции митохондрий, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма, выяснилось, какая важная роль этих органелл в работе тканей, органов организма человека. Основными функциями митохондрий являются: обеспечение энергозависимых процессов в клетках за счет интенсивного синтеза АТФ на внутренней мембране митохондрий. В тоже время митохондрии обладают белоксинтезирующей способностью, обеспечивая синтез ряда ферментов системы цитохромов, а также играют важную роль в процессе дифференцировки клеток за счет наличия в митохондриях ДНК, рибосом и разных видов РНК. Дыхательная цепь – это главная система превращения энергии в митохондриях. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи.

Список использованной литературы

Бра М. Митохондрии в программированной гибели клетки: различные механизмы гибели. М. Бра, Б. Квинан, С.А. Сузин // Биохимия. — 2005. - Т. 70, № 2. - С. 284-293.

Gulbins E. Role mitochondria in apoptosis / E. Gulbins, S. Drechers, J. Bock // Exp. Physiol. -2003. - Vol. 88. - P. 85-90.

Д. Б. Зоров*, Н. К. Исаев, Е. Ю. Плотников, Л. Д. Зорова, Е. В. Стельмашук, А. К. Васильева, А. А. Архангельская и Т. Г. Хряпенкова. Журнал «Биохимия» том 72 2007г. ОБЗОР: «Митохондрия как Бифроны Януса».

Н.П. Судаков, С.Б. Никифоров, Ю.М. Константинов, С.А. Лепехова. Бюллетень ВСНЦ СО РАМН, 2007, №1(53). Роль митохондрий в реализации механизмов программированной гибели клетки.

Владимиров Ю.А. Дизрегуляция проницаемости мембран митохондрий, некроз и апоптоз / Ю.А. Владимиров // Дизрегуляционная патология
- М.: Медицина, 2002. - C. 127-156.

Код для цитирования: Скопировать