Продолжение мембраны: здесь берётся энергия, которой платят насосы.
Из всех деталей клетки эта — самая странная. У неё своя ДНК, свои рибосомы, две собственные мембраны и способ деления, напоминающий бактериальный.
Объяснение у этой странности одно, и оно принято.
Она когда-то была отдельным существом
Около полутора миллиардов лет назад одна клетка поглотила другую и не переварила. Поглощённая осталась внутри и продолжила делать то, что умела, — добывать энергию с помощью кислорода.
Сделка оказалась удачной для обеих, и с тех пор они не расстаются. Всё сложное многоклеточное — включая нас — построено на этом слиянии. факт обзор
| Улика | Что она значит |
|---|---|
| Собственная ДНК, кольцевая | как у бактерий, а не как хромосомы в ядре |
| Две мембраны | внутренняя — своя, наружная — от того, кто поглощал |
| Свои рибосомы, похожие на бактериальные | сама собирает часть своих белков |
| Делится сама, перетяжкой | её нельзя построить заново — только разделить существующую |
| Часть антибиотиков действует и на неё | прямое практическое следствие родства |
Антибиотики, бьющие по бактериальному аппарату сборки белка, частично попадают и по митохондриям — они слишком похожи на бактерий.
Отсюда часть побочных эффектов целых классов антибиотиков. Тема разобрана отдельно в странице об антибиотиках.
Своя ДНК — и очень маленькая
Митохондриальная ДНК насчитывает 16 569 пар оснований и 37 генов, из которых 13 кодируют белки. Для сравнения: в ядре — свыше 20 тысяч генов. факт обзор
Большую часть своих деталей митохондрия давно передала в ядро. Осталось несколько самых критичных — тех, что участвуют в добыче энергии непосредственно.
Сперматозоид приносит в яйцеклетку почти исключительно ядерную ДНК; его собственные митохондрии в оплодотворении практически не участвуют и уничтожаются.
Отсюда два следствия. Первое: митохондриальные болезни передаются по материнской линии — правило, которое ломает привычную генетическую логику.
Второе: по этой ДНК прослеживают материнскую линию предков — она не перемешивается при каждом поколении, как ядерная, и потому годится для генеалогии.
Почему осталось именно тринадцать
Вопрос не праздный. Если почти все гены удалось перенести в ядро, где их лучше берегут и лучше чинят, — что мешало перенести последние тринадцать?
Убедительного доказанного ответа нет, есть две правдоподобные догадки, и обе стоит знать, потому что они объясняют разное.
| Догадка | Что объясняет |
|---|---|
| Их не втащить обратно. Оставшиеся белки крайне «жирные» — они насквозь прошивают мембрану. Такой белок, собранный снаружи, застрял бы по дороге внутрь | почему остались именно эти, а не случайные |
| Управление должно быть на месте. Цепь надо подстраивать быстро и по местной обстановке; приказ из ядра приходил бы слишком поздно | зачем вообще держать гены там, где их труднее беречь |
Обе догадки проверяются и обе пока не закрыты. гипотеза механизм Но следствие у них общее и уже не гипотетическое: эти тринадцать генов остались в самом опасном месте клетки — и именно поэтому существует отдельный класс болезней.
Почему эта ДНК ломается чаще ядерной
Три причины, и они складываются.
- Она лежит там, где горит. Цепь переноса электронов работает вплотную к ней, и часть электронов с этой цепи срывается, повреждая всё вокруг. Ядерная ДНК от этого источника отгорожена двумя мембранами и всей толщей клетки.
- Она почти голая. Ядерная ДНК намотана на белки, которые её и укладывают, и прикрывают. У митохондриальной такой защиты почти нет.
- Её хуже чинят. Набор ремонтных механизмов у митохондрии беднее ядерного: часть повреждений она исправить не умеет и вместо ремонта уничтожает копию целиком.
Копий в клетке сотни и тысячи, а не две. Испорченную можно просто выбросить: остальные продолжат работать, а недостачу восполнит копирование уцелевших.
Ядерный ген так нельзя — он один на хромосоме, и его приходится чинить любой ценой. Митохондрия выбрала другую стратегию: не беречь каждую копию, а держать их много.
Цена этой стратегии выясняется, когда доля испорченных копий всё же набирается, — и это уже отдельная страница.
Как она добывает энергию
Механизм устроен неожиданно: не химически, а механически.
Сначала энергия из еды тратится на то, чтобы выкачать протоны за внутреннюю мембрану. Получается перепад — как вода, поднятая перед плотиной.
Затем протоны падают обратно, но только через один проход — фермент, который от этого физически вращается. И на каждом обороте собирает молекулу энергетической валюты.
Фермент действительно крутится: его вращение измерили, сняли на видео и посчитали обороты. За описание механизма дали Нобелевскую премию по химии 1997 года. факт обзор
В теле работает вращающийся молекулярный мотор, и он же — самая распространённая машина на Земле.
Здесь же становится понятно, зачем нужен кислород. Он не «даёт энергию» — он стоит в самом конце цепи и принимает отработанные электроны. Без приёмника цепь встаёт, и перепад не создаётся. Разобрано в кислородном контуре.
Вся эта цепь и все турбины сидят на внутренней мембране. Значит, мощность станции упирается в её площадь — а объём митохондрии увеличивать нельзя, она и так занимает место.
Решение то же, что у кишечника и у лёгкого: смять поверхность в складки. При том же объёме рабочая площадь растёт в разы.
Это не украшение и не случайность формы: у клеток, которым нужно много энергии, складок заметно больше — в сердечной мышце их плотность выше, чем, скажем, в клетке кожи. факт обзор
Их чинят не по одной, а сообща
Обычная картинка изображает митохондрию как отдельную фасолину. В живой клетке это чаще ветвящаяся сеть, которая постоянно сливается и снова расходится.
Смысл у этого движения прямой и хозяйственный.
То есть у клетки есть отбор качества внутри себя самой: негодные станции не чинят, а сносят и строят заново. Это объясняет, почему количество и качество митохондрий вообще поддаются влиянию нагрузки — сносить и строить клетка умеет постоянно. факт обзор
Митохондрия как источник неприятностей
У этой конструкции есть три уязвимости, и все три уже встречались в книге.
- Она отдаёт приказ на смерть. При команде выпускает наружу вещества, запускающие апоптоз. Механизм жизни и механизм смерти собраны в одном месте.
- Она изнашивается. Часть электронов срывается с цепи и повреждает окружающее. Изношенные митохондрии — один из признаков старения.
- Её ДНК чинится хуже ядерной и лежит рядом с источником повреждений. Отсюда отдельный класс болезней.
«Антиоксиданты защищают митохондрии» — рассуждение верное по механизму и не подтвердившееся в испытаниях: добавки антиоксидантов на твёрдые исходы не влияют, а в части работ выглядели хуже пустышки.
Причина, по-видимому, в том, что те же реактивные молекулы служат сигналом — в том числе сигналом к приспособлению после нагрузки. Убрать их полностью — значит убрать и сигнал. реконструкция мета-анализ
Разбор добавок целиком — в витаминах и минералах.
Их количество меняется
Практически самое полезное на странице.
Число митохондрий в клетке не задано навсегда. В мышечной ткани оно растёт в ответ на регулярную нагрузку — клетка строит новые, когда спрос на энергию держится высоким.
Это и есть значительная часть того, что называют «выносливостью»: не только сердце и сосуды, но и сколько станций стоит в самой мышце. И это же объясняет, почему тренированность уходит при перерыве — спрос упал, лишние станции разбираются.
Что даёт эта страница
- Это бывшая бактерия, и все её странности — следы происхождения.
- 37 генов и наследование только по матери.
- Энергия хранится в перепаде, а не в веществе, и собирает её вращающийся мотор.
- Кислород нужен как приёмник электронов в конце цепи.
- Количество митохондрий управляется нагрузкой — редкий случай, когда микромир напрямую отвечает на поведение.
- Её ДНК ломается чаще ядерной: лежит вплотную к источнику повреждений, почти не прикрыта и хуже чинится.
- Стратегия — не беречь каждую копию, а держать их много, и сносить негодные целиком. Цена этой стратегии выясняется, когда испорченных копий набирается слишком много.
Куда идти дальше
- Энергия: АТФ и обмен — что это за валюта и откуда берётся
- Кислородный контур — зачем вообще нужен кислород
- Апоптоз — вторая работа митохондрии
- Старение — где она изнашивается
Страница объясняет устройство. Она не ставит диагнозов и не назначает лечения.
Источники
- MedlinePlus Genetics, NIH16 569 пар оснований, 37 генов, наследование только по матери.
- Boyer PD, Walker JEАТФ-синтаза как вращающийся мотор — механизм, а не метафора.
- обзор Mitochondrial diseasesGorman GS, Chinnery PF, DiMauro S et al. Nat Rev Dis Primers 2016;2:16080Устройство и генетика: митохондрия работает на белках, записанных и в её собственной ДНК, и в ядерной. Отсюда и то, что «митохондриальная болезнь» бывает двух разных генетик.
- López-Otín C et al. Cell 2023Изношенные митохондрии как один из двенадцати признаков старения.