MITOCHONDRIA- organelle otoczone podwójną błoną, obecne we

wszystkich komórkach eukariotycznych za wyjątkiem niektórych patogennych

ameb i erytrocytów.

Liczebność (skrajnie od 24 np. w plemnikach do 0.5 mln u ameby

Chaos chaos) i struktura różna w różnych typach komórek, przeważnie

proporcjonalna do intensywności oddechowej i zapotrzebowania na energię.

Stosunkowo mała liczba (kilkaset) mitochondriów charakteryzuje komórki

roślinne, niezróżnicowane komórki zwierzęce takie jak komórki nowotworowe,

regenerujące, limfocyty, komórki naskórka. Szczególnie dużo (1000-2000)

mitochondriów występuje w komórkach wątrobowych, okładzinowych

gruczołów żołądkowych, kanalików nerkowych krętych i komórkach kory

nadnerczy, komórkach mięśnia sercowego.

Wielkość mitochondriów jest również zróżnicowana i w komórkach

ssaków wg różnych źródeł ich długość wynosi 0,5-9mm a średnica 0,2-2mm.

Ani wielkość, ani kształt mitochondriów nie są stałe, lecz zmieniają się w

różnych stadiach rozwojowych komórki, jak i w zależności od warunków

metabolicznych.

Kształt mitochondriów jest zwykle okrągły lub owalny, bywają również

mitochondria niciowate i rozgałęzione np. u jednokomórkowych wiciowców,

glonów i drożdży Formy niciowate (o długości do 10mm) stwierdzono także w

komórkach trzustki, wstawce plemnika a także komórkach wątrobowych. Ten

typ mitochondriów powstaje na skutek ścisłego połączenia części powierzchni

sąsiednich mitochondriów tworząc w ten sposób nić lub rozgałęzioną sieć.

Niciowate mitochondria są przeważnie zorientowane wzdłuż mikrotubul, a

występowanie tej formy wiąże się z przesyłaniem na odległość energii

gradientu protonowego niezbędnej do wytworzenia ATP. Kształt mitochondriów

nie jest stały.

Lokalizacja mitochondriów w komórce również nie jest stała.

Lokalizują się one w miejscach zwiększonego zapotrzebowania na energię np.

między fibrylami komórek mięśniowych, w aparacie kurczliwym mięśnia

sercowego, u podstawy komórek nabłonka gruczołowego, w zakończeniach

włókien nerwowych - synapsach, wzdłuż włókien wrzeciona cytokinetycznego,

u podstawy witki w plemniku albo też lokalizują się w pobliżu substratów

oddechowych - przy kroplach tłuszczu. Przemieszczają się w komórce w

wyniku ruchów cytoplazmy lub dzięki związaniu się z elementami

cytoszkieletu takimi jak mikrotubule.

BUDOWA MITOCHNDRUM

Mitochondrium otoczone jest podwójną błoną białkowo-lipidową.

Pomiędzy obiema błonami występują strefy ścisłego kontaktu zwane miejscami

kontaktowymi. Są to miejsca, przez które transportowane są do wnętrza

mitochondrium prekursory białek. W miejscach tych skupione są białka

zewnętrznej błony mitochondrialnej istotne dla translokacji prekursorów -

białka receptorowe, białka kanałów błonowych.

Błona zewnętrzna jest podobna do błon endoplazmatycznego

retikulum, ma charakter sita molekularnego i jest przenikliwa dla substancji

osmotycznie czynnych, które przepuszcza poprzez specjalne kanały. Błona ta

zawiera enzymy metabolizmu tłuszczy ( synteza lipidów mitochondrialnych

oraz przekształcanie substratów lipidowych do formy metabolizowanej w

matriks) a jej enzymem markerowym (tj. charakterystycznym dla danej

struktury, dzięki któremu można daną strukturę wykryć) jest oksydaza

monoaminowa. W błonie tej zlokalizowane jest charakterystyczne dla niej

białko transbłonowe – poryna. Cząsteczki tego białka tworzą kanały

hydrofilne, tzw. pory wodne, przez które dyfundują cząsteczki o niskiej masie

(do 5 kDa). Błona zewnętrzna zawiera również receptory rozpoznające białka

cytoplazmatyczne transportowane do mitochondrium.

Błona wewnętrzna jest nieprzenikliwa dla substancji osmotycznie

czynnych - nawet dla małych jonów, jej przepuszczalność jest kontrolowana

przez specyficzne nośniki i pompy. Przez błonę tą przenikają swobodnie

jedynie tlen dwutlenek węgla, woda, amoniak, i substancje hydrofobowe.

Transport substancji wytwarzanych np. w cyklu Krebsa czy też jonów sodu,

wapnia, potasu i wodoru odbywa się za pośrednictwem specyficznych

białkowych przenośników wbudowanych w błonę wewnętrzną, zwanych

translokazami lub permeazami. Poza tymi białkami błona wewnętrzna zawiera

wszystkie składniki związane z łańcuchem oddechowym oraz fosforylacja

oksydacyjną. Błona wewnętrzna tworzy uwypuklenia zwane grzebieniami

mitochondrialnymi. Uwypuklenia te mają zwykle kształt 1) blaszek

(mitochondria lamelarne np. w komórkach wątroby i mięśni) częściowo lub

całkowicie przecinających mitochondrium, 2) cewek (rurek - mitochondria

tubularne np. u niektórych jednokomórkowych i tkankach steroidotwórczych u

kręgowców). Grzebienie mitochondrialne są bardzo plastyczne i podatne na

zmiany, ich liczba i kształt zmienia się podczas różnicowania komórki i jest

proporcjonalna do intensywności oddychania (zapotrzebowania na ATP).

Na powierzchni błony wewnętrznej (od strony matriks) występują

liczne cząstki uszypułkowane (buławkowate, grzybkowate), które są

odpowiednikiem katalitycznej części kompleksu enzymatycznego ATPazy

mitochondrialnej. Enzymem markerem tej błony jest dehydrogenaza

bursztynianowa.

Wnętrze mitochondrium wypełnia matriks o charakterze białkowego

żelu, której 50% stanowią białka głównie enzymatyczne (około 40 różnych

enzymów, m.in. enzymy cyklu kwasów trójkarboksylowych, b-oksydacji

kwasów tłuszczowych, syntezy DNA, RNA i białek, katabolizmu

aminokwasów). Enzymem markerowym matriks jest syntetaza cytrynianowa

występująca w cyklu Krebsa.

W matriks bezpośrednio jest zlokalizowany DNA mitochondrialny

(=mtDNA) w formie pierścieniowej, niekiedy liniowej, w liczbie od 1 do kilku

cząsteczek, przyczepionych do wewnętrznej błony mitochondralnej. mtDNA

pozbawiony jest histonów, koduje rRNA, tRNA, niektóre enzymatyczne białka

błon mitochondrialnych. Oprócz mtDNA, w mitochondriach niektórych

grzybów i roślin wyższych występują plazmidy (w formie kolistej i liniowej),

replikujące się niezależnie od mtDNA. Na terenie matriks występują również

rybosomy - o stałej sedymentacji 70S i właściwościach podobnych do

rybosomów prokariotycznych i plastydowych oraz ziarnistości fosforanu

wapnia. Większość białek matriks jest syntetyzowana na terenie cytoplazmy na

bazie genomu jądrowego. Z genomem mitochondrialnym jest związane u

zwierząt dziedziczenie cytoplazmatyczne. DNA mitochondrialny

charakteryzuje się małą liczbą sekwencji niekodujących.

Enzymy mitochondrialne

Z każdym przedziałem w mitochondrium są związane inne enzymy:

· błona zewnętrzna: oksydaza monoaminowa (marker), syntetazy acylo-CoA,

oraz oksydoreduktazy.

· przestrzeń międzybłonowa: kinaza adenylowa (marker), kinaza

nukleozydodifosforanowa.

· błona wewnętrzna - enzymy łańcucha oddechowego, syntetaza ATP, koenzym

Q, cytochromy, ubichinon.

· matriks - enzymy cyklu kwasów trókarboksylowych, oksydacji kwasów

tłuszczowych, syntezy DNA, RNA i białek.

FUNKCJE MITOCHONDRIÓW

Główną rolą mitochondriów jest dostarczanie komórkom energii w

postaci ATP w procesie oddychania tlenowego. Na oddychanie komórkowe

składają się 3 fazy: 1) glikoliza, 2) cykl kwasów trójkarboksylowych (cykl

Krebsa) i 3) łańcuch oddechowy. Pierwsza faza oddychania odbywa się na

terenie cytoplazmy podstawowej natomiast dwie pozostałe w mitochondriach.

Mitochondria mogą używać jako paliwa zarówno pirogronianu jak i kwasów

tłuszczowych. Pirogronian jest dostarczany z glukozy i innych cukrów, a kwasy

tłuszczowe pochodzą z tłuszczów. Obie cząsteczki paliwowe są transportowane

przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, a następnie przekształcane przez

enzymy umiejscowione w matriks mitochondrialnej do kluczowego

intermediatu, jakim jest acetylo-CoA

W cyklu kwasów trójkarboksylowych, który zlokalizowany jest w

matriks oraz na powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej, zachodzi

całkowite utlenienie acetylo-CoA, jednak nie bezpośrednio, tylko w wielu

etapach cyklu. Najpierw 2-węglowy fragment ulega kondensacji z 4-węglowym

szczawiooctanem do 6-węglowego cytrynianu, cytrynian ulega kolejno dalszym

przemianom w wyniku, których zachodzi dwukrotna dekarboksylacja i

czterokrotna dehydrogenacja (odwodorowanie). Ostatecznie, odtworzony

szczwiooctan łączy się z nową cząsteczką acetylo-CoA. W cyklu wytwarza się

CO2, uwalniany z komórki jako produkt uboczny, oraz powstają elektrony o

wysokiej energii przenoszone przez zaktywowane cząsteczki nośnikowe, NAD+

i FAD+ . Te wysokoenergetyczne elektrony są z kolei przenoszone do

wewnętrznej błony mitochondrialnej, gdzie wchodzą na łańcuch transportu

elektronów; oddanie elektronów powoduje regenerację NAD+ i FAD+,

cząsteczek niezbędnych do utrzymania ciągłości metabolizmu tlenowego.

Następnie rozpoczyna się transport elektronów wzdłuż łańcucha.

Łańcuch transportu elektronów, który przeprowadza fosforylację

oksydacyjną, występuje w błonie mitochondrialnej w wielu kopiach. Nazywany

również łańcuchem oddechowym, składa się prawie z 40 białek, z których ok.

15 bierze bezpośredni udział w transporcie elektronów. Białka tworzące

łańcuch oddechowy są pogrupowane w trzy duże enzymatyczne kompleksy

oddechowe, z których każdy zawiera wiele różnych białek. W skład

poszczególnych kompleksów wchodzą białka transbłonowe, które mocno

osadzają kompleks w wewnętrznej błoni mitochondrialnej. Trzy enzymatyczne

kompleksy oddechowe to 1) kompleks dehydrogenazy NADH. 2) kompleks

cytochromów b-c1 i 3) kompleks oksydazy cytochromowej. Każdy zawiera jony

metali i grupy chemiczne, które formują drogę dla elektronów przechodzących

przez dany kompleks. Te trzy kompleksy oddechowe są miejscami pompowania

protonów; każdy z nich można sobie wyobrazić jako białkową maszynę

pompującą protony w poprzek błony w czasie, gdy przez kompleks przechodzą

elektrony.

Transport elektronów rozpoczyna się, gdy usunięty z NADH jon wodorkowy

zostanie przekształcony w proton i dwa elektrony o wysokiej energii H: -® H+ +

2e-. Reakcja ta katalizowana jest przez dehydrogenazę NADH, pierwszy z

enzymatycznych kompleksów oddechowych przyjmujących elektrony. Białka

łańcucha oddechowego prowadzą elektrony tak, że przechodzą one kolejno od

jednego kompleksu do następnego. W każdym z trzech kompleksów

oddechowych elektrony poruszają się między atomami metali ściśle

związanymi z białkami, przeskakując z jednego jonu metalu na następny.

Natomiast między różnymi kompleksami są przenoszone przez cząsteczki,

które dyfundują w dwuwarstwie lipidowej. Od dehydrogenazy NADH

elektrony odbiera ubichinon, mała hydrofobowa cząsteczka rozpuszczalna w

dwuwarstwie lipidowej, która jako jedyny przenośnik elektronów nie jest

częścią białka. Ubichinon przenosi elektrony na kompleks cytochromów b-c1.

Stąd elektrony są odbierane przez kolejny ruchomy przenośnik – cząsteczkę

cytochromu c – który przekazuje elektrony do kompleksu oksydazy

cytochromowej, kończącej łańcuch oddechowy. Oksydaza cytochromowa

przekazuje elektrony na tlen cząsteczkowy w reakcji 4e- + 4H+ +O2 ® 2H2O.

Każde przeniesienie elektronu jest reakcją utleniania/redukcji.

Elektrony będą spontanicznie przechodzić od cząsteczek, które mają małe

powinowactwo do dostępnych dla nich elektronów do cząsteczek z dużym

powinowactwem, tracąc część swojej energii swobodnej. W łańcuchu

oddechowym przenośniki są ułożone według wzrastającego potencjału redoks

( coraz większe powinowactwo do przyjmowania elektronów), co umożliwia

stopniowe uwalnianie energii zmagazynowanej w elektronach NADH i FADH2.

Komórka może wykorzystać większość energii przenoszonych elektronów

dzięki posiadaniu białek, które potrafią pompować protony z na koszt

transportowanych przez siebie elektronów. Energia uwalniana podczas

transportu elektronów przez poszczególne kompleksy oddechowe służy do

przemieszczania H+ w poprzek błony do przestrzeni międzybłonowej. W

rezultacie korzystny energetycznie przepływ elektronów wypompowuje

protony z matriks do przestrzeni międzybłonowej tworząc elektrochemiczny

gradient protonowy w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Aktywne

pompowanie protonów wytwarza gradient stężenia protonów (gradient pH,

stężenie protonów w matriks jest ok. 10 razy mniejsze niż w przestrzeni

międzybłonowej) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej oraz tworzy

potencjał błonowy ( różnicę w rozmieszczeniu ładunków elektrycznych po

dwóch stronach błony). Gradient pH i potencjał błonowy w wewnętrznej błonie

mitochondrialnej mają ten sam kierunek i razem tworzą silny elektrochemiczny

gradient protonowy, który stwarza bardzo korzystne warunki dla wejścia H+ z

powrotem do matriks mitochondrialnej. Jednak wewnętrzna błona

mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla jonów i protony mogą przez nią

przechodzić tylko w określonych miejscach, gdzie znajdują się dla nich kanały.

Gradient jonowy wytworzony w poprzek błony jest formą magazynowania

energii; energia ta może być wykorzystana do pracy użytecznej gdy jony mają

możliwość przepływania przez błonę, zgodnie z ich gradientem

elektrochemicznym.

Elektrochemiczny gradient protonowy wytworzony w poprzek

wewnętrznej błony mitochondrialnej jest używany w procesie fosforylacji

oksydacyjnej do napędzania syntezy ATP. Działanie tego mechanizmu jest

możliwe dzięki dużemu, związanemu z błoną enzymowi zwanemu syntazą ATP.

Jest to duże białko składające się z kilku podjednostek. Wystająca z

wewnętrznej błony w kierunku matriks duża część enzymu kształtem

przypominająca główkę lizaka ( CF1), jest przymocowana do transbłonowego

kanału dla protonów (CF0)za pomocą zbudowanego z wielu podjednostek

„trzonka”. Enzym tworzy hydrofilową drogę w poprzek wewnętrznej błony

mitochondrialnej, co pozwala na przepływ protonów zgodnie z ich gradientem

stężeń. Energia strumienia przepływających protonów zostaje użyta przez

katalityczną część syntazy do syntezy ATP z ADP i Pi . Syntaza ATP spełnia

rolę turbiny, która umożliwia gradientowi protonowemu napędzanie produkcji

ATP. Elektrochemiczny gradient protonowy jest wykorzystywany nie tylko do

syntezy ATP, napędza również aktywny transport metabolitów pomiędzy

matriks mitochondrialną a cytoplazmą

Zaproponowaną po raz pierwszy w latach 60. hipotezę zakładającą

związek między transportem elektronów, pompowaniem protonów i syntezą

ATP nazwano sprzężeniem chemiosmotycznym, ze względu na

współdziałanie reakcji tworzących wiązania chemiczne podczas syntezy ATP

( „chemi”) z procesami transportu przez błony („osmotyczna” od greckiego

osmos, tzn. „pchać”). Mechanizmy sprzężenia chemiosmotycznego są

powszechne, a ich rodowód jest bardzo stary. Wykorzystują go zarówno

bakterie jak i rośliny oraz zwierzęta.

Związki wysokoenergetyczne

Podstawowym związkiem wysokoenergetycznym w komórce jest ATP.

ATP tworzy się głównie podczas fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach,

oraz w czasie fosforylacji substratowej (jak w glikolizie) i fosforylacji

fotosyntetycznej w chloroplastach. Tworzenie ATP mitochondrialnego

sprzężone jest z przemieszczaniem elektronów z cyklu Krebsa, mających

wysoką energię, na kolejne akceptory elektronów. ATP powstały w łańcuchu

oddechowym jest głównym źródłem dostępnej energii u wszystkich

heterotrofów. W procesie glikolizy jedna cząsteczka glukozy dostarcza 2

cząsteczki ATP netto zaś podczas utlenienia jednej cząsteczki glukozy

poczynając od glikolizy i kończąc na fosforylacji oksydacyjnej zysk netto

wynosi ok. 30 cząsteczek ATP. Energia ta niezbędna jest do licznych procesów

syntezy różnych substancji komórkowych, ruchu cytoplazmy, transportu,

utrzymania organizacji złożonej struktury, regulacji hormonalnej. U zwierząt

nakładu energii wymaga dodatkowo przewodnictwo w układzie nerwowym,

praca mięśni, zjawiska bioluminescencji i inne. Dlaczego przemiany w

komórce przebiegają tak złożonymi drogami? Utlenianie cukrów do CO2 i

wody z pewnością mogłoby przebiegać prościej z wykluczeniem cyklu kwasu

cytrynowego i wielu etapów łańcucha oddechowego. Byłoby to jednak

katastrofalne w skutkach dla komórki. Ogromna ilość energii swobodnej

uzyskiwana podczas oddychania może być skutecznie wykorzystana tylko w

małych porcjach. W skład szlaków utleniania biologicznego wchodzi wiele

intermediatów, z których każdy niewiele różni się od poprzednika. Wskutek

tego uwolniona energia zostaje rozłożona na porcje, które za pomocą reakcji

sprzężonych mogą być skutecznie zamienione w wysokoenergetyczne wiązania

takich cząsteczek, jak ATP i NADPH.

INNE FUNKCJE

1.Tworzenie acetylo-CoA i utrzymanie jego poziomu w komórce. W wyniku

utleniania pirogronianu i b-oksydacji kwasów tłuszczowych powstają znaczne

ilości acetylo-CoA. Związek ten jest kluczowy dla wielu procesów

metabolicznych np. w cyklu krebsa w mitochondriach.

2. Synteza, rozkład i przemiany aminokwasów takie jak transaminacja,

deaminacja, dekarboksylacja a także wymiana ich z cytoplazmą.

3. Współudział z glioksysomami w glukoneogenezie - w przemianie tłuszczów

w cukrowce podczas kiełkowania nasion, w których materiałami zapasowymi

są tłuszcze.

STRUKTURA WEWNĘTRZNA A AKTYWNOŚĆ ODDECHOWA

Na podstawie struktury wewnętrznej mitochondrium i jego aktywności

oddechowej wyróżniono 6 stanów energetycznych, w tym wyróżnia się 2

skrajne stany (formy) metaboliczne: skondensowaną, charakteryzującą się

znacznym zagęszczeniem matriks poprzez jej skurczenie, wywołane wolną

energią pochodzącą bezpośrednio z łańcucha transportu elektronów.

Przestrzenie wewnątrzgrzebieniowe (międzybłonowe) takich mitochondriów są

poszerzone, przestrzeń wewnętrzna (matriks) jest obkurczona. Takie

mitochondria zawierają mało ATP (ATP jest zużywany - defosforylowany do

ADP) i występują w komórkach o wysokim poziomie oddychania.

Przeciwstawną formą jest forma ortodoksyjna charakteryzująca się zwężoną

przestrzenią wewnątrzgrzebieniową (międzybłonową) i dużą ilością jasnej (na

zdjęciach z mikroskopu elektronowego) matriks. W stanie tym dochodzi do

silnej energizacji błon przez silny przepływ elektronów, ADP jest

fosforylowany do ATP. Mitochondria takie będą występowały w komórkach o

zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię i małym zużyciu tlenu.

POCHODZENIE I POWSTAWANIE MITOCHONDRIÓW

Według hipotezy endosymbiozy mitochondria powstały w ewolucji z

bakteryjnych endosymbiontów (prawdopodobnie bakterie a-purpurowe)

stopniowo integrowanych w komórkę gospodarza, która dostarczyła genom

jądrowy, co miało miejsce prawdopodobnie 1mld lat temu. Wskazuje na to

wiele podobieństw bakterii do mitochondriów: struktura genomu, rRNA,

struktura genów kodujących białka transformujące energię, złożoność

funkcjonalna. Zgodnie z tą hipotezą błona zewnętrzna mitochondriów jest

ewolucyjnie błoną fagosomu, czyli pochodną błony komórkowej, zaś błona

wewnętrzna reprezentuje błonę bakterii. Sfagocytowane bakterie-

premitochondria- utraciły w czasie ewolucji komórek eukariotycznych

większość swoich genów na rzecz gospodarza, zostały one wbudowane w

genom komórki eukariotycznej.

Mitochondria, podobnie jak plastydy, pozostają w komórce

półautonomiczne, zachowują odrębny genom ulegający replikacji i ekspresji,

ale nie są zdolne do samodzielnego funkcjonowania. W komórkach

eukariotycznych mitochondria namnażają się przez podział lub rzadziej

pączkowanie.