Mitochondrie

Mitochondrie v elektronovém mikroskopu

Děje na membránách mitochondrie.

DNA mitochondrie.

Mitochondriální membrány

Základní informace

Mitochondrie jsou membránové buněčné organely vyskytující se v eukaryotických buňkách. Jejich základní funkcí je produkce energie pro organizmus.

Mitochondrie se vyvinuly pravděpodobně ze samostatně žijících bakterií, které vstoupily do jiných buněk, proto mají dvojitou membránu. Postupem času se části jejich genomu přesouvaly do jádra „hostitelské“ buňky, čímž se na ní staly závislé a samostatného života neschopné. Ovšem jejich proteosyntetický aparát se zachoval, a to se všemi znaky prokaryot (např. 70 S ribosomy). Nové mitochondrie vznikají rozdělením existujících (elongací). Mluvíme o nich jako o semiautonomních (polosamostatných) organelách. Obdobný osud měly i rostlinné plastidy.

Mitochondrie se staly nedílnou součástí všech eukaryotických buněk (kromě erytrocytů a zrohovatělých buněk). Počet mitochondrií v buňce závisí na její energetické potřebě, může dosahovat i 2000. Zvláště početné jsou v buňkách s vysokými energetickými nároky, kde zajišťují dodávku energie procesům, které v nich probíhají (např. kontrakce svaloviny, činnost iontových pump, transport epiteliemi, sekreční činnost jaterních buněk). Mitochondrie se v buňce nachází buď rozptýlené, nebo se shlukují k místům s velkou spotřebou energie (např. bazální tělísko, kinocilie, aktivní membránový transport v ledvinných tubulech). V živých buňkách se pohybují pomalými kmitavými nebo krouživými pohyby, což je provázeno změnami jejich velikosti.

Typy mitochondrií

Mitochondrie s kristami

Jsou nejčastejším typem mitochondrií v lidském těle, jejich kristy vybíhají jako membránové destičky nebo hřebenové přihrádky z vnitřní mitochondriální membrány. Kristy jsou většinou uspořádany kolmo na dlouhou osu mitochondrií.

Mitochondrie tubulárního typu

Obsahují rourkovité diferenciace vnitřní membrány. U člověka se vyskytují v buňkách zapojených do syntézy steroidních hormonů (např. buňky kůry nadledvin, intersticiální Leydigovy buňky v semenotvorných kanálcích varlat, thekální buňky v ovariálních folikulech a placentární buňky).

Mitochondrie sakulárního typu

V mitochondriích sakulárního (někdy vezikulárního) typu se nacházejí drobné měchýřky, které jsou pomocí krátkých stopek spojeny s vnitřní mitochondriální membránou. Vyskytují se v buňkách kůry nadledvin.

Mitochondrie prizmatického typu

Je pro ně typická přítomnost podélných struktur s trojúhelníkovým nebo rhomboidním obrysem na příčném řezu. Byly popsány v gliových buňkách centrálního nervového systému některých zvířat.

Struktura mitochondrií

Délka mitochondrií se pohybuje v rozměrech od 0,5 do 10 μm a jejich tloušťka od 0,3 do 0,5 μm. Tvar, velikost a jejich počet nezávisí jen na druhu buněk, ale i na metabolické aktivitě, případně na patologickém stavu. Mohou se větvit a potom tvoří válcovité útvary, které mohou být vzájemně pospojovány a vytvářejí mitochondriální síť, roztaženou po celé buňce.

Membrána

Mitochondie jsou obaleny dvěma plnohodnotnými membránami, jejichž složení se výrazně liší.

Vnější membrána

Vnější membrána má podobné vlastnosti jako u ostatních membránových organel. Tvarově připomíná jednoduchý ovoid nebo trubici, není zvrásněna. Asi 40 % celkové hmotnosti tvoří lipidy. Nachází se v ní málo kardiolipinu. Je velmi permeabilní – zejména pro ionty. Obsahuje translokátorové integrální membránové proteiny, které se nazývají poríny. Jsou to vlastně kanálové proteiny prostupné pro molekuly < 5 kDa.

Vnitřní membrána

Vnitřní mitochondriální membrána je zvrásněná, a to buď do podoby jednoduchých výběžků (krist), nebo trubiček, které procházejí skrz mitochondriální cytoplasmu (tubulární mitochondrie). Kristální typ mitochondrií je v buňkách lidského organizmu zastoupen nejčastěji, zatímco tubulární typ mitochondrií nacházíme především v endokrinních buňkách produkujících steroidy. Zvrásnění zvětšuje několikanásobně plochu membrány. Počet tubulů a krist odpovídá spotřebě ATP. Celková hmotnost lipidů je zde pouze 20 %, převažují proteiny zastoupené 80 %. Zbytek tvoří transportní proteiny a proteiny dýchacího řetězce. Vnitřní membrána je selektivně propustná díky přítomnosti transportérů a pump. Je bohatá na proteiny, z nichž převážný díl tvoří multienzymové komplexy dýchacího řetězce a ATP-syntázy. Je málo prostupná pro ionty. Tato její vlastnost je způsobená vysokým obsahem fosfolipidu kardiolipinu v lipidové dvojvrstvě.

Na straně přivrácené k matrix má vnitřní membrána početná elementární tělíska nazývaná také ATP-ozómy (adenosintrifosfatozómy, oxizómy). Každé tělísko odpovídá jednomu proteinovému komplexu, na němž probíhá syntéza ATP. Jsou to sférické útvary s průměrem kolem 85 nm, které jsou tenkou stopkou spojeny s membránou, z níž tyto částice vybíhají.

Vnitřní membrána a elementární tělíska se pokládají za místa, kde probíhá oxidační fosforylace. Na elementárních tělískách se předpokládá výskyt pojícího faktoru (bílkoviny) mezi transportem elektronů a oxidační fosforylací. Mezi vnější a vnitřní membránou je intermembránový prostor.

Matrix

Mitochondriální cytoplasma je často nazývána mitochondriální matrix. Nachází se v ní molekula kruhové mtDNA a proteosyntetický aparát (velmi podobný prokaryotnímu). Dále je přítomna široká škála enzymů nezbytných při získávání energie oxidací glukózy. Patří sem např. enzymy metabolismu MK, pyruvátu a Krebsova cyklu (např. transaminázy, dehydrogenáza kys. glutamové a jiné). V elektronovém mikroskopu má homogenní nebo zrnitý vzhled. Vyplňuje prostor pod vnitřní membránou, v níž jsou uloženy elektrodensní okrsky – intramitochondriální granuly s průměrnou velikostí 20–50 nm, které jsou morfologickým výrazem střádaní vápníku v podobě fosforečnanu vápenatého. Jejich hlavní složkou jsou fosfolipidy a vázaný anorganický materiál jako vápník, hořčík, fosfor, stroncium a baryum. Velikost a počet granul je variabilní.

V mitochondriích byly objeveny ribosomy, které na rozdíl od těch cytoplazmatických obsahují jiné enzymy aktivující aminokyseliny, a rozdíl je i v tRNA.

mtDNA

Důležitý rozdíl mezi mitochondriemi a jinými organelami představuje fakt, že mitochondrie jsou schopny vlastní reprodukce bez ohledu na buněčné dělení. Cirkulární chromosom mitochondrií obsahuje neúplný mitochondriální genom. Je tvořený z cirkulárně uspořádané dvojvláknité molekuly DNA a nejsou na něj vázány bílkoviny typu histónů. Kóduje proteiny dýchacího řetězce, Krebsova cyklu a několik dalších. Neobsahuje ale všechny geny, některé se přesunuly do jádra buňky. Dědí se zvláštní matroklinní dědičností, která se neřídí Mendelovými zákony. V klinických souvislostech jsou významná vzácná, ale závažná mitochondriální onemocnění.

 Podrobnější informace naleznete na stránce mtDNA.

Mitochondriální onemocnění

Jako mitochondriální onemocnění označujeme stavy způsobené poruchou funkcí mitochondrií. Mohou být jak získané, tak vrozené.

Příčiny onemocnění

Vrozené

Jako vrozené příčiny onemocnění mitochondrií označujeme chyby (mutace) v úsecích jaderné nebo mitochondriální DNA (tzv. mtDNA, viz výše), které mají vliv na jejich aktivitu. Mitochondriální DNA mutuje častěji než jaderná. Jsou-li postiženy všechny molekuly mtDNA, mluvíme o tzv. homoplastické poruše, pokud jsou některé molekuly mtDNA bez mutace a jiné nikoliv, jedná se o tzv. heteroplastii (pokud je zastiženo více než 80 % všech molekul mtDNA, jedná se již o velmi vážnou heteroplastii). Mutace v mtDNA obvykle postihují funkci dýchacího řetězce či Krebsova cyklu.

Získané

Získané poruchy mohou být důsledkem infekce, negativního vlivu prostředí či užívání některých léků. Obvykle pozorujeme poruchy v mitochondriálním metabolismu, přičemž nejčastěji jsou popisovány poruchy oxidační fosforylace.

Příznaky

Defekty mitochondrií klinicky pozorujeme obvykle jako různá degenerativní onemocnění (mozku, srdeční či kosterní svaloviny). Při současném poškození svalů i mozku hovoříme o tzv. encefalomyopatii. Porucha mitochondrií se ale může projevit i nesprávnou funkcí ledvin či endokrinních žláz.

 Podrobnější informace naleznete na stránce mtDNA.

Funkce

Hlavní funkcí mitochondrii je produkce a uvolňování energie k potřebám buňky ve formě ATP (respektive fosforylace ADP). Tuto funkci realizuje mitochondrie systémem biologických oxidací. Mitochondrie dále regulují buněčný metabolismus a plní celou řadu dalších funkcí.

Produkce energie

Nejdůležitějším zdrojem energie pro heterotrofické organismy představují sacharidy (glukóza). Jejich oxidací až na vodu a oxid uhličitý se získává energie ve formě ATP. Jedná se o poměrně složitý proces, složený z mnoha dílčích reakcí a probíhající na různých místech buňky. Část těchto reakcí probíhá právě v mitochondriích jako tzv. Krebsův neboli citrátový cyklus.

V aerobních buňkách můžeme oxidaci glukózy rozdělit do tří stupňů. (Přitom předpokládáme dostatečné zásobení organismu kyslíkem, v opačném případě by po procesu štěpení glukózy - viz glykolýza - následovalo kvašení. Proces kvašení je na mitochondriích nezávislý, jeho energetický výtěžek - ATP - je ale výrazně chudší než při klasickém buněčném dýchání.)

Glykolýza

Nejprve proběhne tzv. glykolýza (glykos = cukr, lysis = štěpení). Šestiuhlíkatá glukóza je štěpena na tříuhlíkatou sloučeninu – pyruvát (jedna molekula glukózy na dvě molekuly pyruvátu). Enzymy, které tuto reakci zprostředkovávají, jsou lokalizovány v cytoplasmě buněk. Reakce probíhá za anaerobních podmínek. Díky této reakci dojde k uvolnění dvou molekul ATP. Má-li buňka dostatek kyslíku, dojde k přesunu (jedná se o aktivní transport, dochází ke spotřebě dvou molekul ATP) pyruvátu z cytoplasmy přes membránu mitochondrií do jejich matrix a zde k jeho oxidaci na acetylkoenzym A. (Nejprve dojde k reakci pyruvátu s koenzymem A za vzniku oxidu uhličitého, NADH a právě acetylkoenzymu A.)

Krebsův cyklus (také citrátový cyklus nebo cyklus kyseliny citrónové)

V prostředí mitochondrií dále probíhá již zmíněný Krebsův cyklus. Enzymy Krebsova cyklu byly prokázány hlavně v mitochondriální matrix, některé z nich jsou ale zakotveny ve vnitřní mitochondriální membráně. Sled reakcí probíhajících v Krebsově cyklu můžeme charakterizovat jako přeměnu acetylkoenzymu A na oxid uhličitý a vodu za současné tvorby ATP (dvě molekuly na jednu molekulu acetylkoenzymu A) a redukovaných koenzymů, které představují zdroj elektronů v dýchacím řetězci (tři molekuly NADH a jedna molekula FADH2 na jeden acetylkoenzym A). Průběh Krebsova cyklu lze rozdělit do tří fází:

• acetylkoenzym A a oxalacetát spolu reagují za vzniku citrátu
• tato molekula je posléze zkrácena o dva atomy uhlíku, které jsou následně oxidovány až na oxid uhličitý
• nakonec dojde k znovuvytvoření oxalacetátu a do cyklu může vstoupit další molekula acetylkoenzymu A

Dýchací (elektron-transportní) řetězec

Zprostředkování tzv. dýchacího řetězce je další z kroků získávání energie mitochondrií. Enzymy a metabolity dýchacího řetězce jsou umístěny ve vnitřní mitochondriální membráně a přecházejí z matrix do intermembránového prostoru a zpět. Touto lokalizací je zajištěn přísun redukovaných koenzymů (NADH a FADH2) z Krebsova cyklu. Dalším zdrojem redukovaných koenzymů je glykolýza probíhající v cytoplasmě. Podstatou dýchacího řetězce je přenos vodíků z redukovaných koenzymů na elementární kyslík. Tento děj probíhá stupňovitě pomocí několika přenašečů. Složky tohoto řetězce jsou lokalizovány na membránách podle jejich zvyšující se afinity k elektronům. Přenosem vodíků z redukovaných koenzymů až na kyslík dýchacího řetězce dochází k uvolnění energie. Ta je dále využita k fosforylaci ADP na ATP (jedna dvojice elektronů umožní fosforylaci 3 molekul ADP). Tento proces se nazývá oxidační fosforylace. Enzymy a ostatní sloučeniny, které jsou zapojeny do procesu oxidační fosforylace, jsou uloženy na mitochondriálních kristách na elementárních globulárních partikulích. Přenosem vodíků prostřednictvím redukovaných koenzymů a přeměnou tohoto jevu na syntézu ATP se zabýval Peter Dennis Mitchell, který za formulování tzv. chemiostomické hypotézy získal v roce 1978 Nobelovu cenu. V této fázi dojde k energetickému výtěžku 34 molekul ATP.

Celkový zisk při aerobním dýchání je tedy 38 molekul ATP, přičemž zjednodušeně lze říci, že k přesunu pyruvátu na mitochondrie jsou 2 molekuly ATP spotřebovány. Skutečný energetický výtěžek z jedné molekuly glukózy tedy činí 36 molekul ATP.

Produkce tepla

Na vnitřní mitochondriální membráně se také může nacházet významné množství proteinu termogeninu (byl objeven v roce 1973). Tento jev pozorujeme zejména u adipocytů hnědé tukové tkáně (např. u novorozenců mezi lopatkami, u hibernujících zvířat). Termogenin umožňuje „obejít“ proces oxidační fosforylace a reflux protonů z intermembránového prostoru je využit k produkci značného množství tepla. Pro tento děj používáme termín netřesová termoregulace.

Skladování vápníkových iontů

Mitochondrie také mohou fungovat jako zásobárna vápníku (obdobně jako endoplasmatické retikulum), čímž napomáhají k udržování stálého vnitřního prostředí v buňce (homeostáza).

Beta-oxidace

V mitochondriální matrix se dále nacházejí enzymy ß-oxidace mastných kyselin - aerobní odbourávání mastných kyselin v mitochondrích. Opět hovoříme o cyklu postoupných reakcí, sloužících hned k několika účelům. Jedním z produktů je opět acetylkoenzym A, který opět může být využit k produkci energie. V průběhu ß-oxidace dále vznikají redukované koenzymy, které jsou posléze využity v dýchacím řetězci.

Doplňkové funkce mitochondrií

• regulace membránového potenciálu
• účast při apoptóze buňky (řízená smrt buňky)
• účast při syntéze steroidů (mitochondrie tubulárního typu)

Chemická stavba mitochondrií

Mitochondriální membrány složeny z lipoproteinů (jsou tvořené z 50–60 % proteiny a ze 40–50 % lipidy). Asi polovinu všech bílkovin tvoří strukturální bílkoviny a druhou polovinu enzymové bílkoviny. Zjistilo se, že v mitochonriálních membránách jsou lokalizovány enzymy dýchacího řetězce a oxidační fosforylace, zatímco v matrix jsou vázány enzymy Krebsova cyklu. Vnější membrána, která je bohatší na fosfatidy a cholesterol, je charakteristická přítomností enzymů, např. tiokinázy mastných kyselin, monoaminooxidázy, kynurenin-hydroxylázy a jiných. Vnitřní mitochondriální membrána má méně cholesterolu. Obsahuje enzymy dýchacího řetězce, např. cytochromoxidázu, cytochromy a některé dehydrogenázy. Kromě toho jsou tady přítomny enzymy oxidační fosforylace, hlavně ATP-syntázy a další dehydrogenázy. Takové enzymy nacházíme i na membránách krist.

Odkazy

Související články

• Respirační řetězec
• Energetický systém buňky
• Genetická výbava mitochondrií
• Matroklinní dědičnost
• Mitochondriální onemocnění
• Mitochondriální neurogastrointestinální encefalomyopatie

Externí odkazy

• MITOMAP – A human mitochondrial genome database
• Mitochondria atlas
• Mitochondrial Disorders Overview
• Mitochondrial Physiology Society

Použitá literatura

• NEČAS, Oldřich. Obecná biologie pro lékařské fakulty. 3. vydání. Jinočany : H+H, 2000. ISBN 80-86022-46-3.

• KONRÁDOVÁ, Václava, Jiří UHLÍK a Luděk VAJNER. Funkční histologie. 2. vydání. Jinočany : H & H, 2000. 291 s. ISBN 80-86022-80-3.

• PROF. MUDR. KAROL KAPELLER, DRSC., a Doc. MUDr. Helmut STRAKELE, CSC.. Cytomorfológia : Učebnica pre lekárske fakulty. 1. vydání. Martin : Vydavateľstvo Osveta, spol. s. r. o, 1999. ISBN 80-88824-79-6.

• LÜLLMANN-RAUCH, Renate. Histologie. 3. vydání. Praha : Grada Publishing, a. s., 2012. ISBN 978-80-247-3729-4.

• F. PAULSEN, PHD., Douglas. Histologie a buněčná biologie : Opakování a příprava ke zkouškám. 4. vydání. Praha : Nakladatelství H & H Vyšehradská, s. r. o, 2004. ISBN 80-7319-024-9.