Митохондрии представляют собой мембранные полуавтономные органеллы, обеспечивающие клетку энергией, получаемой благодаря процессам окисления и запасаемой в виде фосфатных связей АТФ. Митохондрии также участвуют в биосинтезе стероидов, окислении жирных кислот и синтезе нуклеиновых кислот.

Митохондрии могут иметь эллиптическую, сферическую, палочковидную, нитевидную и др. формы, которые могут изменяться в течение определенного времени. Их размеры составляют 0.2-2 мкм в ширину и 2-10 мкм в длину, а количество в различных клетках варьирует в широких пределах, достигая в наиболее активных 500-1000. В клетках печени (гепатоцитах) их число составляет около 800, а занимаемый ими объем равен примерно 20% объема цитоплазмы. На светооптическом уровне митохондрии выявляются в цитоплазме специальными методами и имеют вид мелких зерен и нитей (что обусловило их название - от греч. mitos- нить и chondros - зерно).

В цитоплазме митохондрии могут располагаться диффузно, однако обычно они сосредоточены в участках максимального потребления энергии, например, вблизи ионных насосов, сократимых элементов (миофибрилл), органелл движения (аксонем спермия, ресничек), компонентов синтетического аппарата (цистерн ЭПС).

Митохондрии состоят из наружной и внутренней мембран, разделенных межмембранным пространством, и содержат митохондриальный матрикс, в который обращены складки внутренней мембраны - кристы (рис. 3-12).

(1) наружная митохондриальная мембрана напоминает плазмолемму и обладает высокой проницаемостью для молекул массой до 10 килодальтон, проникающих из цитозоля в мемжмембранное пространство. Она содержит много молекул специализированных транспортных белков (например, порин), которые формируют широкие гидрофильные каналы и обеспечивают ее высокую проницаемость, а также небольшое количество ферментных систем. На ней находятся рецепторы, распознающие белки, которые переносятся через обе митохондриальные мембраны в особых точках их контакта зонах слипания.

(2) внутренняя митохондриальная мембрана отделена от наружной межмембранным пространством шириной 10-20 нм, которое содержит небольшое количество ферментов. В ее состав входят белки трех типов: (а) транспортные белки, (б) ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназаназа (СДГ), в) комплекс АТФ-синтетазы. Низкая проницаемость внутренней мембраны для мелких ионов из-за высокого содержания фосфолипида кардиолипина имеет большое значение для функции митохондрий, так как она обеспечивает возможность создания электрохимических градиентов при продукции высокоэнергетических метаболитов клетки.

Кристы - складки внутренней мембраны толщиной 20 нм; располагаются чаще всего перпендикулярно длиннику митохондрии, но могут лежать и продольно. Их число и площадь пропорциональны активности митохондрии. На кристах находятся элементарные (грибовидные) частицы, называемые также оксисомами или F1-частицами, в количестве - 62 - 104 -105 . состоящие из головки диаметром 9 нм и ножки толщиной 3 нм (см. рис 3-12). На них происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования. В области округлой головки частицы осуществляется синтез АТФ из АДФ. Разобщение метаболических процессов окисления и фосфорилирования приводит к образованию значительного количества тепла вместо накопления энергии в форме макроэргических соединений. Такое разобщение характерно, например, для митохондрий клеток бурой жировой ткани, специализированной на продукции тепла (термогенезе). Оно обусловлено присутствием в них особого белка UCP (сокр. от англ. uncoupling protein - разобщающий белок), или термогенина, варианты которого в последние годы обнаружены в митохондриях клеток различных тканей. Высказано предположение, что склонность к развитию некоторых метаболических заболеваний, например, ожирения, может определяться нарушениями выработки или функции этих белков.

Форма крист - в митохондриях большинства клеток - пластинчатая (ламеллярная), в некоторых клетках встречаются кристы в виде трубочек и пузырьков - тубулярно-везикулярные кристы (рис. 3-13). Последний вариант характерен для клеток, синтезирующих стероидные гормоны (клетки коркового вещества надпочечников, фолликулярные клетки и клетки желтого тела яичника, клетки Лейдига яичка). В таких клетках ферменты стероидогенеза локализуются частично в аЭПС, а частично - на внутренней митохондриальной мембране. В ходе синтеза стероидов промежуточные продукты неоднократно перемещаются между этими органеллами.

(3) митохондриальный матрикс - гомогенное мелкозернистое вещество умеренной плотности, заполняющее полость (внутреннюю камеру) митохондрии и содержащее несколько сотен ферментов: растворимые ферменты цикла Кребса (за исключением СДГ, ферменты, участвующие в окислении жирных кислот, ферменты белкового синтеза. В матриксе находятся также митохондриальные рибосомы, митохондриальные гранулы и митохондриальная ДНК (что отличает митохондрии от всех остальных органелл).

Митохондриальные рибосомы имеют вид мелких плотных гранул, распределенных в матриксе. Белки, образующие эти рибосомы, лишь частично продуцируются в самой митохондрии.

Митохондриальные гранулы - частицы высокой электронной плотности диаметром 20-50 нм с мелкозернистой или пластинчатой структурой, разбросанные по митохондриальному матриксу, содержащие ионы Са2 + и Mg2 + , а также другие дивалентные катионы. Функция гранул выяснена неполностью; предполагается, что их катионы необходимы для поддержания активности митохондриальных ферментов.

Митохондриальная ДНК (мтхДНК) - образует собственный геном митохондрий, на который приходится около 1% общего содержания ДНК в клетке и который включает 37 генов (в ядре клеток человека насчитывают примерно 100 тыс. генов). МтхДНК - кольцевой формы двунитчатая молекула ДНК длиной 5.5 мкм и толщиной 2 нм (в каждой митохондрии имеется 2-10 таких молекул). Она сходна с бактериальной ДНК и отличается от ядерной ДНК генетическим кодом, низким содержанием некодирующих последовательностей и отсутствием связи с гистонами.

Генетическая информация мтхДНК обеспечивает синтез лишь 5-6% митохондриальных белков, в частности, большей части ферментов электронтранспортной системы и некоторых ферментов синтеза АТФ. Синтез других белков и репликация митохондрий контролируются ядерной ДНК. МтхДНК кодирует иРНК, тРНК и рРНК, формируя, таким образом, частично независимую от ядра систему репликации, транскрипции и трансляции. Вместе с тем, синтез мтхДНК и РНК зависит от ферментов, которые являются продуктами ядерных генов. Большая часть рибосомальных белков митохондрий синтезируется в цитоплазме, а затем транспортируется в митохондрии. Область митохондрии, содер- - 64 - жащая мтхДНК, иногда выявляется в матриксе как тонкофибриллярная зона низкой плотности (нуклеоид).

Наследование мтхДНК у многих видов, включая человека, происходит только от матери (мтхДНК отца исчезает при образовании эмбриона).

Повреждение мтхДНК и митохондриальные болезни. МтхДНК часто испытывает повреждения, что объясняется ее расположением непосредственно в митохондриальном матриксе, где она постоянно подвергается окислительному стрессу высокой интенсивности из-за образования в нем значительного количества биоокислителей (перекиси водорода и реактивных радикалов кислорода). Вследствие этого частота мутаций мтхДНК в 10 раз выше, чем ядерной, что усугубляется отсутствием защитных белков, контроля репликации и неэффективной репарацией. Мутации мгхДНК вызывают ряд заболеваний (так называемых "митохондриальных болезней") с широким спектром клинических проявлений (слепота, глухота, нарушения движения, сердечная недостаточность, диабет, патология печени и почек и др.). Симптомы большинства митохондриальных болезней проявляются с возрастом, что, вероятно, обусловлено накоплением мутаций, связанных с "окислительными ударами" по мтхДНК. Так как биоокислители генерируются в максимальных количествах при окислительном фосфорилировании, чаще поражаются органы, наиболее нуждающиеся в энергии, продуцируемой митохондриями (ЦНС, сердце, скелетные мышцы, почки, печень, островки Лангерганса). Диагноз некоторых митохондриальных болезней может быть поставлен при изучении биоптата мышечной ткани, в котором выявляются аномальные митохондрии.

Жизненный цикл митохондрий сравнительно короткий (около 10 сут); их разрушение происходит путем аутофагии, а гибнущие органеллы замещаются новыми, которые формируются путем перешнуровки предсуществующих. Репликация мтхДНК происходит в любые фазы клеточного цикла независимо от репликации ядерной ДНК.