V buněčné biologii je mitochondrie (množné číslo mitochondrie) (z řeckého mitos vlákno + khondrion granule) organelou, jejíž varianty se nacházejí ve většině eukaryotických buněk. Mitochondrie jsou někdy označovány jako „buněčné elektrárny“, protože jejich hlavní funkcí je přeměna organických látek na energii ve formě ATP prostřednictvím procesu oxidativní fosforylace. V buňce jsou obvykle stovky nebo tisíce mitochondrií, které mohou zabírat až 25 % cytoplazmy buňky. Mitochondrie mají vlastní DNA a podle endosymbiotické teorie mohly pocházet z volně žijících prokaryot, která byla blízce příbuzná bakteriím rickettsia.
Struktura typické mitochondrie
Mitochondrie obsahuje vnější a vnitřní membránu složenou z fosfolipidových dvojvrstev posetých proteiny, podobně jako typická buněčná membrána, z níž se pravděpodobně vyvinula. Obě membrány však mají velmi odlišné vlastnosti.
Vnější mitochondriální membrána, která uzavírá celou organelu, obsahuje četné integrální proteiny zvané poriny, které obsahují poměrně velký vnitřní kanál (asi 2-3 nm), který je propustný pro všechny molekuly o velikosti 5000 daltonů nebo méně . Větší molekuly mohou procházet vnější membránou pouze aktivním transportem. Vnější mitochondriální membrána se skládá asi z 50 % hmotnosti z fosfolipidů a obsahuje řadu enzymů, které se podílejí na tak rozmanitých činnostech, jako je prodlužování mastných kyselin, oxidace epinefrinu (adrenalinu) a rozklad tryptofanu.
Vnitřní membrána obsahuje bílkoviny se třemi typy funkcí:
Obsahuje více než 100 různých polypeptidů a má velmi vysoký poměr bílkovin a fosfolipidů (více než 3:1 na hmotnost, což je přibližně 1 bílkovina na 15 fosfolipidů). Vnitřní membrána je navíc bohatá na neobvyklý fosfolipid, kardiolipin, který je obvykle charakteristický pro bakteriální plazmatické membrány. Na rozdíl od vnější membrány neobsahuje vnitřní membrána poriny a je vysoce nepropustná; téměř všechny ionty a molekuly potřebují ke vstupu do matrice nebo výstupu z ní speciální membránové přenašeče. Kromě toho existuje přes vnitřní membránu membránový potenciál.
Struktura mitochondrie: 1) Vnitřní membrána 2) Vnější membrána 3) Krista 4) Matrix
Matrix je prostor uzavřený vnitřní membránou. Matrix obsahuje vysoce koncentrovanou směs stovek enzymů, kromě speciálních mitochondriálních ribozomů, tRNA a několika kopií mitochondriálního genomu DNA. Z enzymů patří mezi hlavní funkce oxidace pyruvátu a mastných kyselin a cyklus kyseliny citronové.
Mitochondrie tedy mají vlastní genetický materiál a zařízení na výrobu vlastních RNA a proteinů. (Viz syntéza proteinů). Tato nechromozomální DNA kóduje malý počet mitochondriálních peptidů (u člověka 13), které jsou integrovány do vnitřní mitochondriální membrány spolu s polypeptidy kódovanými geny, které se nacházejí v jádře hostitelské buňky.
Vnitřní mitochondriální membrána je složena do četných kryst (viz schéma výše), které zvětšují povrch vnitřní mitochondriální membrány a zvyšují její schopnost vytvářet ATP. Například u typických jaterních mitochondrií je povrchová plocha, včetně kryst, přibližně pětkrát větší než povrchová plocha vnější membrány. Mitochondrie buněk, které mají větší nároky na ATP, jako jsou svalové buňky, obsahují ještě více krist než typické jaterní mitochondrie.
Přestože primární funkcí mitochondrií je přeměna organických látek na buněčnou energii ve formě ATP, hrají mitochondrie důležitou roli v mnoha metabolických úkolech, např. v:
Některé mitochondriální funkce se vyskytují pouze v určitých typech buněk. Například mitochondrie v jaterních buňkách obsahují enzymy, které jim umožňují detoxikovat amoniak, odpadní produkt metabolismu bílkovin. Mutace v genech regulujících některou z těchto funkcí může vést k různým mitochondriálním onemocněním.
Jak bylo uvedeno výše, hlavní funkcí mitochondrií je produkce ATP. K tomu dochází metabolizací hlavních produktů glykolýzy: pyruvátu a NADH (glykolýza probíhá mimo mitochondrie, v cytosolu hostitelské buňky). Tento metabolismus může probíhat dvěma velmi odlišnými způsoby v závislosti na typu buňky a přítomnosti či nepřítomnosti kyslíku.
Pyruvát: cyklus kyseliny citronové
Každá molekula pyruvátu vzniklá glykolýzou je aktivně transportována přes vnitřní mitochondriální membránu do matrix, kde se spojuje s koenzymem A za vzniku acetyl CoA. Po vytvoření je acetyl CoA veden do cyklu kyseliny citronové , známého také jako cyklus kyseliny trikarboxylové (TCA) nebo Krebsův cyklus. Při tomto procesu vznikají 3 molekuly NADH a 1 molekula FADH2 , které se dále účastní elektronového transportního řetězce.
S výjimkou sukcinátdehydrogenázy, která je vázána na vnitřní mitochondriální membránu, jsou všechny enzymy cyklu kyseliny citronové rozpuštěny v mitochondriální matrix.
NADH a FADH2: elektronový transportní řetězec
Tato energie z NADH a FADH2 se v několika krocích přenáší na kyslík (O2) prostřednictvím řetězce přenosu elektronů. Proteinové komplexy ve vnitřní membráně (NADH dehydrogenáza, cytochrom c reduktáza, cytochrom c oxidáza), které tento přenos provádějí, využívají uvolněnou energii k čerpání protonů (H+) proti gradientu (koncentrace protonů v mezimembránovém prostoru je vyšší než v matrici). Ačkoli tento proces probíhá s velkou účinností, malé procento elektronů může předčasně uniknout na kyslík a vytvořit toxický volný radikál superoxid (o němž se předpokládá, že přispívá k celé řadě onemocnění, včetně možného stárnutí).
S rostoucí koncentrací protonů v mezimembránovém prostoru vzniká silný koncentrační gradient. Hlavní výstup těchto protonů je přes komplex ATP syntázy. Transportem protonů z mezimembránového prostoru zpět do matrix může komplex ATP syntázy vytvářet ATP z ADP a anorganického fosfátu (Pi). Tento proces se nazývá chemiosmóza a je příkladem usnadněné difuze. Peter Mitchell získal v roce 1978 Nobelovu cenu za chemii za svou práci o chemiosmóze. Později byla část Nobelovy ceny za chemii v roce 1997 udělena Paulu D. Boyerovi a Johnu E. Walkerovi za objasnění mechanismu fungování ATP syntázy.
Za určitých podmínek mohou protony opětovně vstoupit do mitochondriální matrix, aniž by se podílely na syntéze ATP. Tento proces, známý jako proton leak nebo mitochondriální uncoupling, vede k uvolnění nevyužité energie ve formě tepla. Tento mechanismus metabolické tvorby tepla se uplatňuje především ve specializovaných tkáních, jako je „hnědý tuk“ novorozených nebo hibernujících savců, který má hnědou barvu díky vysokému obsahu mitochondrií.
Rozmnožování a dědičnost genů
Mitochondrie replikují svou DNA a dělí se především v závislosti na energetických potřebách buňky, jinými slovy jejich růst a dělení není spojeno s buněčným cyklem. Když jsou energetické potřeby buňky vysoké, mitochondrie rostou a dělí se. Když je spotřeba energie nízká, mitochondrie jsou zničeny nebo se stávají neaktivními. Při dělení buňky jsou mitochondrie rozděleny do dceřiných buněk víceméně náhodně během dělení cytoplazmy. Mitochondrie se dělí binárním dělením podobně jako bakteriální buňky. Na rozdíl od bakterií se však mitochondrie mohou spojovat i s jinými mitochondriemi. Někdy se nové mitochondrie syntetizují v centrech, která jsou bohatá na bílkoviny a k jejich syntéze jsou zapotřebí polysomy.
Mitochondriální geny se nedědí stejným mechanismem jako geny jaderné. Při oplození vajíčka spermií se jádro vajíčka a jádro spermie podílejí stejnou měrou na genetické výbavě jádra zygoty. Naproti tomu mitochondrie, a tedy i mitochondriální DNA, obvykle pochází pouze z vajíčka. Při oplození se do vajíčka dostane jediná spermie spolu s mitochondriemi, které využívá k zajištění energie potřebné pro své plavecké chování. Mitochondrie poskytnuté spermií jsou však velmi brzy po vstupu do vajíčka určeny k destrukci. Samotné vajíčko obsahuje relativně málo mitochondrií, ale právě tyto mitochondrie přežívají a dělí se, aby osídlily buňky dospělého organismu. To znamená, že mitochondrie se ve většině případů dědí po ženské linii.
Tato dědičnost mitochondriální DNA po matce se vyskytuje u většiny organismů, včetně všech živočichů. U některých druhů se však mitochondrie někdy dědí i prostřednictvím otce. To je normou u některých jehličnatých rostlin (i když ne u borovic a tisů). Předpokládá se, že se ve velmi nízké míře vyskytuje i u lidí.
Uniparentální dědičnost znamená, že existuje jen malá možnost genetické rekombinace mezi různými liniemi mitochondrií. Z tohoto důvodu se mitochondriální DNA obvykle považuje za klonálně se množící. Existuje však několik tvrzení o rekombinaci v mitochondriální DNA, nejvíce kontroverzních u lidí. Pokud k rekombinaci nedochází, představuje celá sekvence mitochondriální DNA jediný haplotyp, což ji činí užitečnou pro studium evoluční historie populací.
Mitochondriální genomy mají mnohem méně genů než příbuzné eubakterie, o nichž se předpokládá, že z nich pocházejí. Ačkoli některé z nich byly zcela ztraceny, zdá se, že mnohé byly přeneseny do jádra. Předpokládá se, že to bylo v průběhu evoluce poměrně běžné. Několik organismů, například Cryptosporidium, má skutečně mitochondrie, které postrádají jakoukoli DNA, pravděpodobně proto, že všechny jejich geny byly buď ztraceny, nebo přeneseny.
Předpokládá se, že uniparentální dědičnost mitochondrií vede k vnitrogenomovým konfliktům, jako je tomu například u drobných mutantních mitochondrií některých druhů kvasinek. Je možné, že evoluce oddělených samčích a samičích pohlaví je mechanismem, jak tento konflikt organel vyřešit.
Použití v populačních genetických studiích
Hlavní článek: mitochondriální genetika
Vzhledem k tomu, že mitochondrie obsahují ribozomy a DNA a vznikají pouze dělením jiných mitochondrií, je obecně přijímáno, že původně vznikly z endosymbiotických prokaryot. Studie mitochondriální DNA, která je často kruhová a používá variantní genetický kód, ukazují, že jejich předek, tzv. proto-mitochondrie, byl členem proteobakterií . Zejména pramitochondrie byla pravděpodobně příbuzná rickettsiím, i když přesné postavení předka mitochondrií mezi alfa-proteobakteriemi zůstává sporné. Endosymbiotická hypotéza předpokládá, že mitochondrie vzešly ze specializovaných bakterií (pravděpodobně purpurových nesirných bakterií), které nějakým způsobem přežily endocytózu jiným druhem prokaryota nebo jiným typem buňky a začlenily se do cytoplazmy. Schopnost symbiontních bakterií provádět buněčné dýchání v hostitelských buňkách, které se spoléhaly na glykolýzu a kvašení, by jim poskytla značnou evoluční výhodu. Podobně by výhodu měly i hostitelské buňky se symbiotickými bakteriemi schopnými fotosyntézy. V obou případech by se výrazně rozšířil počet prostředí, v nichž by buňky mohly přežít.
Tento vztah se vyvinul nejméně před 2 miliardami let a mitochondrie stále vykazují určité známky svého dávného původu. Mitochondriální ribozomy jsou typu 70S (bakteriální), na rozdíl od ribozomů 80S, které se nacházejí jinde v buňce. Stejně jako u prokaryot je zde velmi vysoký podíl kódující DNA a absence opakování. Mitochondriální geny jsou přepisovány jako multigenní transkripty, které jsou štěpeny a polyadenylovány, aby vznikla zralá mRNA. Na rozdíl od svých jaderných příbuzných jsou mitochondriální geny malé, obvykle postrádají introny a mnoho chromozomů je kruhových, což odpovídá bakteriálnímu vzoru.
Několik skupin jednobuněčných eukaryot nemá mitochondrie: mikrosporidie, metamonády a archamoeby. Na stromech rRNA se tyto skupiny jevily jako nejprimitivnější eukaryota, což naznačovalo, že se objevily před vznikem mitochondrií, ale dnes je známo, že jde o artefakt přitažlivosti dlouhých větví – jsou to zřejmě odvozené skupiny a zachovávají si geny nebo organely odvozené od mitochondrií (např. mitosomy a hydrogenosomy). Zdá se tedy, že neexistují žádná primitivně amitochondriální eukaryota, a tak původ mitochondrií mohl hrát rozhodující roli ve vývoji eukaryotických buněk.