Какие органеллы входят в состав митохондрий и научная электронная библиотека

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Скачать комикс в pdf

Вот мы и рассмотрели функции митохондрии как источника энергии и самонаводящейся ракеты при индукции апоптоза. Но кроме этого, митохондрии еще участвуют в синтезе белков, кофакторов, гормонов, нуклеотидов, что делает их еще более важными и ценными.

Чего боится митохондрия?

Итак, мы разобрались, как митохондрии производят АТФ. Причем количество АТФ должно очень тонко регулироваться клеткой. Если потребности в АТФ выросли, его надо произвести больше. Например, при активной мышечной или умственной работе требуется больше АТФ. И наоборот, если клетка в спокойном состоянии, то и не надо тратить ресурсы понапрасну. Но как митохондрия понимает, когда простимулировать работу ЭТЦ, а когда — притормозить?

Поддерживать работу ЭТЦ на определенном уровне важно еще и потому, что ЭТЦ обеспечивает постоянство мембранного потенциала. Если мембранный потенциал слишком низкий, в митохондрии нарушается транспорт веществ. Но и слишком большой потенциал — это тоже плохо. Это значит, что в межмембранном пространстве митохондрий накопилось слишком много протонов. Перенос каждого следующего протона оказывается сильно затруднен. А перенос электронов, как мы помним, сопровождается закачкой протонов в межмембранное пространство. Без движения протонов через мембрану не будет и движения электронов вдоль мембраны. Поэтому электроны оказываются на долгое время «заперты» в своих комплексах ЭТЦ. И там-то их может схватить кислород. В таком случае образуется не безобидная вода, а активные формы кислорода (АФК, или кислородные радикалы), которые разрушают все на своем пути. В первую очередь, это супероксид-анион радикал (О2*—) и перекись водорода (Н2О2). Накопление таких агрессивных соединений провоцирует окислительный стресс — губительное состояние для тканей.

Рисунок 4. Семейство белков-разобщителей электронного транспорта и синтеза АТФ (UCPs — uncoupling proteins).

Другой способ снизить потенциал на мембране митохондрий — это увеличить пул НАД+. Как это работает? Комплекс I ЭТЦ окисляет НАДН (то есть отбирает у него электроны), в результате чего электроны поступают в ЭТЦ для создания мембранного потенциала и производства АТФ, а НАДН превращается в НАД+. Однако, комплекс I «чувствует» баланс НАД+/НАДН, и при нарушении баланса, в данном случае — увеличении количества НАД+, комплекс I перестает окислять НАДН. Без притока электронов с молекул НАДН протоны не закачиваются в межмембранное пространство, и мембранный потенциал митохондрий снижается.

В клетках существуют собственные антиоксидантные системы. Например, фермент супероксиддисмутаза преобразует опасный супероксидный анион радикал (О2*—) в кислород и пероксид водорода. Пероксид водорода тоже считается АФК, которая может вызвать окислительный стресс. Для его утилизации работает фермент каталаза, разлагающий пероксид водорода до воды и кислорода.

Рисунок 5. Антиоксиданты, соединенные с липофильными катионами.

Итак, мы рассмотрели, как устроена ЭТЦ митохондрий, как производится АТФ, зачем нам нужен кислород. Но в жизни все не так просто, как на картинке. Комплексы ЭТЦ могут еще и объединяться в суперкомплексы — так называемые респирасомы (рис. 6).

Рисунок 6. ЭТЦ в митохондриях может быть организована в виде отдельных комплексов (слева) или в виде респирасомы (справа). Переход из одного состояния в другое зависит от типов клеток и условий.

Респирасомы повышают эффективность переноса электрона по комплексам ЭТЦ, что ускоряет производство АТФ и снижает энергетические потери. Белки держатся внутри комплекса благодаря нескольким механизмам:

• за счет электростатических взаимодействий: если на поверхности одного комплекса расположены аминокислоты с положительным зарядом, а на поверхности другого комплекса — аминокислоты с отрицательным зарядом, то такие комплексы лучше удерживаются вместе;
• при участии особого липида, который есть только во внутренней мембране митохондрий — кардиолипина (несмотря на название, он есть не только в сердце, но и во всех митохондриях, а также у бактерий). Рассмотрим его роль подробнее.

Рисунок 7. Принцип строения кардиолипина и других фосфолипидов.

Все ли митохондрии одинаковы?

Как всё устроено

* — Окислительно-восстановительный потенциал — синоним редокс-потенциала (от англ. reduction — восстановление, oxidation — окисление).

Рисунок 1. Во внутренней мембране митохондрий локализованы комплексы дыхательной цепи: I — НАДН-дегидрогеназа, II — сукцинат-дегидрогеназа, III — цитохром b–c1-комплекс, или цитохром с-редуктаза, IV — цитохром а–а3, или цитохромоксидаза, и фермент АТФ-синтаза. Q — убихинон, «с» в зелёном кружке — цитохром с. Чёрными стрелками показан транспорт электрона, пунктирной стрелкой — диффузия цитохрома с от комплекса III к IV, зелеными стрелками — перенос протона.

Рисунок 2. Метафорическое изображение среднеточечных редокс-потенциалов различных переносчиков ЭТЦ митохондрий в энергетической шкале (вольт) на фоне реки Тохмайоки в Карелии.

Междисциплинарность — залог успеха

В 2010 году, когда интерес к нанотехнологиям был на высоте, академик Юрий Дмитриевич Третьяков, в то время декан факультета наук о материалах (ФНМ) МГУ, решил начать межфакультетское сотрудничество с биологами для проведения совместных исследований методом ГКР. В итоге сотрудничество было установлено с лабораторией биофизики клетки под руководством Г.В. Максимова. Так наша лаборатория познакомилась с заместителем декана ФНМ химиком-материаловедом член-корр. Е.А. Гудилиным. Совместно с группой Гудилина начались активные исследования по применению ГКР в биологии.

Дело в том, что ГКР — метод непростой и требует исключительно междисциплинарного подхода. Каждый биообъект уникален, и чтобы регистрировать от него сигнал ГКР, нужно разрабатывать уникальные наноструктуры, которые бы усиливали сигнал от нужного объекта, не повреждали его и выдерживали «атаку» физиологических многокомпонентных буферов.

Раз это удалось сделать для эритроцитов, то можно сделать и для митохондрий!

Могут ли митохондрии передвигаться?

Митохондрии — энергетические станции

Все мы дышим и едим. Оба этих неотъемлемых атрибута нашей жизнедеятельности обусловлены наличием в наших клетках микроскопических органелл — митохондрий . Потребляя белки, жиры и углеводы, мы снабжаем наши митохондрии необходимыми субстратами для производства молекул АТФ — универсальной энергетической валюты всех живых клеток. За счет энергии АТФ в клетках нашего организма происходят практически все биохимические процессы, необходимые для жизнедеятельности, движения и мышления. Кислород является обязательным условием для работы митохондрий, без него уже в течение нескольких минут клетки начинают погибать.

Организмы, не имеющие митохондрий, могут вовсе не нуждаться в питании органикой и дыхании кислородом. Например, некоторые бактерии-хемосинтетики живут в бескислородной среде и получают всю необходимую энергию за счет энергии химических связей (сероводорода, сульфидов, железа и т.д.), а в качестве источника углерода эти организмы используют не органические соединения, а углекислый газ.

Рисунок 1. (а), (б) — просвечивающая электронная микрофотография среза сердца крысы. (б), (в) — желтым цветом обведены контуры мембран митохондрии, стрелками обозначены внутренние структуры: матрикс, межмембранное пространство (ММП) и кристы

фотография автора на просвечивающем электронном микроскопе JEM-1011 в ЦКП МГУ

Рисунок 2. Схематичное изображение небольшого участка митохондрии: внутренняя, внешняя мембрана, межмембранное пространство. Темно-синими стрелками показан путь электрона вдоль мембраны. Зелеными стрелками показано движение протонов через мембрану. Описание в тексте.

Рассмотрим рисунок 2. На внутренней мембране расположены крупные белковые комплексы. Это электрон-транспортная цепь (ЭТЦ), или дыхательная цепь митохондрий. Почему она так называется? По этой ЭТЦ от I и II до IV комплекса бегут электроны, как ток по проводам (путь электронов — ē — показан темно-синими стрелками). Внутри комплексов ЭТЦ находятся особые молекулы — кофакторы (железосерные кластеры, флавины, цитохромы), расположенные в таком порядке, чтобы электроны легко перебегали по ним в нужном направлении .

Строго говоря, направление движение электронов по ЭТЦ обеспечивается редокс-потенциалами (или окислительно-восстановительными потенциалами) кофакторов комплексов ЭТЦ: электроны перемещаются от молекул с донорными свойствами (с низким редокс-потенциалом), то есть легко отдающим электрон, к молекулам с акцепторными свойствами (с высоким редокс-потенциалом), легко принимающим электрон. При перемещении электрона донор окисляется, а акцептор восстанавливается. Наиболее подробно этот процесс описан в классических учебниках по биохимии Ленинджера (глава 19) и по биоэнергетике Николлса (глава 3) или Скулачева с соавт. (глава 4).

Откуда ЭТЦ берет электроны? В цитоплазме клетки происходит гликолиз — окисление глюкозы до пирувата, который попадает в матрикс митохондрий, где участвует в цикле Кребса . В результате этого процесса образуются две важные молекулы: НАДН и сукцинат. Эти молекулы и служат донорами электронов в ЭТЦ. Они отдают свои электроны комплексу I и комплексу II, окисляясь до НАД+ и фумарата. С этих комплексов электроны поступают на молекулы убихинонов (коферменты Q) — единственных подвижных жирорастворимых переносчиков электронов в ЭТЦ. Также коферменты Q получают электроны от окисления жирных кислот (ЖК). Убихиноны с электронами (то есть в восстановленном состоянии) называются убихинолы. Они доплывают до комплекса III, передавая электрон на цитохромы типа В.

Не только углеводы являются поставщиками субстратов для цикла Кребса. Еще это делают белки в результате так называемых анаплеротических (то есть дополнительных) реакций.

Далее путь электронов раздваивается: один электрон возвращается на хинон, а второй — поступает на цитохром С (ЦитС) — единственный мобильный водорастворимый переносчик электронов, который плавает в межмембранном пространстве и «довозит» электрон до IV комплекса. Это финальная точка ЭТЦ. Электроны, добежавшие до конца, выполнили свою задачу и уже больше никому не нужны. Они утилизируются с помощью кислорода (О2). Кислород работает чем-то вроде мусорной корзины для электронов, забирая их из ЭТЦ, и, соединяясь с протонами, превращается в воду (Н2О).

Как попасть в митохондрию?

Рисунок 3. «Потребители» потенциала митохондрий: перенос ионов (фосфата, кальция и натрия) между матриксом и межмембранным пространством (а затем и цитоплазмой клеток) обеспечивается рядом белковых транспортеров за счет энергии мембранного потенциала. Кроме этого, мембранный потенциал необходим для транспорта образовавшихся в матриксе митохондрий молекул АТФ в цитоплазму клеток, для создания восстановительного эквивалента НАДФН из НАДН и для многих других процессов.

На каком языке говорят митохондрии?

Долгожданный спектр ГКР митохондрий

Жалюзи опущены. Выключен свет. Комната погружена во мрак. Капля суспензии падает на серебряную подложку. Вспышка зелёного света. 30 секунд. Спектр. Тот самый долгожданный спектр ГКР от изолированных сердечных митохондрий был получен! Оставалось только понять, от каких именно структур в митохондриях исходит сигнал.

С учётом размеров компонентов митохондрий (рис. 7) и того, что усиление наблюдается на расстоянии нескольких нанометров от наноструктур, можно было предположить, что спектр ГКР митохондрий будет преимущественно спектром цитохрома с, так как этот цитохром наиболее близко подходит ко внешней мембране митохондрий и, соответственно, к наноструктурам. В то же время остальные цитохромы закреплены в комплексах внутренней мембраны.

Это утверждение также подтверждалось при моделировании эффектов усиления КР серебряными наноструктурами, которые были использованы в работе. Группа наших коллег из лазерного центра Ганновера показала, что сложная морфология подложки со множеством углублений, в которые могут попадать митохондрии, позволило получать усиление на большом расстоянии (более 10 нм). А иерархическое устройство самих наноструктур увеличивало число мест контакта с мембраной митохондрий и, следовательно, число молекул цитохрома с, от которых можно было зарегистрировать сигнал ГКР. Если использовать те же наночастицы серебра, просто присоединенные к плоской подложке, то особого усиления не произойдет, что и подтверждалось в эксперименте (рис. 8).

И действительно, полученный спектр ГКР митохондрий соответствовал спектрам цитохрома с! При использовании зелёного лазера в качестве возбуждающего света можно регистрировать сигнал только от цитохромов b и с, но не от цитохрома а, что облегчает задачу расшифровки спектров. Несмотря на схожесть структуры цитохромов типа b и с, они имеют ключевые пики на спектре, благодаря которым их нельзя перепутать (рис. 9). Таким образом, используемые наноструктуры давали усиление на достаточно большом расстоянии, чтобы зарегистрировать спектры от цитохрома с, но недостаточно большом, для того чтобы увидеть пики цитохромов b. И это как раз то, что нужно! Благодаря методу ГКР теперь можно исследовать селективно редокс-состояние и конформацию именно цитохрома с в живых функционирующих митохондриях.

Как и ожидалось, спектры ГКР цитохрома с митохондрий оказались очень чувствительны к изменению его окислительно-восстановительного состояния. Для этого было исследовано два воздействия: внесение протонофора FCCP и ингибитора АТФ-синтазы олигомицина.

Таким образом, спектры ГКР митохондрий, являясь спектрами исключительно цитохрома с, оказались чувствительны к изменениям его конформации и редокс-состояния в процессе работы митохондрий.

Схема всей работы в одном ролике

Чем занимаются митохондрии?

Большинство митохондриальных генов в процессе эволюции переместилось в клеточную ДНК, и только небольшая часть осталась в митохондриальном геноме.

Рисунок 8. Полет фантазии на тему происхождения митохондрий по мотивам «Рождения Венеры» Сандро Боттичелли.

Куда пропадают «плохие» митохондрии?

Рисунок 9. Слева — просвечивающие электронные микрофотографии митохондриальных везикул (mitochondria-derived vesicle, MDV). Справа — основные свойства MDV.

Как митохондрии сливаются?

Как улучшить свои митохондрии?

В заключение хотелось бы сказать, что, хотя сейчас и разрабатывается множество перспективных препаратов, все же пока самый лучший способ держать митохондрии в тонусе — спорт, сбалансированное питание и отказ от вредных привычек!

Желаю, чтобы ваши митохондрии были здоровы и счастливы!

Видеолекцию автора можно посмотреть на YouTube.

Работа автора поддержана фондом РНФ (грант 21-74-00026)