Навигация

Митохондрии наизнанку, или Эффективнее эффективного

Главная
Об авторе
     Урочное:
Биология + компьютер:
         полные уроки по типам
Компьютерные программы
         на уроках
 Биософт                 Планшет
 Учебные рисунки и
           карикатуры
 Фотографии           Проекты
 Художественная
         литература на уроке
 Наглядные пособия
 Олимпиадное
 Книги и статьи
 ''Биология-10'':
         попытка учебника
 ''Игра и биология''
 ''Информационная
       культура и/или компьютер
       на уроках биологии''
 ИУМК ''Экология.          Конструирование
         биосферы''
 Проектно-ролевая игра
         ''Генная инженерия''
 ''Библейская генетика''
 Рабочие тетради
         по общей биологии
 Педагогическое
 Блог

Условие задачи.

Кифа Мокиевич предлагает новый гениальный проект. “Что, если, - пишет он в статье “Митохондрии наизнанку, или Эффективнее эффективного”, - вывернуть митохондрии, как двойную рукавицу, наизнанку? Эффективность этого решения налицо: не надо будет затрачивать энергию на транспорт АТФ в цитозоль и дыхательных субстратов из цитозоля. А ведь, как известно, на перенос одного НАДа восстановленного (дающего в дыхательной цепи 3 молекулы АТФ) затрачивается энергия одной макроэргической связи – получается чистый энергетический выигрыш в 33%. А транспорт митохондриальных белков, закодированных в ядре? – форменное расточительство! Вообще-то можно даже не выворачивать оба слоя митохондрий; достаточно сделать пузырьки из внутренней митохондриальной мембраны, так, чтобы они были вывернутыми, т.е. АТФ-азами к цитозолю. Н+-резервуар тогда все равно будет – как в тилакоидах хлоропластов. Такие липосомы помещаем в исходную клетку, и они работают эффективнее митохондрий! Что же до генов митохондриальной ДНК, то их можно методами генетической инженерии встроить в какую-нибудь хромосому – и порядок!”

Какие ещё достоинства этого проекта вы можете назвать? К каким проблемам может привести его реализация? (Считаем, что технически обе операции – и “выворачивание” митохондриальной мембраны, и встраивание генов в ядерную хромосому – вполне осуществимы).

Решение

Отметим сразу, что данный проект действительно не является неосуществимым из-за сложности реализации. Так, еще в 1976 году были получены, например, реконструированные мембранные пузырьки, содержавшие АТФ-синтезирующий комплекс митохондрий и фрагмент мембраны пурпурных бактерий с белками протонного насоса. Такие пузырьки при освещении синтезировали АТФ за счет протонного градиента, создаваемого белками Н+-насоса ([1], с. 201). Обработка митохондрий ультразвуком также приводит к отшнуровке субмитохондриальных структур, образованных внутренней мембраной митохондрий – они используются для изучения протонных насосов ([5], с. 135). Так что поле для дальнейшего усовершенствования исходного органоида у Кифы Мокиевича обширное.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки предлагаемого проекта.

Действительно, в ходе гликолиза образуется на одну молекулу глюкозы две молекулы НАД·Н+Н+, которые переносятся в митохондрии с затратой 2 АТФ. Однако суммарный выигрыш будет составлять не 33%, 2/38*100% = 5,26%. К тому же, НАД·Н+Н+ не образуется в цитозоле при использовании других дыхательных субстратов (жирных кислот, аминокислот) что ещё снижает преимущества, даваемые проектом.

Перенос АТФ в митохондрию и АДФ из неё осуществляется высокоспецифичным переносчиком транслоказой, осуществляющей обменную диффузию. Большинство процессов транспорта ионов через внутренние митохондриальные мембраны представляют собой также обменные процессу, при которых органические ионы обмениваются, по преимуществу, на фосфат-ионы. Очевидно, что при реализации проекта надобности в этих процессах не будет.

Кифа Мокиевич рассчитывает получить некоторый выигрыш за счет снижения затрат на транспорт веществ в митохондрии, например, малат-аспартатного или ацетоацетат-β-оксибутиратного челночных механизмов на мембране митохондрий. Но не стоит забывать, что в результате активного транспорта через обе мембраны митохондрий создаются локально высокие концентрации как дыхательных субстратов, так и ионов фосфата. Если эти вещества будут “размазаны” по цитоплазме, вряд ли будет возможно протекание реакций цикла Кребса, а если отграничивать около-вывернуто-митохондриальное пространство, то вновь возникает проблема переносчиков, и, следовательно, “таможенной пошлины” – затрат АТФ. Сходное соображение касается и ферментов цикла Кребса, работающих в ограниченном объеме митохондриального матрикса. Выведение процессов за пределы этого ограниченного объема может привести к нарушению осмотического и кислотно-щелочного баланса цитоплазмы – или снижению скорости протекания самих процессов тканевого дыхания из-за неподходящих условий в цитозоле. Кроме того, в ходе реакций цикла Кребса и β-окисления жирных кислот образуется большое количество восстановленных продуктов (НАД·Н+Н+ и ФАД·Н2), выход их в цитозоль может привести к ненужному восстановлению молекул клетки с одной стороны и бесполезному окислению переносчиков, т.е. энергетическим потерям, с другой. Реализация проекта приведет также к потере митохондриями ряда функций, связанных с метаболизмом стероидов и порфиринов в клетке. Все названные в этом абзаце проблемы связаны с потерей внутренним содержимым митохондрий изолированности, “компартментности”.

Еще одним следствием реализации проекта станет нарушение электростатического равновесия в клетке. Наличие заряда на вывернутой мембране приведет к тому, что весь цитозоль окажется поляризованным, вследствие чего может начаться электростатическая агрегация белков на ней (в норме внешняя мембрана митохондрий выступает как изолятор). Кроме того, при “самостоятельном” существовании объем, занимаемый митохондриями в клетке, резко возрастет, потому что площадь поверхности внутренней мембраны много больше, чем внешней.

Теперь остановимся на митохондриальных белках и генетических системах, кодирующих их. “В митохондриальной генетической системе содержится запись некоторых (но далеко не всех) митохондриальных белков и большинства митохондриальных РНК (иногда за исключением нескольких маленьких РНК, в том числе части транспортных РНК, которые транспортируются в митохондрию из цитоплазмы). Митохондриальный геном кодирует 13 субъединиц комплексов дыхательной цепи. Ядерный геном кодирует остальные белки - переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. Поэтому можно сказать, что функционирование митохондрии представляет собой диалог между двумя геномами: митохондриальным и ядерным. Некоторые митохондриальные гены представлены копиями в ядерном (а у растений и в хлоропластном) геноме.” [3]. Интересно отметить, что в ходе эволюции наблюдается постепенное “перетекание” ([4], с. 81) генетического материала из митохондрий в ядро, в результате чего всё большее число митохондриальных белков кодируется ядерным геномом. “В качестве примера приведем Н+-АТФ-азу. Этот фермент собирается из девяти полипептидных цепочек. У хлоропластной Н+-АТФ-азы шесть из них закодированы в геноме хлоропластов, а три – в ядре. У дрожжей две цепочки закодированы в геноме митохондрий, остальные – ядре. А у млекопитающих в митохондриях кодируется только одна цепочка” (там же). Так что проект Кифы Мокиевича не противоречит тенденции эволюционного процесса.

Значительных затрат требует транспорт белков, закодированных в хромосомах ядра и синтезируемых на рибосомах клетки, в митохондрии (таких белков в митохондриях подавляющее большинство – около 500). Кифа Мокиевич рассчитывает сэкономить на этих затратах, которые он называет “форменным расточительством”. Однако известно, что транспорт этих белков осуществляется белками теплового шока, или шаперонами. “Белки импортируются митохондриями в развернутом виде, - пишет В.П. Скулачев в статье “Эволюция, митохондрии и кислород” [2]. - Как только передняя часть полипептидной цепи транспортируемого белка показывается внутри митохондрии, она связывается с [шапероном] mHsp70, что по некой еще не совсем ясной причине ускоряет затягивание в митохондрию оставшегося полипептида. Кроме того, mHsp70 участвует в правильном сворачивании развернутой полипептидной цепи. Помимо функций, перечисленных выше (правильное сворачивание вновь синтезируемых и импортируемых белков, ускорение белкового импорта и ренатурация денатурированных белков митохондрий), за mHsp70 замечено еще одно свойство, роль которого остается загадочной и поныне: вместе с другим белком массой 50 килодальтон он входит в состав митохондриальной эндонуклеазы, фермента, расщепляющего ДНК митохондрий в строго определенных ее участках.” Таким образом, исключение шаперонов из посттрансляционной модификации и ренатурации белков митохондрий приведет к целому ряду серьезных последствий для этих белков. Однако можно возразить, что сам шаперон mHsp70 кодируется в ядре, и если он останется в цитозоле и будет там выполнять свои функции, ничего страшного не случится. Увы, случится – т.к. не понятно, как он узнает “свои” белки и как они после этого попадут именно в те мембраны, в которых они должны находиться и работать, в мембраны “вывернутых” митохондрий.

Еще больше проблем предстоит решить Кифе Мокиевичу с белками, кодируемыми митохондриальной ДНК. Дело в том, что генетический код митохондрий и биосинтез белка в них имеет ряд специфических особенностей, подробно описанных А. У. Игамбердиевым в статье “Уникальная генетическая система митохондрий” [3]. “Исследование генома митохондрий выявило совершенно уникальные его особенности. Первое шокирующее сообщение пришло в 1979 году, когда было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека кодон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина в стандартном коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном коде кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон УГА, в стандартном коде являющийся стоп-кодоном, кодирует триптофан…  

[…]Особенность митохондриального генома многих организмов - это необычайно частое изменение структуры синтезированной РНК, так называемое редактирование. Иными словами, митохондриальный геном содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК. У высших растений исправляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных мРНК до 40%), у простейших - до 50%. В водорослевых митохондриях редактирование отсутствует, что свидетельствует о том, что данное свойство появилось в эволюции в связи с выходом растений на сушу. Редактирование наблюдается и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов. Редактирование включает обычно замену Ц на У в строго определенных местах, но в некоторых случаях, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферментами, исправлению подвергаются различные участки РНК, преимущественно участки, кодирующие аминокислоты, но могут модифицироваться последовательности, соответствующие стоп-кодонам, а также последовательности внутри интронов (участки, вырезаемые при “созревании” РНК - сплайсинге). Сплайсинг имеет место в митохондриях, хотя он почти отсутствует у эубактерий, от которых они произошли. Более того, вырезаемые участки (интроны) митохондрий могут кодировать белки (матюразы), функция которых - осуществлять сам этот процесс вырезания.” Следовательно, стоит рассмотреть последствия переноса митохондриальных генов в ядерный геном – как связанные с различиями в генетическом коде, так и с различиями в механизмах процессинга. (Это вполне по силам хорошо подготовленным ученикам, поэтому подробно не рассматриваются.) Кстати, не исключены и вредные для клетки последствия ошибочного процессинга и-РНК, транскрибированной по ядерным генам, митохондриальными матюразами.

Отличия митохондриальных 70-S-рибосом от эукариотических 80-S-рибосом общеизвестно. Не ясно, не возникнут ли трудности в синтезе митохондриальных белков. (Если их гены будут встроены в хромосомы и транскрипция будет осуществляться вместе с другими и-РНК, то маловероятно, если же оставлять мДНК самостоятельной, то проблемы вполне вероятны.)

Велика роль митохондрий в старении организма в целом и отдельной клетки, в т.ч. в апоптозе – генетически запрограммированной гибели клеток. “Уже нет сомнений, что митохондрии представляют собой центр контроля апоптоза. Гибель клетки связана с выработкой специфического белка-убийцы, который локализован в межмембранном пространстве митохондрии и выходит из нее, когда она не справляется с удалением активных форм кислорода (супероксид-аниона, перекиси водорода). Последние индуцируют открывание пор во внешней мембране, что и приводит к выходу этого белка в цитозоль и включению цепи метаболических реакций, ведущих к синтезу протеаз и нуклеаз, переваривающих клетку”. Вряд ли Кифа Мокиевич планировал подобный эффект!

Среди болезней, вызванных митохондриальными патологиями, описаны такие, для которых реализация проекта Кифы Мокиевича приведет к излечению, а то и искоренению. Так, “известны заболевания, связанные с дефектами структурных митохондриальных белков, транслоказ, импорта белков в митохондрии, передачи сигналов между митохондриальным и ядерным геномом” [3].

Включение митохондриальной ДНК в хромосомы ядра – не столько сложный, сколько небезопасный проект. Во-первых, как скажется на хранении и передаче наследственной информации в клетке наличие в мДНК автономных участков инициации репликации? Не приведет ли это к анэуплоидии по данной хромосоме со всеми вытекающими последствиями (для острастки вспомним синдром Дауна или Патау). Второе возможное последствие упоминается в статье А. У. Игамбердиева: “Показано, что внедрение митохондриальной ДНК в хромосомы может быть причиной рака и старения”. Разрешить часть этих весьма неприятных побочных последствий можно, если встраивать в ДНК клетки не всю митохондриальную ДНК, а её фрагмент, содержащий только необходимые гены; сложность и стоимость проекта соответственно возрастает. Очевидная, хотя и непростая проблема переноса митохондриальных генов в хромосомы связана с тем, что мДНК, в отличие от ядерной, “голая”, не связана с гистонами. Неизвестно, как будет осуществляться (и будет ли вообще осуществляться) спирализация хроматина при подготовке к делению клетки, не приведет ли наличие таких фрагментов к высокой частоте разрывов в этом участке и, следовательно, к нехваткам концевых фрагментов хромосом.

Изменится и сам характер наследования кодируемых митохондриями признаков. Сейчас они наследуются по материнской линии, поскольку новый организм получает митохондрии из яйцеклетки (митохондрии сперматозоида не попадают в оплодотворенную яйцеклетку). Включение генетического материала в аутосомные или половые хромосомы изменит характер наследования этих признаков, так что ученым будущего уже не удалось бы установить происхождение и само существование “митохондриальной Евы”… Впрочем, вряд ли в обозримом будущем проект Кифы Мокиевича будет реализован для человека и в столь широких масштабах.

Список цитируемой литературы

  1. Страйер Л. Биохимия: В 3-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.- Т.2 - 312 с., ил.

  2. Скулачев В.П. Эволюция, митохондрии и кислород // Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №9, с. 4 – 10.

  3. Игамбердиев А. У. Уникальная генетическая система митохондрий // Соросовский Образовательный Журнал, том 6, №1, 2000, с. 32-36.

  4. Фуралев В.А. Цитология: структура и функции клеточных органелл. / Учебное пособие.- М.: ОЛ ВЗМШ, 1998. – 96 с., ил.

  5. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 1. Пер. с англ.: - М.: Мир, 1993. – 384 с., ил.