митохондрии для чего нужны человеку
Митохондрии: энергостанции нашего организма
На молекулярном уровне наш организм можно рассматривать как своеобразный биологический механизм. Очень сложную, многогранную, но, тем не менее, машину, принципы работы которой мы сегодня начинаем понимать все лучше и лучше. И один из этих принципов является по-настоящему фундаментальным: никакая машина не сможет работать без притока энергии.
Для более простых механизмов этот принцип нам понятен, что называется, на интуитивном уровне. Двигатель автомобиля получает энергию, сжигая топливо в баке, телевизор использует энергию тока в розетке и так далее. Но вот с нашей собственной биологической машиной – нашим телом – все не так очевидно. То есть, наверняка наш читатель знает, что мы берем энергию из пищи (и об этом мы уже рассказывали более подробно). Но вот как именно это происходит? Где и как в нашем теле условные углеводы или жиры превращаются в ту движущую силу, которая необходима для всех без исключения процессов, протекающих в организме?
Клеточные «электростанции»
Основные объемы энергии в человеческом теле вырабатываются внутри отдельных клеток. Можно сказать, что каждая из них самостоятельно отвечает за собственное энергоснабжение. А это значит, что в каждой клетке (как минимум в тех клетках, которые имеют ядра, эритроциты не в счет), должна быть своя «электростанция». И это действительно так! Более того, нередко таких «электростанций» имеется несколько десятков или даже сотен. Зависит их число от того, насколько интенсивно работает клетка, а значит, и от того, насколько много ей требуется энергии в единицу времени. Научное название таких «электростанций» – митохондрии, а их совокупность именуют митохондриальным пулом клетки.
Как появились митохондрии?
Один из важных вопросов, который давно беспокоил научную общественность: а откуда вообще взялись митохондрии в наших клетках? Самая современная и достоверная теория предлагает крайне необычный ответ: митохондрии – это потомки бактерий.
Давным-давно одноклеточные организмы, которым предстояло стать нашими предками, научились поглощать крохотные бактерии, присутствующие в окружающей среде. Если попросту – они ими питались. Но в один прекрасный день такая протобактерия не разрушилась, попав во внутриклеточную среду. И более того, она сохранила не только целостность, но и кое-какие свои функции. В частности, способность вырабатывать энергию с помощью кислорода. Каков до этого был механизм получения энергии у тех одноклеточных, которые впоследствии станут нами, известно плохо. Но с уверенностью можно сказать, что аэробный путь, предложенный им проглоченной бактерией, был однозначно более выгодным и эффективным.
Результатом этого удивительного события стал внутриклеточный симбиоз. Бактерия вырабатывала много энергии, а одноклеточный организм-хозяин снабжал ее достаточным количеством кислорода и других необходимых соединений. Со временем протобактерия упростилась, видоизменилась и стала необходимой клеточной органеллой. Этот союз оказался настолько успешным, что сейчас на нем построено энергоснабжение практически всех эукариотических клеток растений, грибов и животных. В том числе и нас с вами [1].
Как устроены митохондрии?
Многое в строении митохондрий до сих пор напоминает о том, что когда-то они были самостоятельными бактериями. Так, например, они окружены внешней липидной мембраной – такую мембрану имеют и все остальные клетки нашего организма. Основная функция внешней мембраны – защита митохондрии, отграничение ее от окружающей внутриклеточной среды, а также транспортировка необходимых веществ внутрь и выведение результатов ее работы наружу [2].
Внутреннее пространство митохондрии занимает матрикс. Это жидкая среда, состоящая из смеси жирных кислот, белков, рибосом и других соединений. В матриксе проходит первая стадия кислородного дыхания, то есть, выработки энергии. Кроме того, здесь находится и еще одно свидетельство прошлой самостоятельности митохондрий – митохондриальная ДНК. Да, оказывается, не весь наш генетический материал помещен в клеточное ядро! Эти небольшие кольцевые митохондриальные ДНК (мтДНК) кодируют 13 белков, которые нужны для работы самой митохондрии. В основном это ферменты, участвующие в дыхательной цепи окисления водорода [3].
Что еще интересно: люди наследуют мтДНК исключительно по материнской линии, а мтДНК, полученная от сперматозоида, разрушается сразу после оплодотворения [4]. Эта «женская» мтДНК мутирует по очень четким законам и поэтому можно отследить то, как именно она изменялась с течением времени. Ряд исследований последних лет убедительно доказал, что примерно 200 000 лет назад в Африке жила женщина, от которой свою мтДНК получило все современное человечество. Ученые поэтически назвали эту женщину «митохондриальной Евой» [5].
Наконец, между внешней мембраной и матриксом имеется и вторая, внутренняя мембрана. Она очень неровная и образует кристы – длинные складки, направленные к центру митохондрии. Именно их – как темные полосы – видели первые исследователи XIX века. На внутренней мембране как раз и происходит запасание энергии в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). В процессе этого потребляется более 80% того кислорода, который попадает в нашу кровь при дыхании [6].
Чем еще заняты наши митохондрии?
Основная функция этих органелл – обеспечение энергией всех протекающих в клетке процессов. Однако, помимо этого митохондрии выполняют и еще целый ряд витальных (жизненно важных) функций. В их числе:
Опираясь на данные современных исследований, можно смело утверждать, что митохондрии, во-первых, активно участвуют во внутриклеточных процессах, а во-вторых, влияют и на физиологию всего организма. Такая «широкая специализация» стала причиной того, что нарушения работы митохондрий сегодня рассматривают как одну из важных причин появления множества заболеваний [12].
Что будет при нарушении работы митохондрий?
Очевидно, что самым первым и самым ярким проявлением дисфункции митохондрий будет уменьшение выработки энергии в клетке. На клиническом уровне такое обстоятельство может проявляться по-разному. И больше всего пострадают те ткани, которые работают максимально активно, а значит, требуют наибольшего притока энергии [13]:
Кроме того, учитывая другие функции митохондрий, о которых мы рассказывали выше, их неправильная работа может становиться фактором риска развития многих нарушений [14]:
Как улучшить работу митохондрий?
На настоящий момент предложены две стратегии того, как улучшить функции митохондриального пула. Первая связана с тем, что митохондрии, как органеллы, не статичны. Они могут сливаться, делиться, увеличиваться и уменьшаться в размерах, а также обмениваться своим генетическим материалом [15]. Это тоже своеобразное «наследие» их бактериального прошлого. В ходе таких слияний и делений поврежденные участки митохондрий и мтДНК отсеиваются и распадаются. Итогом становится образование новых, полноценных митохондрий, которые намного лучше выполняют все свои функции. То есть, благодаря этим процессам происходит обновление всего митохондриального пула клетки [16].
Мы имеем возможность ускорить это обновление. В частности, таким действием обладает функциональный продукт здорового питания под названием T8 ERA MIT UP, который недавно выпустила на рынок компания VILAVI INT LTD. В этом продукте содержится концентрат гранатового сока, который богат веществами под названием эллаготаннины [17]. Попадая в наш желудок, они быстро распадаются с образованием эллаговой кислоты, а ее, в свою очередь, перерабатывают кишечные бактерии, производя уролитин А [18]. Это соединение как раз и стимулирует митохондрии активнее обновляться путем слияния и деления. Уже есть исследования, которые показывают, что дефицит уролитина А – важный фактор преждевременного старения [19]. Помимо этого, доказано, что приток этого вещества увеличивает сопротивляемость физическим и умственным нагрузкам как раз за счет улучшения выработки энергии в митохондриях [20].
Вторая стратегия основана на защите митохондрий от разрушающего воздействия оксидативного стресса. Как мы уже говорили, в ходе выработки энергии они также синтезируют активные формы кислорода. Это молекулы-суперокислители (они же – свободные радикалы), которые играют сигнальную роль. Но, помимо этого, они обладают и немалой химической агрессивностью, являясь основной причиной оксидативного клеточного стресса [21]. А еще один действующий компонент активной формулы T8 ERA MIT UP – комплекс SibXP, содержащий полипренолы, клеточный сок пихты и хвойную пасту CGNC. При этом полипренолы – это многоатомные спирты растительного происхождения, которые обладают выраженной антиоксидантной активностью. Именно это их свойство и важно для улучшения функции митохондрий. Полипренолы химически связывают свободные радикалы, не давая им повреждать митохондриальные мембраны и ферменты. Благодаря этому выработка энергии в клетке и поддерживается на необходимом уровне [22].
Источники
1. Evans A., Neuman N. The Mighty Mitochondria. Molecular Cell. 2016, March, 3, 61 (5): 641.
2. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.
3. Gaston D., Tsaousis A.D., Roger A.J. Predicting proteomes of mitochondria and related organelles from genomic and expressed sequence tag data. Methods in Enzymology. 2009, 457: 21-47.
4. Al Rawi S., Louvet-Vallée S., Djeddi A., Sachse M., Culetto E., Hajjar C., Boyd L., Legouis R., Galy V. Postfertilization autophagy of sperm organelles prevents paternal mitochondrial DNA transmission. Science. 2011, 334: 1144-1147.
5. Fu Q., Mittnik A., Johnson P.L., Bos K., Lari M., Bollongino R., Sun C., Giemsch L., Schmitz R., et al. A revised timescale for human evolution based on ancient mitochondrial genomes. Current Biology. 21 March 2013, 23 (7): 553–59.
6. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.
7. Bock F.J., Tait S.W.G. Mitochondria as multifaceted regulators of cell death. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2020, February, 21 (2): 85-100.
8. Kornmann B. The endoplasmic reticulum-mitochondria encounter structure: coordinating lipid metabolism across membranes. Journal of Biological Chemistry. 2020, May, 26, 401 (6-7): 811-820.
9. Liu X., Hajnóczky G. Ca2+-dependent regulation of mitochondrial dynamics by the Miro-Milton complex. International Journal of Biochemistry and Cell Biology. 2009, 41: 1972-1976.
10. Murphy M.P. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochemistry Journal. 2009, 417: 1-13.
11. Clark A., Mach N. The crosstalk between the gut microbiota and mitochondria during exercise. Frontiers of Physiology. 2017, May 19, 8: 319.
12. Annesley S.J., Fisher P.R. Mitochondria in Health and Disease. Cells. 2019. July, 5, 8 (7): 680.
13. van der Giezen M., Tovar J. Degenerate mitochondria. Reports of European Molecular Biology Organization. 2005, June, 6, (6): 525-30.
14. Duchen M.R. Mitochondria in health and disease: perspectives on a new mitochondrial biology. Molecular Aspects of Medicine. 2004, August, 25 (4): 365-451.
15. Youle R.J., van der Bliek A.M. Mitochondrial fission, fusion, and stress. Science (New York, N.Y.), 2012, 337(6098), 1062–1065.
16. Ashrafi G., Schwarz T.L. The pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria. Cell Death & Differentiation. 2013, January, 20 (1): 31-42.
17. Johanningsmeier S.D., Harris G.K. Pomegranate as a functional food and nutraceutical source. Annual Review of Food Science and Technology. 2011-02-28, 2 (1): 181–201.
18. Selma M.V., Beltrán D., Luna M.C., Romo-Vaquero M., García-Villalba R., Mira A., et al. Isolation of Human Intestinal Bacteria Capable of Producing the Bioactive Metabolite Isourolithin A from Ellagic Acid. Frontiers in Microbiology. 2017, 8: 1521.
19. D’Amico D., Andreux P.A., Valdés P., Singh A., Rinsch C., Auwerx J. Impact of the Natural Compound Urolithin A on Health, Disease, and Aging. Trends in Molecular Medicine, May 2021, S1471491421001180.
20. Ryu D., Mouchiroud L., Andreux P.A., Katsyuba E., Moullan N., Nicolet-Dit-Félix A.A., et al. «Urolithin A induces mitophagy and prolongs lifespan in C. elegans and increases muscle function in rodents». Nature Medicine. August 2016, 22 (8): 879–88.
21. Lin M.T., Beal M.F. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 2006, October, 19, 443 (7113): 787-95.
22. Михайлова Е.А., Локошко Д.В., Большакова Е.М. Полипренолы и долихолы, как важный компонент антиоксидантной защиты фосфолипидных мембран. Обзор данных современной научной литературы. Современная Российская наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 07 мая 2021 года. С. 97-101.
Какую роль в нашей жизни играют митохондрии, и что только что обнаружили ученые
Митохондрия когда-то была бактерией, но примерно 2 500 миллионов лет назад ее проглотил предок эукариотической (то есть содержащей ядро) клетки, и с тех пор они живут с нами. Точнее — в нас. Так гласит теория симбиогенеза. Ее подтверждают многие особенности строения митохондрий: например, у них две мембраны разного состава (снаружи — клеточная, а под ней еще одна — бактериальная). А если забраться под них, то внутри можно найти характерные для бактерий рибосомы (они меньше, чем эукариотические) и свернутую в кольцо ДНК. Впрочем, никто не знает точно, как именно и зачем бактерия-будущая митохондрия оказалась внутри клетки. Возможно, такое сожительство было чем-то выгодно для обеих.
Недавно ученые взяли дрожжи (эукариот) и кишечную палочку (прокариот) и заставили первых проглотить вторую. Правда, для этого пришлось сделать так, чтобы они не могли выжить друг без друга. Бактерий лишили гена, отвечающего за производство витаминов, а дрожжам удалили митохондрии, чтобы они не могли получать энергию. Гибридные клетки, образовавшиеся после поглощения бактерий, были вполне жизнеспособны. Однако это лишь модель, и мы все еще не знаем, каким путем двигалась эволюция на самом деле.
Куда ты подевала гены?
За то время, что эукариотическая клетка и митохондрия живут вместе, они окончательно лишились своей автономности. И если без энергии, поставляемой митохондриями, клетка существовать может (хотя полностью безмитохондриальных эукариот все равно мало), то бывшая бактерия превратилась в полностью зависимое от хозяина существо. В геноме наших, человеческих митохондрий, осталось всего 37 генов, остальные же либо потерялись за ненадобностью, либо перекочевали в ядро. Как именно гены перемещались по клетке, точно никто не знает, мы можем только догадываться.
Не ты ли меня старишь?
Теорий старения люди успели придумать несколько сотен, из них множество так или иначе связаны с митохондриями. Одни полагают, что митохондрии изнашиваются с годами, поэтому клетки получают все меньше и меньше энергии. Другие, напротив, утверждают, что митохондрии в течение жизни работают слишком активно. При этом они потребляют слишком много кислорода, а он уже, в свою очередь, вызывает образование свободных радикалов и повреждения внутриклеточных молекул. Третьи же винят во всем апоптоз — мол, ее запускают белки из внутренней мембраны митохондрий. Этот способ умереть в нашу жизнь тоже привнесла предковая симбиотическая бактерия. У них есть собственные программы апоптоза и белки, похожие на наши. Со временем гены апоптоза переселились в наше ядро, а программа стала работать на уровне целой клетки.
Зачем тебе теломераза?
Теломераза — еще один белок, популярный среди исследователей старения. Ее основная функция — достраивать концы ДНК, которые укорачиваются при каждом делении клетки. У человека теломераза активна только в стволовых клетках, поэтому многие винят именно ее в том, что с возрастом ткани обновляются хуже. Однако не так давно теломеразу обнаружили и в митохондриях: причем не отдельные молекулы, а 20% всей теломеразы клетки. Что она там делает — большая загадка, ведь митохондриальная ДНК свернута в кольцо, концов не имеет и потому теломеразе там заняться, казалось бы, нечем. Тем не менее, под действием теломеразы митохондрии расходуют кислород экономнее и меньше повреждаются. А мыши, у которых теломеразы в митохондриях много, лучше восстанавливаются после инфаркта.
Уставший ребенок и отцовская митохондрия
До этого дня официально считалось, что митохондрии наследуются только по материнской линии. Это связано с тем, что при оплодотворении яйцеклетка превращается в зародыш целиком, вместе со всеми органеллами, а сперматозоид привносит только генетический материал и одну из центриолей (часть клеточного скелета, образующую полюс делящейся клетки). Вместе с митохондриями зародыш наследует и мутации в их ДНК — отсюда ряд генетических заболеваний, передающихся только от матери, например, синдром Лея (проявляющийся в основном в нервной системе) или диабет и глухота. Однако, стало известно несколько случаев наследования митохондрий от отца.
Все началось с ребенка, который попал в генетическую клинику с подозрением на митохондриальное заболевание. Он страдал хронической усталостью, слабостью и мышечными болями. Эти симптомы нередко указывают на то, что митохондрии в мышцах не производят достаточно энергии. Однако его мать ничего подобным не болела. В процессе секвенирования митохондриальной ДНК выяснилось, что в клетках ребенка одновременно живут два типа митохондрий, материнские и отцовские. Это явление называют гетероплазмией, и его удалось обнаружить еще в нескольких семьях.
В каждой клетке человека митохондрий очень много. Их могут быть сотни и тысячи. Если они все генетически идентичны, то никакой конкуренции между ними нет. Но при оплодотворении какая-то часть из этих тысяч митохондрий сперматозоида все же оказывается внутри яйцеклетки. И здесь начинается настоящая битва. К сожалению, мы до сих пор не знаем, как именно материнским митохондриям человека удается одержать верх над отцовскими. У большинства живых организмов это тоже так, но победы куются разными способами. В одних клетках отцовские митохондрии поглощаются пищеварительными вакуолями, в других — разрушаются путем аутофагии.
Можно ли от тебя избавиться?
Митохондриальные генетические проблемы доставляют не меньше проблем, чем ядерные. Тем не менее, их мы уже почти научились чинить — с помощью технологии «ребенка от трех родителей»
Так вот вы какие, мидихлорианы.
Думаю, механизм уничтожения митохондрий вполне даже прогнозируемый: в процессе деления во время беременности очень многие клетки хер знает сколько раз делятся, и подвергаются апатозу. А раз так, что и чужие белки запросто могут вызывать иммунную реакцию, и попросту «метить» на уничтожение клетку для иммунитета матери, который мало того что не привык к чужим протеинам, так ещё и копирует свои «подписи» вредоносных белков в организм ребёнка, обучая бороться с чужими.
Уверен, скоро создадут особое питание именно для младенцев, которое подходит им куда лучше молока матери. Вот только это случится в странах третьего мира, где эксперименты над людьми разрешены. А в «цивилизованных» странах потребуют 100500 лет исследований, прежде чем что-то разрешить, и разумеется миллиардных взяток.