Mitochondrium - budowa i funkcje Mitochondria to organelle komórkowe, w których odbywa się proces oddychania tlenowego. Ich zadanie polega na przechwytywaniu energii uwalnianej stopniowo podczas rozpadu cząsteczek pokarmowych i wykorzystywaniu jej do syntezy ATP (adenozynotrifosforanu), uniwersalnego nośnika energii użytecznej dla komórki. Mitochondria są dużych rozmiarów (przeważnie od 2 do 8 μm) i można je zaobserwowad nawet pod mikroskopem świetlnym. Znajdują się prawie we wszystkich komórkach eukariotycznych - oprócz erytrocytów. W różnych komórkach mitochondria mogą przybierad odmienne kształty: okrągły, owalny lub rzadziej niciowaty i rozgałęziony. Ich liczba w komórce wynosi od 1 u organizmów jednokomórkowych do 1000-2000 Ryc. 1 Mitochondrium w hepatocytach (komórkach o dużej aktywności metabolicznej). Lokalizacja mitochondriów w komórce nie jest stała. W wyniku ruchów cytoplazmy lub dzięki związaniu się z elementami cytoszkieletu, mitochondria mają zdolnośd do przemieszczania się w kierunku miejsca o zwiększonym zapotrzebowaniu na energię. Mitochondria mogą też przejściowo magazynowad wapo, co stanowi częśd procesów odpowiedzialnych za zachowanie równowagi wapniowej w komórce. Mitochondria są otoczone dwiema błonami, zbudowanymi z dwuwarstwy lipidowej. Wewnętrzna błona mitochondrialna, w przeciwieostwie do zewnętrznej jest silnie pofałdowana w liczne grzebienie mitochondrialne skierowane ku wnętrzu organelli. Obie błony dzielą mitochondrium na dwa przedziały: dużą wewnętrzną przestrzeo nazwaną matriks (lub macierzą mitochondrialną) i wąską przestrzeo międzybłonową. Matriks zawiera koliste cząsteczki mitochondrialnego DNA (mtDNA), zestaw specyficznych tRNA, rybosomy (70S - w przeciwieostwie do rybosomów cytoplazmatycznych 80S) i różne enzymy. Dzięki obecności kanałów białkowych zewnętrzna błona mitochondrialna jest przepuszczalna dla większości małych cząsteczek i jonów, natomiast błona wewnętrzna nie przepuszcza prawie żadnych jonów i obdarzonych ładunkiem cząstek. W wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajduje się znacznie więcej białek niż w błonie zewnętrznej - są to białka odpowiedzialne za oddychanie komórkowe oraz nośniki transportujące metabolity i jony.

Ryc. 2 Schemat budowy mitochondriom

Genom mitochondrialny Mitochondria to tzw. organelle półautonomiczne. Pochodzą one od bakterii tlenowych (najprawdopodobniej proteobakterii), które setki milionów lat temu zostały wchłonięte na drodze fagocytozy przez prymitywne komórki i nie doszło do ich strawienia. Teoria endosymbiozy (zaproponowana po raz pierwszy w 1909 roku przez Konstantina Mereszkowskiego) tłumaczy obecnośd w mitochondriach: DNA, rybosomów 70S (takich jak u bakterii), dwóch błon mitochondrialnych (wewnętrzna błona jest własną błoną Proteobacteria, a zewnętrzna błoną fagocytarną) oraz Ryc. 3 Proteobacteria aparatu biosyntezy białek, podobnego jak u prokariontów. Nowe mitochondria powstają przez wzrost i podział już istniejących, które rozdzielają się losowo między komórki potomne. Genom komórki tworzą wszystkie cząsteczki DNA. Genom eukariontów składa się z kilku części. Większośd informacji genetycznej jest zapisana w DNA przechowywanym w jądrze komórkowym (genom jądrowy), jednak jej częśd znajduje się w organellach komórkowych: mitochondriach i chloroplastach (w przypadku roślin). Genomy mitochondrialne ssaków są bardo małe, natomiast grzybów i roślin większe. Wielkośd mitochondrialnego genomu u roślin wacha się w granicach 200-2400 kpz, natomiast u zwierząt w granicach 10-16 kpz.

Ryc. 4 Schemat genomu mitochondrialnego człowieka

W organizmie człowieka, każde mitochondrium zawiera 4-10 cząsteczek kolistego DNA o długości około 16 kpz. Znajduje się ono w matriks i koduje 37 genów: 13 odpowiedzialnych za polipeptydy, 22 za tRNA i 2 za rRNA. Białka kodowane przez mtDNA to częśd mitochondrialnych białek łaocucha oddechowego, jednak większośd białek wchodzących w jego skład jest kodowana przez genom jądrowy. tRNA i rRNA biorą udział w biosyntezie białka odbywającej się w mitochondriach. Geny mitochondrialne ludzi nie zawierają intronów. Nici pojedynczej cząsteczki mtDNA są oznaczane jako H (ang. heavy - ciężka) i L (ang. light - lekka). Kod genetyczny mitochondriów różni się od kodu genetycznego w genomie jądrowym. UGA (jądrowy kodon STOP) w mitochondriach oznacza tryptofan, AUA (izoleucyna) - metioninę, a AGA i AGG (arginina) są mitochondrialnymi kodonami STOP. W sumie, w każdej komórce występują setki kopii mtDNA (poliplazmia) i w prawidłowych komórkach są one identyczne (homoplazmia), gdyż pochodzą tylko od jednego z rodziców - są przekazywane niemal wyłącznie w linii żeoskiej. Heteroplazmia, będąca wynikiem mutacji to obecnośd w komórce więcej niż jednego rodzaju mtDNA. W mitochondrialnym DNA znajduje się tzw. obszar hiperzmienny. Jest to niekodujący fragment genomu mitochondrialnego, który bardzo różni się między ludźmi i jest wykorzystywany do badao genetyki populacyjnej i w medycynie sądowej do ustalania tożsamości. Mutacje w genach mitochondrialnych powodują choroby mitochondrialne. Są to choroby wielosystemowe i trudne do zdiagnozowania, a ich leczenie jest objawowe. Dotyczą głównie tkanek o największym zapotrzebowaniu energetycznym - tkanki mięśniowej i nerwowej. Towarzyszą im zaburzenia fosforylacji oksydacyjnej i kompleksów łaocucha oddechowego, brak aktywności niektórych enzymów oraz zmiana ultrastruktury mitochondriów. Choroby mitochondrialne można podzielid na: rearanżacje w mtDNA (zespół szpikowo-trzustkowy Pearsona, zespół KearnsaSayre’a, zespół przewlekłej postępującej zewnętrznej oftalmoplegii - CPEO) i mutacje punktowe w mtDNA (zespół MELAS, zespół MERF, zespół NARP, zespół Leigha).

Ryc. 5 Chory na CPEO (jednym z objawów jest obustronne opadanie powiek)

Genomy mitochondrialne roślin są znacznie większe niż genomy mitochondrialne zwierząt. Wielkośd genomu mitochondrialnego roślin uległa szybkim zmianom w trakcie ewolucji. Za różnice w wielkości są odpowiedzialne wewnętrzne duplikacje oraz integracja z genomem mitochondrialnym sekwencji pochodzących z genomu jądrowego i plastydowego. Znacznej dynamice podlega również organizacja roślinnych genomów mitochondrialnych: układ genów w tych genomach jest bardzo różny, chod zasadniczo utrzymane są te same sekwencje kodujące. Rozpatruje się cztery modele struktury mtDNA roślin:  genom mitochondrialny składa się z wielu kolistych cząsteczek różnej wielkości; każda z nich zawiera pełną informacje genetyczną, ale inaczej zorganizowaną  każda z kolistych cząsteczek zawiera tylko częśd informacji genetycznej, dzięki czemu upodabniają się one do chromosomów genomu jądrowego

 

genom mitochondrialny może występowad zarówno w postaci jednej dużej kolistej cząsteczki (pojedynczego chromosomu), jak i wielu mniejszych kolistych cząsteczek zawierających (przynajmniej w części) takie same sekwencje mtDNA ma postad jednej dużej, kolistej cząsteczki, tzw. chromosomu głównego (ang. master chromosome)

Oddychanie tlenowe Oddychanie tlenowe to forma oddychania komórkowego zależna od tlenu. Podczas tego procesu składniki pokarmu rozkładają się do dwutlenku węgla i wody. Większośd komórek wykorzystuje oddychanie tlenowe do uzyskania energii z glukozy. Na oddychanie tlenowe składa się ciąg reakcji redoks, w których elektrony atomów wodoru z glukozy przenoszą się na tlen, przebywając wiele etapów pośrednich. Uwolniona przy tym energia swobodna elektronów zostaje wykorzystana do syntezy ATP.

Ryc. 6 ATP (adenozynotrifosforan)

Ryc. 7 Sumaryczne równanie oddychania tlenowego

W rozkładnie glukozy podczas oddychania tlenowego wyróżnia się cztery grupy reakcji chemicznych. Są to glikoliza, powstawanie acetylo-koenzymu A, cykl kwasu cytrynowego oraz transport elektronów i chemiosmoza. W komórkach eukariotycznych pierwszy etap zachodzi w cytosolu, a pozostałe trzy w mitochondriach.

1. GLIKOLIZA Glikoliza to rozpad glukozy na 2 cząsteczki pirogronianu. Może zachodzid zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Przebiega ona w cytosolu, gdzie znajdują się niezbędne reagenty, takie jak ADP (adenozynodifosforan), NAD+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) i nieorganiczny fosforan. Szlak glikolityczny składa się z serii reakcji, z których każdą katalizuje specyficzny enzym. Glikolizę dzieli się umownie na dwie fazy: 

Faza inwestowania energii W dwóch oddzielnych reakcjach fosforylacji grupa fosforanowa przenosi się z ATP na cukier. Ufosforylowany cukier (fruktozo-1,6-bifosforan) jest mniej trwały i z udziałem odpowiedniego enzymu (aldolazy) rozpada się na dwie 3-węglowe cząsteczki: fosfodihydroksyaceton i aldehyd 3-fosfoglicerynowy (G3P). Fosfodihydroksyaceton pod wpływem enzymu izomerazy ulega przemianie w G3P. glukoza + 2 ATP → 2 G3P + 2 ADP



Faza zdobywania energii G3P utlenia się, oddając 2 elektrony (łącznie z protonami), bezpośrednio przechodzące na NAD +. Jako, że dwie cząsteczki G3P powstają z każdej cząsteczki glukozy, dwie cząsteczki NAD+ redukują się do NADH. W dwóch reakcjach prowadzących do powstawania pirogronianu grupa fosforanowa przechodzi z ufosforylowanych metabolitów pośrednich na ADP i powstaje ATP (fosforylacja substratowa). 2 G3P + 2 NAD+ + 4 ADP → 2 pirogronian + 2 NADH + 4 ATP

2. POWSTAWANIE ACETYLO-KOENZYMU A (reakcja pomostowa) W komórkach eukariontów cząsteczki pirogronianu powstałe podczas glikolizy dostają się do mitochondriów, gdzie tworzą acetylo-koenzym A (acetylo-CoA). W komórkach tlenowych prokariontów reakcja ta zachodzi w cotosolu. W tej serii reakcji pirogronian podlega dekarboksylacji oksydacyjnej. Najpierw od grupy karboksylowej odłącza się dwutlenek węgla, który dyfunduje poza komórkę, a pozostały fragment dwuwęglowy utlenia się w obecności NAD+. Powstaje grupa acetylowa, która łączy się z koenzymem A dając acetylo-CoA. 2 pirogronian + 2 NAD+ + 2 CoA → 2 acetylo-CoA + 2 NADH + 2 CO2

3. CYKL KWASU CYTRYNOWEGO Cykl kwasu cytrynowego nazywany jest również cyklem Krebsa lub cyklem kwasów trójkarboksylowych (TCA). Pierwsza reakcja cyklu jest związana z przeniesieniem dwuwęglowej grupy acetylowej z acetylo-CoA na czterowęglowy akceptor - szczawiooctan. W wyniku tego powstaje sześciowęglowy cytrynian. szczawiooctan (4C) + acetylo-CoA (2C) → cytrynian (6C) + CoA Cytrynian przechodzi ciąg reakcji, w których kosztem dwóch grup karboksylowych uwalniają się 2 CO2. Większośd energii wyzwolonej w reakcjach utleniania zostaje przeniesiona, wraz z elektronami na NAD+, dając NADH. Ponadto elektrony służą do redukcji FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy) do FADH2. W koocu każdego cyklu odtwarza się szczawiooctan, po czym cykl powtarza się. W cyklu Krebsa powstają 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2 i 2 ATP na każdą cząsteczkę glukozy (Ryc. 11).

4. TRANSPORT ELEKTRONÓW I CHEMIOSMOZA Zredukowane nukleotydy stanowią początek łaocucha transportu elektronów, w którym wysokoenergetyczne elektrony z atomów wodoru przenoszą się na kolejne akceptory w serii reakcji redoks. Przeliczając na jedną cząsteczkę glukozy, wcześniej powstały: 2 NADH podczas glikolizy, 2 NADH przy tworzeniu acetylo-koenzymu A oraz 6 NADH i 2 FADH2 w trakcie cyklu Krebsa. Łaocuch transportu elektronów zawiera serie przenośników wbudowanych w wewnętrzną błonę mitochondrialną komórek eukariotycznych. Każdy przenośnik może występowad w formie utlenionej lub zredukowanej. Elektrony przechodzą na coraz niższe poziomy energetyczne w miarę transportu przez cztery kompleksy łaocucha. Elektrony przekazywane w tym łaocuchu są dośd bogate w energię, którą jednak stopniowo tracą w miarę transportu przez kolejne przenośniki. Koocowym akceptorem jest tlen i jest on niezbędny dla wszystkich organizmów bezwzględnie aerobowych. W przypadku braku tlenu, ostatni cytochrom w łaocuchu (Ryc. 8) zostanie nasycony elektronami (zredukowany), wskutek czego każdy poprzedni przenośnik również pozostanie nimi nasycony, co zablokuje cały łaocuch począwszy od NADH.

Ryc. 8 Ogólny schemat łaocucha transportu elektronów

Synteza ATP (reakcja endoergiczna), polegająca na fosforylacji ADP, jest sprzężona z egzoergicznymi reakcjami redoks w łaocuchu transportu elektronów. Z tego względu nazywana jest fosforylacją oksydacyjną.

Ryc. 9 Syntaza ATP - zdjęcie zrobione za pomocą mikroskopu AFM

Sprzężenie syntezy ATP z transportem elektronów w oddychaniu tlenowym tłumaczy model chemiosmotyczny, zaproponowany przez Peter’a Mitchell’a w 1961 roku. Transport elektronów sprawia, że powstaje gradient stężenia protonów - częśd energii uwalnianej podczas tego transportu służy do przenoszenia protonów (H+) przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni między błonami, co sprawia że wewnętrzna błona mitochondrialna oddziela przestrzeo o wysokim stężeniu protonów (przestrzeo międzybłonowa) od przestrzeni o niskim stężeniu protonów (matriks). W transporcie protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną uczestniczą trzy spośród czterech kompleksów białkowych: I, III i IV. Gradient protonów jest formą energii potencjalnej, która może posłużyd do syntezy ATP. Dyfuzja protonów w odwrotnym kierunku (z przestrzeni międzybłonowej do matriks) ogranicza się do specyficznych kanałów utworzonych przez piąty kompleks enzymatyczny syntazę ATP. Wystaje ona częściowo nad powietrznię wewnętrznej błony mitochondrialnej od strony matriks. Przebiegająca zgodnie z gradientem stężenia dyfuzja protonów przez syntazę ATP jest egzoergiczna. Proces ten dostarcza energii do fosforylacji ADP do ATP. Syntaza ATP pracuje jak wysoce wydajny molekularny motor. Podczas syntezy ATP z ADP i nieorganicznego fosforanu obraca się centralna częśd syntazy ATP, przypuszczalnie na skutek ruchu protonów przez ten enzym. Rotacja ta tak zmienia konformację podjednostek katalitycznych, by umożliwid syntezę ATP.

Utlenienie jednej cząsteczki NADH w łaocuchu transportu elektronów wiąże się z powstaniem do 3 cząsteczek ATP. W obliczeniach trzeba wziąd pod uwagę to, że NADH powstałe w glikolizie może wygenerowad 2 lub 3 cząsteczki ATP. Wynika to stąd, że komórki eukariotyczne wydatkują częśd energii na transport powstałego w glikolizie NADH z cytosolu do macierzy mitochondrialnej przez błonę mitochondriów. Komórki prokariotyczne nie zawierają mitochondriów (u większości komórek bakterii i archeabakterii wszystkie reakcje zachodzą w cytosolu i błonie komórkowej), więc nie muszą zużywad energii na przenoszenie cząsteczek NADH do innego przedziału. Utlenienie każdej cząsteczki FADH2 jest związane z powstaniem 2 cząsteczek ATP. Ryc. 10 przedstawia wszystkie najważniejsze obliczenia wydajności energetycznej całkowitego utleniania glukozy w oddychaniu tlenowym, natomiast Ryc. 11 krótko podsumowuje przebieg kolejnych etapów oddychania tlenowego.

Całkowite utlenienie jednej cząsteczki glukozy prowadzi do powstania najwyżej 36-38 cząsteczek ATP (2 w glikolizie, 2 w cyklu kwasu Krebsa i 32-34 w łaocuchu transportu elektronów i chemiosmozie).

Ryc. 10 Wydajnośd energetyczna całkowitego utlenienia glukozy w oddychaniu tlenowym

Ryc. 11 Główne etapy oddychania tlenowego

Wiele istot żywych, łącznie z człowiekiem, jest uzależnionych od energii zgromadzonej w innych niż glukoza składnikach pokarmowych. Aminokwasy ulegają deaminacji (tracą grupę aminową), a ich szkielety węglowe ulegają przemianie w metabolity pośrednie oddychania tlenowego. Tłuszcze są bogate w energię, gdyż są w dużym stopniu zredukowane. Całkowite utlenienie sześciowęglowego kwasu tłuszczowego daje do 44 cząsteczek ATP. Oba składniki tłuszczu (glicerol i kwasy tłuszczowe) są wykorzystywane w oddychaniu tlenowym. Do glicerolu dołącza się fosforan, a powstały związek ulega przemianie w G3P albo inny związek chemiczny włączający się do glikolizy. Kwasy tłuszczowe ulegają enzymatycznemu utlenianiu do dwuwęglowych grup acetylowych związanych z koenzymem A. Proces ten zachodzi w matriks i jest nazywany β-oksydacją. Powstałe w ten sposób acetylo-CoA mogą włączyd się w cykl Krebsa.

Henryk Skrętny

PIŚMIENNICTWO 1. Solomon Eldra P., Berg Linda R., Martin Diana W., 2009, Biologia Villee 2009, Multico, Warszawa 2. Jerzy Duszyoski, Krystyna Grykiel, Lilla Hryniewiecka, Artur Jarmołowski, 2003, Biologia tom 1, PWN, Warszawa 3. Grzegorek Janina, Jerzmanowski Andrzej, Staroo Krzysztof, 2003, Biologia częśd 1 tom 1, WSiP, Warszawa 4. Holak E., Lewioski W., Łaszczyca M., Skirmuntt G., Walkiewicz J., 2009, Biologia 1, Operon, Warszawa 5. Witold Mizerski, Beata Bednarczuk, Roman Mizerski, Iwona Mizerska, 2008, Tablice biologiczne, Adamantan, Warszawa