Митохондрии: секреты энергетических станций

Что такое митохондрии

Митохондрии — клеточные органеллы, расположенные вне ядра, а именно в цитоплазме. Они отвечают за выработку большей части энергии, необходимой для запуска биохимических реакций в клетке. Энергия, вырабатываемая митохондриями, хранится в небольшой молекуле, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ).

Процессы внутри митохондрий осуществляются точным механизмом, в котором задействованы различные белки, молекулы, каналы и мембраны. Он настолько развит, что даже высказывалось предположение, что этот механизм произошел от прокариотической клетки, поглотившей аэробные бактерии миллионы лет назад.

Одной из основных характеристик митохондрий является то, что они содержат собственные небольшие хромосомы, то есть, содержат гены, отдельные от тех, что находятся в ядре клетки. Эти гены наследуются только от матери, в отличие от ядерных генов, которые наследуются от обоих родителей. 

Количество митохондрий варьируется в зависимости от типа клетки, поскольку некоторым органам и тканям требуется гораздо больше энергии, например, мышцам, мозгу или печени.

Семинары по антивозрастной медицине

Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей

Узнать подробнее

Строение

Морфология митохондрий весьма изменчива и может варьировать от длинных разветвленных структур до небольших эллипсоидов. Можно сказать, что существуют отдельные митохондрии и динамические митохондриальные сети. Сетевые или изолированные митохондрии состоят из внешней и внутренней мембран, межмембранного и внутреннего пространства, ограниченного внутренней мембраной, называемого митохондриальным матриксом.

Внешняя мембрана митохондрий обладает высокой проницаемостью и содержит множество копий белка порина, который образует водные каналы через липидный бислой. Таким образом, эта мембрана становится своего рода ситом, проницаемым для всех молекул размером менее 5000 дальтон, включая небольшие белки.

Внутренняя мембрана образует матрикс. Это аналог цитоплазмы клетки. Энергия поступает из этого региона в виде АТФ. Здесь происходят обменные процессы, такие как:

• Окислительное фосфорилирование.

• Производство АТФ.

• Цикл Кребса.

• Окисление пирувата.

• Окисление аминокислот.

• Окисление жирных кислот.

Именно здесь расположены другие микроорганеллы митохондрий, такие как рибосомы, ДНК, ионы и метаболиты. Внутренняя мембрана состоит из липидного бислоя, в котором находятся ферментные комплексы, состоящие из различных белков, необходимых для цепи переноса электронов.

Наружная и внутренняя мембраны представляют собой части митохондрий, которые складываются в кристы в виде складок. Они расположены преимущественно по краям митохондрий, но отграничены снаружи внешней мембраной. Они расположены перпендикулярно границе митохондрий. 

Кристы образуют отдельный отсек от остальной части внутренней мембраны, поскольку содержание белка в них сильно отличается. Считается, что количество и форма митохондриальных крист являются отражением клеточной активности. В кристах обнаружены функциональные дыхательные комплексы и АТФ-синтаза, а также белки для сборки железо-серных групп. Гребни позволяют значительно увеличить площадь поверхности для размещения белков дыхательной цепи и АТФ. В клетке печени внутренняя митохондриальная мембрана может составлять 1/3 общей клеточной мембраны.

В мембранах крист происходят важнейшие функции митохондрий:

• Транспорт электронов с помощью ферментных комплексов, которые переносят электроны из одного места в другое.

• Окислительное фосфорилирование.

• Компактность и максимизация переноса электронов.

Между внутренней и внешней мембраной имеется пространство, называемое митохондриальным межмембранным пространством, которое имеет жизненно важное значение для клеточной активности. В нем - высокое содержание ферментов, необходимых для дыхания. Его основная функция – прием протонов от перекачки ферментных комплексов. Здесь присутствуют ферменты и белки, которые помогают в клеточных процессах. Здесь также происходит транслокация — процесс, при котором белки митохондриального матрикса транспортируются извне митохондрий. Наконец, они транспортируют жирные кислоты.

Митохондрии также имеют рибосомы, называемые миторбосомами или митохондриальными рибосомами. Их функция - синтез белков посредством трансляции генов. Они получают информацию в виде РНК, чтобы перевести ее в ДНК.

В митохондриальном матриксе также есть ДНК и ферменты,  осуществляющие метаболические процессы. Митохондриальная ДНК находится в местах, называемых нуклеоидами, и каждый нуклеоид может содержать более одной молекулы ДНК. Нуклеоиды связаны с внутренней мембраной митохондрий посредством белкового комплекса MitOS. Также в нуклеоиде имеются белки для репликации и восстановления митохондриальной ДНК. Обычно он содержит около 16 500 пар оснований и около 37 генов, которые у человека кодируют 13 белков. Внутри клетки могут находиться сотни копий митохондриальной ДНК. Репликация митохондриальной ДНК не связана с клеточным циклом, и в любой момент жизни клетки может произойти репликация этой ДНК.

Митохондрии, или части митохондриальной сети, перемещаются из одной части клетки в другую и обычно располагаются там, где существует наибольшая потребность в энергии или кальции. 

Функции

Основная функция митохондрий — производство АТФ, который является топливом для большинства клеточных процессов. Но они также осуществляют часть метаболизма жирных кислот посредством процесса, называемого β-окислением, и действуют как депо кальция, образование гемовых групп, синтез аминокислот и биогенез железосульфидных групп. 

• Производство АТФ

Большая часть АТФ в нефотосинтезирующих эукариотических клетках производится в митохондриях. Они метаболизируют ацетил-коэнзим А посредством ферментативного цикла лимонной кислоты, давая в качестве продуктов CO2 и НАДН. 

Именно НАДН отдает электроны цепочке переносчиков электронов, находящихся в мембранах крист митохондрий. Эти электроны переходят от одного носителя к другому, достигая на последнем этапе O2, в результате чего образуется H2O. Этот транспорт электронов связан с транспортировкой протонов из матрицы во внутреннее пространство гребня. Именно этот протонный градиент позволяет синтезировать АТФ благодаря АТФ-синтазе. Этот процесс, в котором фосфат связывается с АДФ и кислород используется в качестве конечного акцептора электронов, который называется окислительным фосфорилированием. Белки, осуществляющие транспорт электронов и АТФ-синтазу, находятся в кристах митохондрий и могут достигать до 80% массы митохондриальной мембраны.

Цепь переноса электронов известна как дыхательная цепь. Она содержит около 40 белков, из которых 15 непосредственно участвуют в транспорте электронов. Все эти белки объединены в три комплекса, каждый из которых содержит несколько белков. Они называются: комплекс НАДН-дегидрогеназы, комплекс цитохрома b-c1 и комплекс цитохромоксидазы. У каждого из них есть химические группы, которые позволяют проходить через них протонам, перемещаемым за счет транспорта электронов.

Производство энергии в митохондриях представляет собой двухэтапный процесс: создание протонного градиента между обеими сторонами мембраны митохондриального гребня, создаваемого цепью переноса электронов, и синтез АТФ АТФ-синтазой, которая использует это преимущество. Оба процесса связаны с митохондриальными кристами.

В результате в матриксе создается градиент протонов в 10 раз меньший, чем в межмембранном пространстве. Кроме того, в матрице создается более отрицательно заряженное пространство вследствие чистого ухода положительных зарядов по отношению к межмембранному пространству, которое становится более положительным. Создается электрохимический градиент, который заставляет протоны стремиться вернуться в матрицу.

Синтез АТФ — не единственный процесс, в котором используется протонный градиент. Другие заряженные молекулы, такие как пируват, АДФ и неорганический фосфор, перекачиваются в матрикс из цитозоля, тогда как другие, такие как АТФ, синтезируемая в матриксе, должны транспортироваться в цитозоль. Неорганический фосфор и пируват транспортируются путем соединения с входящим потоком протонов в рамках сопутствующего котранспорта. С другой стороны, АДФ связан котранспортом антипортового типа с АТФ.

• Липидный обмен

Значительный синтез клеточных липидов происходит в митохондриях. Вырабатывается лизофосфатидная кислота, из которой синтезируются триацилглицерины. В митохондриях также синтезируются фосфатидная кислота и фосфатидилглицерин, последний необходим для продукции кардиолипина и фосфатидилэтаноламина.

• Апоптоз и другие функции

Существуют органеллы, возникшие из митохондрий в ходе эволюции и приобретшие другие функции. Например, гидрогеносомы связаны с метаболизмом водорода, а митосомы — с метаболизмом серы. В этих органеллах отсутствует ДНК. С другой стороны, в последнее время митохондрии вместе с эндоплазматическим ретикулумом участвуют в генерации пероксисом посредством эмиссии везикул.

В ситуациях стресса митохондрии способны вызвать реакцию, направленную на защиту от указанного стресса. Однако если стрессовая ситуация затягивается и нанесенный ею ущерб не может быть устранен, запускается процесс регулируемой гибели клеток, называемый апоптозом. Внутриклеточный путь активации апоптоза требует участия митохондрий. Апоптоз также задействован в морфогенетических и физиологических процессах.

Синтез и деление

Митохондрии обладают способностью относительно легко делиться и сливаться, и эти два действия постоянно происходят в клетках. Это включает в себя смешивание и деление митохондриальной ДНК каждой из этих единиц органелл.

В эукариотических клетках нет отдельных митохондрий, а есть сеть, связанная с переменным количеством митохондриальной ДНК. Одна из возможных функций этого явления — делиться продуктами, синтезируемыми разными частями сети, исправлять локальные дефекты или просто делиться своей ДНК.

Если две клетки с разными митохондриями сливаются, сеть митохондрий, возникшая в результате объединения, станет однородной уже через 8 часов. 

Деление митохондрий опосредовано белками, очень похожими на динамины , которые участвуют в образовании везикул. Точка, в которой эти органеллы начинают делиться, во многом зависит от их взаимодействия с эндоплазматической сетью. Мембраны ретикулума окружают митохондрии, сжимая их и в конечном итоге разделяя на две части.

Митохондрии и старение

Митохондрии управляют правильным функционированием клеток, обеспечивая их топливом (АТФ). Они также регулируют апоптоз -  «самоубийство» клетки, когда она слишком повреждается или стареет. Таким образом, наши “энергетические станции” предотвращают накопление стареющих клеток в наших тканях, что является одной из основных причин старения.

Существуют исследования, которые показали, что возрастные заболевания связаны со снижением способности клеток вырабатывать энергию.

Митохондриальное истощение приводит к ухудшению иммунной защиты, нарушениям продукции гормонов, ухудшению пищеварения, недостаточной детоксикации печени, мышечной слабости и так далее. 

Падение выработки гормона прегненолона также может быть признаком низкой активности митохондрий, вырабатывающих его из холестерина. Прегненолон является предшественником ДГЭА.

Кроме того, многие ученые считают, что продолжительность жизни человека связана с количеством у него митохондрий. Можно сказать, что наша жизнеспособность во многом зависит от состояния наших митохондрий.

По мере старения, особенно в случае чрезмерно интенсивных явлений окисления, митохондриальная ДНК легче повреждается и мутирует. Поврежденные митохондрии производят меньше энергии, но больше свободных радикалов, чем обычно, и способствуют воспалению, болезням и старению.

Таким образом, плохое функционирование митохондрий может привести к раку, ускоренному старению, дегенеративным заболеваниям, хроническому воспалению и накоплению внутриклеточных токсинов. Кроме того, в борьбе со старением особенно важно обеспечить функциональность и здоровье митохондрий.

ВАЖНО: эпигенетика и, следовательно, наш образ жизни влияют на митохондриальную ДНК и в то же время на деление наших клеток и поддержание их здоровья.

Факторы, повреждающие митохондрии

Митохондриальная дисфункция является наиболее частой причиной заболеваний и дегенеративных расстройств в нашем обществе, связанных с образом жизни. Различают первичные или врожденные митохондриальные нарушения, вызванные мутациями, и вторичные или приобретенные, обусловленные дефицитом выработки энергии или АТФ.

Факторы, предрасполагающие к повреждению митохондрий:

• дерегуляция противовоспалительной антиоксидантной системы. Митохондрии, помимо АТФ, генерируют свободные радикалы. Когда они вырабатываются в избытке, они вызывают воспаление и повреждение;

• воздействие токсинов, лекарств, табака;

• еда и образ жизни. Обработанные продукты или продукты с высоким гликемическим индексом, диеты, богатые жирами и сахаром; 

• сидячий образ жизни;

• тяжелые металлы, экологические яды;

• дефицит питательных веществ;

• изменение циркадных ритмов;

• стресс.

Как улучшить работу митохондрий

Митохондрии обладают способностью саморегулироваться в клетке, чтобы улучшить выработку энергии в конечном итоге увеличить процент здоровых и продуктивных митохондрий. 

Несколько митохондрий могут объединяться с образованием более эффективных митохондрий (этому благоприятствует снижение потребления питательных веществ, голодание и т. д.), а также митохондрия может делиться на несколько более мелких, менее эффективных. Это происходит в случае, когда потребление питательных веществ слишком велико.

К этим регуляторным процессам добавляется функция, аналогичная аутофагии, позволяющая восстанавливать или устранять слишком поврежденные митохондрии, что активируется ограничением (рестрикцией) калорий.

В конечном счете производство энергии более эффективно при ограничении питательных веществ , чем при их избытке (по крайней мере, в определенной степени).

Нам также следует избегать подачи слишком большого количества питательных веществ в митохондрии, иначе мы рискуем вызвать ненужное окисление в наших клетках. 

Фактически, забота о митохондриях сейчас становится одним из приоритетов в борьбе с последствиями старения.

Существует несколько способов активировать митохондрии:

• Прежде всего, необходимо избегать токсичных веществ, способных нарушить производство энергии. Тяжелые металлы (свинец, ртуть, никель, кадмий, мышьяк и др.), в частности, нарушают работу митохондрий даже в малых дозах.

• Все, что стимулирует метаболический путь AMPK, усиливает нашу митохондриальную функцию, а именно:

  • ограничение калорий ( как ни парадоксально, но меньшее количество еды дает больше энергии);

  • интервальное голодание;

  • высокоинтенсивные прерывистые упражнения ( HIIT) и силовые упражнения с отягощениями;

  • воздействие сильного холода;

  • состояние кетоза (которое достигается голоданием или кетогенной диетой с низким содержанием углеводов).

• Сон необходим для восстановления митохондрий. Поэтому вы должны убедиться, что спите достаточно и глубоко.

• Хорошая микробиота способствует правильному функционированию митохондрий. Недавние научные исследования показали, что между бактериальной кишечной флорой и митохондриями клеток существует связь. Таким образом, забота о «правильных» кишечных микробах важна для выработки энергии, а значит, и для здоровья в целом. 

• Воздействие солнца (умеренное и разумное) может обеспечить нас энергией. Если организм  насыщен полифенолами (эти антиоксиданты в большом количестве присутствуют в свежих фруктах и ​​овощах), это приведет к выработке меланина, который стимулирует митохондрии. Воздействие длинных инфракрасных лучей, созданных искусственно или при свете восхода или заката, может быть даже эффективнее для функции митохондрий.

• Глубокий массаж. Также было доказано, что массаж способствует размножению митохондрий. А медитация улучшает их функционирование.

Сжигание питательных веществ в митохондриях происходит с участием кислорода. Любая физическая активность, движение, техника дыхания могут помочь оптимизировать подачу кислорода. Также важно поддерживать хорошее кровообращение.

В производстве митохондриальной энергии участвуют различные необходимые питательные вещества. Поэтому необходимо избегать их дефицита. Каких именно витаминов и микроэлементов не хватает организму, может с высокой точностью определить доктор антивозрастной медицины, который при необходимости назначит добавки. 

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

• Митохондрии — это структура внутри клеток, которая отвечает за выработку энергии для выполнения всех наших жизненно важных функций.

• Митохондрии — полуавтономные органеллы, имеющие собственный генетический материал, передаваемый из поколения в поколение. Таким образом, они способны производить свои собственные белки и молекулы, хотя для полноценного функционирования им необходимо ядро ​​клетки.

Список использованной литературы

1. Friedman JR, Nunnari J. 2014. Mitochondrial form and fucntions. Nature. 505: 335-343.

2. Kiefel BR, Gilson PR, Beech PL. 2006. Cell biology of mitochondrial dynamics. International review of cytology. 254: 151-213.

3. MacAskill AF, Kittler JT. 2010. Control of mitochondrial transport and localization in neurons. Trends in cell biology. 20: 102-112.

4. Pickles S, Vigi P, Youle RJ. 2018. Mitophagy and quality control mechanisms in mitochondrial maintenance. Current biology. 28: R160-R185.

5. Linnane AW, Kovalenko S, Gingold EB. The universality of bioenergetic disease: age-associated cellular bioenergetic degradation and amelioration therapy. Ann N Y Acad Sci. 1998 Nov 20;854:202-13.

6. Rebecca K. Lane, Tyler Hilsabeck, Shane L. Rea,The  role of mitochondrial dysfunction in age-related diseases, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics, Volume 1847, Issue 11, 2015, Pages 1387-1400

7. Lanza IR, Nair KS. Mitochondrial function as a determinant of life span. Pflugers Arch. 2010 Jan;459(2):277-89.

8. Martin Stimpfel, Nina Jancar, and Irma Virant-Klun, “New Challenge: Mitochondrial Epigenetics?,” Stem Cell Reviews and Reports 14, no. 1 (February 2018): 13–26, https://doi.org/10.1007/s12015-017-9771-z

9. Paul B. Tchounwou et al., “Heavy Metal Toxicity and the Environment,” in Molecular, Clinical and Environmental Toxicology, Experientia Supplementum, vol. 101, ed. Andrea Luch (Basel, CH: Springer, 2012): 133–64