Прозрения в новия свят на митохондриите и организацията на генетичния им състав
Електроцентралите на нашите клетки: митохондрии
Клетките на бозайниците имат клетъчно ядро, в което е кодирана основната част от генетичната информация и други клетъчни органели, които поемат различни функции в клетката. Един от най-важните клетъчни компоненти са митохондриите (Фиг. 1). Те са така наречените електроцентрали на клетките и са отговорни за снабдяването на организма с енергия. Смята се, че митохондриите някога са били независими бактерии и че те са влезли в симбиоза с оригинална, проста клетка-предшественик. Учените основават тази хипотеза на факта, че митохондриите имат двуклетъчна мембрана и собствен специализиран геном. Този митохондриален геном кодира някои изключително важни протеини, но само заедно с информацията от клетъчното ядро могат да бъдат изпълнени изцяло предвидените функции. Чрез обединяването на клетките-предшественици и бактериите и последващото по-нататъшно развитие на тази симбиоза се образува неразделна и фино регулирана единица, еукариотната клетка.
Фиг. 1: Митохондриите са електроцентралите на клетките. Клетъчните органели са заобиколени от двойна мембрана и имат собствен геном (mtDNA). Компонентите на дихателната верига са разположени във вътрешната мембрана. Транспортът на електрони по тези компоненти създава протонен градиент, който задвижва ензима АТФ синтаза. Това създава аденозин трифосфат (АТФ), универсална „енергийна монета“, която може да се използва във всички клетки.
Универсален източник на енергия доставя всички процеси в тялото
Митохондриите са обособени органели, които са заобиколени от двуклетъчна мембрана. Протеиновите комплекси на дихателната верига са разположени във вътрешната мембрана. По време на дишането на клетките, енергията под формата на молекула аденозин трифосфат (АТФ) се генерира в хода на хемиосмотичен процес. За целта електроните се предават по вътрешната митохондриална мембрана от един протеинов комплекс до следващия, общо над три станции. В крайна сметка електроните се прехвърлят в кислород, създавайки вода. В хода на електронния транспорт протоните се транспортират навън, което създава разлика в заряда от двете страни на вътрешната митохондриална мембрана. Този протонен градиент се използва от така наречените АТФ синтази. Чрез каналоподобното си преминаване протоните могат да бъдат насочени обратно във вътрешността на митохондрията по контролиран начин; наличната енергия поради протонния градиент се използва за генериране на АТФ. АТФ е междинен запас от енергия и универсален източник на енергия, който може да се използва във всички тъкани.
Някои гени в митохондриалната ДНК кодират определени субединици на тези протеини, които участват в дихателната верига, докато други субединици са кодирани в клетъчното ядро. Следователно взаимодействието между митохондриалната и ядрената ДНК изисква точна координация между двата генома. Най-малките нередности или дефектното производство на един от тези протеини водят до дисфункция на митохондриите [1]. Впоследствие са описани редица клинични патологии, като кардиомиопатия (сърдечно заболяване), деменция и атаксия (заболяване, проявяващо се с некоординирани движения). След натрупването на мутации в митохондриалната ДНК и произтичащата от това митохондриална дисфункция, са описани и типичните явления на стареене, като развитие на остеопороза, побеляване и косопад, намаляване на теглото и загуба на подкожна мастна тъкан, анемия, разширяване на сърцето, глухота и намалена продължителност на живота. Освен това е доказано, че неправилното функциониране на митохондриите допринася за развитието на свързани с възрастта заболявания като захарен диабет и Паркинсон [2].
Нуклеоиди, организационната единица в митохондриите
Фигурата показва човешка кожна клетка, с митохондриите (електроцентрали на клетката), показани в червено, клетъчното ядро в синьо и генетичния материал на митохондриите в зелено. Митохондриите образуват мрежа, която се простира в цялата клетка. Те осигуряват енергията, от която клетките се нуждаят.
В самите митохондрии генетичният материал и протеините са организирани в комплекси, така наречените митохондриални нуклеоиди. Тези единици играят важна роля в наследяването, тъй като митохондриалният геном се предава само от майка на дете (Фиг. 2).
Митохондриалните нуклеоидни комплекси могат да бъдат направени видими като точковидни структури в микроскопа. Границата на разделителната способност на конвенционалната светлинна микроскопия е около 250 нанометра, което съответства на милионна част от милиметъра. Но дори тази впечатляваща резолюция все още е твърде груба и досега не позволяваше по-точен поглед върху структурата на нуклеоидите. Точно тук изследователите от Кьолн, Гьотеборг и Гьотинген започнаха с най-модерната STED микроскопия с висока разделителна способност, разработена в Института по биофизична химия на Макс Планк в работната група на Стефан Ад. С помощта на тази технология може да се постигне 5 пъти по-висока резолюция от преди (Фиг. 3).
STED микроскопията с висока резолюция позволява по-задълбочен поглед върху организационните структури на митохондриалния геном. В показаната клетка митохондриите (електроцентралите на клетката) са оцветени в червено, клетъчното ядро в синьо и генетичният материал на митохондриите в зелено. Благодарение на микроскопията със супер висока разделителна способност, отделните молекули на генома за първи път могат да бъдат отделени по-ясно една от друга. Голяма молекула може да бъде разделена на няколко малки, независими молекули. Нуклеоидът, организационната структура в митохондриите, съдържа само една молекула генетичен материал, заедно с приблизително 1000 молекули от опаковъчния протеин TFAM. По този начин TFAM образува основния компонент на нуклеоидите.
Тези фундаментални прозрения в организационната структура на митохондриалния геном са от особено значение за разбирането на болести, които са митохондриално наследени, т.е.от майка на дете. Те включват например хронично прогресираща външна офталмоплегия (парализа на очните мускули), наследствена двигателно-чувствителна невропатия (загуба на мускули) и болест MELAS (митохондриална миопатия: сериозно неврологично заболяване, което води до некоординирани движения и в редки случаи това, което е известно като митохондриален захарен диабет върви заедно).
Освен това отдавна е известно, че има връзка между електроцентралите на клетката и стареенето. С напредване на възрастта в ДНК на митохондриите могат да се натрупват естествено възникващи мутации, които влияят на производството на енергия на клетките и по този начин на снабдяването на органите.