В каких клетках содержится больше митохондрий

Как бороться с нехваткой энергии? 

Задумывались ли Вы, откуда берётся в нашем организме энергия? Буквально? Углеводы, жиры, в меньшей степени белки — всё это лишь нутриенты, топливо, но каким образом они конвертируются в ту самую энергию, что позволяет организму функционировать и двигаться?

Главным источником энергии любой клетки являются молекулы ATФ(аденозинтрифосфорной кислоты), и в цитоплазме клетки среднего размера их одновременно может находиться около миллиарда. Для получения энергии, необходимой как для поддержания жизнедеятельности самой клетки, так и для выполнения ее функций (к примеру, нервной — проведения импульса, мышечной — сокращения, и т.д.), специальный фермент отщепляет концевой фосфат с выделением энергии, превращая АТФ в АДФ (аденозиндифосфат).

А вот за обратное превращение АДФ в АТФ, уже с затратой энергии, в человеческом теле отвечают митохондрии, крошечные органеллы, находящиеся внутри клеток. Только в них, словно в энергостанциях, «сжигаются» при помощи кислорода углеводы и жирные кислоты, выделяя необходимую для этого превращения энергию. Имеющаяся в настоящее время теория гласит, что митохондрии являются потомками аэробных бактерий, которые колонизировали древних одноклеточных, что явилось необходимой предпосылкой для эволюции многоклеточных организмов.

Чем выше активность клетки, тем больше ей нужно АТФ, тем активнее работают в ней митохондрии, и тем больше их там находится. В каждой клетке есть свои митохондрии, и они вырабатывают энергию только для одной этой клетки. К слову, наибольшее их количество содержится в клетках печени и мозга.

Как многим известно, в нарушении работы клетки существенную роль играют свободные радикалы, и основной их объём, к сожалению, в организме производится митохондриями в процессе производства ими энергии. Именно окислительное повреждение митохондрий, в том числе их ДНК, признаётся одним из основных факторов старения и сопровождающих его дегенеративных болезней, таких как рак, сердечно-сосудистые заболевания, болезни иммунной системы, дисфункции ЦНС, катаракта и ряд других.

Что же нужно для того, чтобы наши митохондрии работали исправно и обеспечивали нас достаточным количеством энергии? 

Ведь именно от эффективной работы клеточных митохондрий зависит как клеточный метаболизм, так и состояние организма в целом, а сами клеточные компоненты чувствительны как к внешнему воздействию окружающей среды, так и к психоэмоциональному воздействию со стороны самого человека.

Прежде всего — кислород. Представьте, что митохондрии — это маленькие двигатели, которым для работы жизненно необходим свежий воздух. Почему люди обычно устают от продолжительной работы в офисе? В положении «сидя» наше дыхание становится поверхностным, а главные герои этой статьи — митохондрии, перестают получать кислород в достаточном объёме. До сих пор ведёте сидячий образ жизни? Любите после целого дня в офисе посидеть ещё и дома на диване? Надеюсь, что это не так, ведь лишний раз прогуляться, и лучше всего где-нибудь в парке или на берегу реки, никому и никогда ещё не повредило.

Физическая активность. В данном случае речь даже не о занятиях в спортзале, ведь чрезмерные физические нагрузки, напротив, увеличивают производство свободных радикалов. А вот одной обычной часовой прогулки в день уже достаточно для того, чтобы активизировать биогенез, а, следовательно, и производство новых митохондрий.

Контроль потребляемых калорий. Как недостаток питательных веществ (витаминов, минералов и других метаболитов) может привести к митохондриальной дисфункции, так и избыток нутриентов при недостаточной физической активности является широко распространённой причиной множества заболеваний, в том числе и возникновения митохондриальных повреждений.

Предпочтительные источники энергии митохондрий

Мы знаем, что митохондрии получают энергию из углеводов, жиров и белков. Но на 1 единицу сахара митохондрия произведёт 2 единицы энергии (АТФ), а на единицу жира — 32! Всё ещё спасаетесь от усталости кофе с сиропом или Energy Bar-ами на основе углеводов? Подумайте вместо этого о жирной рыбе, оливковом масле, авокадо или даже о качественном стейке из красного мяса. Кстати, красное мясо — признанный источник железа, а именно недостаток железа является главным посредником в развитии общего груза заболеваний, затрагивающих приблизительно 2 миллиарда людей, преимущественно женщин и детей. Железодефицитная анемия — это наиболее распространённый тип дефицита питательных веществ, а ведь низкий статус содержания железа, помимо всего прочего, снижает активность митохондрий.

Поскольку главной причиной мотохондриальной дисфункции является образование реактивной формы кислорода и накопление митохондриальных повреждений, логично использовать антиоксидантную терапию как стратегию выживания для предотвращения патогенеза. Если Вы живёте в неблагоприятном регионе, или переживаете особенно напряжённый период в жизни (проводите много времени в переездах, не можете правильно питаться и посвящать достаточно времени на восстановление собственных сил), то вот рекомендуемые добавки, которые помогут работе митохондрий, а, следовательно, увеличат Вашу продуктивность и стрессоустойчивость:

• L-карнитин — способствует проникновению через мембраны митохондрий и расщеплению длинноцепочных жирных кислот, за счёт чего оказывает анаболическое, антигипоксическое и антитиреоидное действие, активирует жировой обмен, стимулирует регенерацию, повышает аппетит, а также мобилизует жир из жировых депо; 
• Кофермент Q10 — увеличивает эффективность работы митохондрий, обеспечивает большим количеством энергии клетки сердца и может стать надеждой для миллионов людей с сердечными заболеваниями; 
• N-ацетилцистеин — являясь в первую очередь муколитическим средством, облегчающим отхождение мокроты при заболеваниях органов дыхания, в то же время оказывает значительное антиоксидантное действие, подавляет образование свободных радикалов и реактивных метаболитов кислорода, а также способствует синтезу глутатиона, важного компонента антиокислительной системы и химической детоксикации организма; 
• Магний — восстанавливает повреждённые митохондрии и служит для создания новых. Недостаток магния приводит к нарушениям в балансе энергии и мозговой возбудимости; 
• Витамины B12 и B6 — их недостаток способен вызвать неврологические проблемы, а если ещё и митохондрии работают неэффективно, то дефицит этих витаминов снижает порог для возникновения проблем по неврологии. 

При современном образе жизни мы все в той иди иной степени зачастую находимся в условиях физического и эмоционального стресса, поэтому даже незначительная помощь митохондриям будет очень и очень кстати.

Представленная в данной статье информация не может служить заменой врачебной консультации.

Именно такая аналогия приходит, когда познакомишься с этим органоидом. Он явно на особом положении в клетке. Почему? Будем разбираться.

Итак, чем митохондрии отличаются от прочих органоидов?

1. Граница

Граница-мембрана есть у многих органоидов клетки, но у митохондрий она ещё и двойная, состоящая изнаружнойивнутренней мембран. Усиленный белково-фосфолипидный слой вокруг этой структуры уже сам по себе кое на что намекает. Намекает как минимум на повышенное “стремление” к независимости и обособленности. Внутренняя мембрана митохондрии имеет особые впячиваяния – кристы, по которым этот органоид легко опознаётся, в том числе и школьниками на государственных итоговых экзаменах по биологии 😉

Микрофотография митохондрии, на которой хорошо видны впячивания внутренней мембраны – кристы. Источник фото: Свенсон К., Уэбстер П. Клетка. – М.: Мир, 1980.

2. Собственные органы власти

Как известно, главной молекулой клетки, которая руководит всеми процессами, является ДНК, расположенная в ядре. Как она приобрела могущество и власть? Да точно так же, как приобретают власть в принципе – с помощью информации. “Кто владеет информацией, тот владеет миром” (не мной сказано). Так вот, именно в ДНК записана информация о каждом белке клетки и даже всего организма. А белки – это: а) основа для построения любой биоконструкции, от органоида до Биосферы; б) активные вещества (ферменты и гормоны), регулирующие функционирование этих биологических конструкций. Таким образом, кто владеет информацией о белках клетки, тот владеет клеткой. Клеткой, да не всей…

Митохондрии дела нет до указаний ядерной ДНК. Она их попросту игнорирует. Может себе это позволить, потому как имеет собственную молекулу ДНК – митохондриальную ДНК, содержащую информацию обо всех белках, создающих данный органоид

Внутреннее строение митохондрии

3. Собственная логистика и инфраструктура

Усиленная граница есть, руководящий центр есть. Разве этого не достаточно для независимости? Судите сами – всё это есть и у клеточного ядра, но почему-то оно не может похвастаться автономностью и без органоидов цитоплазмы обречено на гибель, так как самостоятельно не получает энергию, не растёт и не размножается. А митохондрия вполне самодостаточна – в ней в полной мере протекают и пластический, и энергетический обмен, она способна к автономному росту и даже делению (именно так в клетке появляются новые митохондрии).

Как ей это удаётся? Да просто митохондрия имеет всё, что необходимо для существования даже и отдельной клетки, а не то, что её части. У неё есть свои собственные митохондриальные рибосомы, в которых производится собственный митохондриальный белок, а белок – это основа пластического обмена, ведь он – главный строительный материал. Вторая сторона обмена веществ – энергетический обмен – так же без проблем осуществляется в митохондрии. Ещё бы! Ведь она же и отвечает за него в клетке. Извлечение энергии из органических веществ и её запас в виде АТФ – функция митохондрии, и , как видим, сапожник без сапог не остаётся, не забывает и себя обеспечивать той же энергией!

Митохондрии абсолютно независимо от остальной клетки появляются на свет (путём деления материнской митохондрии), строят себя и растут, получают и пользуются энергией. Одним словом – живут и дают жизнь новым митохондриям. Очень похоже на государство в государстве, на организм в организме. И не просто похоже, это именно так и есть. Ведь по мнению учёных митохондрии когда-то действительно были самостоятельными одноклеточными организмами. Судя по форме ДНК (кольцевая) и наличию крист-впячиваний внутренней мембраны, они были прокариотами, то есть доядерными организмами, по сути – бактериями. На схеме ниже – строение бактерии и митохондрии. Сравните сами и, что называется, попробуйте найти отличия:

Чем не обыкновенная бактерия? Да, бактерия, только вот совсем не обыкновенная, а способная благодаря ей одной известному ноу-хау производить энергии в 19 раз больше (!), чем все прочие пионеры жизни, бултыхающиеся рядом в первичном бульоне. Но эта энергичная умница не избежала-таки участи быть поглощённой-съеденной более крупным существом – одноклеточным эукариотом (ядерным организмом). Бактерию-митохондрию ожидала печально-банальная участь быть расщеплённой на отдельные молекулы ферментами лизосомы(пищеварительной вакуоли) эукариота. Но эукариот оказался сообразителен эволюционно продвинут, а может быть не обошлось и без штучек самой митохондрии, которая продолжала что есть мочи синтезировать АТФ, да ещё и поделилась этим источником энергии с эукариотом. Так или иначе, но хозяин оценил преимущества от приобретения в штат своих органоидов высоко энергоэффективной структуры в обмен на однократный пропуск очередного приёма пищи, а митохондрия получила “крышу” и относительную гарантию спокойствия и стабильности. Удалось ей так же, как видим, сохранить и часть своей независимости. В общем, не прогадала!

Если вас заинтересовал этот органоид клетки, то заглядывайте на мой канал. В планах рассказ о том, от кого мы получаем свою митохондриальную ДНК, чем митохондриальная ДНК интересна генетикам, антропологам, эволюционистам, систематикам и кто такая митохондриальная Ева.

Использованные в тексте биологические термины:

Мембрана – оболочка на границе органоида или клетки

Кристы – впячивания мембраны

Митохондриальная ДНК – ДНК, содержащаяся в митохондрии, содержащая отличный от ядерной ДНК набор генов

Рибосома – органоид клетки, функция которого – синтез белков

Пластический обмен – одна из сторон обмена веществ, цель которой построение биологических систем

Энергетический обмен – одна из сторон обмена веществ, цель которой получение энергии

Прокариоты = доядерные – самые первые на Земле организмы, у которых не было ядра, их ДНК свободно плавала в цитоплазме

Эукариоты = ядерные – организмы, эволюционно образовавшиеся из прокариотов, имеющие оформленное ядро, защищающее ДНК

Лизосома – органоид клетки, функции которого пищеварение или уничтожение клеточного мусора

Функции митохондрий

Основная функция митохондрий заключается в том, чтобы метаболизировать и расщеплять углеводы и жирные кислоты для выработки энергии. Эукариотические клетки используют энергию в форме химической молекулы, называемой АТФ (аденозинтрифосфат).

Генерация АТФ происходит в митохондриальном матриксе, но начальные этапы углеводного (глюкозного) метаболизма происходят вне органелл. Согласно второму изданию Джеффри Купера «The Cell: A Molecular Approach», глюкоза сначала превращается в пируват, а затем транспортируется в матрикс. С другой стороны, жирные кислоты попадают в митохондрии как есть.

Если упростить, то можно описать синтез АТФ в три связанных этапа:

1. Используя ферменты, присутствующие в матриксе, пируват и жирные кислоты превращаются в молекулу, известную как ацетил-КоА;
2. Ацетил-КоА становится исходным материалом для второй химической реакции, известной как цикл лимонной кислоты или цикл Кребса. Этот шаг производит много углекислого газа и две дополнительные молекулы, НАДН и ФАД, которые богаты электронами;
3. НАДН и ФАД движутся к внутренней митохондриальной мембране и начинают третий этап: окислительное фосфорилирование. В этой последней химической реакции НАДН и ФАД отдают свои электроны кислороду, что приводит к условиям, подходящим для образования АТФ.

Однако роль «электростанции» — не единственная функция митохондрий. Кроме этого они выполняют:

• Сигнальные функции. Ацетилирование, ретроградный сигналинг, дифферецировка клеток;
• Функции синтеза. Синтез стероидов, гема и пуринов;
• Функции апоптоза и метаболизма кальция. Метаболизм кальция важен для передачи нервных импульсов и т.д.