Mitochondrie

S rozvojem mikroskopie byly v buňkách identifikovány různé struktury, o nichž se až později zjistilo, že představují jediný typ organely, tedy mitochondrii. Pro tyto různě vypadající struktury bylo používáno nespočetné množství různých termínů, jako například chondriozom, chondrioplast, fuchsinofilní či parabazální tělísko a podobně. Obvykle byla tato slova odvozena z řeckého výrazu pro zrno (χόνδρος, „chondros“), případně z jeho anglického („grain“) a německého („Korn“) ekvivalentu. Se zlepšením pozorovacích metod se na konci 19. století ukázalo, že tyto struktury mohou nabývat i vláknitého tvaru (vlákno je řecky μίτος, tedy „mitos“), a výrazy chondros a mitos daly společně vzniknout složenině, slovu mitochondrie.[5]

V letech 1912–1913 B. F. Kingsbury a O. Warburg prokázali, že mitochondrie jsou sídlem energetického metabolismu eukaryotické buňky. Detaily složitých procesů odehrávajících se v nitru mitochondrie však byly odhalovány postupně (Hans Adolf Krebs, 1937 – Krebsův cyklus) a k poznání přispěla zejména postupná izolace jednotlivých enzymů účastnících se těchto cyklů. Postupně byly odhalovány podrobnější informace o stavbě mitochondrií, například skutečnost, že jsou obaleny dvěma membránami, nebo v roce 1963 i existence mitochondriální DNA.[5]

V dnešní době je obecně akceptováno, že mitochondrie představují potomky endosymbiotické bakterie, které se v procesu vzniku eukaryotické buňky určitým způsobem transformovala v semiautonomní organelu.[5][6] Předpokládá se, že touto bakterií, která vstoupila do primitivní eukaryotické buňky, byl zástupce alfaproteobakterií z příbuzenského okruhu rodu Rickettsia.[7] Tyto názory však byly odbornou veřejností poměrně dlouho odmítány jako „nehodící se do slušné přírodovědné společnosti“.[5] První představy o takovém původu se však paradoxně začaly objevovat již na konci 19. století, kdy ještě ani nebyl ustanoven termín mitochondrie (např. Richard Altmann, 1890). Známými zastánci této tzv. endosymbiotické teorie byl na začátku 20. století Konstantin Merežkovskij, případně v druhé polovině 20. století Lynn Margulisová.[5] Silnou podporu pak teorie nalezla v molekulárních analýzách genomů, prokazujících evoluční příbuznost alfaproteobakterií a mitochondrií, nebo v objevu analogie mitochondriálních krist s intracytoplazmatickými membránámi alfaproteobakterií.[8]

Přesný scénář „endosymbiotické události“, tedy procesu, při němž se bakterie fakticky změnila na mitochondrii, je stále poměrně zahalen tajemstvím. Podle tzv. molekulárních hodin (metoda založená na pozorování mutací v DNA) se zdá, že k tomu došlo přibližně před 2 miliardami let, tedy zřejmě nedlouho po vzniku samotné eukaryotické buňky.[9] Dnes se také považuje za prokázané, že všechny známé eukaryotické organizmy buď mitochondrii mají, nebo alespoň měly za předka eukaryota, který mitochondrii měl. Proto se dnes ustupuje od termínu Archezoa, který označoval skupiny eukaryot, jež vznikly ještě před „endosymbiotickou událostí“: žádné takové nebyly objeveny.[7] Zřejmé je také to, že mitochondrie vznikla v historii jednou jedinkrát, a všechny současné mitochondrie vznikly na základě této unikátní události (mluví se o tzv. monofyletickém původu).[5]

Konkrétní scénář poskytují například známé vodíkové hypotézy, které jsou v podstatě všechny založené na předpokladu, že hostitelskou buňkou byla anaerobní, vodík metabolizující, autotrofní archebakterie, která jistým způsobem pohltila symbiotickou bakterii schopnou v rámci své respirace produkovat vodík. Potomci této bakterie následně prošli evolucí a změnili se na mitochondrie.[10][11] Ať už to bylo tak, či onak, po endosymbiotické události muselo zcela jistě dojít k částečné redukci genomu symbiotické bakterie a pravděpodobně také k tzv. horizontálnímu transferu, tedy přechodu části genů z mitochondrie do jádra. V současnosti je 600–1000 mitochondriálních proteinů kódováno jadernou DNA a v mitochondriích je uloženo nanejvýš několik desítek genů[12] (viz kap. genetická informace).

Schematické znázornění stavby typické mitochondrie živočichů (neznázorňuje žádnou konkrétní mitochondrii, jedná se o značně idealizované schéma bez zachování přesných poměrů velikostí)

Mitochondrie mohou mít velice rozmanité prostorové uspořádání a velikost, sahající od vláknité struktury až po kompaktní zrna. Například v hepatocytech a fibroblastech mají klobásovitý tvar a rozměry 3–4 μm na délku a 1 μm na šířku.[5] Tím také připomínají bakterie (např. E. coli dosahuje délky 2–3 μm a šířky 0,6 μm.[18]). Jindy vzniká v buňkách spíše síťovité retikulum mitochondriálních membrán tvořené tenkými větvícími se trubičkami.[19] Co se týče počtu, v hepatocytech se obvykle nachází asi 800 mitochondrií, lidský oocyt jich však obsahuje až 100 000, měňavka Chaos chaos dokonce 500 000, ale např. lidská spermie jen několik[5] a Trypanosoma[20] nebo buňka lidské sítnice[19] jen jednu. Mitochondrie se množí procesem podobným binárnímu dělení bakterií, může však docházet i opačnému procesu, tedy fúzi dvou mitochondrií dohromady.[21]

Jednotlivé mitochondrie mohou být vzájemně propojené nanotunely specifické stavby, odlišné od stavby nanotrubiček cytoskeletu. Mají dvoumembránovou stěnu a pravděpodobně slouží k transportu proteinů.[22][23]

Co se týče biochemické stavby, v mitochondriích bylo identifikováno několik stovek proteinů (např. v mitochondriích v srdci se toto číslo odhaduje na 615[24]). Až polovina mitochondriálních proteinů je zřejmě specifická pro danou tkáň.[19]

Membrány

Počítačově složený trojrozměrný snímek představující průřez mitochondrií. Různými barvami jsou znázorněny kristy vybíhající do vnitřního prostoru (matrix) mitochondrie

Mitochondrie je, podobně jako například primární plastidy, oddělena od okolí dvěma fosfolipidovými membránami, mezi nimiž je tzv. mezimembránový prostor. Takový systém je srovnatelný se stavbou membrány gramnegativních bakterií, z nichž se mitochondrie vyvinuly.[25] Mezimembránový prostor má složení velice podobné složení okolního cytosolu, tzn. obsahuje mnohem méně proteinů, než vnitřní mitochondriální prostor (tzv. matrix). Z bílkovin je v mezimembránovém prostoru zastoupen hlavně cytochrom c a různé kinázy.

Vnější membrána mitochondrií představuje první bariéru mezi vnitřním prostředím organely a okolním cytosolem. Je v úzkém kontaktu s endoplazmatickým retikulem, a do jisté míry se mu podobá i svou stavbou. Obsahuje však ve své ploše mnoho pórů (mitochondriální poriny VDAC), a tak je tato membrána propustná pro většinu látek s molekulovou hmotností nepřesahující přibližně 5000 Da[26] (někdy se uvádí i 10 000 Da[27]). Proto zamezuje spíše jen vstupu bílkovin a jiných makromolekul. To je významné především ze dvou hledisek: kdyby byly póry větší, nejen, že by unikly z mezimembránového prostoru důležité proteiny dýchacího řetězce, ale uvolněním cytochromu c by se navíc nastartovala v buňce programovaná buněčná smrt. Přesto se proteiny transportovat musí, a tak vnější membrána obsahuje tzv. Tom komplex, který je přenáší z cytoplazmy do intermembránového prostoru. Dále se na vnější membráně nacházejí enzymy, které jsou součástí metabolismu mastných kyselin a fosfolipidů.[26]

Vnitřní membrána má velkou plochu, protože je zvlněna v tzv. kristy. U jaterních buněk, které mají kristy ještě relativně malé, je plocha vnitřní membrány mitochondrie 15× větší než plocha plazmatické membrány buňky.[27] Obecně závisí velikost krist na metabolické aktivitě konkrétní buňky.[27] Vnitřní membrána je zásadní z hlediska funkčnosti mitochondrie. Je schopná propouštět molekuly jen velice selektivně, ionty přes ni téměř nedifundují, a to možná díky speciální stavbě fosfolipidové dvouvrstvy. Obsahuje totiž neobvyklý fosfolipid kardiolipin, z jehož fosfátové hlavy vychází ne dvě, ale hned čtyři mastné kyseliny.[28] Na této membráně je totiž umístěno množství enzymů tzv. dýchacího řetězce, včetně ATP syntázy a enzymu ANT, který vynáší konečný produkt dýchání – adenosintrifosfát – ven do buňky. Vnitřní membrána (podobně jako ta vnější) dále obsahuje komplex, který umožňuje přenos bílkovin přes ni – ten se označuje jako Tim komplex.[26]

Mitochondriální kristy mohou mít i předendosymbiotický původ, protože jsou analogické intracytoplazmatickým membránám alfaproteobakterií. Prvotní mitochondrie tak možná zdědily od svých bakteriálních předků existující ultrastruktury adaptované na účinný přenos energie.[8]

Mitochondrie jsou schopné vyrábět si jen velmi omezené množství bílkovin, a většina mitochondriálních bílkovin je proto vytvářena v cytosolu (z jaderných genů). Tyto proteiny jsou vzápětí přenášeny skrz jednu či obě mitochondriální membrány, aby skončily na místě svého finálního určení. Transport do mitochondrie je složitý molekulární proces závislý na celé řadě transportních proteinů. Mitochondriální protein je rozeznán podle speciální aminokyselinové signální sekvence bohaté na bazické, hydroxylované a hydrofobní aminokyseliny. Tato sekvence (obvykle na N-konci) je ve většině případů po dokončení transportu z bílkoviny odstraněna.[12]

V cytosolu se mitochondriální bílkoviny obvykle navážou na chaperony typu Hsp70. Díky nim zůstávají v nesbaleném stavu – v tomto stavu je transport bílkovin skrz kanály jednodušší. První překážkou je vnější membrána, v níž jsou umístěny Tom kanály Tom40. Některé mitochondriální bílkoviny se začlení do vnější membrány (jako namátkou právě Tom40), jiné zůstávají v mezimembránovém prostoru a další pokračují svou pouť skrz vnitřní membránu. Proteiny vstupující do matrix využívají komplex Tim23 (složený z Tim23 a Tim17), zatímco proteiny, jež se mají začlenit do vnitřní membrány a zůstat tam jako transmembránové, využívají komplex Tim22.[12]

Schéma mitochondriální DNA člověka, včetně vyznačených genů

Mitochondriální DNA (též mtDNA) je označení pro DNA, která se nachází v mitochondriích a tvoří tak součást mimojaderné genetické informace. Jedná se o pozůstatek genomu bakterií, z nichž mitochondrie vznikla, a dodnes s nimi má mnoho společných rysů.[7] Mitochondriální DNA je totiž zpravidla kruhová (cirkulární) a svým charakterem se podobá prokaryontnímu nukleoidu a nikoliv eukaryotickým chromozomům. Je v porovnání s jaderným genomem velice malá. Například lidská mitochondriální DNA má velikost 16 569 párů bází,[39] celkem obsahuje 37 genů, z toho 24 představují geny pro různou nekódující RNA (2 geny pro 16S a 23S rRNA a 22 genů pro tRNA). Zbývajících 13 genů kóduje vlastní mitochondriální polypeptidy podílející se na enzymatické výbavě mitochondrií.[40] Na druhou stranu může být mtDNA v mitochondrii přítomná v několika kopiích a s přihlédnutím ke skutečnosti, že mitochondrií může být v buňce i několik set tisíc, může paradoxně představovat genom v mitochondrii většinovou složku celkového buněčného genomu.[28]

Mitochondriální DNA se dědí obvykle po matce, tedy maternálně, jelikož z vajíčka (a nikoliv ze spermie) pochází obvykle veškerá mitochondriální genetická informace zárodku.[28] To je také jeden z důvodů, proč je mtDNA velice cenným nástrojem genetiků a molekulárních biologů – geny matky a otce se nerekombinují. Navíc mtDNA mutuje rychleji než jaderný genom, čímž umožňuje zkoumat změny v mnohem kratším časovém měřítku. Tyto a další vlastnosti mtDNA umožňují zkoumat například migrace lidských populací (viz termín mitochondriální Eva).[5]

Mitochondrie vytváří časté kontakty s endoplasmatickým retikulem, tzv. kontaktní místa mitochondrie – endoplazmatické retikulum (MERCS; z angl. Mitochondria and Endoplasmic Reticulum Contact Sites). Alternativně jsou tyto kontakty nazývány jako membrány asociované s mitochondriemi (MAM; angl. Mitochondria-Associated Membranes). Tato místa jsou oblasti mezi mitochondriemi a endoplazmatickým retikulem, kde membrány obou organel leží paralelně blízko sebe (10–90 nm).[41] Vzájemná blízkost tak umožňuje komunikaci a výměnu látek mezi oběma organelami. Kontaktní místa ovlivňují některé buněčné události a procesy, jako např. homeostázu vápníku[42], metabolismus a import lipidů z ER do mitochondrií[43], mitochondriální dělení[44], autofagii[45] či apoptózu.[46] Uvažuje se také o jejich roli při rozvoji neurodegenerativních onemocnění, např. při rozvoji Alzheimerovy choroby či Parkinsonovy nemoci.

Mitochondriální onemocnění je označení pro takové onemocnění, které je způsobené poruchou funkce mitochondrií, a to v širším významu jak vrozené, tak i získané. Za vrozené se považují onemocnění způsobené mutacemi v genech v jaderné DNA či v mitochondriální DNA). Naopak získané poruchy mitochondrií mohou být výsledkem infekce, užívání léků či vlivem negativních podmínek prostředí.[47] Obvykle se jedná o onemocnění způsobená poruchami v mitochondriálním metabolismu, zejména poruchy oxidativní fosforylace.[48]