Mitochondrie jsou organely velikosti bakterií (asi 1 x 2 µm). Mitochondrie jsou nedílnou součástí všech živých eukaryotických buněk, obvykle buňka obsahuje asi 2000 mitochondrií, jejichž celkový objem tvoří až 25 % celkového objemu buňky. Tvar, velikost a počet se neustále mění. Počet mitochondrií se pohybuje od několika desítek až po stovky. Jsou zvláště hojné v sekrečních tkáních rostlin.
Mitochondrie, bez ohledu na jejich velikost nebo tvar, mají univerzální strukturu, jejich ultrastruktura je jednotná. Mitochondrie jsou ohraničeny dvěma membránami. Vnější mitochondriální membrána ji odděluje od hyaloplazmy. Obvykle má hladké obrysy, netvoří invaginace ani záhyby. Tvoří asi 7 % plochy všech buněčné membrány. Tloušťka této membrány je asi 7 nm, není spojena s žádnými jinými membránami cytoplazmy a je uzavřena sama na sobě, takže jde o membránový vak. Vnější membrána je oddělena od vnitřní membrány mezimembránovým prostorem širokým asi 10–20 nm. Vnitřní membrána (asi 7 nm tlustá) omezuje skutečný vnitřní obsah mitochondrie, její matrice nebo mitoplazmy. charakteristický rys vnitřní membrány mitochondrií je jejich schopnost tvořit četné výběžky uvnitř mitochondrií. Takové invaginace nejčastěji vypadají jako ploché vyvýšeniny nebo cristae.
Rýže. Schéma obecné organizace mitochondrií
1 - vnější membrána; 2 -- vnitřní membrána; 3 - invaginace vnitřní membrány - cristae; 4 - místa invaginací, pohled z povrchu vnitřní membrány
Mitochondrie jsou schopny nukleárně nezávislé syntézy svých proteinů na vlastních ribozomech pod kontrolou mitochondriální DNA. Mitochondrie vznikají pouze štěpením.
Hlavní funkcí mitochondrií je zajišťovat energetické potřeby buňky prostřednictvím dýchání. Energeticky bohaté molekuly ATP jsou syntetizovány oxidativní fosforylací. Energie uložená v ATP se získává v důsledku oxidace různých energeticky bohatých látek, především cukrů, v mitochondriích. Mechanismus oxidativní fosforylace chemiosmotickou kopulací objevil v roce 1960 anglický biochemik P. Mitchell
Hlavní funkcí ribozomů je translace, tedy syntéza proteinů. Na fotografiích pořízených elektronovým mikroskopem vypadají jako kulatá tělesa o průměru 20 - 30 nm.
Každý ribozom se skládá ze 2 podjednotek nestejné velikosti, tvaru a struktury. Ribozomové podjednotky jsou označeny svými sedimentačními koeficienty (tj. sedimentací centrifugací).
Zdá se, že malá podjednotka je umístěna nad velkou podjednotkou tak, že mezi částicemi je zachován prostor („tunel“). Tunel se používá k uložení mRNA během syntézy proteinů.
Ribozomy jsou velký ribonukleoproteinový komplex s molekulovou hmotností přibližně 2,5 mDa, skládající se z ribozomálních proteinů, molekul rRNA a souvisejících translačních faktorů. Ribozomy jsou nemembránové organely, na kterých v buňce probíhá syntéza proteinů. Jsou to kulovité útvary o průměru asi 20 nm. Tyto nejmenší buněčné organely jsou extrémně složité. Ani jedna molekula, která tvoří ribozomy, se neopakuje dvakrát. Ribozomy bakterie E. coli byly prozkoumány lépe než jiné.
Margoulitz, Kayer a Clares byli první, kdo navrhl endosymbiotickou teorii a Lin v ní pokračoval.
Nejrozšířenější hypotézou je endosymbiotický původ mitochondrií, podle kterého moderní zvířecí mitochondrie pocházejí z alfa-proteobakterií (k nimž patří moderní Rickettsia prowazekii), které napadly cytosol progenitorových buněk. Předpokládá se, že během endosymbiózy bakterie přenesly většinu svých životně důležitých genů do chromozomů hostitelské buňky, přičemž si ve svém genomu (v případě lidských buněk) ponechaly informace pouze o 13 polypeptidech, 22 tRNA a dvou rRNA. Všechny polypeptidy jsou součástí enzymatických komplexů systému oxidativní fosforylace mitochondrií.
Mitochondrie jsou tvořeny endocytózou starověkého velkého anaerobního prokaryota, který pohltil menší aerobní prokaryotu. Vztah takových buněk byl nejprve symbiotický, a pak velká buňka začala řídit procesy probíhající v mitochondriích.
Důkaz:
Rozdíl ve struktuře vnitřní a vnější membrány mitochondrií
Přítomnost vlastní kruhové DNA v mitochondriích (jako u bakterií), která obsahuje geny pro určité mitochondriální proteiny
Přítomnost vlastního aparátu syntetizujícího proteiny v membráně a ribozomy v ní jsou prokaryotického typu
K dělení mitochondrií dochází jednoduchým binárním způsobem nebo pučením a nezávisí na dělení buněk.
Přes určitou nezávislost jsou mitochondrie pod kontrolou eukaryotické buňky. Například v hyaloplazmě se syntetizují některé proteiny, které jsou nezbytné pro normální fungování mitochondrií, a některé proteinové faktory, které regulují dělení mitochondrií.
DNA mitochondrií a plastidů, na rozdíl od DNA většiny prokaryot, obsahuje introny.
Pouze část jejich proteinů je zakódována ve vlastní DNA mitochondrií a chloroplastů, zatímco zbytek je zakódován v DNA buněčného jádra. V průběhu evoluce došlo k „toku“ části genetický materiál od mitochondriálního a chloroplastového genomu po jaderný genom. To vysvětluje skutečnost, že ani chloroplasty, ani mitochondrie již nemohou samostatně existovat (rozmnožovat se).
Otázka původu jaderně-cytoplazmatické složky (NCC), která zachycovala protomitochondrie, není vyřešena. Bakterie ani archaea nejsou schopny fagocytózy, živí se výhradně na osmotrofickém základě. Molekulárně biologické a biochemické studie poukazují na chimérickou archaeálně-bakteriální podstatu NCC. Není také jasné, jak došlo k fúzi organismů z těchto dvou domén.
teorie Endosymbiotický původ chloroplastů byl poprvé navržen v roce 1883 Andreasem Schimperem, který ukázal jejich sebereplikaci uvnitř buňky. Famincin v roce 1907, opírající se o práci Schimpera, také dospěl k závěru, že chloroplasty jsou symbionti, jako řasy v lišejnících.
Ve 20. letech 20. století teorii vypracoval B. M. Kozo-Polyansky, bylo navrženo, že mitochondrie jsou také symbionti
Buněčné jádro, nukleocytoplazma
Směs v eukaryotech s mnoha vlastnostmi charakteristickými pro archaea a bakterie naznačovala symbiotický původ jádra z metanogenní archaebakterie, která napadla buňku myxobakteria. Histony se například nacházejí u eukaryot a některých archeí a geny, které je kódují, jsou velmi podobné. Další hypotézou vysvětlující kombinaci molekulárních rysů archaea a eubakterií u eukaryot je, že v určité fázi evoluce předkové nukleocytoplazmatické složky eukaryot získali schopnost zvýšit výměnu genů s eubakteriemi prostřednictvím horizontálního přenosu genů.
V poslední dekáda byla také vytvořena hypotéza virové eukaryogeneze. Vychází z řady podobností ve struktuře genetického aparátu eukaryot a virů: lineární struktura DNA, její těsná interakce s proteiny atd. Ukázala se podobnost DNA polymerázy eukaryot a poxyvirů, která způsobila jejich předků hlavní kandidáti na roli jádra.
Bičíky a řasinky
Lynn Margulis mimo jiné navrhla původ bičíků a řasinek ze symbiotických spirochet. Navzdory podobnosti ve velikosti a struktuře těchto organel a bakterií a existenci Mixotricha paradoxa, která využívá k pohybu spirochety, nebyly v bičíkech nalezeny žádné specifické proteiny spirochet. Je však známo, že protein FtsZ, společný všem bakteriím a archaea, je homologní s tubulinem a možná jeho prekurzorem. Bičíky a řasinky takové rysy nemají. bakteriální buňky, jako uzavřená vnější membrána, vlastní protein syntetizující aparát a schopnost dělení. Údaje o přítomnosti DNA v bazálních tělech, které se objevily v 90. letech, byly následně vyvráceny. Ke zvýšení počtu bazálních těles a k nim homologních centriol nedochází dělením, ale dokončením stavby nového organoidu vedle starého.
Peroxisomy
Christian de Duve objevil peroxisomy v roce 1965. Navrhl také, že peroxizomy byly prvními endosymbionty eukaryotické buňky, což jí umožnilo přežít se zvyšujícím se množstvím volného molekulárního kyslíku v zemskou atmosféru. Peroxisomy však na rozdíl od mitochondrií a plastidů nemají genetický materiál ani aparát pro syntézu proteinů. Ukázalo se, že tyto organely se tvoří v buňce de novo v ER a není důvod je považovat za endosymbionty.
Mitochondrie jsou mikroskopické membránové organely, které dodávají buňce energii. Proto se jim říká energetické stanice (akumulátor) článků.
Mitochondrie chybí v buňkách nejjednodušších organismů, bakterií, entameba, které žijí bez použití kyslíku. Některé zelené řasy, trypanosomy, obsahují jednu velkou mitochondrii a buňky srdečního svalu, mozku mají 100 až 1000 těchto organel.
Strukturální vlastnosti
Mitochondrie jsou dvoumembránové organely, mají vnější a vnitřní obal, mezimembránový prostor mezi nimi a matrici.
vnější membrána. Je hladká, nemá záhyby, vymezuje vnitřní obsah od cytoplazmy. Jeho šířka je 7nm, obsahuje lipidy a proteiny. Důležitá role provádí porin - protein, který tvoří kanály ve vnější membráně. Poskytují iontovou a molekulární výměnu.
mezimembránový prostor. Velikost mezimembránového prostoru je asi 20 nm. Látka, která ji vyplňuje, je složením podobná cytoplazmě, s výjimkou velkých molekul, které sem mohou proniknout pouze aktivním transportem.
Vnitřní membrána. Je postaven převážně z bílkovin, pouze třetina je přidělena lipidovým látkám. Velké množství proteinů je transportováno, protože vnitřní membrána postrádá volně průchodné póry. Tvoří mnoho výrůstků – cristae, které vypadají jako zploštělé hřebeny. Oxidace organické sloučeniny na CO 2 v mitochondriích se vyskytuje na membránách krist. Tento proces je závislý na kyslíku a probíhá působením ATP syntetázy. Uvolněná energie se ukládá ve formě molekul ATP a využívá se podle potřeby.
Matice- vnitřní prostředí mitochondrií, má zrnitou homogenní strukturu. V elektronový mikroskop můžete vidět granule a vlákna v kuličkách, které volně leží mezi kristami. Matrice obsahuje semiautonomní systém syntézy proteinů – DNA, jsou zde umístěny všechny typy RNA, ribozomy. Ale přesto většina proteinů pochází z jádra, a proto se mitochondrie nazývají semi-autonomní organely.
Umístění a dělení buněk
chondriom je skupina mitochondrií, které jsou soustředěny v jedné buňce. V cytoplazmě jsou umístěny různě, což závisí na specializaci buněk. Umístění v cytoplazmě závisí také na okolních organelách a inkluzích. V rostlinných buňkách zabírají periferii, protože mitochondrie jsou přesunuty do skořápky centrální vakuolou. V buňkách ledvinového epitelu tvoří membrána výběžky, mezi kterými jsou mitochondrie.
V kmenových buňkách, kde je energie využívána rovnoměrně všemi organelami, jsou mitochondrie umístěny náhodně. Ve specializovaných buňkách se koncentrují především v místech nejvyšší spotřeby energie. Například v příčně pruhovaných svalech se nacházejí v blízkosti myofibril. Ve spermiích spirálovitě pokrývají osu bičíku, protože k jeho uvedení do pohybu a pohybu spermií je potřeba hodně energie. Prvoci, kteří se pohybují pomocí řasinek, obsahují na své bázi také velké množství mitochondrií.
Divize. Mitochondrie jsou schopné samostatné reprodukce, mají svůj vlastní genom. Organely se dělí zúžením nebo přepážkami. Vznik nových mitochondrií v různé buňky různá periodicita např. v jaterní tkáni se vyměňují každých 10 dní.
Funkce v buňce
- Hlavní funkcí mitochondrií je tvorba molekul ATP.
- Depozice vápenatých iontů.
- Účast na výměně vody.
- Syntéza prekurzorů steroidních hormonů.
Molekulární biologie je věda, která studuje roli mitochondrií v metabolismu. Dále přeměňují pyruvát na acetyl-koenzym A, beta-oxidaci mastných kyselin.
| Tabulka: struktura a funkce mitochondrií (stručně) | ||
|---|---|---|
| Konstrukční prvky | Struktura | Funkce |
| vnější membrána | Hladká skořápka tvořená lipidy a proteiny | Odděluje vnitřek od cytoplazmy |
| mezimembránový prostor | Existují vodíkové ionty, proteiny, mikromolekuly | Vytváří protonový gradient |
| Vnitřní membrána | Tvoří výběžky - cristae, obsahuje proteinové transportní systémy | Přenos makromolekul, udržování protonového gradientu |
| Matice | Lokalizace enzymů Krebsova cyklu, DNA, RNA, ribozomů | Aerobní oxidace s uvolněním energie, přeměna pyruvátu na acetylkoenzym A. |
| Ribozomy | Kombinace dvou podjednotek | proteosyntéza |
Podobnosti mezi mitochondriemi a chloroplasty
Společné vlastnosti mitochondrií a chloroplastů jsou způsobeny především přítomností dvojité membrány.
Známky podobnosti také spočívají ve schopnosti nezávisle syntetizovat protein. Tyto organely mají vlastní DNA, RNA, ribozomy.
Jak mitochondrie, tak chloroplasty se mohou dělit konstrikcí.
Spojuje je také schopnost produkovat energii, na tuto funkci jsou více specializované mitochondrie, ale chloroplasty tvoří i molekuly ATP při fotosyntetických procesech. Rostlinné buňky mají tedy méně mitochondrií než zvířata, protože část funkcí za ně vykonávají chloroplasty.
Pojďme si stručně popsat podobnosti a rozdíly:
- Jsou to dvoumembránové organely;
- vnitřní membrána tvoří výběžky: cristae jsou charakteristické pro mitochondrie, tylakoidy jsou charakteristické pro chloroplasty;
- mají svůj vlastní genom;
- schopné syntetizovat bílkoviny a energii.
Tyto organely se liší svými funkcemi: mitochondrie jsou určeny pro syntézu energie, probíhá zde buněčné dýchání, chloroplasty potřebují rostlinné buňky k fotosyntéze.
Mitochondrie- Tento dvoumembránový organoid eukaryotická buňka, jejíž hlavní funkcí Syntéza ATP- zdroj energie pro život buňky.
Počet mitochondrií v buňkách není konstantní, v průměru od několika jednotek do několika tisíc. Tam, kde jsou procesy syntézy intenzivní, je jich více. Velikost mitochondrií a jejich tvar se také liší (kulaté, protáhlé, spirálovité, miskovité atd.). Častěji mají zaoblený podlouhlý tvar o průměru až 1 mikrometr a délce až 10 mikronů. Mohou se pohybovat v buňce s proudem cytoplazmy nebo zůstat v jedné poloze. Stěhují se do míst, kde je výroba energie nejvíce potřeba.
Je třeba mít na paměti, že v buňkách se ATP syntetizuje nejen v mitochondriích, ale také v cytoplazmě během glykolýzy. Účinnost těchto reakcí je však nízká. Znakem funkce mitochondrií je, že v nich probíhají nejen bezkyslíkaté oxidační reakce, ale také kyslíkové stadium energetického metabolismu.
Jinými slovy, funkcí mitochondrií je aktivní účast na buněčném dýchání, které zahrnuje mnoho oxidačních reakcí. organická hmota, přenos vodíkových protonů a elektronů, který přichází s uvolněním energie, která se hromadí v ATP.
Mitochondriální enzymy
Enzymy translokace vnitřní membrána mitochondrií provádět aktivní transport ADP a ATP.
Ve struktuře cristae se rozlišují elementární částice, skládající se z hlavy, nohy a základny. Na hlavách vyrobených z enzymu ATPáza probíhá syntéza ATP. ATPáza zajišťuje konjugaci fosforylace ADP s reakcemi dýchacího řetězce.
Složky dýchacího řetězce jsou na základně elementární částice v hloubce membrány.
Matice obsahuje většinu Enzymy Krebsova cyklu a oxidaci mastných kyselin.
V důsledku činnosti elektrotransportního dýchacího řetězce se do něj dostávají vodíkové ionty z matrice a uvolňují se na vnější straně vnitřní membrány. To je prováděno určitými membránovými enzymy. Rozdíl v koncentraci vodíkových iontů na různých stranách membrány vede ke vzniku gradientu pH.
Energie k udržení gradientu je dodávána přenosem elektronů přes dýchací řetězec. Jinak by vodíkové ionty difundovaly zpět.
Energie pH gradientu se používá k syntéze ATP z ADP:
ADP + F \u003d ATP + H2O (reakce je vratná)
Výsledná voda je enzymaticky odstraněna. To spolu s dalšími faktory usnadňuje průběh reakce zleva doprava.
Dva mezinárodní týmy vědců zkoumaly strukturu mitochondriálních ribozomů pomocí kryoelektronové mikroskopie. Tato metoda vám umožňuje vidět konstrukční prvky S nejvyšší rozlišení. Nové informace umožnily porovnat detaily struktury cytoplazmatických a mitochondriálních ribozomů. Jak se ukázalo, mitochondriální ribozomy jsou vysoce specializované a značně se liší jak od cytoplazmatických analogů, tak od bakteriálních ribozomů.
Je dobře známo, že mitochondrie jsou bývalé alfa-proteobakterie, které se asi před jednou a půl miliardou let staly symbionty archaálních buněk nebo některých jiných buněk. Tam převzali funkci dodavatelů energie, zdokonalili biochemické potrubí pro produkci ATP – hlavní energetické molekuly buňky. Ale jiné funkce podpory života pro ně začala plnit hostitelská buňka se svým jádrem a regulátory. Přítomnost membrán, vlastní DNA a ribozomů, nezbytných pro tvorbu malého souboru mitochondriálních proteinů, nám připomíná volný život, který v mitochondriích zůstal. Všechny tyto prvky jsou vysoce specializované, protože na rozdíl od všech ostatních částí buňky jsou zaměřeny pouze na dvě funkce - produkci ATP a vlastní reprodukci za stabilních intracelulárních podmínek. Proto studium kteréhokoli z těchto prvků dává představu o procesech evoluční specializace. To platí i pro ribozomy, i když by se zdálo, že tento buněčný stroj na syntézu bílkovin je univerzální, nelze z jeho práce nic přidávat ani ubírat. Ukázalo se však, že tomu tak není: mitochondriální ribozomy se liší jak od svých buněčných sousedů, tak od ribozomů předků alfa-proteobakterií. Zjistili to specialisté z Curychu a Curyšské univerzity. Taky zajímavá práce na toto téma vystoupili vědci z Laboratoře molekulární biologie Medical Research Council v Cambridge.
Tyto skupiny využívaly kryoelektronovou mikroskopii (Cryo-electron microscopy), která umožňuje rekonstruovat trojrozměrný obraz objektů s rozlišením 3,4-3,8 angstromů. Při přípravě přípravků pro kryoelektronovou mikroskopii se nepoužívají pomocné materiály pro řezy, které mění strukturu malých buněčných inkluzí. Doposud však rozlišení kryoelektronové mikroskopie nebylo příliš vysoké a teprve nyní bylo vylepšeno na úroveň vysoce přesné rentgenové krystalografie (která umožňuje stanovit atomovou strukturu látky, viz: X- paprsková krystalografie). Pomocí této techniky bylo možné podrobně zvážit různé podjednotky mitoribozomů (mitochondriální ribozomy), aby bylo možné korelovat biochemické a strukturální rozdíly s rozdíly v cytoplazmatických ribozomech.
Ribozomy jsou komplexy proteinů a RNA, proteiny v ribozomech jsou většinou ribozymy, což ukazuje na jejich podřízenou katalytickou roli v tomto tandemu. Savčí mitoribozomy (byly studovány lidské a prasečí buňky) obsahují méně RNA a tudíž více proteinů. V některých případech proteiny nahrazují ztracené části RNA, pokrývají téměř celý ribozom, pravděpodobně proto, aby stabilizovaly nestabilní strukturu RNA a chránily komplexy před oxidací. Asi polovina mitoribozomových proteinů je specifická: ani v cytoplazmatických ribozomech, ani v příbuzných bakteriálních ribozomech. Člověk má tedy 80 mitoribozomových proteinů, z nichž 36 je specifických. Jeden ze zajímavých strukturálních rozdílů, jak se ukázalo, je následující: důležitý funkční prvek ribozomu - malá podjednotka 5S rRNA (5S ribozomální RNA) - je v mitochondriích nahrazen valinovou tRNA. Tato substituce je důležitá zejména ve světle diskusí o povaze 5S rRNA (viz: G. M. Gongadze, 2011. 5S rRNA a ribozom), její podezřelé podobnosti s tRNA a možném původu jedné molekuly z druhé (a to je ještě není jasné, který z toho, co se stalo).
Jak tyto transformace ovlivnily práci mitoribozomů? Vědci naznačují, že to byli oni, kdo umožnil mitoribozomům stát se specialisty na produkci hydrofobních proteinů; a ještě více - lokalizovat tuto produkci na mitochondriálních membránách. Existovaly speciální komplexy, které připojují ribozomy k mitochondriálním membránám; existovaly speciální proteiny, které poskytují specifické prodloužení; našli proteiny, které se podílejí na rozpoznávání a připojení mRNA k mitoribozomu. Všechny se liší od funkčních analogů cytoplazmatických ribozomů. Konkrétně se jedná o iniciaci vazby mRNA na ribozom, poslední z uvedených funkcí. Místo, kde vlákno messenger RNA vstupuje mezi dvě podjednotky, je v mitoribozomu úplně jiné než v cytoplazmatickém ribozomu. Právě kvůli jeho specifičnosti nemohli vědci zavést syntézu mitochondriálních proteinů in vitro, ačkoliv cytoplazmatické ribozomy fungují v umělých podmínkách více než půl století. Nyní můžete začít experimentovat s mitochondriálními ribozomy.
Vlastnosti mitoribosomálních proteinů způsobují odlišný mechanismus interakce mezi malou a velkou podjednotkou. Z tohoto důvodu se konformační pohyby a rotace těchto podjednotek mění při vazbě na tRNA a posouvání mRNA a syntetizovaného řetězce aminokyselin. Jinými slovy, mechanika práce mitoribosomu během syntézy proteinových vláken se liší od mechaniky kanonického cytoplazmatického ribozomu.
Oba týmy vědců zdůrazňují, že zjištěná specifičnost mitoribozomů vysvětluje vedlejší účinky několika tříd léků. To znamená, že je třeba mírně změnit strukturu nových léků, aby se eliminovaly škodlivé účinky. Nyní bylo jasné, kde hledat a co změnit. Alespoň proto tato práce s mitoribozomy je relevantní. I když teoretický zájem o specifika mitoribozomů je mnohem širší: koneckonců je známo, že mitoribozomy se velmi liší v odlišné typy mnohem silnější než cytoplazmatické ribozomy. Trajektorie změn u různých druhů ukáží rysy energetického metabolismu a způsoby jeho adaptace na různé modifikace.
Prameny:
1) A. Amunts, A. Brown, J. Toots, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. Struktura lidského mitochondriálního ribozomu // Věda. 2015. V. 348. S. 95–98.
2) A. Amunts, A. Brown, X. Bai, J. L. Llácer, T. Hussain, P. Emsley, F. Long, G. Murshudov, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. Struktura kvasinkové mitochondriální velké ribozomální podjednotky // Věda. 2014. V. 343. S. 1485–1489.
3) B. J. Greber, P. Bieri, M. Leibundgut, A. Leitner, R. Aebersold, D. Boehringer, N. Ban. Kompletní struktura savčího mitochondriálního ribozomu 55S // Věda. 2015. V. 348. S. 303–307.
4) R. Beckmann, J. M. Herrmann. Mitoribozomové zvláštnosti // Věda. 2015. V. 348. S. 288–289.
Elena Naimarková
