Митохондрии — это микроскопические мембранные органоиды, которые обеспечивают клетку энергией. Поэтому их называют энергетическими станциями (аккумулятором) клеток.

Митохондрии отсутствуют в клетках простейших организмов, бактерий, энтамеб, которые живут без использования кислорода. Некоторые зеленые водоросли, трипаносомы содержат одну большую митохондрию, а клетки сердечной мышцы, мозга имеют от 100 до 1000 данных органелл.

Особенности строения

Митохондрии относятся к двухмембранным органеллам, имеют внешнюю и внутреннюю оболочки, межмембранное пространство между ними и матрикс.

Внешняя мембрана . Она гладкая, не имеет складок, отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы. Ширина ее равна 7нм, в составе находятся липиды и белки. Важную роль выполняет порин - белок, образующий каналы во внешней мембране. Они обеспечивают ионный и молекулярный обмен.

Межмембранное пространство . Величина межмембранного пространства около 20нм. Вещество, заполняющее его по составу сходно с цитоплазмой, за исключением крупных молекул, которые могут сюда проникнуть только путем активного транспорта.

Внутренняя мембрана . Построена в основном из белка, только треть отводится на липидные вещества. Большое количество белков являются транспортными, так как внутренняя мембрана лишена свободно проходимых пор. Она формирует много выростов – крист, которые выглядят, как приплюснутые гребни. Окисление органических соединений до CO 2 в митохондриях происходит на мембранах крист. Этот процесс кислородзависимый и осуществляется под действием АТФ-синтетазы. Высвобожденная энергия сохраняется в виде молекул АТФ и используется по мере необходимости.

Матрикс – внутренняя среда митохондрий, имеет зернистую однородную структуру. В электронном микроскопе можно увидеть гранулы и нити в клубках, которые свободно лежат между кристами. В матриксе находится полуавтономная система синтеза белка – здесь расположены ДНК, все виды РНК, рибосомы. Но все же большая часть белков поставляется с ядра, поэтому митохондрии называют полуавтономными органеллами.

Расположение в клетке и деление

Хондриом – это группа митохондрий, которые сосредоточены в одной клетке. Они по-разному располагаются в цитоплазме, что зависит от специализации клеток. Размещение в цитоплазме также зависит от окружающих ее органелл и включений. В клетках растений они занимают периферию, так как к оболочке митохондрии отодвигаются центральной вакуолью. В клетках почечного эпителия мембрана образует выпячивания, между которыми находятся митохондрии.

В стволовых клетках, где энергия используется равномерно всеми органоидами, митохондрии размещены хаотично. В специализированных клетках они, в основном, сосредоточены в местах наибольшего потребления энергии. К примеру, в поперечно-полосатой мускулатуре они расположены возле миофибрилл. В сперматозоидах они спирально охватывают ось жгутика, так как для приведения его в движение и перемещения сперматозоида нужно много энергии. Простейшие, которые передвигаются при помощи ресничек, также содержат большое количество митохондрий у их основания.

Деление . Митохондрии способны к самостоятельному размножению, имея собственный геном. Органеллы делятся с помощью перетяжки или перегородок. Формирование новых митохондрий в разных клетках отличается периодичностью, например, в печеночной ткани они сменяются каждые 10 дней.

Функции в клетке

1. Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
2. Депонирование ионов Кальция.
3. Участие в обмене воды.
4. Синтез предшественников стероидных гормонов.

Молекулярная биология – это наука, изучающая роль митохондрий в метаболизме. В них также идет превращение пирувата в ацетил-коэнзим А, бета-окисление жирных кислот.

Сходство митохондрий и хлоропластов

Общие свойства для митохондрий и хлоропластов обусловлены, прежде всего, наличием двойной мембраны.

Признаки сходства также заключаются в способности самостоятельно синтезировать белок. Эти органеллы имеют свое ДНК, РНК, рибосомы.

И митохондрии и хлоропласты могут делиться с помощью перетяжки.

Объединяет их также возможность продуцировать энергию, митохондрии более специализированы в этой функции, но хлоропласты во время фотосинтезирующих процессов тоже образуют молекулы АТФ. Так, растительные клетки имеют меньше митохондрий, чем животные, потому что частично функции за них выполняют хлоропласты.

Опишем кратко сходства и различия:

• Являются двомембранными органеллами;
• внутренняя мембрана образует выпячивания: для митохондрий характерны кристы, для хлоропластов – тиллакоиды;
• обладают собственным геномом;
• способны синтезировать белки и энергию.

Различаются данные органоиды своими функциями: митохондрии предназначены для синтеза энергии, здесь осуществляется клеточное дыхание, хлоропласты нужны растительным клеткам для фотосинтеза.

История изучения строения рибосом насчитывает более полувека со времени их открытия, и краткое описание методов, использованных для этого, представляет отдельный интерес, поскольку эти методы используются или могут быть использованы для изучения не только рибосом, но и других сложных надмолекулярных комплексов.

Итак, к 1940 г. Альберт Клод (США) сумел выделить из эукариотических клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, гораздо меньшие, чем митохондрии и лизосомы (от 50 до 200 мкм в диаметре); позже он назвал их микросомами. Результаты химических анализов показали, что микросомы Клода были рибонуклеопротеидными комплексами. В дополнение к этому, цитохимические работы Т. Касперсона (Швеция) и Ж.Браше (Бельгия) продемонстрировали, что чем интенсивнее идет белковый синтез, тем больше обнаруживается РНК в цитоплазме.

В дальнейшем, некоторым исследователям удавалось выделять из клеток бактерий, животных и растений частицы, ещё более мелкие, чем микросомы. Электронная микроскопия и седиментационный анализ в ультрацентрифуге указывали, что частицы компактны, более или менее сферичны и гомогенны по размеру, имея диаметр 100-200 Ȧ (ангстрем) и обнаруживая резкие седиментационные границы с коэффициентами седиментации от 30-40S до 80-90S (S-коэффициент седиментации , или константа Сведберга, - отражает скорость осаждения каких-либо молекулярных комплексов при скоростном ультрацентрифугировании и зависит от молекулярного веса частиц и их плотности – компактности ). Пожалуй, первое ясное свидетельство, что такие частицы бактерий являются рибонуклеопротеидами было получено Г.К. Шахманом, А.Б. Парди и Р. Станиером (США) в 1952 г.

Улучшенная техника микротомии и электронной микроскопии ультратонких срезов животных клеток привела к выявлению однородных плотных гранул с диаметром около 150 Ȧ непосредственно в клетке. Электронно-микроскопические исследования Дж. Паладе (США) , проведенные в 1953-1955 гг., показали, что маленькие плотные гранулы в изобилии содержатся в цитоплазме животных клеток. Они видны либо присоединенными к мембране эндоплазматического ретикулума, либо свободно рассеяны в цитоплазме. Микросомы Клода оказались фрагментами эндоплазматического ретикулума с сидящими на них гранулами. Выяснилось, что эти «гранулы Паладе» являются рибонуклеопротеидными частицами и что они представляют основную массу цитоплазматической РНК, обеспечивающей белковый синтез.

Исследования функциональной роли рибосом шли параллельно с их обнаружением и структурным описанием. Первой убедительной демонстрацией того, что именно рибонуклеопротеидные частицы микросом ответственны за включение аминокислот в новосинтезированный белок, были эксперименты П. Замечника с сотрудниками (США), опубликованные в 1955 г. За этим последовали эксперименты из этой же лаборатории, показавшие, что свободные рибосомы не прикрепленные к мембранам эндоплазматического ретикулума, также включают аминокислоты и синтезируют белок, освобождающийся затем в растворимую фазу. Функции бактериальных рибосом были предметом интенсивных исследований группы Р.Б. Робертса (США); публикация К. МакКиллена, Р.Б. Робертса и Р.Дж. Бриттена в 1959 г. окончательно установила, что белки синтезируются в рибосомах и затем распределяются по другим частям бактериальной клетки.

Две международные команды ученых исследовали структуру митохондриальных рибосом с помощью криоэлектронной микроскопии. Этот метод позволяет увидеть структурные элементы с высочайшим разрешением. Новые сведения дали возможность сравнить детали строения цитоплазматических и митохондриальных рибосом. Как выяснилось, митохондриальные рибосомы высокоспециализированы и сильно отличаются и от цитоплазматических аналогов, и от бактериальных рибосом.

Хорошо известно, что митохондрии - это бывшие альфа-протеобактерии , которые примерно полтора миллиарда лет назад стали симбионтами клеток архей или каких-то иных клеток. Там они взяли на себя функцию энергетических снабженцев, усовершенствовав биохимический конвейер по производству АТФ - главной энергетической молекулы клетки. Зато другие функции жизнеобеспечения за них стала выполнять хозяйская клетка со своим ядром и регуляторами. Об оставленной свободной жизни в митохондриях напоминает присутствие мембран, собственной ДНК и рибосом, необходимых для изготовления небольшого набора митохондриальных белков. Все эти элементы высоко специализированы, так как нацелены, в отличие от всех остальных частей клетки, на выполнение только двух функций - производства АТФ и собственного размножения в стабильных внутриклеточных условиях. Поэтому изучение любого из этих элементов дает представление о процессах эволюционной специализации. Это касается в том числе и рибосом , хотя, казалось бы, эта клеточная машинка для синтеза белков универсальна, в ее работе уже ничего не убавить и не прибавить. Но оказалось, что это не так: митохондриальные рибосомы отличаются и от клеточных соседей, и от предковых рибосом альфа-протеобактерий. Это выяснили специалисты из в Цюрихе и Цюрихского университета . Также интересную работу на эту тему выполнили ученые из лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже.

Эти группы использовали криоэлектронную микроскопию (Cryo-electron microscopy), позволяющую реконструировать трехмерное изображение объектов с разрешением 3,4–3,8 ангстрем. При подготовке препаратов для криоэлектронной микроскопии не используются вспомогательные материалы для срезов, изменяющие структуру мелких клеточных включений. До сих пор, однако, разрешающая способность криоэлектронной микроскопии была не очень высока, и только теперь она усовершенствовалась до уровня высокоточной рентгеновской кристаллографии (которая позволяет устанавливать атомарную структуру вещества, см.: X-ray crystallography). С помощью этой техники оказалось возможным рассмотреть в подробностях различные субъединицы миторибосом (митохондриальных рибосом), соотнести биохимические и структурные различия с таковыми цитоплазматических рибосом.

Рибосомы - это комплексы белков и РНК, белки в рибосомах в основном являются рибозимами , что указывает на их подчиненную каталитическую роль в этом тандеме. В миторибосомах у млекопитающих (были изучены человеческие и свиные клетки) содержится меньше РНК и, соответственно, больше белков. В некоторых случаях белки заменяют потерянные части РНК, они покрывают практически всю рибосому, вероятно чтобы стабилизировать неустойчивую структуру РНК и защитить комплексы от окисления. Около половины миторибосомных белков специфичны: таких нет ни в цитоплазматических рибосомах, ни у родственных бактериальных рибосом. Так, у человека имеется 80 миторибосомных белков, из которых 36 специфичны. Одно из любопытных структурных различий, как выяснилось, такое: важный функциональный элемент рибосомы - малая субъединица 5S рРНК (5S ribosomal RNA) - замещена в митохондриях на тРНК валина. Эта замена особенно важна в свете дискуссий о природе 5S рРНК (см.: Г. М. Гонгадзе, 2011. 5S рРНК и рибосома), ее подозрительном сходстве с тРНК и возможном происхождении одной молекулы от другой (причем пока не ясно, какая именно от какой произошла).

Как сказались эти трансформации на работе миторибосом? Ученые предполагают, что именно они позволили миторибосомам стать специалистами по производству гидрофобных белков; и даже более - локализовать это производство на мембранах митохондрий. Нашлись специальные комплексы, которые прикрепляют рибосомы к мембранам митохондрий; нашлись особые белки, которые обеспечивают специфическую элонгацию; нашлись белки, которые занимаются распознаванием и прикреплением мРНК к миторибосоме. Все они различаются с функциональными аналогами цитоплазаматических рибосом. В особенности это касается инициации связывания мРНК с рибосомой - последней из перечисленных функций. То место, куда между двумя субъединицами входит нить матричной РНК, устроено у миторибосомы совершенно не так, как в цитоплазматической рибосоме. Именно из-за ее специфики ученые не могли наладить синтез митохондриальных белков in vitro, хотя цитоплазматические рибосомы работают в искусственных условиях уже более полувека. Теперь можно начать экспериментировать и с митохондриальными рибосомами.

Особенности миторибосомальных белков обуславливают иное устройство взаимодействия между малой и большой субъединицами. Из-за этого меняются конформационные движения и повороты этих субъединиц при связывании с тРНК и продвижении мРНК и синтезирующейся аминокислотной цепочки. Иными словами, механика работы миторибосомы при синтезе белковой нити отличается от канонической цитоплазматической рибосомы.

Обе команды исследователей подчеркивают, что обнаруженная специфика миторибосом объясняет побочные действия нескольких классов лекарств. Это означает, что структуру новых лекарств нужно немного изменить, чтобы устранить вредные последствия. Теперь стало понятно, куда смотреть и что менять. Хотя бы поэтому данная работа с миторибосомами актуальна. Хотя теоретический интерес специфики миторибосом гораздо шире: ведь известно, что миторибосомы сильно различаются у разных видов, гораздо сильнее, чем цитоплазматические рибосомы. Траектории изменений у разных видов покажут особенности энергетического обмена и пути его приспособления к разным модификациям.

Источники:
1) A. Amunts, A. Brown, J. Toots, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. The structure of the human mitochondrial ribosome // Science . 2015. V. 348. P. 95–98.
2) A. Amunts, A. Brown, X. Bai, J. L. Llácer, T. Hussain, P. Emsley, F. Long, G. Murshudov, S. H. W. Scheres, V. Ramakrishnan. Structure of the Yeast Mitochondrial Large Ribosomal Subunit // Science . 2014. V. 343. P. 1485–1489.
3) B. J. Greber, P. Bieri, M. Leibundgut, A. Leitner, R. Aebersold, D. Boehringer, N. Ban. The complete structure of the 55S mammalian mitochondrial ribosome // Science . 2015. V. 348. P. 303–307.
4) R. Beckmann, J. M. Herrmann. Mitoribosome Oddities // Science . 2015. V. 348. P. 288–289.

Елена Наймарк

Митохондрии - это органеллы размером с бактерию (около 1 х 2 мкм). Митохондрии - неотъемлемая часть всех живых эукариотических клеток, обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Форма, величина и их число постоянно меняются. Число митохондрий варьирует от нескольких десятков до сотен. Особенно их много в секреторных тканях растений.

Митохондрии независимо от их величины или формы имеют универсальное строение, их ультраструктура однообразна. Митохондрии ограничены двумя мембранами. Наружная митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок. На нее приходится около 7% от площади всех клеточных мембран. Толщина этой мембраны около 7 нм, она не бывает связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута сама на себя, так что представляет собой мембранный мешок. Наружную мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10--20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс, или митоплазму. Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист.

Рис. Схема общей организации митохондрии

1 -- внешняя мембрана; 2 -- внутренняя мембрана; 3 -- впячивания внутренней мембраны - кристы; 4 -- места впячиваний, вид с поверхности внутренней мембраны

Митохондрии способны к независимому от ядра синтезу своих белков на собственных рибосомах под контролем митохондриальной ДНК. Митохондрии образуются только путем деления.

Основная функция митохондрий состоит в обеспечении энергетических потребностей клетки путем дыхания. Богатые энергией молекулы АТФ синтезируются при реакции окислительного фосфорилирования. Энергия, запасаемая АТФ, получается в результате окисления в митохондриях различных энергетически богатых веществ, главным образом сахаров. Механизм окислительного фосфорилирования путем хемиосмотического сопряжения открыт в 1960 г. английским биохимиком П.Митчеллом

Основной функцией рибосом является трансляция, то есть синтез белков. На фотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа, они выглядят округлыми тельцами диаметром 20 - 30 нм.

Каждая рибосома состоит из 2-х субъединиц неравных размеров, формы и строения. Субъединицы рибосом обозначают по величине коэффициентов седиментации (то есть осаждения при центрифугировании).

По-видимому, малая субъединица располагается поверх большой так, что между частицами сохраняется пространство («туннель»). Туннель используется для размещения м - РНК во время белкового синтеза.

Рибосомы представляют собой крупный рибонуклеопротеидный комплекс с молекулярной массой около 2,5 мДа, состоящий из рибосомных белков, молекул рРНК и ассоциированных с ними факторов трансляции. Рибосомы - немембранные органеллы, на которых происходит синтез белка в клетке. Они представляют собой сферические структуры с диаметром около 20 нм. Эти самые мелкие клеточные органеллы устроены чрезвычайно сложно. Ни одна молекула, входящая в состав рибосом, не повторяется дважды. Лучше других изучены рибосомы бактерии Е. coli.