Введение
Митохондрия (,/m//aɪ//t//ə/'/k//ɒ//n//d//r//i//ə//n/; : митохондрии) – органелла, присутствующая в клетках большинства эукариот, таких как животные, растения и грибы. Митохондрии имеют двойную мембранную структуру и используют аэробное дыхание для выработки аденозинтрифосфата (АТФ), который служит источником химической энергии во всей клетке. Они были впервые обнаружены Альбертом фон Кёлликером в 1857 году в произвольных мышцах насекомых. Термин «митохондрия» был введен Карлом Бендой в 1898 году. Митохондрию часто называют «электростанцией клетки» – выражение, предложенное Филиппом Сикевицем в статье 1957 года с тем же названием. У большого числа одноклеточных организмов, таких как микроспоридии, парабазалиды и дипломонады, митохондрии редуцированы или трансформированы в другие структуры, например, гидрогоносомы и митосомы. Оксимоноды Monocercomonoides, Streblomastix и Blattamonas полностью утратили митохондрии, но значительно различаются по размеру и структуре. Без специальной окраски они не видны. Помимо обеспечения клетки энергией, митохондрии участвуют в других процессах, таких как передача сигналов, клеточная дифференцировка и апоптоз, а также в поддержании контроля над клеточным циклом и ростом клеток. Митохондрии вовлечены в развитие ряда заболеваний и состояний у человека, включая митохондриальные болезни, сердечную дисфункцию, сердечную недостаточность и аутизм. Количество митохондрий в клетке может сильно варьироваться в зависимости от организма, ткани и типа клетки. Зрелая красная кровяная клетка не содержит митохондрий, в то время как в клетке печени их может быть более 2000. Митохондрия состоит из компартментов, выполняющих специализированные функции. К этим компартментам или областям относятся внешняя мембрана, межмембранное пространство, внутренняя мембрана, кристы и матрикс. Хотя большая часть ДНК эукариотической клетки содержится в ядре, митохондрия обладает собственным геномом («митогеномом»), который в значительной степени схож с геномами бактерий. Это открытие способствовало широкому признанию эндосимбиотической гипотезы, согласно которой свободноживущие прокариотические предки современных митохондрий в далеком прошлом слились с эукариотическими клетками, в результате эволюции современные животные, растения, грибы и другие эукариоты приобрели способность дышать для выработки клеточной энергии.
A mitochondrion (,/m//aɪ//t//ə/'/k//ɒ//n//d//r//i//ə//n/; : mitochondria) is an organelle found in the cells of most eukaryotes, such as animals, plants and fungi. Mitochondria have a double membrane structure and use aerobic respiration to generate adenosine triphosphate (ATP), which is used throughout the cell as a source of chemical energy. They were discovered by Albert von Kölliker in 1857 in the voluntary muscles of insects. The term mitochondrion was coined by Carl Benda in 1898. The mitochondrion is popularly nicknamed the "powerhouse of the cell", a phrase coined by Philip Siekevitz in a 1957 article of the same name. A large number of unicellular organisms, such as microsporidia, parabasalids and diplomonads, have reduced or transformed their mitochondria into other structures, e. g. hydrogenosomes and mitosomes. The oxymonads Monocercomonoides, Streblomastix, and Blattamonas have completely lost their mitochondria. but vary considerably in size and structure. Unless specifically stained, they are not visible. In addition to supplying cellular energy, mitochondria are involved in other tasks, such as signaling, cellular differentiation, and cell death, as well as maintaining control of the cell cycle and cell growth. Mitochondria have been implicated in several human disorders and conditions, such as mitochondrial diseases, cardiac dysfunction, heart failure and autism. The number of mitochondria in a cell can vary widely by organism, tissue, and cell type. A mature red blood cell has no mitochondria, whereas a liver cell can have more than 2000. The mitochondrion is composed of compartments that carry out specialized functions. These compartments or regions include the outer membrane, intermembrane space, inner membrane, cristae, and matrix. Although most of a eukaryotic cell's DNA is contained in the cell nucleus, the mitochondrion has its own genome ("mitogenome") that is substantially similar to bacterial genomes. This finding has led to general acceptance of the endosymbiotic hypothesis that free living prokaryotic ancestors of modern mitochondria permanently fused with eukaryotic cells in the distant past, evolving such that modern animals, plants, fungi, and other eukaryotes are able to respire to generate cellular energy.
Структура
Митохондрии могут иметь различные формы. Митохондрия содержит внешнюю и внутреннюю мембраны, состоящие из фосфолипидных бислоев и белков. Внешняя мембрана формируется в виде бета-барреля, проходящего сквозь нее, подобно внешней мембране грамотрицательных бактерий. Более крупные белки могут проникать в митохондрию, если сигнальная последовательность на их N-конце связывается с крупным мультисубъединичным белком, называемым транслоказой, во внешней мембране, который затем активно перемещает их через мембрану. Митохондриальные предшественники белков импортируются через специализированные транслокационные комплексы. Внешняя мембрана также содержит ферменты, участвующие в разнообразных процессах, таких как удлинение жирных кислот, окисление адреналина и деградация триптофана. К этим ферментам относятся моноаминооксидаза, ротенононечувствительная цитохром-с-редуктаза NADH, кинуренингидроксилаза и лигаза CoA жирных кислот. Нарушение целостности внешней мембраны приводит к утечке белков из межмембранного пространства в цитозоль, что вызывает гибель клетки. Внешняя митохондриальная мембрана может ассоциироваться с мембраной эндоплазматического ретикулума (ЭР), образуя структуру, называемую MAM (митохондриально-ассоциированная мембрана ЭР). Это важно для передачи кальциевых сигналов между ЭР и митохондриями и участвует в переносе липидов между ЭР и митохондриями. Кроме того, внутренняя мембрана богата необычным фосфолипидом – кардиолипином. Этот фосфолипид был впервые обнаружен в коровьих сердцах в 1942 году и обычно характерен для митохондриальных и бактериальных плазматических мембран. Кардиолипин содержит четыре жирных кислоты вместо двух и может способствовать непроницаемости внутренней мембраны. В отличие от внешней мембраны, внутренняя мембрана не содержит поринов и обладает высокой непроницаемостью для всех молекул. Почти всем ионам и молекулам требуются специальные мембранные транспортеры для проникновения в матрицу или выхода из нее. Белки транспортируются в матрицу через комплекс транслоказы внутренней мембраны (TIM) или через OXA1L.
Криста
Внутренняя митохондриальная мембрана разделена на многочисленные складки, называемые кристами, которые увеличивают площадь ее поверхности, тем самым повышая способность к производству АТФ. У типичных митохондрий печени площадь внутренней мембраны примерно в пять раз превышает площадь внешней мембраны. Это соотношение может варьироваться, и митохондрии клеток с повышенной потребностью в АТФ, например, мышечных клеток, содержат еще больше крист. Митохондрии внутри одной и той же клетки могут иметь значительно различающуюся плотность крист, при этом те, которым требуется производить больше энергии, обладают гораздо большей площадью мембраны крист. Эти складки усеяны небольшими округлыми структурами, известными как F-частицы или оксисомы.
Матрица
Матрица — это пространство, заключенное внутренней мембраной. Она содержит около 2/3 всего белка митохондрии.
Функция
Наиболее важные функции митохондрий – это выработка энергетической валюты клетки, АТФ (то есть фосфорилирование АДФ) посредством дыхания, а также регуляция клеточного метаболизма. Митохондрии растений также способны производить ограниченное количество АТФ, либо расщепляя сахара, образовавшиеся в процессе фотосинтеза, либо используя нитрит в качестве альтернативного субстрата в бескислородных условиях. АТФ перемещается через внутреннюю мембрану с помощью специфического белка, а через внешнюю мембрану – через поры. После превращения АТФ в АДФ в результате дефосфорилирования, высвобождающего энергию, АДФ возвращается тем же путем.
Производство тепла
При определенных условиях протоны могут повторно проникать в митохондриальный матрикс, не внося вклад в синтез АТФ. Этот процесс известен как утечка протонов или митохондриальная раздвоенность и обусловлен облегченной диффузией протонов в матрицу. В результате неиспользованная потенциальная энергия протонного электрохимического градиента высвобождается в виде тепла. Термогенин в основном содержится в бурой жировой ткани, или буром жире, и отвечает за термогенез без дрожи. Бурая жировая ткань встречается у млекопитающих и достигает максимального уровня в раннем возрасте и у животных, впадающих в спячку. У человека бурая жировая ткань присутствует при рождении и уменьшается с возрастом. Также считается, что она играет роль медиатора во внутриклеточной сигнализации благодаря влиянию на уровни биоактивных липидов, таких как лизофосфолипиды и сфинголипиды. Октаноил-ACP (C8) считается наиболее важным конечным продуктом mtFASII, который также является исходным субстратом для биосинтеза липоевой кислоты. Поскольку липоевая кислота является кофактором важных митохондриальных ферментных комплексов, таких как пируватдегидрогеназный комплекс (PDC), α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс (OGDC), комплекс α-кетокислотдегидрогеназы с разветвленной цепью (BCKDC) и системы расщепления глицина (GCS), mtFASII влияет на энергетический метаболизм. Другие продукты mtFASII играют роль в регуляции митохондриальной трансляции, биогенезе FeS-кластеров и сборке комплексов окислительного фосфорилирования. Их способность быстро поглощать кальций для последующего высвобождения делает их хорошими "цитозольными буферами" для кальция. Эндоплазматический ретикулум (ЭР) является основным местом хранения кальция. Кальций поступает в матрицу посредством митохондриального унипортера кальция на внутренней митохондриальной мембране. Этот процесс в основном обусловлен потенциалом митохондриальной мембраны. В последнее время приток кальция в митохондриальный матрикс был признан механизмом регуляции дыхательной биоэнергетики, позволяющим электрохимическому потенциалу через мембрану временно "пульсировать" от доминирования ΔΨ к доминированию pH, что способствует снижению окислительного стресса. В нейронах одновременное увеличение цитозольного и митохондриального кальция синхронизирует нейронную активность с митохондриальным энергетическим метаболизмом. Уровни кальция в митохондриальной матрице могут достигать десятков микромолярных концентраций, что необходимо для активации изоцитратдегидрогеназы, одного из ключевых регуляторных ферментов цикла Кребса.
Организация и распространение
Митохондрии (или связанные с ними структуры) встречаются во всех эукариотах (за исключением оксимонад Monocercomonoides). Хотя их обычно изображают в виде бобовидных структур, в большинстве клеток они формируют высокодинамичную сеть, где постоянно происходят деление и слияние. Совокупность всех митохондрий данной клетки составляет хондриом. Количество и расположение митохондрий варьируются в зависимости от типа клеток. В одноклеточных организмах часто встречается одна митохондрия, в то время как в клетках печени человека насчитывается около 1000–2000 митохондрий на клетку, что составляет 1/5 объема клетки. Различия в их количестве обусловлены, в том числе, неравномерным распределением при делении клеток, что приводит к внешним различиям в уровнях АТФ и последующих клеточных процессах. Митохондрии можно обнаружить между миофибриллами мышц или обвивающими жгутик сперматозоида. Различные структуры митохондриальной сети могут обеспечивать совокупности ряд физических, химических и сигнальных преимуществ или недостатков. Митохондрии в клетках всегда распределены вдоль микротрубочек, а распределение этих органелл также коррелирует с эндоплазматической сетью. Недавние данные свидетельствуют о том, что виментин, один из компонентов цитоскелета, также играет важную роль в их взаимодействии с цитоскелетом.
Мембрана ER, ассоциированная с митохондриями (MAM)
Митохондриальная мембрана, ассоциированная с ЭР (MAM) – еще один структурный элемент, все чаще признаваемый за его критическую роль в клеточной физиологии и гомеостазе. Ранее считавшиеся технической помехой в методах фракционирования клеток, предполагаемые примеси везикул ЭР, неизменно обнаруживаемые в митохондриальной фракции, были переидентифицированы как мембранные структуры, происходящие из MAM – интерфейса между митохондриями и ЭР. Физическое взаимодействие между этими двумя органеллами ранее наблюдалось на электронных микрографах, а в последнее время изучалось с помощью флуоресцентной микроскопии. Очищенный MAM, полученный при субклеточном фракционировании, обогащен ферментами, участвующими в обмене фосфолипидами, а также каналами, связанными с кальциевой сигнализацией. Поскольку митохондрии – это динамичные органеллы, постоянно подвергающиеся делению и слиянию, им требуется постоянное и хорошо регулируемое поступление фосфолипидов для поддержания целостности мембран. Однако митохондрии служат не только местом завершения синтеза фосфолипидов, но и участвуют в межорганеллярном транспорте промежуточных продуктов и конечных продуктов биосинтетических путей фосфолипидов, метаболизма керамидов и холестерина, а также анаболизма гликосфинголипидов. MAM также может быть частью секреторного пути, помимо своей роли во внутриклеточном транспорте липидов. В частности, MAM представляется промежуточным пунктом назначения между шероховатым ЭР и аппаратом Гольджи на пути, ведущем к сборке и секреции липопротеинов очень низкой плотности, или ЛПНП. Таким образом, MAM служит важнейшим метаболическим и транспортным узлом в метаболизме липидов.
Сигнализация кальция
Критическая роль эндоплазматической сети в кальциевой сигнализации была признана раньше, чем такая же роль для митохондрий получила широкое распространение, отчасти из-за низкой аффинности кальциевых каналов, локализованных во внешней митохондриальной мембране, что, казалось, противоречило предполагаемой чувствительности этой органеллы к изменениям внутриклеточного кальциевого потока. Однако наличие MAM разрешает это кажущееся противоречие: тесное физическое взаимодействие между двумя органеллами приводит к образованию кальциевых микродоменов в точках контакта, которые облегчают эффективную передачу кальция из эндоплазматической сети в митохондрии. Этот кальциевый туннелинг осуществляется через низкоаффинный кальциевый рецептор VDAC1, который, как недавно было показано, физически связан с кластерами IP3R на мембране эндоплазматической сети и обогащен в MAM. Способность митохондрий служить поглотителем кальция является результатом электрохимического градиента, генерируемого в процессе окислительного фосфорилирования, что делает туннелирование катиона экзергоническим процессом. Однако, как только кальциевая сигнализация в митохондриях превышает определенный порог, она стимулирует внутренний путь апоптоза, частично за счет нарушения потенциала митохондриальной мембраны, необходимого для метаболизма.
Перспективы
MAM является критическим сигнальным, метаболическим и транспортным узлом в клетке, обеспечивающим интеграцию функций эндоплазматической сети и митохондрий. Взаимодействие между этими органеллами не ограничивается структурной связью, но также является функциональным и имеет решающее значение для общей клеточной физиологии и гомеостаза. Таким образом, MAM позволяет взглянуть на митохондрии под новым углом, отличным от традиционного представления об этой органелле как о статичной, изолированной единице, используемой клеткой исключительно для метаболических целей. Вместо этого, интерфейс митохондрий и эндоплазматической сети подчеркивает интеграцию митохондрий – продукта эндосимбиотического события – в разнообразные клеточные процессы. Недавно было также показано, что митохондрии и MAM в нейронах закреплены в специализированных участках межклеточной коммуникации (так называемых соматических соединениях). Процессы микроглии контролируют и защищают функции нейронов в этих участках, и предполагается, что MAM играют важную роль в этом типе клеточного контроля качества.
Происхождение и эволюция
Существуют две гипотезы о происхождении митохондрий: эндосимбиотическая и автогенная. Эндосимбиотическая гипотеза предполагает, что митохондрии изначально были прокариотическими клетками, способными осуществлять окислительные механизмы, недоступные эукариотическим клеткам; они стали эндосимбионтами, обитающими внутри эукариота. Согласно автогенной гипотезе, митохондрии образовались путем отделения части ДНК от ядра эукариотической клетки в момент дивергенции с прокариотами; эта часть ДНК была бы окружена мембранами, непроницаемыми для белков. Поскольку митохондрии имеют много общих черт с бактериями, эндосимбиотическая гипотеза является более общепринятой из двух. Митохондрия содержит ДНК, организованную в виде нескольких копий одной, обычно кольцевой, хромосомы. Эта митохондриальная хромосома содержит гены для редокс-белков, таких как белки дыхательной цепи. Гипотеза CoRR предполагает, что такое совместное расположение необходимо для регуляции редокс-процессов. Митохондриальный геном кодирует некоторые РНК рибосом и 22 тРНК, необходимые для трансляции мРНК в белок. Кольцевая структура также встречается у прокариот. Протомитохондрий, вероятно, был тесно связан с *Rickettsia*. Однако точная связь предка митохондрий с альфапротеобактериями и вопрос о том, сформировалась ли митохондрия одновременно с ядром или после него, остаются предметом споров. Например, было предложено, что клада бактерий SAR11 имеет относительно недавнего общего предка с митохондриями, в то время как филогеномный анализ указывает на то, что митохондрии эволюционировали от линии *Pseudomonadota*, тесно связанной с альфапротеобактериями или являющейся ее частью. В некоторых работах митохондрии описываются как сестринская группа альфапротеобактерий, вместе образующая сестринскую группу marineproteo1, вместе формирующую сестру Magnetococcidae. Рибосомы, кодируемые митохондриальной ДНК, по размеру и структуре аналогичны бактериальным. Они тесно напоминают бактериальную рибосому 70S, а не 80S цитоплазматические рибосомы, кодируемые ядерной ДНК. Эндосимбиотические отношения митохондрий с их клетками-хозяевами были популяризированы Линн Маргулис. Эндосимбиотическая гипотеза предполагает, что митохондрии произошли от аэробных бактерий, которые каким-то образом пережили эндоцитоз другой клеткой и были включены в цитоплазму. Способность этих бактерий осуществлять дыхание в клетках-хозяевах, полагавшихся на гликолиз и брожение, дала бы значительное эволюционное преимущество. Эта симбиотическая связь, вероятно, развилась 1,7–2 миллиарда лет назад. Несколько групп одноклеточных эукариот имеют только рудиментарные митохондрии или производные структуры: микроспоридии, метамонады и архемобы. Эти группы предстают как наиболее примитивные эукариоты на филогенетических деревьях, построенных на основе информации об рРНК, что когда-то наводило на мысль, что они появились до возникновения митохондрий. Однако теперь известно, что это артефакт, вызванный притяжением длинных ветвей: они являются производными группами и сохраняют гены или органеллы, происходящие из митохондрий (например, митосомы и гидрогосомы). Миксозоа (например, *Henneguya zschokkei*) вместе классифицируются как MRO – органеллы, связанные с митохондриями. *Monocercomonoides* и другие оксимонады, по-видимому, полностью утратили свои митохондрии, и по крайней мере некоторые митохондриальные функции, похоже, теперь выполняются цитоплазматическими белками.
Митохондриальная генетика
Митохондрии содержат собственный геном. Митохондриальный геном человека представляет собой кольцевую двунитевую молекулу ДНК длиной около 16 килобаз. Он кодирует 37 генов: 13 для субъединиц дыхательных комплексов I, III, IV и V, 22 для митохондриальной тРНК (для 20 стандартных аминокислот, плюс дополнительный ген для лейцина и серина) и 2 для рРНК (12S и 16S рРНК). Одна из двух цепей митохондриальной ДНК (мтДНК) имеет непропорционально высокое соотношение тяжелых нуклеотидов аденина и гуанина, и эта цепь называется тяжелой (или H-цепью), в то время как другая цепь называется легкой (или L-цепью). Разница в весе позволяет разделить две цепи посредством центрифугирования. мтДНК содержит один длинный некодирующий участок, известный как некодирующая область (NCR), который включает промотор тяжелой цепи (HSP) и промотор легкой цепи (LSP) для транскрипции РНК, начало репликации для H-цепи (OriH), локализованное на L-цепи, три консервативных ящика последовательностей (CSB 1–3) и последовательность, связанную с терминацией (TAS). Начало репликации для L-цепи (OriL) локализовано на H-цепи на расстоянии 11 000 п.н. ниже по потоку от OriH, в кластере генов, кодирующих тРНК. Как и у прокариот, наблюдается очень высокая доля кодирующей ДНК и отсутствие повторов. Митохондриальные гены транскрибируются в виде полигенных транскриптов, которые расщепляются и полиаденилируются с образованием зрелых мРНК. Большинство белков, необходимых для функционирования митохондрий, кодируются генами в ядре клетки, а соответствующие белки импортируются в митохондрию. Точное количество генов, закодированных ядром и митохондриальным геномом, варьируется в зависимости от вида. Большинство митохондриальных геномов имеют кольцевую структуру. Как правило, митохондриальная ДНК лишена интронов, как это происходит в митохондриальном геноме человека, например, у дрожжей и простейших, включая Dictyostelium discoideum. Между кодирующими белками участками присутствуют тРНК. Гены митохондриальной тРНК имеют последовательности, отличные от ядерных тРНК, но аналоги митохондриальных тРНК были обнаружены в ядерных хромосомах с высокой степенью сходства последовательностей. У животных митохондриальный геном обычно представляет собой одну кольцевую хромосому длиной около 16 кб, содержащую 37 генов. Гены, хотя и высоко консервативны, могут различаться по расположению. Любопытно, что такая картина не наблюдается у человеческой вши (Pediculus humanus). Вместо этого митохондриальный геном организован в 18 миникольцевых хромосом, каждая из которых имеет длину 3–4 кб и содержит от одного до трех генов. Такая картина также наблюдается у других кровососущих вшей, но не у жевательных. Показано, что между минихромосомами происходит рекомбинация.
Генетические исследования популяции человека
Почти полное отсутствие генетической рекомбинации в митохондриальной ДНК делает её ценным источником информации для изучения популяционной генетики и эволюционной биологии. Поскольку вся митохондриальная ДНК наследуется как единый блок, или гаплотип, взаимосвязи между митохондриальной ДНК разных особей можно представить в виде генеалогического дерева. Структуры в этих генеалогических деревьях позволяют реконструировать эволюционную историю популяций. Классическим примером является эволюционная генетика человека, где молекулярные часы позволяют установить относительно недавнюю дату существования митохондриальной Евы. Это часто интерпретируется как веское подтверждение недавнего распространения современного человека из Африки. Другой пример – секвенирование митохондриальной ДНК из костей неандертальцев. Значительное эволюционное расстояние между последовательностями митохондриальной ДНК неандертальцев и современных людей интерпретируется как свидетельство отсутствия скрещивания между неандертальцами и современными людьми. Однако митохондриальная ДНК отражает лишь историю материнской линии в популяции. Это ограничение можно частично преодолеть, используя отцовские генетические последовательности, такие как некодирующая область Y-хромосомы. Было установлено значение в 1 мутацию каждые 7884 года, относящееся к последнему общему предку человека и обезьян, что согласуется с оценками частоты мутаций аутосомной ДНК (10 на одну пару оснований в поколение).
Репликация и наследование
Митохондрии делятся путем митохондриального деления, формы бинарного деления, которое также происходит у бактерий, хотя этот процесс строго регулируется клетками эукариотов-хозяев и включает в себя взаимодействие и контакт с несколькими другими органеллами. Регуляция этого деления различается у разных эукариот. У многих одноклеточных эукариот их рост и деление связаны с клеточным циклом. Например, отдельная митохондрия может делиться синхронно с ядром. Этот процесс деления и сегрегации должен быть тщательно контролируемым, чтобы каждая дочерняя клетка получила как минимум одну митохондрию. У других эукариот (например, у млекопитающих) митохондрии могут реплицировать свою ДНК и делиться преимущественно в ответ на энергетические потребности клетки, а не в фазе клеточного цикла. Когда энергетические потребности клетки высоки, митохондрии растут и делятся. Когда потребление энергии низкое, митохондрии разрушаются или становятся неактивными. В таких случаях митохондрии, по-видимому, случайным образом распределяются между дочерними клетками при делении цитоплазмы. Динамика митохондрий, баланс между слиянием и делением митохондрий, является важным фактором в патологиях, связанных с различными заболеваниями. Гипотеза о бинарном делении митохондрий основывалась на визуализации с помощью флуоресцентной микроскопии и обычной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Разрешение флуоресцентной микроскопии (~200 нм) недостаточно для различения структурных деталей, таких как двойная митохондриальная мембрана при митохондриальном делении, или даже для различения отдельных митохондрий, когда они расположены близко друг к другу. Традиционная ПЭМ также имеет некоторые технические ограничения при подтверждении митохондриального деления. Криоэлектронная томография недавно была использована для визуализации деления митохондрий в замороженных гидратированных неповрежденных клетках. Она показала, что митохондрии делятся почкованием. Митохондриальные гены человека наследуются только от матери, за редкими исключениями. У людей, когда яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, митохондрии и, следовательно, митохондриальная ДНК, обычно происходят только из яйцеклетки. Митохондрии сперматозоидов попадают в яйцеклетку, но не вносят генетическую информацию в эмбрион. Вместо этого, отцовские митохондрии маркируются убиквитином для последующего уничтожения внутри эмбриона. Яйцеклетка содержит относительно мало митохондрий, но эти митохондрии делятся, чтобы заселить клетки взрослого организма. Этот способ наследования наблюдается у большинства организмов, включая большинство животных. Однако митохондрии некоторых видов иногда могут быть унаследованы от отца. Это характерно для некоторых хвойных растений, но не для сосен и тисов. У митилов отцовское наследование происходит только у самцов. Предполагается, что у людей оно встречается с очень низкой частотой. Унипарентальное наследование приводит к ограниченным возможностям генетической рекомбинации между различными линиями митохондрий, хотя одна митохондрия может содержать 2–10 копий своей ДНК. Кроме того, есть данные, свидетельствующие о том, что митохондрии животных могут подвергаться рекомбинации. Данные по людям более спорны, хотя существуют косвенные доказательства рекомбинации. Можно ожидать, что организмы, подвергающиеся унипарентальному наследованию и с ограниченной или отсутствующей рекомбинацией, будут подвержены "решетке Мюллера" – накоплению вредных мутаций до потери функциональности. Популяции митохондрий животных избегают этого накопления благодаря процессу развития, известному как "узкое место мтДНК". Узкое место использует стохастические процессы в клетке для увеличения изменчивости клеток в отношении мутационной нагрузки по мере развития организма: одна яйцеклетка с определенной долей мутантной мтДНК производит эмбрион, в котором разные клетки имеют разную мутационную нагрузку. Затем может действовать отбор на уровне клеток, удаляя клетки с более высокой мутантной мтДНК, что приводит к стабилизации или снижению мутантной нагрузки между поколениями. Механизм, лежащий в основе узкого места, остается предметом дискуссий, при этом недавнее математическое и экспериментальное метаисследование предоставляет доказательства комбинации случайного разделения мтДНК при клеточном делении и случайного обновления молекул мтДНК внутри клетки.
Ремонт ДНК
Митохондрии способны восстанавливать окислительные повреждения ДНК посредством механизмов, аналогичных тем, что происходят в ядре клетки. Белки, задействованные в репарации мтДНК, кодируются ядерными генами и транслоцируются в митохондрии. Пути репарации ДНК в митохондриях млекопитающих включают иссечение основания, восстановление разрывов двойных нитей, прямое восстановление и репарацию неспаренных оснований. Альтернативно, повреждение ДНК может быть обйдено, а не восстановлено, посредством транслезионного синтеза. Из нескольких процессов репарации ДНК в митохондриях наиболее всесторонне изучен путь иссечения основания. Разрывы двойных нитей могут быть восстановлены посредством гомологичной рекомбинационной репарации как в мтДНК млекопитающих, так и в мтДНК растений. Разрывы двойных нитей в мтДНК также могут быть восстановлены посредством соединения концов, опосредованного микрогомологией. Хотя существуют данные о процессах прямого восстановления и репарации неспаренных оснований в мтДНК, эти процессы изучены недостаточно хорошо. У Cryptosporidium митохондрии имеют измененную систему генерации АТФ, что делает паразита устойчивым ко многим классическим митохондриальным ингибиторам, таким как цианид, азид и атоваквон. У родственных видов митохондриальный геном по-прежнему содержит три гена, но у A. cerati обнаружен только один митохондриальный ген – ген цитохром c оксидазы I (cox1), который мигрировал в геном ядра.
Митохондриальные заболевания
Повреждение и последующая дисфункция митохондрий является важным фактором при ряде заболеваний человека из-за их влияния на клеточный метаболизм. Митохондриальные расстройства часто проявляются в виде неврологических заболеваний, включая аутизм. Заболевания, вызванные мутациями в мтДНК, включают синдром Кернса–Сейра, синдром MELAS и наследственную оптическую нейропатию Лебера. В подавляющем большинстве случаев эти заболевания передаются от матери к детям, поскольку зигота получает свои митохондрии и, следовательно, свою мтДНК от яйцеклетки. Такие заболевания, как синдром Кернса–Сейра, синдром Пирсона и прогрессирующая внешняя офтальмоплегия, предположительно обусловлены крупномасштабными перестройками мтДНК, в то время как другие заболевания, такие как синдром MELAS, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MERRF и другие, вызваны точечными мутациями в мтДНК. Исследование 2022 года, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, показало, что раковые клетки могут перехватывать митохондрии из иммунных клеток посредством физических туннелирующих нанотрубок. При других заболеваниях дефекты в ядерных генах приводят к дисфункции митохондриальных белков. Это наблюдается при атаксии Фридрейха, наследственной спастической параплегии и болезни Вильсона. Эти заболевания наследуются по доминантному типу, как и большинство других генетических заболеваний. Различные расстройства могут быть вызваны ядерными мутациями генов, кодирующих ферменты окислительного фосфорилирования, такие как дефицит коэнзима Q10 и синдром Барта. Другие патологии, этиология которых связана с митохондриальной дисфункцией, включают шизофрению, биполярное расстройство, деменцию, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, эпилепсию, инсульт, сердечно-сосудистые заболевания, миалгический энцефаломиелит/синдром хронической усталости (МЭ/СХУ), пигментный ретинит и сахарный диабет. Митохондриально-опосредованный окислительный стресс играет роль в развитии кардиомиопатии у пациентов с сахарным диабетом 2 типа. Увеличение доставки жирных кислот к сердцу повышает поглощение жирных кислот кардиомиоцитами, что приводит к увеличению окисления жирных кислот в этих клетках. Этот процесс увеличивает количество восстановительных эквивалентов, доступных для электрон-транспортной цепи митохондрий, что в конечном итоге приводит к увеличению продукции активных форм кислорода (АФК). АФК повышают уровень белков разобщения (UCP) и усиливают утечку протонов через аденонуклеотидный транслокатор (ANT), что в совокупности приводит к разобщению митохондрий. Разобщение, в свою очередь, увеличивает потребление кислорода митохондриями, усугубляя увеличение окисления жирных кислот. Это создает порочный круг разобщения; более того, даже при увеличении потребления кислорода синтез АТФ не увеличивается пропорционально, поскольку митохондрии разобщены. Снижение доступности АТФ в конечном итоге приводит к энергетическому дефициту, проявляющемуся в виде снижения сердечной эффективности и нарушения сократительной функции. Усугубляя проблему, нарушение высвобождения кальция из саркоплазматического ретикулума и снижение обратного захвата митохондриями ограничивают пиковые цитозольные уровни важного сигнального иона во время мышечного сокращения. Снижение внутримитохондриальной концентрации кальция увеличивает активацию дегидрогеназ и синтез АТФ. Таким образом, помимо снижения синтеза АТФ из-за окисления жирных кислот, синтез АТФ также нарушается из-за дефектов кальциевой сигнализации, что вызывает проблемы с сердцем у пациентов с диабетом. Митохондрии также модулируют такие процессы, как развитие соматических клеток яичек, дифференцировка сперматогониальных стволовых клеток, подкисление просвета, выработка тестостерона в яичках и многое другое. Следовательно, дисфункция митохондрий в сперматозоидах может быть причиной бесплодия. Для борьбы с митохондриальными заболеваниями была разработана терапия митохондриальной замены (МРТ). Эта форма экстракорпорального оплодотворения использует донорские митохондрии, что позволяет избежать передачи заболеваний, вызванных мутациями митохондриальной ДНК. Однако эта терапия все еще находится на стадии исследования и может приводить к генетической модификации, а также вызывать опасения по поводу безопасности. Эти заболевания редки, но могут быть крайне изнурительными и прогрессирующими, что ставит перед обществом сложные этические вопросы, касающиеся государственной политики.
Связь со старением
Может происходить некоторая утечка электронов, переносимых в дыхательной цепи, что приводит к образованию реактивных видов кислорода. Считалось, что это вызывает значительный окислительный стресс в митохондриях и высокие скорости мутаций митохондриальной ДНК. Гипотезы о связи между старением и окислительным стрессом не новы и были предложены еще в 1956 году, а затем уточнены в митохондриальную теорию старения, основанную на свободных радикалах. Предполагалось, что возникает порочный круг: окислительный стресс приводит к мутациям митохондриальной ДНК, что может вызывать ферментативные нарушения и еще больший окислительный стресс. В процессе старения в митохондриях может происходить ряд изменений. В тканях пожилых людей наблюдается снижение ферментативной активности белков дыхательной цепи. Однако мутировавшая мтДНК обнаруживается лишь примерно в 0,2% очень старых клеток. Предполагается, что крупные делеции в митохондриальном геноме могут приводить к высокому уровню окислительного стресса и гибели нейронов при болезни Паркинсона. Митохондриальная дисфункция также наблюдается при амиотрофическом боковом склерозе. Поскольку митохондрии играют ключевую роль в функции яичников, обеспечивая АТФ, необходимый для развития от зародышевой везикулы до зрелой яйцеклетки, снижение функции митохондрий может приводить к воспалению, вызывая преждевременную недостаточность яичников и ускоренное старение яичников. Возникающая дисфункция отражается в количественных (например, число копий мтДНК и делеции мтДНК), качественных (например, мутации и разрывы цепей) и окислительных повреждениях (например, дисфункциональные митохондрии из-за активных форм кислорода), которые не только важны при старении яичников, но и нарушают взаимодействие между кумулюсом яйцеклеток в яичнике, связаны с генетическими нарушениями (например, с синдромом ломкой Х-хромосомы) и могут препятствовать отбору эмбрионов.
История
Первые наблюдения за внутриклеточными структурами, которые, вероятно, представляли собой митохондрии, были опубликованы в 1857 году физиологом Альбертом фон Колликером. Ричард Альтманн в 1890 году установил их как клеточные органеллы и назвал их "биобластами". В 1898 году Карл Бенда ввёл термин "митохондрии" от греческого μίτος (mitos), означающего "нить", и χονδρίον (chondrion) – "гранула". Леонор Майкаэлис обнаружила в 1900 году, что янус-зелень может использоваться в качестве сверхжизненного красителя для митохондрий. В 1904 году Фридрих Мевс сделал первое зафиксированное наблюдение митохондрий в растениях, в клетках белой кувшинки (Nymphaea alba), а в 1908 году, совместно с Клаудиусом Рего, предположил, что они содержат белки и липиды. Бенджамин Ф. Кингсбери в 1912 году впервые связал их с клеточным дыханием, однако почти исключительно на основании морфологических наблюдений. Варбург и Генрих Отто Виланд, которые также выдвинули аналогичную гипотезу о роли частиц, не пришли к согласию относительно химической природы дыхания. Лишь в 1925 году, после открытия цитохромов Дэвидом Кейлином, была описана дыхательная цепь. В 1967 году было установлено, что митохондрии содержат рибосомы. В 1968 году были разработаны методы картирования митохондриальных генов, а генетическая и физическая карта митохондриальной ДНК дрожжей была завершена в 1976 году.