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: ^-Ⴎ 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 Ⴎ 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 P_i . 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 ၡ-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.

---