Пероксисомы

Пероксисомы – органеллы, имеющиеся во всех эукариотических клетках, овальной формы, диаметром 0,3- 1,5 мкм, отграничены от цитозоля одной мембраной,. Содержимое – средней электронной плотности, есть плотная сердцевина, в которой просматривается кристаллическое строение, биохимические исследования показали, что она состоит из уратоксидазы. Количество, размеры, содержимое и форма пероксисом варьируют в разных клетках. Пероксисомы выглядят очень простыми, однако они обладают большим набором функций и играют важную роль в в метаболизме клеток.

На биохимическом уровне пероксисомы были описаны de Duve как органеллы, содержащие различные оксидазы, включая ацил-КоАоксидазу, оксидазы гликолата, урата, алкоголя и другие. Оксидазы восстанавливают кислород до перекиси водорода, окисляя субстрат. Кроме того, пероксисомы содержат большое количество каталазы, которая восстанавливает перекись водорода до воды. Создается впечатление, что набор ферментов в пероксисомах приспособлен к восстановлению любого, попавшего в них, донора пероксида.

Впервые пероксисомы идентифицировали как самостоятельные органоиды, именно благодаря их способности к выработке перекиси водорода.Само название «пероксисомы» отражает вовлечение этих органоидов в метаболизм перекиси водорода.

Помимо различных оксидаз, пероксисомы содержат ферменты, вовлеченные в b-окисление длинноцепочечных жирных кислот. Этот процесс очень важен для нормального функционирования клетки.

Размножение пероксисом прямым делением показано в ряде работ. От существующей пероксисомы отпочковывается новая, меньших размеров. Наблюдали даже формирование цепочек мелких новых пероксисом.

Интересным свойством пероксисом является их способность увеличиваться в количестве при воздействии гиполипидемических препаратов и промышленных пластификаторов.

С помощью электронной томографии, криосрезов и пр. показано, что пероксисомы тесно контактируют с ламеллами, а ламеллы являются продолжением цистерн ЭПР. В итоге получается схема формирования пероксисом при участии специализированных участков ЭПР. Остается неясным, как белок, делающий участок ЭПР специализированным для формирования пероксисом, попадает в мембрану ЭПР.

Функции пероксисом разнообразны, одна из наиболее важных – окисление длинных и очень длинных жирных кислот. Пероксисомы вовлечены также в синтез желчных кислот и холестрина, метаболизм аминокислот и пуринов. Перенос молекул в сформировавшуюся пероксисому из цитозоля осуществляется через мембрану, при этом работают специфические сигнальные последовательности. Белки пероксисом – пероксины, они ответственны за транспорт в матрикс пероксисомы. Особенностью пероксисом является ориентация С-конца трансмембранных белков в сторону плазмалеммы.

Функции пероксисом различаются у разных видов, однако общим является наличие ферментов, разрушающих жирные кислоты. Белки пероксисом синтезируются на свободных полисомах и попадают в цитозоль. Здесь после формирования третичной структуры, белки распознаются рецепторами цитозоля и направляются в мембраны пероксисом.

Пероксисомы различаются между собой в одной клетке по набору и количеству ферментов, а также в разных клетках. В растительных клетках пероксисомы выполняют целый ряд функций, связанных с фотодыханием и метаболизмом жирных кислот.

Пероксисомы имеют специфическую систему переноса электронов, не связанную с генерацией протонного потенциала и синтезом АТФ. В результате работы этой цепи формируется Н2О2, которая затем расщепляется каталазой пероксисом. Т.о., пероксисомы осуществляют биологическое окисление, но энергетически неэффективное, - нет синтеза АТФ и НАДН.

В настоящее время появляются все новые данные о важной роли пероксисом в старении отдельной клетки. Показано, что «молодые» клетки успешно проводят детоксикацию, «правильно» окисляют жирные кислоты и справляются с окислительным стрессом, для чего необходима координированная и правильная работа пероксисом и митохондрий. В «старой» клетке эти механизмы нарушены, происходит её повреждение. Два года назад было показано, что старение единичной клетки и старческие изменения целого организма связаны. Это ставит пероксисомы в разряд «критических» структур, определяющих развитие различных «возрастных» заболеваний.

Задача новых исследований – понять, как пероксисомы взаимодействуют с мембранными органоидами, вовлеченными в процесс старения клетки.

У растений пероксисомы играют важную роль в сопряжении процессов, протекающих в клетке, и есть несколько видов пероксисом.

Глиоксисомы – разновидность пероксисом растений, в которых происходит окисление жирных кислот и глиоксилатный цикл. Образующаяся янтарная кислота используется для синтеза углеводов. Глиоксисомы функционируют в клетках в процессе роста, когда происходит мобилизация жиров (прорастание семядолей и др.). Долгое время считалось, что глиоксилатный цикл есть только у растений, однако затем было показано, что при голодании у млекопитающих появляются ферменты глиоксилатного цикла, позволяющие расщеплять запасные жиры.

Гликосомы – разновидность пероксисом, участвующая в метаболизме гликолата, который образуется при фотодыхании – фотопероксисомы. Часто на электронограммах видны ассоциаты хлоропластов, пероксисом и мтохондрий.

МИТОХОНДРИИ

Для нормального функционирования клетки нужна энергия. Выработка энергии для нужд метаболизма является одной из основных функций клетки. В природе есть два главных типа выработки энергии: при расщеплении органических молекул; и с использованием энергии солнечного света. В клетках существуют специальные органеллы, реализующие эти возможности и ответственные за выработку метаболической энергии, и синтез АТФ, в форме которого и запасается энергия.

1. Митохондрии– обеспечивают выработку энергии за счет расщепления жиров и углеводов и являются главными поставщиками энергии в клетке.

2. Хлоропласты– утилизируют энергию солнечного света, и запасают ее в виде АТФ и углеводов, синтезируемых из СО2 и воды. Хлоропласты, таким образом, главные гаранты всей жизни на Земле.

Есть еще варианты использования химической энергии - при окислении бактериями серы и железа, и, м.б. что-то другое. Эта область знаний далеко не сформирована.

Хондриосома. Mitochondrion - от греч.Mitos - нить + Chondrion – зернышко.

Митохондрии – динамичные органеллы, участвующие во многих процессах, включая выработку АТФ, апоптоз, поддержание гомеостаза кальция и железа, метаболизм липидов, старение, выработка реактивных метаболитов кислорода.

Форма и размеры митохондрий животных клеток разнообразны, но в среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина — от 1 до 10 мкм. Подсчеты показывают, что количество их в клетках сильно варьирует — от единичных элементов до сотен. Так, в клетке печени они составляют более 20% общего объема цитоплазмы и содержат около 30—35% общего количества белка в клетке. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4—5 раз больше поверхности ее плазматической мембраны.

Высоковольтная ЭМ целых клеток разного типа отчетливо показала наличие митохондрий разной формы и разное соотношение между формами в клетках разного типа. Выделяют линейные, разветвленные, циркулярные и шарообразные митохондрии. Наиболее многочисленны линейные формы, наименее – циркулярные. Так, первые в клетках культур HeLa и COS7 составляют 61.10 ± 6.85% и 60.75 ± 8.16%, соответственно, а вторые - 3.40 ± 2.54% и 7.10 ± 7.43%.

Совокупность всех митохондрий в одной клетке называется «хондриом». Эта совокупность может быть различной в зависимости от типа клеток. Так, во многих клетках хондриом представлен разрозненными многочисленными митохондриями, разбросанными довольно равномерно по всей цитоплазме, как, например, во многих недифференцированных клетках. В других случаях отдельные митохондрии локализуются группами в местах интенсивного расхода АТФ, как, например, в базальных участках клеток, извитых канальцев почки, или в клетках анализаторов сетчатки. В обоих случаях митохондрии функционируют поодиночке, их кооперативная работа, возможно, координируется какими-то сигналами из цитоплазмы. Однако существует и совершенно иной тип хондриома, когда вместо мелких одиночных разрозненных митохондрий в клетке располагается одна гигантская разветвленная митохондрия. Такие митохондрии часто встречаются у одноклеточных зеленых водорослей (например, у Chlorella). В этих случаях в клетке видны не отдельные митохондрии, а сложная митохондриальная система, сеть, или митохондриальный ретикулум.

Митохондрии сформированы двумя мембранами толщиной около 7 нм. Наружная митохондриальная мембранаотделяет их от цитоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры и замкнута, так что представляет собой мембранный мешок. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10—20 нм.Внутренняя митохондриальная мембранаограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии,ее матрикс. Имеются участки контакта внешней и внутренней мембраны, в этих участках локализуются поры, через которые переносятся молекулы, эти же участки отвечают за деление и слияние митохондрий.

Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные выпячивания внутрь митохондрий. Выпячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист. Исследования с применением электронно-микроскопической томографии замороженных препаратов показали, что кристы не являются простыми складками внутренней мембраны, а являются ее производными и граничат с образующей их мембраной своеобразными «ножками». Внутренняя мембрана митохондрий меняет свою топологию в широких пределах, формируемые кристы отличаются выраженным полиморфизмом, и их морфология связана с функциональным состоянием митохондрий.

Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое строение, в нем иногда выявляются тонкие нити (толщиной около 2—3 нм) и гранулы размером около 15—20 нм. Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гранулы — митохондриальные рибосомы. В митохондриях встречаются также более крупные гранулы, представляющие собой комплексы кальция и белков.

Мембраны митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемыми для веществ с молекулярной массой до 10 кДа. Внутренняя же мембрана митохондрий непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О₂, СО₂, Н₂0. Внутренняя мембрана удерживает не только продукты промежуточного метаболизма (например, пируват и ацетил-КоА), но и неорганические ионы (Н⁺и Na⁺). Поэтому в цитоплазме и митохондриях существуютнезависимые пулыионов и метаболитов. Напротив, внешняя мембрана содержит порообразующие белки, которые делают ее проницаемой для низкомолекулярных соединений.

Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется необычно высоким содержанием белков (75%). В их число входят транспортные белки-переносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи, АТФ-синтаза, а также необычный фосфолипид кардиолипин.

Обмен между цитоплазмой и матриксом митохондрий обеспечивается специальными транспортными системами, локализованными во внутренней мембране митохондрий и способными переносить разнообразные вещества (пируват, фосфат, АТФ, АДФ, глутамат, аспартат, малат, 2-оксоглутарат, цитрат, жирные кислоты) по механизмам типа антипорт (обменная диффузия), симпорт (сопряженный транспорт) или унипорт (облегченная диффузия). Имеется переносчик и для ионов Са²⁺, который наряду с ЭПР регулирует концентрацию Са²⁺ в цитоплазме.

Большая часть АТФ, продуцируемого митохондриями в матриксе, доставляется в цитоплазму с помощью АДФ/АТФ-транслоказыв обмен на АДФ (обменная диффузия).Фосфат поступает в митохондрии вместе с протонами независимо от транспорта АДФ/АТФ.

В отличие от других органоидов, белки митохондрий и хлоропластов преимущественно синтезируются на свободных рибосомах, а не на рибосомах ШЭПР. Белки собираются полностью, и попадают в митохондрии и хлоропласты в виде полных полипепетидных цепей, при этом используются высокоспецифичные сигнальные последовательности.Т.о., эти органоиды не используют пузырьковый транспорт, и их белки не проходят обработку в АГ, белки органоидов, связанных с энергетическим метаболизмом, отличаются от основной массы клеточных белков.

Транспорт белков в митохондрииосложнен наличием двух мембран оболочки. Наиболее изучен импорт белков из цитоплазмы в матрикс митохондрий. Синтезированные белки поддерживаются в развернутом состоянии (в виде цепей) специальными цитоплазматическими белками (семейство чапероновHsp70) и имеют сигнальную последовательность (пресиквенс), определяющую их митохондриальную направленность. Эта последовательность распознается рецепторами на мембране митохондрий. Пресиквенс встраивается в белковый комплекс, ответственный за транслокацию белка внутрь митохондрии. Белковая цепь переносится через обе митохондриальные мембраны. Этот процесс нуждается в электрохимическом градиенте на внутренней мембране и в АТФ. Градиент создается на мембране за счет транспорта протонов, сопряженного с восстановлением молекулярного кислорода.

Белок проходит через канал в мембранах, и связывается с другими чаперонами, локализованными уже в матриксе. Эта связь обеспечивает перемещение белка через белковый канал, и матриксный чаперон играет роль своеобразного мотора, который «тянет» белок внутрь митохондрии. В матриксе происходит кливидж, и сигнальная последовательность отщепляется. Затем белок соединяется с чаперонами другого семейства (Hsp60), чаперонинами, которые обеспечивают пространственную укладку белка. Этот процесс также нуждается в АТФ.

Белки, предназначенные для митохондрий, нужны для разных их частей. Возникает вопрос сортировки. Один из предполагаемых вариантов: сначала все попадает в матрикс, а потом уже переносится, куда надо. Однако, такой путь удается проследить не для всех белков. Некоторые встраиваются в мембрану сразу, не попадая в матрикс. Другие сначала встраиваются во внутреннюю мембрану, потом из нее выделяются в матрикс. Т.о., существуют разные пути доставки белков в разные части митохондрий.

Фосфолипиды митохондрий также доставляются из цитозоля.

Митохондрии и хлоропласты имеют свой собственный геном, который транскрибируется и транслируется внутри органоидов. В матриксе митохондрий находится автономная система белкового синтеза. Она представлена молекулами ДНК, не связанными с гистонами. На этих ДНК происходит синтез молекул РНК разных типов:информационных, транспортных и рибосомальных. В матриксе митохондрий происходит образование рибосом, отличных от рибосом цитоплазмы. Эти рибосомы обеспечивают синтез ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром. Однако эта система обеспечивает синтез не более 5% от всех белков, входящих в состав митохондрий. Большая часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется геномом ядра и синтезируется на рибосомах цитоплазмы.

ДНК митохондрий, как и ДНК ядра, подвергается мутациям. Мутации передаются по материнской линии. С митохондриальной ДНК связана наследственная оптическая нейропатия Лебера. Полагают, что мутации митохондриальной ДНК вовлечены в развитие болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера.

Интересно, что ДНК митохондрий не кодирует белков, обеспечивающих синтез самой ДНК. Все они заимствуются из системы синтеза ядерной ДНК. Ядерная ДНК т.о., кодирует все белки, обеспечивающие существование митохондрий и их функционирование.

Всегда считалось, что митохондрии морфологические статичны, однако, это не так – морфология митохондрий меняется в зависимости от состояния клетки и воздействий. Эти изменения включают в себя деление и слияние митохондрий.

Известно о прямом взаимодействии митохондрий и ЭПР, и нет данных о взаимодействии с другими органоидами. Между тем, есть много причин для существования таких контактов. Так, существует регулируемое взаимодействие митохондрий и эндосом, обеспечивающее прямую передачу ионов железа. Митохондрии млекопитающих тесно связаны с пероксисомами в катаболизме жирных кислот. У большинства растений и грибов эта функция выполняется только пероксисомами. Многие длинноцепочечные жирные кислоты не могут быть разрушены в митохондриях, и транспортируются в пероксисомы. И наоборот, жирные кислоты с прямой цепью не разрушаются в пероксисомах, и направляются в митохондрии. Т.о., существует поток жирных кислот между этими органоидами.

Кроме того, и митохондрии, и пероксисомы вовлечены в детоксикационные процессы, поскольку разрушают перекиси и супероксиды. Недавно удалось показать, как митохондрии и пероксисомы контактируют. Было выяснено, что митохондриальная лигаза MAPL (MULAN) находится в везикулах, которые обладали признаками селективного транспорта. ЭМ показала, что эти пузырьки отпочковывались от периферии митохондрий, и были образованы как одинарной, так и двойной мембраной и имели 70-100 нм в диаметре. Видеосъемка показала, что эти пузырьки потом сливались с пероксисомами. Что именно переносят эти пузырьки, пока неизвестно. Возможно, - очень длинные жирные кислоты, которые попадают в митохондрии, но не могут в них разрушаться.

Везикулы – общая форма коммуникации для бактерий и митохондрий. Очевидно, что образование пузырьков существует у бактерий с ранних этапов эволюции, у митохондрий этот процесс нужно изучать.

Предполагают, что митохондрии и хлоропласты произошли от бактерий в ходе эволюции, и являются продуктом эндосимбиоза. Гипотезу о происхождении митохондрий и растительных пластид из внутриклеточных бактерий-эндосимбионтов высказал Р.Альтман еще в 1890г. За прошедшее время гипотеза переросла в теорию, основанную на большом фактическом материале.

Суть ее такова: с появлением фотосинтезирующих бактерий в атмосфере Земли накапливался кислород — побочный продукт их метаболизма. С ростом его концентрации усложнялась жизнь анаэробных гетеротрофов, и часть из них для получения энергии перешла от бескислородного брожения к окислительному фосфорилированию. Такие аэробные гетеротрофы могли с большим КПД, чем анаэробные бактерии, расщеплять органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза. Часть свободно живущих аэробов была захвачена анаэробами, но не “переварена”, а сохранена в качестве энергетических станций, митохондрий. Не стоит рассматривать митохондрии как рабов, взятых в плен, чтобы снабжать молекулами АТФ не способные к дыханию клетки. Они, скорее - “существа”, еще в протерозое нашедшие для себя и своего потомства лучшее из убежищ, где можно затрачивать наименьшие усилия, не подвергаясь риску быть съеденными.

Матрикс и внутренняя мембрана – наиболее «рабочие» области митохондрий. Матрикс содержит геном митохондрий и основную часть ферментов, ответственных за окислительное фосфорилирование, процесс генерации электронов и синтеза АТФ.

Окисление глюкозы и жирных кислот – главный источник энергии в клетке.

Для выработки энергии вся съеденная пища расщепляется до соединений, которые могут быть утилизированы клеткой. Основной источник энергии – жиры и углеводы. Глюкоза – конечный продукт расщепления углеводов. В клетке глюкоза может расщепляться путем гликолиза (анаэробный путь окисления), при этом конечным продуктом является пируват. Жиры также расщепляются до пирувата. При расщеплении глюкозы путем гликолиза генерируются электроны, энергия которых используется для синтеза АТФ, при этом на одну молекулу глюкозы продуцируется 4 АТФ. Это несравнимо меньше, чем продуцируется в митохондриях в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот (ЦТК)) – 24-28 молекул АТФ. Задача ЦТК – получить наиболее возможное количество электронов при расщеплении трикарбоновых кислот и утилизировать их энергию.

Окисление глюкозы начинается в цитоплазме, где из нее образуется пируват. Затем пируват переносится в митохондрии, где он окисляется до СО2 в цикле Кребса, при этом вырабатывается АТФ. Начальная стадия окисления пирувата - образование АцКоА, который затем поступает в цикл трикарбоновых кислот, где и происходит полное окисление. Окисление жирных кислот также происходит через стадию образования АцКоА, который затем поступает в ЦТК. Т.е., имеется унификация реакций расщепления жиров и углеводов, и ЦТК является главным место образования НАДН и ФАДН2 - высокоэнергетических переносчиков электронов. Окисление АцКоА сопряжено с восстановлением НАД (никотин амид динуклеотид) и ФАД (флавин аденин динуклеотид) до НАДН и ФАДН2. Ферменты ЦТК локализованы в матриксе митохондрий.

На внутренней мембране митохондрий локализован процесс окислительного фосфорилирования, который поставляет основную часть энергии в клетке. Внутренняя мембрана митохондрий, т.о., является главным местом синтеза АТФ, что находит отражение в ее структуре. Поверхность внутренней мембраны увеличена за счет крист. Внутренняя мембрана на 70% состоит из белков, вовлеченных в окислительное фосфорилирование и транспорт метаболитов (пирувата и жирных кислот). Это – единственный тип мембран в клетке с таким высоким содержанием белков.