11.1

Mitochondrie – sestávají z dvou samostatných biomembrán – vnitřní a vnější, takže vytvářejí dva kompartmenty. Vnější kompartment – intermembránový prostor – je mezi vnější a vnitřní membránou, vnitřní – lumen – je uzavřen vnitřní membránou. U mitochondrií to je matrix. Od ostatních organel se lišší tím, že mají svoji vlastní genetickou DNA. Mají také vlastní proteosyntézu, která produkuje jistou část jejich bílkovin. Většina je však kódována jadernými geny. Základní funkcí je konverze energie. Mitochondrie generují ATP, která je přímým zdrojem energie. Zdrojem energie pro syntézu ATP je primárně oxidace cukrů a mastných kyselin molekulárním kyslíkem na vodu a oxid uhličitý (oxidační fosforylace). Elektrony s vysokou energií, odňaté z organických látek, se předávají postupně mezi membránovými enzymy vnitřní membrány, přičemž postupně ztrácí energii. Tato energie je využita k transportu protonů z jedné strany membrány na druhou. Tím vzniká protonový gradient, který může vykovávat práci. Přechodem protonů zpět může být využita energie k tvorbě ATP z ADP.

Struktura – jsou připojeny na mikrotubuly cytoskeletu, které je fixují na určitá místa v buňce (často tam, kde je vysoká spotřeba ATP, např. na mikrofibrily srdečního svalu nebo bičíky spermií), nebo regulují jejich pravidelné přemísťování. Vnější membrána, uzavírající intermembránový prostor vůči cytoplazmě, se svým složením velmi liší od membrány vnitřní, uzavírající vnitřní prostor (matrix). Obsahuje množství transportních proteinů, které vytváří v membráně kanálky (velká propustnost), cholesterol, lipidy. Vnitřní membrána obsahuje asi 20 % zvláštního proteinu – kardiolipinu, který způsobuje to, že je membrána nepropustná pro ionty. Je zvrásněna, vytváří mitochondriální kristy (5x zvětšený povrch). Jinde jsou trubičkovité výběžky. Hlavní součástí vnitřní membrány jsou enzymy respiračního řetězce a enzymový komplex ATP syntetáz. Obsahuje dále množství transportních proteinů, které selektivně vyměňují metabolity pro enzymy matrix. Absence cholesterolu a vysoká koncentrace bílkovin. V matrix je též uložena mitochondriální DNA, ribosomy, tRNA a proteosyntetické enzymy. Matrix obsahuje stovky enzymů, které metabolizují pyruvát a mastné kyseliny, a enzymy cyklu trikarbonových kyselin (citrátový cyklus, Krebsův cyklus), které oxidují vzniklý acetyl CoA a enzymy metabolizující lipidy (tzv. β-oxidace mastných kyselin).

Základní metabolické procesy – v mitochondriální matrix jsou různé substráty rozkládány v průběhu citrátového cyklu a oxidace mastných kyselin. Při těchto procesech je metabolitům odnímán vodík dehydrogenačními enzymy. Redukční ekvivalenty z předchozích procesů jsou dále postupně oxidovány systémem oxidoredukčních enzymů (NAD, FAD, cytochromy). Konečným enzymem tohoto tzv. dýchacího řetězce je enzym cytochromoxidáza, který oxiduje vodík molekulárním kyslíkem na vodu. Dýchací řetězec je spřažen s enzymy (komplexem ATPázy), které syntetizují ATP. Tento proces se též nazývá oxidační fosforylace. S uvedenými procesy přímo nesouvisí mitochondriální proteosyntéza a replikace DNA. Pro energetické přenosy v buňce mají mimořádný význam makroergické fosfátové vazby. Jsou to kovalentní vazby s vysokým obsahem energie, a proto jsou snadno štěpitelné. Rozštěpením jedné makroergické vazby se uvolní energie kolem 30 kJ. Nejdůležitější makroergická sloučenina je ATP (adenin + ribóza + 3 zbytky kys. fosforečné.). Pro energetické přenosy v buňce je nejdůležitější hydrolýza trifosfátů na difosfáty, tj. odštěpení nebo naopak vazba posledního zbytku kyseliny fosforečné. Při fosforylaci je energie vázána, při defosforylaci uvolňována. Štěpení ATP na ADP je v buňce katalyzováno různými enzymy s ATPázovou aktivitou, obecně je označujeme jako ATPázy.

Elektron transportní řetězce – řada bílkovin a přenašečů elektronů na vnitřní mitochondriální membráně (eukaryontů) či buněčné membráně (prokaryontů). Kyslík je konečným akceptorem elektronů, voda je konečným produktem. Energetický zisk z NADH – 2,5 (3) ATP, energetický zisk z FADH₂ – 1,5 (2) ATP.

Mechanismus syntézy ATP na vnitřní membráně – zdrojem energie pro syntézu ATP z ADP je rozdíl koncentrace protonů na obou stranách vnitřní membrány mitochondrií (rozdíl pH na obou stranách membrány). Tento gradient protonů „pohánějící“ syntézu ATP vzniká transportem protonů z lumen mitochondrie do prostoru mezi vnitřní a vnější membránu mitochondrie. Zdrojem energie pro tento transport je energie postupně uvolňovaná při přesunu elektronů komplexy transelektronáz z vyšší energetické hladiny na nižší. Tato energie se tedy postupně akumuluje do protonového gradientu. Současně se tvoří elektrický gradient (membránový potenciál) vnitřní membrány mitochondrie, negativní na vnitřní straně a pozitivní na vnější. Obojí dohromady se označují jako elektrochemický protonový gradient. Při vyrovnávání koncentrace protonů přes vnitřní membránu mitochondrií se osmotický energie přeměňuje na chemickou energii makroergní vazby ATP (Mitchelova teorie). Enzymový komplex, tzv. F₁ + F₀ komplex, lokalizovaný ve vnitřní membráně mitochondrií je tvořen dvěma částmi. Jeho periferní část s reverzibilní ATPázovou aktivitou vyčnívá jako velké granulum z membrány a na straně luminální. Označuje se jako F₁ komplex (5 typů podjednotek). Druhá (integrální) část se označuje jako F₀ komplex a tvořen integrálními membránovými proteiny. Energetická efektivita oxidačních fosforylací z hlediska přeměny uvolněné energie v energii využitelnou je vysoká. Při oxidačních fosforylacích se při každém transportu jednoho páru elektronů oxidorekučním řetězcem vytvářejí 3 molekuly ATP. Přibližně 50 % chemické energie utajené v organických látkách se tedy přemění v energii makroergních vazeb (zbytek se uvolní jako teplo). Kompletní oxidace molekul glukózy (včetně anaerobní glykolýzy) stačí k vytvoření asi 36 molekul ATP (14 MJ). Při oxidaci jedné molekuly kyseliny palmitové vznikne asi 129 molekul ATP).

Genetický systém mitochondrií – mitochondrie obsahují cirkulární molekuly DNA, tzv. mitochondriální DNA. Nejsou spojeny s histony, vytváří tedy chromosom prokaryontního typu. Každá mitochondrie obsahuje chromosom ve více exemplářích (u buněk člověka 5-10). Z celkového množství DNA buňky tvoří mtDNA asi 1 % u savců a asi 15 % u kvasinek. Mitochondriální chromosomy jsou uloženy v matrix a jsou připojeny na vnitřní membránu mitochondrie. Mitochondriální chromosom se replikuje v průběhu buněčného cyklu nezávisle na jaderných chromosomech. Proteosyntetický systém se podobá prokaryontnímu (ribosomy, rRNA, syntéza řetězce začíná N-formylmethioninem). Genetický kód se poněkud liší od eukaryontního (kodón UGA kóduje tryptofan. tRNA jsou kódovány mtDNA. U člověka jsou obě vlákna DNA transkribována z jednoho promotoru jako souvislá obrovská molekula RNA. Oba transkripty jsou tedy zcela symetrické. Posttranskripční modifikací obou transkriptů vznikají jednotlivé rRNA, tRNA a mRNA. Mitochondriální geny a chromosomy mohou podléhat mutacím. U člověka mohou mutace v mtDNA vést k poruchám ve funkci organismu. Mitochondriální genom tvoří tedy určitou část vnitřní genetické paměti buňky. Při mitóze se mitochondrie distribuují rovnoměrně mezi dceřiné buňky, obě mají tedy stejnou informaci nesenou mitochondriálními geny. Vajíčka obsahují mitochondrie, spermie některých organismů (i člověka) mitochondrie neobsahují, proto je informace uložená v mtDNA je děděna po matce (dědičnost nemendelovská, cytoplazmatická, maternální).

Biogeneze mitochondrií – nové mitochondrie vznikají rozdělením již existujících, tedy autoreprodukcí. Dělení mitochondrií je poměrně jednoduchý proces. Vnitřní membrána se zaškrtí, vytvoří se tak dva vnitřní kompartmenty. Zaškrcení je doprovázeno i zaškrcením vnější membrány. Molekuly DNA nejsou náhodně separovány do obou dceřiných buněk, poněvadž jsou připojeny na vnitřní membránu. Před rozdělením mitochondrií předchází jejich prodlužování, růst a replikace DNA. Pouze velmi malá část membránových proteinů potřebných pro růst membrány je však syntezována přímo v mitochondriích. Ostatní proteiny, které jsou kódovány jadernými geny, jsou vytvářeny jinde. Musí proto existovat přesné mechanismy, které dopravují tyto proteiny nejen do vnější a vnitřní membrány, ale i do matrix. V cytoplazmě nasyntezované proteiny mají specifické naváděcí sekvence, které jsou rozpoznány membránami. Fosfolipidy mitochondriálních membrán jsou syntezovány v ER. Do nich jsou přenášeny pomocí specifických transportních proteinů. Jedině kardiolipin je syntezován, u fosfatidylové kyseliny, přímo v mitochondriích.

Dále zajišťují homeostázu vápníku, biosyntézu hemu a pyrimidinu, programovanou buněčnou smrt, oxidativní stres a poškození DNA a mají uplatnění i v patologii.

Mitochondrie a ROS – tvorba ROS (reactive oxygen species) probíhá v řetězci transportu elektronů na vnitřní membráně během oxidativní fosforylace. Uvolnění elektronů z řetězce v komplexech I a III vede k částečné redukci kyslíku k tvorbě superoxidu. Superoxid se mění na peroxid vodíku během dvou dismutací (reakce, kdy má jeden prvek více oxidačních čísel v reakci), které zahrnují SOD1 v IMP a SOD2 v matrix. V komplexu I se radikál dostává do matrix kde se mění na peroxid vodíku (SOD nebo spontánně). V komplexu III se radikál dostává jak do matrix, tak do IMP. V matrix stejně jako u komplexu I, v IMP se mění na peroxid vodíku pomocí SOD (Cu/Zn). V matrix se peroxid mění na vodu pomocí glutathionu nebo katalázy. Dále mohou difundovat do cytosolu a aktivovat kaskády (HIF – hypoxia-inducible factors; transkripční faktory, které reagují na hypoxii, RAS – geny kódující Ras proteiny, NF kappa B – transkripční faktor ovlivňující expresi genů pro imunitu, zánětlivou odpověď, …). Oxidativní stres (nerovnováha mezi tvorbou radikálů a jejich odbouráváním). Pokud peroxid reaguje s Fe²⁺, Cu²⁺ či kyslíkovým radikálem, vzniká hydroxylový radikál. Tvorba RNS (reactive nitrogen species), molekuly odvozené od superoxidu a NO.