Как устроены митохондрии?
Многое в строении митохондрий до сих пор напоминает о том, что когда-то они были самостоятельными бактериями. Так, например, они окружены внешней липидной мембраной – такую мембрану имеют и все остальные клетки нашего организма. Основная функция внешней мембраны – защита митохондрии, отграничение ее от окружающей внутриклеточной среды, а также транспортировка необходимых веществ внутрь и выведение результатов ее работы наружу .
Внутреннее пространство митохондрии занимает матрикс. Это жидкая среда, состоящая из смеси жирных кислот, белков, рибосом и других соединений. В матриксе проходит первая стадия кислородного дыхания, то есть, выработки энергии. Кроме того, здесь находится и еще одно свидетельство прошлой самостоятельности митохондрий – митохондриальная ДНК. Да, оказывается, не весь наш генетический материал помещен в клеточное ядро! Эти небольшие кольцевые митохондриальные ДНК (мтДНК) кодируют 13 белков, которые нужны для работы самой митохондрии. В основном это ферменты, участвующие в дыхательной цепи окисления водорода .
Что еще интересно: люди наследуют мтДНК исключительно по материнской линии, а мтДНК, полученная от сперматозоида, разрушается сразу после оплодотворения . Эта «женская» мтДНК мутирует по очень четким законам и поэтому можно отследить то, как именно она изменялась с течением времени. Ряд исследований последних лет убедительно доказал, что примерно 200 000 лет назад в Африке жила женщина, от которой свою мтДНК получило все современное человечество. Ученые поэтически назвали эту женщину «митохондриальной Евой» .
Наконец, между внешней мембраной и матриксом имеется и вторая, внутренняя мембрана. Она очень неровная и образует кристы – длинные складки, направленные к центру митохондрии. Именно их – как темные полосы – видели первые исследователи XIX века. На внутренней мембране как раз и происходит запасание энергии в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). В процессе этого потребляется более 80% того кислорода, который попадает в нашу кровь при дыхании .
Митохондрии и хлоропласты
Все клетки нуждаются в питании, которое они получают при помощи митохондрий и хлоропластов.
Митохондрии производят аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Это своеобразный аналог батарейки, которая вырабатывает, хранит и распределяет между органоидами энергию. Активные клетки расходуют большое количество энергии, и митохондрий в них много. Если внутренние процессы в клетке протекают вяло, избыток энергии ни к чему. В такой клетке митохондрий мало. Митохондрии могут иметь спиралевидную, округлую, чашевидную и нитевидную формы и даже способны трансформироваться. Они передвигаются внутри клетки. Эти частички словно чувствуют, какая часть клетки остро нуждается в энергии, и спешат именно туда.
Хлоропласты — такие же «энергетические фабрики» в клетках зеленых растений. Они достигают в ширину 2-4 микрометров, в длину — 5-10 микрометров. У зеленых водорослей встречаются хроматофоры — гигантские хлоропласты длиной 50 микрометров. Таких хроматофоров может содержаться всего по одному на клетку.
В хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, который окрашивает растения в зеленый цвет и участвует в важнейшем процессе — фотосинтезе. При помощи хлорофилла зеленые растения поглощают солнечный свет и перерабатывают его в органические вещества.
Ядро клетки
Самая первая живая клетка зародилась на планете миллионы лет назад. Ученые до сих пор спорят о том, когда и как она появилась: в воде или на суше, из каких частиц, в каких условиях.
В поиске истины ученые выдвинули две теории происхождения клеток: клеточную и теорию биогенеза. Клеточная теория стала основополагающей. В середине XIX века после долгих исследований немецкие ученые Маттиас Шлейден и Теодор Шванн впервые заявили: абсолютно все живые организмы на Земле состоят из клеток. Так появилась клеточная теория. Немногим позднее Рудольф Вирхов высказал мнение о том, что живая клетка может произойти только от живой клетки, а ее спонтанное появление из неживой материи невозможно. Выходит, жизнь была всегда. Вечно. Это стало главным утверждением биогенеза.
Оказывается, не у каждой клетки есть ядро. Да-да, существуют организмы, способные выжить без этого важнейшего компонента. Исходя из этого, современные ученые выделяют два вида клеток: прокариотические и эукариотические. Названия этих групп произошли от древнегреческого языка. Слово «карио» переводится как ядро, приставка «про» — до, «эу» — хорошо. Значит, прокариоты — это организмы, клетки которых не содержат ядра. К доядерным относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и археи — древнейшие одноклеточные.
Эукариоты — это растения, животные, грибы. Они могут быть как многоклеточными, так и состоять из одной-единственной клетки. Представителей этой группы объединяет наличие в клетке ядра.
В целом эукариотические клетки отличаются от прокариотов сложностью своей конструкции. Биологи считают, что прокариоты — предки эукариотов, которые в процессе эволюции начали объединяться, образуя многоклеточные организмы.
Как улучшить работу митохондрий?
На настоящий момент предложены две стратегии того, как улучшить функции митохондриального пула. Первая связана с тем, что митохондрии, как органеллы, не статичны. Они могут сливаться, делиться, увеличиваться и уменьшаться в размерах, а также обмениваться своим генетическим материалом . Это тоже своеобразное «наследие» их бактериального прошлого. В ходе таких слияний и делений поврежденные участки митохондрий и мтДНК отсеиваются и распадаются. Итогом становится образование новых, полноценных митохондрий, которые намного лучше выполняют все свои функции. То есть, благодаря этим процессам происходит обновление всего митохондриального пула клетки .
Мы имеем возможность ускорить это обновление. В частности, таким действием обладает функциональный продукт здорового питания под названием T8 ERA MIT UP, который недавно выпустила на рынок компания VILAVI INT LTD. В этом продукте содержится концентрат гранатового сока, который богат веществами под названием эллаготаннины . Попадая в наш желудок, они быстро распадаются с образованием эллаговой кислоты, а ее, в свою очередь, перерабатывают кишечные бактерии, производя уролитин А . Это соединение как раз и стимулирует митохондрии активнее обновляться путем слияния и деления. Уже есть исследования, которые показывают, что дефицит уролитина А – важный фактор преждевременного старения . Помимо этого, доказано, что приток этого вещества увеличивает сопротивляемость физическим и умственным нагрузкам как раз за счет улучшения выработки энергии в митохондриях .
Вторая стратегия основана на защите митохондрий от разрушающего воздействия оксидативного стресса. Как мы уже говорили, в ходе выработки энергии они также синтезируют активные формы кислорода. Это молекулы-суперокислители (они же – свободные радикалы), которые играют сигнальную роль. Но, помимо этого, они обладают и немалой химической агрессивностью, являясь основной причиной оксидативного клеточного стресса . А еще один действующий компонент активной формулы T8 ERA MIT UP – комплекс SibXP, содержащий полипренолы, клеточный сок пихты и хвойную пасту CGNC. При этом полипренолы – это многоатомные спирты растительного происхождения, которые обладают выраженной антиоксидантной активностью
Именно это их свойство и важно для улучшения функции митохондрий. Полипренолы химически связывают свободные радикалы, не давая им повреждать митохондриальные мембраны и ферменты
Благодаря этому выработка энергии в клетке и поддерживается на необходимом уровне .
Что будет при нарушении работы митохондрий?
Очевидно, что самым первым и самым ярким проявлением дисфункции митохондрий будет уменьшение выработки энергии в клетке. На клиническом уровне такое обстоятельство может проявляться по-разному. И больше всего пострадают те ткани, которые работают максимально активно, а значит, требуют наибольшего притока энергии :
- мышечная (снижение физической выносливости и переносимости нагрузок);
- нервная (ухудшение когнитивных способностей – памяти, концентрации, работоспособности);
- эндокринная (нарушения гормонального баланса, проблемы с пищеварением и работой мочеполовых органов) и т.д.
Кроме того, учитывая другие функции митохондрий, о которых мы рассказывали выше, их неправильная работа может становиться фактором риска развития многих нарушений :
- преждевременного старения;
- возрастных поражений нервной системы;
- заболеваний сердечной мышцы;
- ожирения;
- артериальной гипертензии и ишемической болезни сердца, как проявлений метаболического синдрома;
- дисбиотических расстройств;
- и даже онкологических новообразований.
Когда одной клетки достаточно
До 1665 года человечество не подозревало о существовании клеток. Впервые их обнаружил англичанин Роберт Гук. Он разглядывал через увеличительный прибор кору дуба и заметил, что она состоит из множества ячеек. Позднее выяснилось, что это были мертвые оболочки клеток, полые внутри.
В живых клетках растений, в отличие от мертвых, присутствует вязкое вещество — цитоплазма, в которой плавают ядро и вакуоли — пузырьки с клеточным соком. Взгляните на разрезанный помидор или кусочек арбуза. Вы заметите, что спелая мякоть состоит из мельчайших гранул. Это и есть растительные клетки.
Как вы думаете, все ли живые существа состоят из множества клеток, или порой достаточно и одной, чтобы создание могло полноценно жить, питаться и размножаться? Иногда одной клетки хватает для жизни. На Земле есть ничтожно малые существа — одноклеточные, организм которых состоит из одной-единственной клетки.
В 1675 году голландский ученый Антони ван Левенгук начал рассматривать под микроскопом капельки воды. Он заметил, что жидкость кишит микроскопическими созданиями. Каждое из них могло бы с легкостью проплыть сквозь тонкое игольное ушко. Тела этих крошечных существ состояли из одной клетки. Тем не менее, организмы легко реагировали на свет, тепло, химические вещества и механические раздражители. Они были способны самостоятельно питаться, дышать, размножаться, расти и развиваться.
Ученые сделали вывод: одноклеточные — такие же живые существа, как, к примеру, слон или человек. С тех пор все живое делится на две группы — одноклеточные и многоклеточные.
Со временем в группу одноклеточных попали все виды бактерий, некоторые грибы, растения и животные. К одноклеточным грибам отнесли дрожжи; к одноклеточным растениям — водоросли хлореллу и хламидомонаду; к одноклеточным животным — амебу, инфузорию туфельку и трубача.
Группа многоклеточных оказалась многочисленнее. В нее вошли растения, грибы, животные и человек. Их организмы состоят из множества видов клеток, каждая из которых играет определенную роль. Клетки, сходные по строению и функциям, образуют ткани. Покровные ткани защищают организм от травм и вредных воздействий. Органы растений, животных и человека тоже состоят из тканей. Растительные ткани образуют корни и листья; животные — мышцы, сердце, желудок, печень, почки.
Источники
1. Evans A., Neuman N. The Mighty Mitochondria. Molecular Cell. 2016, March, 3, 61 (5): 641.
2. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.
3. Gaston D., Tsaousis A.D., Roger A.J. Predicting proteomes of mitochondria and related organelles from genomic and expressed sequence tag data. Methods in Enzymology. 2009, 457: 21-47.
4. Al Rawi S., Louvet-Vallée S., Djeddi A., Sachse M., Culetto E., Hajjar C., Boyd L., Legouis R., Galy V. Postfertilization autophagy of sperm organelles prevents paternal mitochondrial DNA transmission. Science. 2011, 334: 1144-1147.
5. Fu Q., Mittnik A., Johnson P.L., Bos K., Lari M., Bollongino R., Sun C., Giemsch L., Schmitz R., et al. A revised timescale for human evolution based on ancient mitochondrial genomes. Current Biology. 21 March 2013, 23 (7): 553–59.
6. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.
7. Bock F.J., Tait S.W.G. Mitochondria as multifaceted regulators of cell death. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2020, February, 21 (2): 85-100.
8. Kornmann B. The endoplasmic reticulum-mitochondria encounter structure: coordinating lipid metabolism across membranes. Journal of Biological Chemistry. 2020, May, 26, 401 (6-7): 811-820.
9. Liu X., Hajnóczky G. Ca2+-dependent regulation of mitochondrial dynamics by the Miro-Milton complex. International Journal of Biochemistry and Cell Biology. 2009, 41: 1972-1976.
10. Murphy M.P. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochemistry Journal. 2009, 417: 1-13.
11. Clark A., Mach N. The crosstalk between the gut microbiota and mitochondria during exercise. Frontiers of Physiology. 2017, May 19, 8: 319.
12. Annesley S.J., Fisher P.R. Mitochondria in Health and Disease. Cells. 2019. July, 5, 8 (7): 680.
13. van der Giezen M., Tovar J. Degenerate mitochondria. Reports of European Molecular Biology Organization. 2005, June, 6, (6): 525-30.
14. Duchen M.R. Mitochondria in health and disease: perspectives on a new mitochondrial biology. Molecular Aspects of Medicine. 2004, August, 25 (4): 365-451.
15. Youle R.J., van der Bliek A.M. Mitochondrial fission, fusion, and stress. Science (New York, N.Y.), 2012, 337(6098), 1062–1065.
16. Ashrafi G., Schwarz T.L. The pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria. Cell Death & Differentiation. 2013, January, 20 (1): 31-42.
17. Johanningsmeier S.D., Harris G.K. Pomegranate as a functional food and nutraceutical source. Annual Review of Food Science and Technology. 2011-02-28, 2 (1): 181–201.
18. Selma M.V., Beltrán D., Luna M.C., Romo-Vaquero M., García-Villalba R., Mira A., et al. Isolation of Human Intestinal Bacteria Capable of Producing the Bioactive Metabolite Isourolithin A from Ellagic Acid. Frontiers in Microbiology. 2017, 8: 1521.
19. D’Amico D., Andreux P.A., Valdés P., Singh A., Rinsch C., Auwerx J. Impact of the Natural Compound Urolithin A on Health, Disease, and Aging. Trends in Molecular Medicine, May 2021, S1471491421001180.
20. Ryu D., Mouchiroud L., Andreux P.A., Katsyuba E., Moullan N., Nicolet-Dit-Félix A.A., et al. «Urolithin A induces mitophagy and prolongs lifespan in C. elegans and increases muscle function in rodents». Nature Medicine. August 2016, 22 (8): 879–88.
21. Lin M.T., Beal M.F. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 2006, October, 19, 443 (7113): 787-95.
22. Михайлова Е.А., Локошко Д.В., Большакова Е.М. Полипренолы и долихолы, как важный компонент антиоксидантной защиты фосфолипидных мембран. Обзор данных современной научной литературы. Современная Российская наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 07 мая 2021 года. С. 97-101.
Клеточные «электростанции»
Основные объемы энергии в человеческом теле вырабатываются внутри отдельных клеток. Можно сказать, что каждая из них самостоятельно отвечает за собственное энергоснабжение. А это значит, что в каждой клетке (как минимум в тех клетках, которые имеют ядра, эритроциты не в счет), должна быть своя «электростанция». И это действительно так! Более того, нередко таких «электростанций» имеется несколько десятков или даже сотен. Зависит их число от того, насколько интенсивно работает клетка, а значит, и от того, насколько много ей требуется энергии в единицу времени. Научное название таких «электростанций» – митохондрии, а их совокупность именуют митохондриальным пулом клетки.
Термин «митохондрия» произошел от сочетания двух греческих слов: «митос», что означает «нить» или «волокно», и «хондрос» — «зерно» или «крупица». Конечно, такое название вообще не отражает функции митохондрий. Связано это с тем, что впервые их описали еще в 1850 году. Исследователи увидели в мышечных клетках хорошо различимые овальные органеллы – отдельные, явно отграниченные включения в цитоплазме. Также была видна и их внутренняя структура, состоящая из каких-то полос и точек. Но что это такое и зачем оно нужно, тогда никто не знал, потому и название дали исключительно по внешнему виду
А понимание критически важной роли митохондрий для жизни клетки и всего нашего организма появилось только спустя почти столетие – в 1948 году
Как появились митохондрии?
Один из важных вопросов, который давно беспокоил научную общественность: а откуда вообще взялись митохондрии в наших клетках? Самая современная и достоверная теория предлагает крайне необычный ответ: митохондрии – это потомки бактерий.
Давным-давно одноклеточные организмы, которым предстояло стать нашими предками, научились поглощать крохотные бактерии, присутствующие в окружающей среде. Если попросту – они ими питались. Но в один прекрасный день такая протобактерия не разрушилась, попав во внутриклеточную среду. И более того, она сохранила не только целостность, но и кое-какие свои функции. В частности, способность вырабатывать энергию с помощью кислорода. Каков до этого был механизм получения энергии у тех одноклеточных, которые впоследствии станут нами, известно плохо. Но с уверенностью можно сказать, что аэробный путь, предложенный им проглоченной бактерией, был однозначно более выгодным и эффективным.
Результатом этого удивительного события стал внутриклеточный симбиоз. Бактерия вырабатывала много энергии, а одноклеточный организм-хозяин снабжал ее достаточным количеством кислорода и других необходимых соединений. Со временем протобактерия упростилась, видоизменилась и стала необходимой клеточной органеллой. Этот союз оказался настолько успешным, что сейчас на нем построено энергоснабжение практически всех эукариотических клеток растений, грибов и животных. В том числе и нас с вами .
Строение клетки
Животные и растительные клетки имеют схожее строение. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой «плавают» внутренние компоненты.
Главный орган клетки — ядро, покрытое пористой оболочкой. Сквозь поры в ядро и обратно поступают питательные вещества и отходы. Ядро заполнено соком, в котором находятся ниточки молекул ДНК и ядрышко
Ядро — главнокомандующий, оно управляет всеми процессами внутри клетки и заведует важной генетической информацией
Помимо ядра, вакуолей и цитоплазмы внутри клетки присутствуют и другие органоиды. И в животных, и в растительных клетках есть вакуоли — пузырьки, заполненные клеточным соком. Они отвечают за хранение питательных веществ, обезвреживание ядов и вывод отходов. Митохондрии — производители энергии. Они помогают клетке дышать, размножаться, расти. Аппарат Гольджи отвечает за производство, хранение и доставку веществ в разные части клетки. Рибосомы в ответе за выработку белка — строительного материала. Лизосомы, мешочки с ферментами, которые ускоряют процессы в организме, переваривают пищу. Пероксисомы тоже содержат ферменты. Они нейтрализуют вредные вещества и разрушают жиры.
У растительных и животных клеток есть и отличия
- В растительной клетке присутствуют пластинки зеленого цвета, хлоропласты. Они помогают клетке получать питание из солнечных лучей. Животные клетки не умеют самостоятельно вырабатывать «еду», им приходится добывать питательные вещества из съеденной пищи. Исключение из мира животных — микроорганизмы жгутиконосцы, которые днем вырабатывают питательные вещества на свету, а ночью добывают готовую пищу.
- Животные клетки имеют округлую форму. Их оболочка пластичная и гибкая, что позволяет им растягиваться и изменять внешний вид. Прямоугольные клетки растений защищены менее податливой стенкой, которая не дает им трансформироваться.
- Отличаются клетки и за счет вакуолей. У растений они крупные, но немногочисленные, у животных, наоборот, мелкие, но в клетке содержится целая россыпь. Растительные вакуоли предназначены для запаса питательных веществ, животные отвечают за переваривание пищи и сокращение. А питательные вещества животной клетки хранятся в цитоплазме.
Чем еще заняты наши митохондрии?
Основная функция этих органелл – обеспечение энергией всех протекающих в клетке процессов. Однако, помимо этого митохондрии выполняют и еще целый ряд витальных (жизненно важных) функций. В их числе:
регуляция программируемой гибели клеток (что важно, например, при развитии онкологических заболеваний) ;
участие в метаболизме жиров, особенно длинноцепочечных жирных кислот ;
участие в обмене ионов кальция, от которого зависит здоровье костей, свертываемость крови, сокращение мышц, передача нервных импульсов и многие другие физиологические процессы ;
синтез сигнальных молекул, в основном, активных форм кислорода ;
взаимодействие с микробиотой кишечника и т.д.
Опираясь на данные современных исследований, можно смело утверждать, что митохондрии, во-первых, активно участвуют во внутриклеточных процессах, а во-вторых, влияют и на физиологию всего организма. Такая «широкая специализация» стала причиной того, что нарушения работы митохондрий сегодня рассматривают как одну из важных причин появления множества заболеваний .
