Кіріспе

Митохондрия ( /m/aɪ/t/ə/'kɒndriən/; : митохондриялар) – жануарлар, өсімдіктер және саңырауқұлақтар сияқты көптеген эукариоттардың жасушаларында табылған органелла. Митохондриялар қос мембраналы құрылымға ие және аэробты тыныс алу арқылы клеткада химиялық энергияның көзі ретінде қолданылатын аденозин трифосфатын (АТФ) өндіреді. Олар 1857 жылы Альберт фон Кёлликер жәндіктердің қамыт бұлшық еттерінде тапқан. Митохондрия терминін 1898 жылы Карл Бенда енгізген. Митохондрияны көбінесе «жасушаның қуат станциясы» деп атайды, бұл атауды Филип Сикевиц 1957 жылы сол аттас мақаласында қолданған. Микроспоридиялар, парабазалидтер және дипломонадтар сияқты көптеген бір жасушалы организмдер митохондрияларын басқа құрылымдарға – мысалы, гидрогосомалар мен митосомаларға – азайтып немесе түрлендірген. Моноцеркомоноидтар, стребломастикс және блаттомондар митохондрияларын толығымен жоғалтқан. Олардың мөлшері мен құрылымы әртүрлі болады. Егер арнайы боялмаса, көзбен көрінбейді. Митохондрия жасушалық энергиямен қамтамасыз етуден басқа, сигнализация, жасушалық дифференциация және жасушалық өлім сияқты басқа да функцияларды атқарады, сондай-ақ жасушалық цикл мен жасушалық өсуді реттеуге қатысады. Митохондриялар митохондриялық аурулар, жүрек қызметінің бұзылуы, жүрек жеткіліксіздігі және аутизм сияқты бірнеше адам ауруларымен байланысты. Клеткадағы митохондриялардың саны организмге, тіндерге және жасуша түріне қарай кең ауқымда өзгеруі мүмкін. Ересектеген қызыл қан жасушасында митохондрия жоқ, ал бауыр жасушасында 2000-нан астам митохондрия болуы мүмкін. Митохондрия арнайы функцияларды атқаратын бөлімдерден тұрады: сыртқы мембрана, мембрана аралық кеңістік, ішкі мембрана, кристалар және матрица. Эукариоттық жасушаның ДНК-ның көп бөлігі жасуша ядросында орналасқан болса да, митохондрияның бактериялық геномдарға ұқсас өз геномдары («митогеном») бар. Бұл жағдай эндосимбиоздық гипотезаның қабылдануына әкелді, яғни қазіргі митохондрияның еркін тіршілік ететін прокариоттық ата-бабалары еурокариоттық жасушалармен ерте заманда бірігіп, қазіргі жануарлар, өсімдіктер, саңырауқұлақтар және басқа да эукариоттардың жасушалық энергияны өндіру үшін тыныс алу қабілетіне ие болуына эволюциялық өзгерістерге ұшырады.

Құрылымы

Митохондриялардың түрлі пішіндері болуы мүмкін. Митохондрияда фосфолипидтік екі қабаттан және белоктардан тұратын сыртқы және ішкі мембраналар бар. Ол, грам-теріс бактериялардың сыртқы мембранасындағыдай, сыртқы мембрананы қамтитын бета-барел түрінде қалыптасады. Үлкен ақуыздар, егер олардың N-ұшындағы сигналдық тізбегі сыртқы мембранадағы транслоказа деп аталатын үлкен, көп бөлімді ақуызға байланысса, митохондрияға енуі мүмкін, ол оларды мембрана арқылы белсенді түрде жылжытады. Митохондриялық проақуыздар арнайы транслокациялық кешендер арқылы импортталады. Сыртқы мембранада май қышқылдарын ұзарту, адреналинді тотықтыру және триптофанды ыдырату сияқты әртүрлі қызметтерге қатысатын ферменттер бар. Бұл ферменттерге моноамин оксидаза, ротенонға төзімді NADH цитохром c редуктазасы, кинуренин гидроксилазасы және май қышқылы Co A лигазасы жатады. Сыртқы мембрананың зақымдануы мембранаралық кеңістіктегі ақуыздардың цитозолға ағып кетуіне және жасушаның өліміне әкеледі. Сыртқы митохондриялық мембрана эндоплазмалық ретикулум (ЭР) мембранасымен МАМ (митохондриямен байланысты ЭР мембранасы) деп аталатын құрылымда байланыса алады. Бұл ЭР-митохондрия кальций сигнализациясында маңызды және ЭР мен митохондриялар арасындағы липидтердің тасымалдануына қатысады. Сонымен қатар, ішкі мембрана ерекше фосфолипид – кардиолипинге бай. Бұл фосфолипид 1942 жылы сиыр жүрегінде табылды және әдетте митохондриялық және бактериялық плазмалық мембраналарға тән. Кардиолипинде екі емес, төрт май қышқылы бар, ол ішкі мембрананы өткізбейтін етуге көмектеседі. Сыртқы мембранадан айырмашылығы, ішкі мембранада пориндер жоқ және ол барлық молекулалар үшін өте өткізбейді. Матрицаға ену немесе одан шығу үшін барлық иондар мен молекулаларға арнайы мембраналық тасымалдаушылар қажет. Ақуыздар ішкі мембрананың транслоказасы (TIM) кешені немесе OXA1L арқылы матрицаға жеткізіледі.

Қалқаншалар

Ішкі митохондриялық мембрана кристалар деп аталатын көптеген бүктемелерге бөлінген, олар ішкі митохондриялық мембрананың бетін кеңейтіп, АТФ өндіру қабілетін жақсартады. Қарапайым бауыр митохондриялары үшін ішкі мембрананың ауданы сыртқы мембранадан шамамен бес есе үлкен. Бұл арақатынас өзгеріп отырады және ATP-ге үлкен қажеттілігі бар жасушалардың, мысалы, бұлшық ет жасушаларының митохондрияларында одан да көп кристалар болады. Бір жасуша ішіндегі митохондриялардың криста тығыздығы айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін, көбірек энергия өндіруге қатысатындарының криста мембранасының беті зәулім болады. Бұл бүктемелер F бөлшектері немесе оксисомалар деп аталатын кішкентай дөңгелек денелермен қапталған.

Матрица

Матрица – ішкі мембранамен қоршалған кеңістік. Ол митохондриядағы барлық ақуыздың шамамен 2/3-ін құрайды.

Функция

Митохондрияның ең маңызды қызметтері – жасушаның энергия валютасы АТФ-ты (яғни АДФ-ның фосфорилирленуі) тыныс алу арқылы өндіру және жасушалық метаболизмді реттеу болып табылады. Өсімдік митохондриялары фотосинтез барысында түзілген қантты ыдырату арқылы немесе оттегізсіз, баламалы нитрит субстратын пайдалану арқылы шектеулі мөлшерде АТФ-ты өндіре алады. АТФ белгілі бір белоктың көмегімен ішкі мембрана арқылы, ал сыртқы мембрана арқылы пориндер арқылы өтеді. АТФ энергияны босататын дефосфорилирлеу процесі арқылы АДФ-қа айналғаннан кейін, АДФ сол жолмен қайта оралады.

Жылу өндіру

Белгілі бір жағдайларда протондар АТФ синтезіне үлес қоспай, митохондриялық матрицаға қайта кіре алады. Бұл процесс протондық ағып кету немесе митохондриялық байланыстан шығу деп аталады және протонның матрицаға жеңілдетілген диффузиясынан туындайды. Бұл процесс протондардың электрохимиялық градиентінің пайдаланылмаған потенциалдық энергиясын жылу түрінде босатуға әкеледі. Термогенин негізінен қоңыр майлы тініде (қоңыр майда) табылса, қозғалмайтын термогенез үшін жауапты. Қоңыр майлы тіні сүтқоректілерде кездеседі және өмірдің басында және қыстайтын жануарларда ең жоғары деңгейде болады. Адамдарда қоңыр майлы тіні туған кезде болады және жасқа байланысты азаяды. Сондай-ақ, лизофосфолипидтер және сфинголипидтер сияқты биоактивті липидтердің деңгейіне әсер ететін жасушаішілік сигналдастырудың медиаторы ретінде де рөл атқарады деп саналады. Октаноил АСР (С8) mtFASII-нің ең маңызды соңғы өнімі болып табылады, сонымен қатар липо қышқылының биосинтезіне қатысатын бастапқы субстратты құрайды. Липо қышқылы маңызды митохондриялық ферменттік кешендердің кофакторы болғандықтан, мысалы, пируват дегидрогеназа кешені (PDC), α-кетоглутарат дегидрогеназа кешені (OGDC), тармақталған α-кетоқышқыл дегидрогеназа кешені (BCKDC) және глициннің бөліну жүйесінде (GCS), mtFASII энергия метаболизміне әсер етеді. mtFASII-нің басқа өнімдері митохондриялық трансляцияны реттеуде, FeS кластерлерінің биогенезінде және тотығу фосфорилдану кешендерін құрастыруда рөл атқарады. Олардың кальцийді кейін босату үшін жылдам сіңіру қабілеті оларды кальций үшін жақсы «цитозольді буферлерге» айналдырады. Эндоплазмалық тор (ЭР) кальцийді сақтаудың ең маңызды орны болып табылады. Кальций митохондриялық мембранадағы митохондриялық кальций унипортері арқылы матрицаға тасымалданады. Бұл процесс негізінен митохондриялық мембраналық потенциалмен басқарылады. Митохондриялық матрицаға Ca ағыны жақында тыныс алу биоэнергетикасын реттеу механизмі ретінде қарастырылды, бұл мембрана арқылы электрохимиялық потенциалды ΔΨ-дан pH-ға уақытша «импульске» жіберуге мүмкіндік береді, соның нәтижесінде тотығу стресі азаяды. Нейрондарда цитозольдік және митохондриялық кальцийдің бірдей жоғарылауы митохондриялық энергия метаболизмімен нейрондық белсенділікті синхрондауға көмектеседі. Митохондриялық матрицадағы кальций деңгейі ондаған микромолярлық деңгейге жете алады, бұл Кребс циклының маңызды реттеуші ферментінің бірі – изоцитрат дегидрогеназаның белсенділігі үшін қажет.

Ұйымдастыру және тарату

Митохондриялар (немесе ұқсас құрылымдар) барлық эукариоттарда (Оксимонад Моноцеркомоноидтардан басқа) кездеседі. Көбінесе бұршақ тәрізді құрылымдар ретінде бейнеленгенімен, олар көптеген жасушаларда үнемі бөліну мен бірігу процестерін бастан өткізетін өте динамикалық желі құрайды. Белгілі бір жасушаның барлық митохондрияларының жиынтығы хондриом деп аталады. Митохондриялардың саны мен орналасуы жасуша түріне қарай өзгереді. Бір жасушалы организмдерде көбінесе бір митохондрия кездеседі, ал адам бауырының жасушаларында әр жасушаға 1000–2000 митохондрияға дейін болады, бұл жасуша көлемінің 1/5 бөлігін құрайды. Мұндай айырмашылықтар жасуша бөліну кезінде тең емес бөліну салдарынан туындайды, бұл АТФ деңгейі мен жасуша процестерінде сыртқы айырмашылықтарға алып келеді. Митохондрияларды бұлшық еттің миофибрилдері арасында немесе сперматозоидтың қамшысының айналасында табуға болады. Митохондриялық желінің әртүрлі құрылымдары популяцияға физикалық, химиялық және сигнал беру артықшылықтары мен кемшіліктерін ұсынуы мүмкін. Жасушалардағы митохондриялар әрқашан микротүтіктер бойымен таралады, ал осы органеллалардың таралуы эндоплазмалық тормен байланысты. Соңғы зерттеулер цитоскелет құрамдас бөліктерінің бірі – виментиннің цитоскелетпен байланысу үшін де маңызды екенін көрсетеді.

Митохондрияға байланысты ER мембранасы (MAM)

Митохондрияға байланысты ЭР мембранасы (MAM) – жасушалық физиология мен гомеостаздағы маңызды рөлі үшін күні бұрынғыдан көбірек танылатын тағы бір құрылымдық элемент. Бұрын жасушалық фракциялау техникаларындағы техникалық қиындық деп есептелген, митохондриялық фракцияда тұрақты түрде кездесетін ЭР-ның қоспалары, митохондрия мен ЭР арасындағы интерфейс – MAM-нан туындаған мембраналық құрылымдар ретінде қайта анықталды. Бұл екі органелланың физикалық байланысы бұрын электрондық микроскопияда байқалған, ал жақында флуоресценттік микроскопия арқылы зерттелді. Жасушалық фракциялау арқылы тазартылған MAM, фосфолипидтер алмасуына қатысатын ферменттермен, сондай-ақ Ca сигнализациясына қатысты каналдармен байытылған. Митохондриялар – үнемі бөліну және бірігу процестерін бастан кешіретін динамикалық органеллалар болғандықтан, олар мембраналық тұтастығын сақтау үшін тұрақты және дұрыс реттелген фосфолипидтермен қамтамасыз етілуі керек. Алайда, митохондриялар фосфолипидтерді синтездеуді аяқтағаннан кейін оларға бағытталған орын ғана емес; сонымен қатар, бұл органелла фосфолипидтердің биосинтез жолының аралық және түйіндемелерінің органеллалық тасымалында, керамид пен холестерин метаболизмінде және гликосфинголипидтердің анаболизмінде де рөл атқарады. MAM жасушаішілік липидтер тасымалындағы рөлімен қатар, секрециялық жолдың да бір бөлігі болуы мүмкін. Атап айтқанда, MAM өте төмен тығыздықты липопротеин (VLDL) жинақталуы мен секрециясына әкелетін жолдағы дөңгелек ЭР мен Гольджи арасындағы аралық пункт болып көрінеді. Осылайша, MAM липид метаболизміндегі маңызды метаболикалық және тасымалдау орталығы болып табылады.

Кальций сигнализациясы

Митохондрияның мұндай рөлі кеңінен қабылданғанға дейін ER-дің кальций сигналдауындағы маңызды рөлі мойындалды, өйткені сыртқы митохондриялық мембранаға орналасқан Ca каналдарының төмен туыстығы, бұл органелланың жасушаішілік Ca ағынының өзгеруіне сезімталдығы туралы болжаммен қайшы келеді. Бірақ MAM-ның болуы осы көрінетін қайшылықты шешеді: екі органелланың тығыз физикалық байланысы ER-ден митохондрияға тиімді Ca беруді жеңілдететін контактілік нүктелерде Ca микродомендерін құрайды. Бұл Ca туннельдеуі төмен туыстығы бар VDAC1 Ca рецепторы арқылы жүзеге асады, ER мембранасындағы IP3R кластерлерімен физикалық байланыста екені және MAM-да байытылғаны жақында көрсетілді. Митохондрияның Ca сіңіргіші ретінде жұмыс істеу қабілеті, окистендіру фосфорилирлеу кезінде туындайтын электрохимиялық градиенттің нәтижесінде пайда болады, бұл катионның туннельдеуін экзергониялық процесс етеді. Дегенмен, митохондриядағы Ca сигналдауы белгілі бір шектің артынан өткесімен, ол метаболизмге қажет митохондриялық мембраналық потенциалды құлату арқылы апоптоздың ішкі жолын стимуляциялайды.

Перспектива

MAM – жасушадағы маңызды сигналдық, метаболизмдік және тасымалдау орталығы болып табылады, ол ER және митохондрия физиологиясын интеграциялауға мүмкіндік береді. Бұл органеллалар арасындағы байланыс тек құрылымдық ғана емес, сонымен қатар функционалдық және жалпы жасуша физиологиясы мен гомеостазы үшін өте маңызды. Осылайша, MAM митохондрияға қатысты дәстүрлі көзқарастан өзгеше перспективаны ұсынады, онда бұл органелла жасушаның метаболизмі үшін пайдаланылатын статикалық, оқшауланған бірлік ретінде қарастырылады. Керісінше, бұл митохондриялық ER интерфейсі митохондрияның, эндосимбиотикалық процестің нәтижесінде пайда болған, әртүрлі жасушалық процестерге интеграциялануын көрсетеді. Жақында митохондриялар мен MAM нейрондардағы арнайы жасушааралық байланыс орындарына (соматикалық түйісулер деп аталады) бекітілетіні анықталды. Микроглия процестері осы орындардағы нейрондық функцияларды бақылап, қорғайды, ал MAM жасушалық сапаны бақылаудың осы түрінде маңызды рөл атқарады деп есептеледі.

Шығуы мен эволюциясы

Митохондрияның пайда болуы туралы екі гипотеза бар: эндосимбиотикалық және автогендік. Эндосимбиотикалық гипотеза митохондриялар бастапқыда эукариоттық жасушаларда мүмкін емес оксидациялық механизмдерді жүзеге асыруға қабілетті прокариоттық жасушалар болғандығын көрсетеді; олар эукариоттың ішінде тұратын эндосимбионттар болды. Автогендік гипотезада митохондриялар прокариоттармен дивергенция кезінде эукариоттық жасушаның ядросынан ДНК бөлігін бөлу арқылы пайда болды; бұл ДНК бөлігі мембраналармен қоршалған, оларды ақуыздар кесіп өте алмайды. Митохондрияның бактериямен ортақ көптеген ерекшеліктері болғандықтан, эндосимбиотикалық гипотеза екі есептің ішіндегі кеңінен қабылданған болып табылады. Митохондрияда ДНК болады, ол бір хромосоманың бірнеше көшірмесі ретінде ұйымдастырылған, әдетте дөңгелек хромосома. Бұл митохондриялық хромосомада тыныс алу тізбегі сияқты редокстық ақуыздар үшін гендер бар. CoRR гипотезасы осы колокация redox реттеу үшін қажет деп болжайды. Митохондриялық геном рибосомалардың кейбір РНК-ларын және мРНК-ны белокқа аудару үшін қажетті 22 тРНК-ны кодтайды. Дөңгелек құрылым прокариоттарда да кездеседі. Протомитохондрия Рикетсиямен жақын туыстас болған. Алайда митохондрияның алфапротеобактериямен ата-бабасының нақты қатынасы және митохондрияның ядромен бір уақытта немесе одан кейін пайда болғаны әлі де даулы болып отыр. Мысалы, бактериялардың SAR11 клады митохондриямен салыстырмалы түрде соңғы ортақ ата-бабамен бөліседі деп айтылған, ал филогеномдық талдаулар митохондрияның альфапротеобактериялармен тығыз байланысты немесе оның мүшесі болып табылатын Псевдомонадота тұқымдасынан пайда болғанын көрсетеді. Кейбір мақалаларда митохондриялар альфапротеобактериялардың бауырлары ретінде сипатталады, олар бірге бауырлары - теңізпротео1 тобы, олар бірге Magnetococcidae-дің бауырлары болып табылады. Митохондриялық ДНҚ-ның кодындағы рибосомалар бактериялардың өлшемдері мен құрылымы бойынша ұқсас. Олар ядролық ДНК-мен кодталған 80S цитоплазмалық рибосомаларға емес, бактериялық 70S рибосомасына ұқсас. Митохондрияның қожалық жасушалармен эндосимбиотикалық қатынасын Линн Маргулис танымал етті. Эндосимбиотикалық гипотеза митохондрияның аэробты бактериялардан пайда болып, басқа жасушаның эндоцитозынан аман қалып, цитоплазмаға қосылғанын айтады. Гликолиз бен ферментацияға сүйенген қоныс клеткаларында тыныс алуды жүргізу қабілеті едәуір эволюциялық артықшылыққа ие болды. Бұл симбиозды қарым-қатынас 1,7 - 2 миллиард жыл бұрын пайда болған. Бір жасушалы эукариоттардың бірнеше тобында тек қалдық митохондриялар немесе олардан алынған құрылымдар бар: микроспоридиандар, метамонадтар және архимебалар. Бұл топтар митохондрияның пайда болуынан бұрын пайда болған деп болжаған рРНК ақпаратын пайдалана отырып құрастырылған филогенетикалық ағаштардағы ең бастапқы эукариоттар ретінде көрінеді. Алайда, бұл енді ұзын бұтақтардың тартымдылығының артефактісі екені белгілі: олар алынған топтар және митохондриялардан алынған гендер немесе органеллер (мысалы, митосомалар мен гидрогосомалар) сақталады. және миксозоалар (мысалы, Henneguya zschokkei) бірге митохондрияға байланысты органеллер ретінде МРО ретінде жіктеледі. Моноцеркомоноидтар мен басқа да оксимонадтар митохондрияларын толығымен жоғалтып алған сияқты және кем дегенде митохондриялық функциялардың кейбірін цитоплазмалық ақуыздар атқарады.

Митохондриялық генетика

Митохондриялар өз геномдарына ие. Адамның митохондриялық геномы – шамамен 16 килобазадан тұратын дөңгелек, екі тізбекті ДНҚ молекуласы. Ол 37 генді кодтайды: тыныс алу кешендері I, III, IV және V-тің 13 кішібөлімшесі үшін, 22 митохондриялық тРНК (20 стандартты аминқышқылы үшін, сондай-ақ лейцин және серин үшін қосымша ген) және 2 рРНК (12S және 16S рРНК). Митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) екі тізбегінің бірі аденин мен гуаниннің салмағы ауыр нуклеотидтерінің үлесi жоғары, осыған байланысты ол «ауыр тізбек» (немесе H тізбегі) деп аталады, ал екінші тізбек – «жеңіл тізбек» (немесе L тізбегі) деп аталады. Салмақ айырмашылығы екі тізбекті центрифугалау арқылы бөліп алуға мүмкіндік береді. мтДНҚ-да кодталмаған аймақ (NCR) деп аталатын, РНК транскрипциясы үшін ауыр тізбек промоторын (HSP) және жеңіл тізбек промоторын (LSP), L тізбегінде орналасқан H тізбегінің репликация басталу нүктесін (OriH), үш сақталған тізбек сегментін (CSB 1–3) және аяқталумен байланысты тізбекті (TAS) қамтитын ұзын кодталмаған бөлік бар. L тізбегінің репликация басталу нүктесі (OriL) H тізбегінде, OriH-тан 11 000 бп төмен орналасқан, ол тРНК-ны кодтайтын гендердің кластері ішінде орналасқан. Прокариоттардағыдай, кодталатын ДНҚ-ның үлесі өте жоғары және қайталанатын тізбектер жоқ. Митохондриялық гендер көпгендік транскрипттер ретінде транскрибиленеді, олар пісіп жетілген мРНК алу үшін кесіліп, полиаденилденеді. Митохондриялық функция үшін қажетті көптеген ақуыздар жасуша ядросындағы гендермен кодталады және тиісті ақуыздар митохондрияға импортталады. Ядро мен митохондриялық геномдар кодтайтын гендердің нақты саны түрлерге қарай өзгереді. Көптеген митохондриялық геномдар дөңгелек болып келеді. Жалпы, митохондриялық ДНҚ-да интрон жоқ, адамның митохондриялық геномындағыдай; мысалы, ашытқы мен протостарда, соның ішінде Dictyostelium discoideum-да. Ақуызды кодтайтын аймақтардың арасында тРНК орналасқан. Митохондриялық тРНК гендерінің тізбегі ядролық тРНК-дан өзгеше, бірақ митохондриялық тРНК-ға ұқсас тізбектер ядролық хромосомаларда жоғары дәрежеде ұқсастықпен кездеседі. Жануарларда митохондриялық геном әдетте бір дөңгелек хромосома болып табылады, оның ұзындығы шамамен 16 кб және 37 ген бар. Гендер жоғары сақталғанмен, олардың орналасуы әр түрлі болуы мүмкін. Қызығы, бұл үлгі адам денесіндегі сірескен (Pediculus humanus) құртта кездеспейді. Оның орнына, бұл митохондриялық геном 18 шағын дөңгелек хромосомаға бөлінген, олардың әрқайсысының ұзындығы 3–4 кб және бірден үш генге дейін бар. Бұл үлгі басқа сірескен құрттарда да кездеседі, бірақ шайнайтын құрттарда жоқ. Минихромосомалар арасында рекомбинация болатыны көрсетілген.

Адам популяциясының генетикалық зерттеулері

Митохондриялық ДНҚ-дағы генетикалық рекомбинацияның өте сирек болуы, оны популяциялық генетиканы және эволюциялық биологияны зерттеу үшін пайдалы ақпарат көзіне айналдырады. Митохондриялық ДНҚ-ның барлығы бірлік ретінде немесе гаплотип ретінде мұраға беріледі, сондықтан әртүрлі адамдардың митохондриялық ДНҚ-сы арасындағы қарым-қатынасты гендік ағаш түрінде бейнелеуге болады. Бұл гендік ағаштардағы үлгілер популяциялардың эволюциялық тарихын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Бұған классикалық мысал – адам эволюциялық генетикасы, онда молекулалық сағат митохондриялық Еваның пайда болу мерзімін анықтауға қолданылады. Бұл көбінесе Африкадан қазіргі заманғы адамдардың кең таралуына мықты дәлел ретінде қарастырылады. Тағы бір мысал – неандерталь сүйектерінен алынған митохондриялық ДНҚ-ның тізбегі. Неандертальдер мен қазіргі адамдардың митохондриялық ДНҚ тізбектері арасындағы салыстырмалы түрде үлкен эволюциялық қашықтық, неандертальдер мен қазіргі адамдар арасында будандасу болмағанын көрсетеді. Дегенмен, митохондриялық ДНҚ популяциядағы әйелдердің тарихын ғана көрсетеді. Бұл Y хромосомасының рекомбинацияланбайтын бөлігі сияқты әкелік генетикалық тізбектерді пайдалану арқылы ішінара шешіледі. Адам мен маймылдардың соңғы ортақ атасына дейінгі 7884 жылда 1 мутация тіркелген, бұл аутосомалық ДНҚ мутация деңгейінің бағалауларымен (бір ұрпаққа 10 база) сәйкес келеді.

Көбейту және тұқым қуалау

Митохондриялар митохондриялық бөліну арқылы бөлінеді, бұл бактериялар да атқаратын екіге бөлінудің бір түрі, бірақ бұл процесс эукариотты жасуша иесімен қатаң реттеледі және бірнеше басқа органеллалармен байланыс пен қарым-қатынасты қамтиды. Бұл бөлінудің реттелуі эукариоттар арасында әртүрлі болады. Көптеген бір жасушалы эукариоттарда олардың өсуі мен бөлінуі жасуша циклымен байланысты. Мысалы, бір митохондрия ядромен синхронды түрде бөлінуі мүмкін. Бұл бөліну және сегрегация процесі қатаң бақылауда болуы керек, сондықтан әрбір қыз жасушаға кем дегенде бір митохондрия жетеді. Басқа эукариоттарда (мысалы, сүтқоректілерде) митохондриялар ДНК-сын көбейтіп, жасушаның энергиялық қажеттіліктеріне жауап ретінде бөлінуі мүмкін, жасуша циклымен сәйкес келмейді. Жасушаның энергияға деген қажеттілігі жоғары болса, митохондриялар өсіп, бөлінеді. Энергия тұтыну төмен болса, митохондриялар жойылады немесе белсенділігін жоғалтады. Мұндай жағдайларда митохондриялар цитоплазманың бөлінуі кезінде қыз жасушаларға кездейсоқ таралады. Митохондриялық динамика, митохондриялық бірігу мен бөліну арасындағы тепе-теңдік, бірнеше ауру жағдайларымен байланысты патологияларда маңызды рөл атқарады. Митохондриялық екіге бөліну гипотезасы флуоресценттік микроскопия және дәстүрлі электронды микроскопия (TEM) арқылы визуализацияға негізделген. Флуоресценттік микроскопияның (~200 нм) ажыратымдылығы митохондриялық бөлінудегі екі қабатты митохондриялық мембрана сияқты құрылымдық егжей-тегжейлерді анықтауға немесе бірнеше митохондрия жақын болғанда жеке митохондрияларды ажыратуға жеткіліксіз. ДТМ-ның митохондриялық бөлінуді растауда да кейбір техникалық шектеулері бар. Жақында криоэлектронды томография мұздатылған, гидратацияланған, бұзылмаған жасушаларда митохондриялық бөлінуді визуализациялау үшін қолданылды. Ол митохондриялар бүршіктеп бөлінетінін көрсетті. Жеке адамның митохондриялық гендері тек анасынан мұраға көшеді, сирек жағдайларды қоспағанда. Адамдарда жұмыртқа жасушасы сперматозоидпен ұрықтанғанда, митохондриялар, демек митохондриялық ДНК әдетте тек жұмыртқадан келеді. Сперматозоидтың митохондриялары жұмыртқаға кіреді, бірақ эмбрионға генетикалық ақпарат қоспайды. Керісінше, аталық митохондриялар кейінірек эмбрион ішінде жойылу үшін таңдалып алынады, олар убиквитинмен белгіленеді. Жұмыртқа жасушасында салыстырмалы түрде аз митохондрия бар, бірақ бұл митохондриялар бөлініп, ересек организмнің жасушаларын толтырады. Бұл үлгі көптеген организмдерде, соның ішінде көптеген жануарларда кездеседі. Алайда кейбір түрлердің митохондриялары кейде әкесінен мұраға көшуі мүмкін. Бұл кейбір қылқан жапырақты өсімдіктерде, бірақ қарағайлар мен емендерде емес, қалыпты жағдай. Митилидтерде әкелік мұрагерлік тек түрдің еркектерінде ғана жүзеге асады. Адамдарда оның өте төмен деңгейде кездесетіні айтылған. Бір ата-анадан мұрагерлік митохондрияның әртүрлі тегі арасындағы генетикалық рекомбинацияға мүмкіндік бермейді, дегенмен бір митохондрияда оның ДНК-сының 2-10 көшірмесі болуы мүмкін. Бұдан әрі, жануарлар митохондриясы рекомбинацияға ұшырауы мүмкін екенін көрсететін дәлелдер бар. Адамдардағы деректер көбірек даулы, бірақ рекомбинацияның жанама дәлелдері бар. Бір ата-анадан мұрагерлікпен және аз рекомбинациямен ауыратын организмдер Мюллердің тежегішіне, функционалдылығы жоғалғанға дейін зиянды мутациялардың жиналуына ұшырауы мүмкін. Митохондрияның жануарлар популяциясы мтДНК бөтелкесі деп аталатын даму процесі арқылы осы жиналудан аулақ болады. Бөтелкелік жасушадағы стохастикалық процестерді пайдаланып, организм дамығанда мутациялық жүктемедегі жасушадан жасушаға ауытқушылықты арттырады: мутациялық мтДНК-ның белгілі бір үлесі бар бір жұмыртқа жасушасы әртүрлі жасушаларда әртүрлі мутациялық жүктемелері бар эмбрионды жасайды. Жасушалық деңгейдегі таңдау одан кейін мутантты мтДНК-ы көбірек болатын жасушаларды жоюға тырысуы мүмкін, бұл ұрпақтар арасында мутантты жүктемені тұрақтандыруға немесе азайтуға әкеледі. Бөтелкеліктің негізгі механизмі талқыланып жатыр, жақында математикалық және эксперименталды метазерттеулер жасушалық бөліністерде митодинамикалық ДНК-ның кездейсоқ бөлінуінің және жасуша ішіндегі митодинамикалық ДНК молекулаларының кездейсоқ айналымының комбинациясына дәлел келтірді.

ДНҚ-ны жөндеу

Митохондриялар жасуша ядросында болатын ұқсас механизмдер арқылы тотығудан зақымданған ДНҚ-ны қалпына келтіре алады. МтДНК-ны жөндеуге қатысатын ақуыздар ядролық гендермен шифрланады және митохондрияға тасымалданады. Сүтқоректілердің митохондрияларындағы ДНҚ жөндеу жолдары негіздік экзиция, қос тізбектің үзілуі, тікелей қайтару және қате жөндеуді қамтиды. Балама ретінде, ДНК зақымдануын транслезиялық синтез арқылы жөндеудің орнына айналып өтуге болады. Митохондриядағы ДНҚ жөндеу процестерінің ішінде базалық экзиция жолы ең жан-жақты зерттелген. Қос тізбектің үзілуі сүтқоректілердің және өсімдіктердің мтДНК-сында гомологты рекомбинациялық жөндеу арқылы қалпына келтіріледі. МтДНК-дағы қос тізбектің үзілуін микрогомологияға негізделген ұш жақтардың қосылуы арқылы да қалпына келтіруге болады. МтДНК-да тікелей қайтару және қателерді жөндеу процестеріне қатысты деректер болғанымен, бұл процестер толық сипатталмаған. Криптоспоридиумда митохондрияда АТФ өндіру жүйесі өзгерген, бұл паразитті цианид, азид және атоваквон сияқты классикалық митохондриялық тежегіштерге төзімді етеді. Туыс түрлерде митохондриялық геномда әлі де үш ген сақталады, бірақ A. cerati-де тек бір митохондриялық ген – цитохром c оксидаза I гені (cox1) табылды және ол ядро геномына көшкен.

Митохондриялық аурулар

Митохондрияның зақымдануы және одан кейінгі дисфункциясы, олардың жасушалық метаболизмге тигізетін әсерінің нәтижесінде, адам ауруларының көптеген маңызды факторы болып табылады. Митохондриялық бұзылыстар көбінесе неврологиялық бұзылыстар ретінде, оның ішінде аутизм ретінде көрінеді. мтДНК-дағы мутацияларға байланысты ауруларға Kearns–Sayre синдромы, MELAS синдромы және Лебердің тұқым қуалайтын оптикалық нейропатиясы жатады. Көп жағдайда бұл аурулар анадан балаға беріледі, себебі зигота митохондриясын және, демек, мтДНК-сын жұмыртқадан алады. Kearns–Sayre синдромы, Пирсон синдромы және прогрессивті сыртқы офтальмоплегия сияқты аурулар мтДНК-ның кең ауқымды қайта құрылуынан туындайды деп есептеледі, ал MELAS синдромы, Лебердің тұқым қуалайтын оптикалық нейропатиясы, MERRF синдромы және басқалары мтДНК-ның нүктелік мутацияларына байланысты болады. 2022 жылғы Nature Nanotechnology журналында жарияланған зерттеуде қатерлі жасушалар физикалық туннельдік нанотүтіктер арқылы иммундық жасушалардан митохондрияларды тартып алатыны көрсетілген. Басқа ауруларда ядролық гендердегі ақаулар митохондриялық ақуыздардың дисфункциясына әкеледі. Мұндай жағдайларда Фридрейх атаксиясы, тұқым қуалайтын спастикалық параплегия және Уилсон ауруы кездеседі. Бұл аурулар, көптеген басқа генетикалық аурулар сияқты, доминантты түрде мұраға беріледі. Окистендіруші фосфорилдеу ферменттерінің ядролық мутациялары, мысалы, коэнзим Q10 жетіспеушілігі және Барт синдромы сияқты түрлі ауруларды тудыруы мүмкін. Митохондриялық дисфункцияға байланысты этиологиясы бар басқа патологияларға шизофрения, екіполярлы бұзылыс, деменция, Альцгеймер ауруы, Паркинсон ауруы, эпилепсия, инсульт, жүрек-қан тамырлары аурулары, миалгиялық энцефаломиелит/созылмалы шаршау синдромы (ME/CFS), пигментті ретинит және қант диабеті жатады. Митохондрия арқылы туындайтын тотықтырғыш стресс 2-ші типті диабетпен ауыратын науқастарда кардиомиопатияның дамуында рөл атқарады. Жүрекке май қышқылдарының жеткізілуінің артуы кардиомиоциттерде май қышқылдарының сіңуін күшейтеді, нәтижесінде осы жасушаларда май қышқылдарының тотығуы артады. Бұл процесс митохондрияның электрондық тасымалдау тізбегіне қол жетімді редукциялық эквиваленттердің мөлшерін арттырады, соның салдарынан реактивті оттегі түрлерінің (ROS) өндірісі жоғарылайды. ROS аденоин нуклеотидтік транслокатор арқылы протондық ағып кетуді күшейтеді және митохондрияны ажыратады. Ажырату митохондрияның оттегі тұтынуын арттырады, бұл май қышқылдарының тотығуының артуын күшейтеді. Бұл ажыратудың өзіне-өзі қайталану циклын құрайды; сонымен қатар, оттегі тұтынуының артуына қарамастан, АТФ синтезі пропорционалды түрде арта бермейді, себебі митохондрия ажыратылған. АТФ-тың жетіспеушілігі, әдетте, жүрек тиімділігінің төмендеуі және жиырылу дисфункциясы ретінде көрінетін энергия тапшылығына алып келеді. Проблеманы одан әрі уақыттыратын фактор – саркоплазмалық ретикулумдағы кальцийдің босатылуының бұзылуы және митохондриялық қайта сіңірудің төмендеуі, бұл бұлшықет жиырылуы кезінде маңызды сигналдық ионның цитозольдік деңгейін шектейді. Митохондрия ішіндегі кальций концентрациясының төмендеуі дегидрогеназаның белсенділігін және АТФ синтезін арттырады. Демек, май қышқылдарының тотығуынан туындайтын АТФ синтезінің төмендеуімен қатар, АТФ синтезі кальций сигналдауының нашарлауынан да бұзылады, бұл диабетпен ауыратын адамдарда жүрек проблемаларына себеп болады. Митохондриялар ұрықтың соматикалық жасушаларының дамуы, сперматогониялық дің жасушаларының дифференциациясы, люминальды қышқылдану және ұрықшаларда тестостерон өндірісі сияқты процестерді де реттейді. Сондықтан, сперматозоидтардағы митохондрияның дисфункциясы сүйексіздікке себеп болуы мүмкін. Митохондриялық аурулармен күресу мақсатында митохондриялық алмастыру терапиясы (МАТ) әзірленді. Бұл ішкі жатырдағы тыныс алу әдісі донорлық митохондрияларды пайдаланады, бұл митохондриялық ДНК-ның мутацияларынан туындаған аурулардың берілуін болдырмайды. Алайда, бұл терапия әлі де зерттелуде және генетикалық өзгерістерге, сондай-ақ қауіпсіздік мәселелеріне әкелуі мүмкін. Бұл аурулар сирек кездеседі, бірақ өте ауыр және прогрессивті болып табылады, сондықтан қоғамдық саясат үшін күрделі этикалық мәселелер тудырады.

Қартаюға байланысты

Тыныс алу тізбегінде реактивті оттегі түрлерін түзету үшін электрондардың бір бөлігі шығып кетуі мүмкін. Бұл митохондрияларда митохондриялық ДНҚ-ның жоғары мутациялық деңгейімен қатар, айқын тотығу стресіне алып келеді деп есептелді. Қартаю мен тотығу стресі арасындағы болжамдық байланыс жаңа емес және 1956 жылы ұсынылған, кейіннен қартаюдың митохондриялық бос радикалдық теориясы ретінде дамытылды. Тотығу стресі митохондриялық ДНҚ мутацияларына, ал бұл ферменттік бұзылыстарға және одан әрі тотығу стресіне әкелуі мүмкін. Митохондрия қартаю процесінде бірнеше өзгерістерге ұшырауы мүмкін. Егде саяхандардың тіндерінде тыныс алу тізбегінің ферменттік белсенділігі төмендегені байқалады. Дегенмен, мутацияланған мтДНК өте ескі жасушалардың шамамен 0,2%-ында ғана табылады. Митохондриялық геномдағы үлкен жойылулар Паркинсон ауруында тотығу стресінің жоғары деңгейіне және нейрондық өлімге әкелуі мүмкін деп болжанған. Митохондриялық дисфункция амиотрофиялық бүйірлік склероз кезінде де кездеседі. Митохондриялар жұмыртқалық функциясында маңызды рөл атқарады, себебі олар түйіршік кеудешегінен жетілген ооцитке дейін даму үшін қажетті АТФ-ты қамтамасыз етеді, сондықтан митохондрия функциясының төмендеуі қабынуға, одан кейін жұмыртқалық жеткіліксіздігіне және жұмыртқалықтың қартаюына алып келуі мүмкін. Пайда болған дисфункция сандық (мысалы, мтДНК көшірме саны және мтДНК жойылуы), сапалық (мысалы, мутациялар және жіп үзілуі) және тотығу зақымдануы (мысалы, АҚТ-ға байланысты дисфункционалдық митохондриялар) түрінде көрінеді, бұл тек жұмыртқалықтың қартаюында ғана емес, сонымен қатар жұмыртқалықта ооцит-кумулюс өзара әрекетін бұзады, генетикалық аурулармен (мысалы, Fragile X синдромы) байланысты және эмбрионды іріктеуге кедергі келтіруі мүмкін.

Тарих

Митохондрияны бейнелейтін жасушаішілік құрылымдарды алғаш рет 1857 жылы физиолог Альберт фон Колликер жариялаған. 1890 жылы Ричард Альтман оларды жасуша органельдері ретінде белгілеп, "биобласт" деп атады. 1898 жылы Карл Бенда грек тіліндегі μίτος, mitos, "жіп" және χονδρίον, chondrion, "дән" сөздерінен "митохондрия" терминін тудырды. Леонор Микаэлис 1900 жылы Янус жасылының митохондрия үшін тірі жасуша бояуы ретінде қолданылуын анықтады. 1904 жылы Фридрих Мевс ақ су лилиясының (Nymphaea alba) жасушаларында өсімдіктердегі митохондрияны алғаш рет байқады, ал 1908 жылы Клаудиус Регомен бірге олардың құрамында ақуыздар мен липидтер бар екенін ұсынды. Бенджамин Ф. Кингсбери 1912 жылы оларды алғаш рет жасуша тынысымен байланыстырды, бірақ бұл көбінесе морфологиялық байқауларға негізделген. Варбург пен Генрих Отто Виланд, сондай-ақ ұқсас бөлшектер механизмін болжаған, тыныс алудың химиялық табиғаты туралы келіспеді. 1925 жылға дейін Дэвид Кейлин цитохромдарды ашқанға дейін тыныс алу тізбегі сипатталмады. 1967 жылы митохондрияда рибосомалар бар екені анықталды. 1968 жылы митохондриялық гендерді іздестіру әдістері жасалды, ал ашытқы митохондриялық ДНҚ-ның генетикалық және физикалық картасы 1976 жылы толыққанды аяқталды.