Зачем нам митохондрии? [Clockwork]
[музыка] Похоже, из биологии пришло не так уж много мемов, но кое-что без запинки. От тарабанит любой школьник. Например, в какой бы точке мира вы не оказались, стоит только спросить про митохондрии, вам наперебой бросится рассказывать, что митохондрия — это энергетическая станция клетки. Как всем, кто проходит РС биологии, митохондрии снабжают нас всей необходимой энергией. Они извлекают её из пищи в ходе процесса, известного как клеточное дыхание.
И это досадно, потому что митохондрии заняты далеко не только этим. Они создают компоненты ДНК, восстанавливают повреждённые клетки и наводят в них порядок, перерабатывая молекулярный мусор. Митохондрии — это маленькие прокариотические самородки, в которых происходят невероятные превращения. Я расскажу вам о них и покажу, что митохондрия — это гораздо больше, чем клеточная электростанция. [музыка]
Если кто-то подзабыл, давайте напомню: митохондрии относятся к органеллам, то есть структурам, из которых состоят почти все наши клетки, кроме эритроцитов. К слову, если хотите рассказать что-то любопытное о клеточной биологии, но боитесь опозориться, смело добавляйте за исключением эритроцитов — не ошибётесь. По сути, это просто мешочки с гемоглобином.
Настоящая магия начинается здесь, в складках внутренней митохондриальной мембраны. С этого момента мы будем называть ВММ. Именно здесь происходит самое интересное, и именно она даёт митохондриям сверхспособности. Складки и морщинки значительно увеличивают площадь поверхности ВММ, а значит, появляется больше места для сложных химических процессов. Если вы вспомнили моё видео про хлоропласты и фотосинтез, поздравляю! Они действительно похожи.
Важнейшие для жизни клетки биологические процессы часто протекают там, где под мембраной есть мембраны. Большинство их функций связано с работой белков и комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану. Тысячи учёных посвятили свою жизнь изучению этого микробиома, и нам предстоит узнать о нём ещё очень многое. Но для начала давайте попробуем разобраться, как митохондрии используют все эти многочисленные структуры.
Начну с того, что поразило меня сильнее всего: митохондрии — это важнейший центр производства молекулярных кирпичиков. Для меня митохондрия ассоциируется с разрушением. Я сразу думаю о том, как молекулы сахара расщепляются, и в процессе клеточного дыхания или катаболизма передают свою энергию АТФ. Но в митохондриях происходит и сборка важнейших клеточных компонентов. Вряд ли кто-то ещё не знает, что наши клетки считывают информацию ДНК, чтобы понять, в каком порядке соединять строительные блоки — аминокислоты.
Но где делаются буквы для этих инструкций? В митохондриях, конечно! Основные компоненты нуклеотидов, из которых состоит ДНК, формируются в митохондриальном матриксе. Тетрагидрофолиевая и различные соединения, которые превращаются в нуклеотиды, высвобождаются обратно в цитоплазму. Кстати, знаете что? Забавно, я уже довольно долго снимаю ролики для этого YouTube канала и назвал я его шоу «О биохимии», но только здесь, в этом коротеньком эпизоде, дошёл до настоящей анимации путей биохимического превращения.
Ну и что поделать, так уж вышло. В то же время белки, благодаря которым мы с вами живые, построены из аминокислот. Многие из них производятся прямо здесь, в митохондриальном матриксе. Важное соединение под названием глутамат переносится через ВММ с помощью мембранного белка, где трансформируется в пролин, аланин, глутамин (не путать с глутоматом) и всякие предшественники других аминокислот.
А вот моя любимая часть — это заключительные реакции синтеза гема, приводящие к образованию гем-группы и гемоглобина, которые транспортируют кислород по всему организму. В самом конце этого процесса к группе гема прикрепляется атом железа, и он высвобождается в виде гемоглобина, который включается в состав эритроцитов. Интересно отметить, что начинается синтез гема тоже внутри митохондрий.
Но в подробности вдаваться не будем. Честно говоря, синтез гема — это очень увлекательный процесс, который заслуживает отдельного видео. Здесь изображён лишь его заключительный шаг, но стоит сказать, что два этапа этого синтеза происходят внутри митохондрий, а здесь вы видите лишь последнее превращение.
И всё. Это только крохотная часть происходящих в митохондриях процессов биосинтеза, но ещё удивительнее, как митохондрии очищают наши клетки от молекулярного мусора. Нет, серьёзно! Митохондрии — это основной клеточный центр переработки и удаления отходов. Многие химические реакции, которые происходят у нас в организме, приводят к образованию различных побочных продуктов, требующих утилизации.
На макроуровне отходы выводятся из организма двумя хорошо известными путями. Однако процесс расщепления на биохимическом уровне начинается именно в митохондриях, не всех отходов, но определённо некоторых наиболее важных. В первую очередь таких, как аммиак. Аммиак образуется в результате расщепления аминокислот и азотистых оснований, то есть в ходе нормального обмена веществ, особенно белкового обмена.
Стоит отметить, что большая часть амиака в нашем организме вырабатывается бактериями в кишечнике — микробиом. Но об этом мы поговорим потом в каком-нибудь другом видео. Аммиак — опасный токсин, чтобы успел навредить организму. Сперва он преобразуется в нечто менее опасное. Первый шаг преобразования идёт под действием ферментов в матриксе митохондрий.
Аммиак превращается в цитрулиновую, расщепить его помогает масса встроенных белков на ВММ. Здесь вы видите только половину процесса. В конечном итоге сероводород расщепляется полностью, но опять же на полный обзор в этом видео у нас совсем нет времени. Однако отметим ещё один любопытный момент: сероводород — это H2S. При его расщеплении освобождаются два ядра водорода, то есть два протона, благодаря которым пополняется их концентрация снаружи ВММ, что, в свою очередь, помогает работе АТФ-синтазы на конечной стадии клеточного дыхания.
Так что утилизация отходов, несомненно, весьма полезная функция. Однако главный из всего многообразия происходящих в митохондриях процессов — это то самое банальное снабжение клетки энергией. Возможно, вы знаете про метаболизм глюкозы в митохондриях, но это лишь один из типов клеточного дыхания.
При нём для получения энергии используется глюкоза, кислород и вода. Но глюкоза — это сахар, основной источник энергии. А мы питаемся не только им. В нашей пище есть ещё белки и жиры, и из них мы тоже добываем энергию. Но как же это происходит? Точно за счёт химических преобразований, которые происходят в окружённом ВММ митохондриальном матриксе.
Жиры из пищи расщепляются на жирные кислоты, богатые энергией углеродные цепочки, которые, попав внутрь митохондрий, теряют электроны и при переработке превращаются в Ацетил-КоА. Ацетил-КоА участвует в огромном количестве метаболических реакций и, конечно же, заслуживает отдельного видео. Как только жиры превращаются в Ацетил-КоА, они становятся топливом для цикла Кребса — он же цикл трикарбоновых кислот, он же цитратный цикл.
Выбирайте любое название. В то же время белок, который мы съедаем, расщепляется на аминокислоты. Некоторые из них, например, глутамин, лейцин, изолейцин и валин, перерабатываются в матриксе митохондрий. Глутамин — это, кстати, самая распространённая аминокислота, сразу же расщепляется на глутамат и аммиак, который митохондрии тут же и утилизируют.
Глутамат выступает прекурсором для множества биологически активных молекул и выполняет функции нейромедиатора в синапсах. Однако оказавшись внутри митохондрии, он вероятнее всего превратится в ещё один промежуточный продукт цикла Кребса — Альфа-кетоглутарат. А лейцин и изолейцин обычно перерабатываются и превращаются правильно в Ацетил-КоА. В ходе этих процессов высвобождаются электроны, питающие электрон транспортную цепь и АТФ-синтазу, которая производит АТФ — энергетическую молекулу, поддерживающую жизнь на клеточном уровне.
Мы затронули лишь самые основы. Но если вы внимательно слушали, наверное, вы начинаете понимать, почему эти превращения происходят именно в митохондриях. Сам феномен жизни во многом сводится к проблеме управления энергией. Необходимая для жизни энергия окружает нас повсюду, но трансформировать её в доступную для клеток форму — задача совсем не тривиальная.
Тем удивительнее невероятный эволюционный путь, который мы прошли вместе с этими уникальными структурами, которые есть почти во всех наших клетках. И здесь мы затронули лишь азы; мы не поговорили о том, как митохондрии очищают клетки от свободных радикалов и других токсинов, или о митохондриальной ДНК — особом источнике информации, таком молекулярном «проводнике», который мамы передают детям.
Так много всего завязано на эти маленькие органеллы, что сводить все их функции к производству энергии почти оскорбительно. Пусть мы только поверхностно разобрались в этой теме. Надеюсь, я убедил вас, что митохондрии — это намного больше, чем батарейка для клетки. Спасибо, что уделили мне время. Переведено и озвучено студией ВертДайдер.