Celične elektrarne
Današnja prva nedeljska edicija oddaje Frequenza della scienza je posvečena celičnim elektrarnam. V čisto vsaki celici našega telesa najdemo majhne organele, ki našim celicam priskrbijo energijo za opravljanje svojih vsakodnevnih nalog, kot so na primer delitve, imunski odzivi in razgradnja.
Mitohondriji in na splošno organeli so značilnost evkariontskih celic. Evkariontske celice, med katere uvrščamo rastlinske, glivne, protistne in živalske celice, so značilne po tem, da imajo svoje notranje okolje razdeljeno v različne organele, svoj dedni material pa shranjen v jedru. Organeli so posamezni predeli celice, katerih notranje okolje je ločeno od ostalega celičnega okolja. Ta prostorska ločitev znotraj same celice omogoči veliko bolj prilagojeno okolje reakcijam, za katere je zadolžen določen organel. Na ta način deluje tudi Radio Študent. Tu namreč nismo vsi sodelavci in sodelavke zadolženi za vse, temveč se naša redakcija osredotoča na znanost, medtem ko imamo še preostale redakcije, ki se vsaka posveča svojemu področju.
Prav tovrstna delitev nalog med organeli v celici oziroma kompartmentalizacija loči evkariontske od prokariontskih celic, med katere uvrščamo bakterije in arheje. Za prokariontske celice je namreč značilno, da organelov nimajo in da njihov dedni material plava prosto v lumnu celice in ni zapakiran v jedru. Med prokariontskimi in evkariontskimi celicami je sicer še ogromno razlik, vendar se bomo v današnji oddaji osredotočili predvsem na en specifičen organel, mitohondrij.
V skoraj vseh od kisika odvisnih evkariontskih celicah najdemo mitohondrije. Mitohondrij je majhen celični organel, ki je s pomočjo kisika zadolžen za proizvodnjo adenozin trifosfata ali krajše ATP. ATP je molekula, ki je sestavljena iz adenozina, na katerega so vezani trije fosfati. Prav v kemijski vezi med fosfati pa je shranjene veliko energije. Ob cepitvi visokoenergetske vezi med dvema fosfatoma v ATP se sprosti energija, ki se lahko porabi za različne stvari, kot so toplota, tvorba novih molekul ali pa krčenje mišic. Zato pravimo, da je ATP energetska valuta celice. In ker nastaja v mitohondriju, pravimo, da je mitohondrij celična elektrarna.
Mitohondrij je desettisočkrat manjši od evkariontskih celic in ga za razliko od evkariontskih celic ne moremo videti z navadnim svetlobnim mikroskopom, čeprav imamo mitohondrije v vsaki celici okoli tisoč. Ima dve membrani, med njima pa se nahaja medmembranski prostor, imenovan periplazma. Zunanja membrana je gladka in prepustna za večino malih molekul in ionov, notranja membrana pa je neprepustna in nagubana. Ta nagubanost namreč omogoči večjo površino. Tem gubam pravimo kriste in so nasičene s številnimi membranskimi proteini, ki so pomembni za procese v mitohondriju. Kriste se širijo v notranji prostor mitohondrija, ki se imenuje matriks.
Leta 1967 je evolucijska biologinja Lynn Margulis predstavila hipotezo, da naj bi mitohondriji izvirali iz bakterij. Tako bakterije kot mitohondriji imajo namreč dve membrani in krožno DNK, poleg tega pa se mitohondrij deli neodvisno od celičnih delitev. Endosimbiontsko teorijo smo na Radiu Študent obdelali že pred štirimi leti v oddaji In bila je celica, zato se danes v to temo ne bomo poglabljali.
V grobem velja pri endosimbiontski teoriji omeniti to, da ta teorija zagovarja tezo, da so kompleksnejše celice evkariontov, ki imajo jedro in organele, nastale z združitvijo dveh tipov celic. Seveda so bile pa za učinkovito simbiozo prokariontske in evkariontske celice potrebne različne prilagoditve. Več o tem nam pove redni profesor genetike in živalske biotehnologije doktor Peter Dovč z Biotehniške fakultete.
Prokarionti so se torej ob vstopu v evkariontsko celico morali prilagoditi, da so si celice zagotovile uspešno simbiozo. Ena od teh prilagoditev je bila, da je prokariontska celica, oziroma naš mitohondrij, vstavila del svojega genoma v jedrni genom evkariontske celice in si s tem zagotovila, da bo gostiteljska celica namesto nje sintetizirala določene beljakovine.
Poslušate oddajo Frequenza della scienza na nedeljsko popoldne na 89,3 MHz. Pogovarjamo se o mitohondrijih, majhnih elektrarnah v naših celicah. Sedaj se bomo posvetili procesu, zaradi katerega je mitohondrij tako nepogrešljiv del naših celic. Torej, kot smo že omenili, je mitohondrij ključen pri pridobivanju visokoenergetskih molekul ATP v celici. Vključen je namreč v proces celičnega dihanja, pri katerem se z oksidacijo molekul glukoze pridobi kar 38 molekul ATP.
Pri procesu celičnega dihanja se osnova skriva v razgradnji večjih molekul na manjše. Celično dihanje je sestavljeno iz treh stopenj. Prva stopnja je glikoliza, ki se dogaja v citosolu, torej v tekočini znotraj celice. Glikoliza je proces, ki ga opravljajo skoraj vsi živi organizmi, saj je še kar enostaven in hiter, v njem pa nastane nekaj molekul ATP. Poleg tega pa zanjo ne potrebujemo mitohondrija ali katerega koli drugega organela. Po glikolizi se proces nadaljuje v matriksu mitohondrija.
Prične se druga stopnja, ki se imenuje Krebsov cikel ali cikel citronske kisline. Nazadnje nastopi tretja stopnja, ki poteka na notranji membrani mitohondrija oziroma na kristah, in se imenuje oksidativna fosforilacija, ki poteka s pomočjo elektronske prenašalne verige.
Za nekaj minut se spremenimo v molekulo glukoze, ki čaka na razgradnjo. Torej, nahajamo se v citosolu oziroma v celični tekočini, v kateri se pričenja proces glikolize. Z glikolizo se bomo namreč pretvorili iz glukoze, ki ima šest ogljikovih atomov, v piruvat, ki ima le tri ogljikove atome. Glikoliza je sestavljena iz desetih encimsko kataliziranih reakcij, za katere ni potrebna prisotnost kisika. V tem procesu se sprostita dve molekuli ATP, kar predstavlja le sedem odstotkov celotne energije, ki se skriva v glukozi.
No, ko smo se skozi glikolizo postopoma spremenili v piruvat, torej spojino s tremi ogljikovimi atomi, se prestavimo v matriks mitohondrija. Tu se iz piruvata na posebnem multiencimskem kompleksu pretvorimo v acetil-koencim A in imamo le še dva ogljikova atoma. Kot acetil-koencim A vstopimo v cikel citronske kisline oziroma Krebsov cikel. Pomen tega cikla se skriva v tem, da se pri oksidaciji acetil-koencima A sprosti veliko reduciranih spojin, katerih vlogo bomo spoznali v naslednji fazi celičnega dihanja. Žal pa se v Krebsovem ciklu tudi popolnoma oksidiramo in se tako pretvorimo v ogljikov dioksid. Nazadnje zapustimo mitohondrij in se v končni fazi iz telesa izločimo preko pljuč z izdihanim zrakom. Od nas v mitohondriju ostane le še nekaj majhnih, vendar zelo pomembnih elektronov. O procesu celičnega dihanja nam več pove redni profesor doktor Tom Turk s Katedre za biokemijo na Biotehniški fakulteti.
Kot smo slišali od profesorja Turka, dihalna veriga temelji na elektronskem prenašalnem sistemu. Te elektrone prenašajo reducirane spojine, ki smo jih omenili pri Krebsovem ciklu. Naši elektroni namreč pridejo v poštev pri elektronski prenašalni verigi. Elektronska prenašalna veriga se nahaja na kristah notranje mitohondrijske membrane in je sestavljena iz štirih proteinskih kompleksov, ki so razporejeni eden za drugim na membrani. Reducirane spojine, ki smo jih dobili v Krebsovem ciklu, pridejo do prvega respiratornega kompleksa in mu oddajo svoje elektrone. Oddani elektroni potujejo po respiratornih kompleksih do končnega prejemnika elektronov. Ravno tu se v celično dihanje priključi kisik. Na atom kisika se namreč vežeta po dva elektrona, s čimer nastane molekula vode.
No, pa smo se razgradili. Pričeli smo namreč kot glukoza s šestimi ogljikovimi atomi, se z glikolizo pretvorili v piruvat s tremi ogljikovimi atomi in s Krebsovim ciklom razpadli na ogljikov dioksid ter elektrone. Ti elektroni pa so se na dihalni verigi na koncu priključili v molekulo vode. Vendar na kakšen način pa se z razgradnjo glukoze proizvede energija?
Ko elektroni potujejo do kisika, se ob tem sprošča energija, ki se porabi za to, da se prečrpajo vodikovi ioni iz matriksa v medmembranski prostor mitohondrija. Zato se medmembranski prostor tudi zakisa. Ker koncentracija vodikovih ionov v medmembranskem prostoru naraste, ti ioni težijo nazaj v matriks. To sproščanje lahko ponazorimo s primerom iz vsakdanjega življenja. Na podoben način delujejo hidroelektrarne. Ko se na jezu nakopiči dovolj vode, jo sprostijo in tok vode omogoči vrtenje turbine, iz česar dobimo električno energijo.
Pri elektronski prenašalni verigi gre za podoben princip, le da se nakopičijo ioni namesto vode. Prav to razliko v koncentraciji vodikovih ionov pa izkoristi pomemben encimski kompleks, ki ga imenujemo ATP-sintaza. Oblikovana je kot nekakšen kanalček, skozi katerega potujejo vodikovi ioni iz medmembranskega prostora v matriks. Potovanje vodikovih ionov skozi ATP-sintazo omogoči sintezo novih molekul ATP v matriksu mitohondrija.
Ključna prednost elektronske prenašalne verige je to, da lahko iz ene molekule glukoze dobimo ne le 2 molekuli ATP, temveč kar 38 molekul ATP, kar za organizme, kakršen je naš, predstavlja ogromno razliko.
*Zaradi masovne produkcije energije imajo mitohondriji lahko zelo visoko temperaturo. Pred tremi leti je namreč izšla raziskava v znanstveni reviji PLOS Biology, v kateri so odkrili, da imajo mitohondriji v sesalčjih celicah lahko tudi 50 stopinj Celzija! Kot smo že povedali, se za sintezo ATP namreč uporablja energija prehajanja vodikovih ionov skozi ATP-sintazo. Ne pretvori pa se vsa sproščena energija v ATP, temveč se je nekaj sprosti v obliki toplote. In ker imamo v enem mitohondriju na tisoče takšnih ATP-sintaz, se lahko temperatura v mitohondriju dvigne tudi do 50 stopinj Celzija.
Za celično dihanje je ključen kisik, zato so mitohondriji strogo omejeni na aerobne organizme. Vendar pa so potrebe po energiji prisotne tudi v organizmih, ki živijo na območjih brez kisika. Zato ti organizmi nimajo ravno mitohondrijev, imajo pa podobne organele, ki se jim reče hidrogenosomi. Več o njih nam pove profesor Tom Turk.
Mitohondrij deluje kot precej avtonomen organel v celici, saj v njem potekajo procesi ločeno od procesov v citoplazmi celice in tudi njegova DNK se podvaja ločeno od jedrne DNK. Zanimivo vprašanje pa je, kako potem mitohondriji sploh nastanejo. V jedrni DNK namreč nimamo zapisa za sintezo mitohondrijev.
Na to zanimivo vprašanje o izvoru mitohondrijev bo odgovoril profesor Peter Dovč.
Število mitohondrijev v celici je odvisno od funkcije, ki jo ta celica opravlja. Celice z veliko energetsko porabo imajo navadno večje število mitohondrijev, takšne so denimo mišične celice, celice mrežnice in živčne celice. Prav tako sta pomanjkanje energije iz prehrane ter nizka temperatura signala, da se mora povečati biosinteza mitohondrijev, da bo lahko njihovo delovanje in doprinos molekul ATP optimalen.
Ker se naše telo ves čas prilagaja okolju, pa imajo ljudje, ki živijo bližje severu, kot prilagoditev na hladne razmere večji delež mitohondrijev v celicah, saj se s tem poveča termogeneza. Termogeneza v grobem pomeni tvorbo toplote v našem telesu in je značilna za organizme s stalno telesno temperaturo. Procesi termogeneze se sprožijo vsakič, ko telesna temperatura pade pod neko kritično mejo in se telo trudi obdržati svojo telesno temperaturo. Več o regulaciji števila mitohondrijev v mišičnih celicah nam bo na primeru telesne vadbe povedal profesor Peter Dovč:
Da si naši mitohondriji vzamejo malce odmora, sledi krajša pavza. Po pavzi pa bomo izvedeli, kako se mitohondriji prenašajo po generacijah in kakšne tegobe lahko zraven prinesejo.
Dobrodošli nazaj v oddaji Frequenza della Scienza, kjer govorimo o mitohondrijih. Do zdaj smo se skozi celično dihanje uspešno pretvorili iz glukoze v ogljikov dioksid in vodo ter dali naši celici ogromno ATP-ja. Prav tako pa smo se malce dotaknili hidrogenosomov in namnožili svoje mitohondrije. Že celo oddajo govorimo, kako so mitohondriji avtonomni in imajo svoj dedni material, zato se bomo sedaj posvetili dedovanju in genetiki mitohondrijev.
Kot smo že povedali, ima vsaka celica več sto do tisoč mitohondrijev. Vsak mitohondrij pa ima v matriksu svojo lastno DNK. Mitohondrijska DNK je krožna molekula, podobna bakterijski, in je dolga 16,6 kilobaznih parov. Vsak mitohondrij pa lahko vsebuje od ene do deset kopij identičnih krožnih DNK. Mitohondrijska DNK kodira 37 genov, od katerih jih 13 genov kodira proteinske enote dihalne verige. Mitohondrijska DNK kodira zgolj podenote, ki se nato v kombinaciji s proteini, ki so kodirani v jedrni DNK, sestavi v funkcionalne proteine.
Na splošno velja, da je število mutacij v mitohondrijski DNK veliko višje kot v jedrni DNK evkariontske celice. To večje število mutacij je lahko pogojeno na eni strani z bolj agresivnim okoljem v mitohondriju. Zaradi oksidativne fosforilacije so prisotne višje koncentracije reaktivnih kisikovih radikalov, ki jo lahko poškodujejo. Po drugi strani pa ima mitohondrijska DNK manj popravljalnih mehanizmov - pa še ti delujejo slabše - kot jedrna DNK. Popravljalni mehanizmi so namreč beljakovine, ki jedrno DNK ves čas obnavljajo in popravljajo napake. Glede na veliko pojavljanje mutacij bi lahko predvidevali tudi, da je evolucija mitohondrijske DNK veliko hitrejša od evolucije jedrne DNK.
Znanstveniki in znanstvenice v novejših raziskavah ugotavljajo, da lahko mutacije v mitohondrijski DNK vplivajo celo na staranje. Tekom življenja posameznega osebka se namreč v mitohondrijski DNK nabere veliko število mutacij. Te mutacije zmanjšujejo mitohondrijsko aktivnost in učinkovitost delovanja, zato to kopičenje mutacij v mitohondrijski DNK velja tudi kot eden od parametrov za spremljanje procesov staranja. Seveda procesi staranja niso omejeni samo na mutacije v mitohondrijski DNK. Na staranje vplivajo tudi druge mutacije, ki se tekom življenja naberejo v kodirajočih delih jedrne DNK, ki zapisujejo proteine, ki so potrebni za normalno delovanje mitohondrijev.
Kot smo že omenili, mitohondriji ne morejo nastati sami od sebe, ampak le z delitvijo iz predhodnjega mitohondrija. Za vretenčarje pa je značilno, da se mitohondrijska DNK deduje skoraj izključno po materi. Jajčna celica namreč vsebuje sto tisoč kopij mitohondrijske DNK, medtem ko spermij zgolj okoli 100 kopij. Prav tako kasneje v zigoti potekajo procesi, ki eliminirajo očetovo mitohondrijsko DNK. Tem procesom se bomo bolje posvetli nekoliko kasneje. O tem, da dedovanje mitohondrijske DNK ni striktno maternalno, nam bo več povedal profesor Peter Dovč:
V eni celici imamo lahko tako celo več tipov mitohondrijev. Različni tipi mitohondrijev so lahko posledica prisotnosti tako maternalne kot paternalne mitohondrijske DNK. Ali pa so posledica mutacije, ki se je zgodila tekom življenja že razvitega organizma. Iz tega mutiranega mitohondrija so tako z delitvijo nastali novi mitohondriji in posledično je bil v celici prisoten nov tip mitohondrijev. Če so vsi mitohondriji v celici identični, gre za homoplazmijo. Če pa pride do mutacije in je zato en del mitohondrijev drugačen od drugega dela mitohondrijev celice, ta pojav imenujemo heteroplazmija, saj je v eni celici tako prisotnih več različnih mitohondrijev. Profesor Peter Dovč nam bo povedal več o heteroplazmiji in kako pride do takšnega stanja:
Za bolezni, povezane s heteroplazmijo, je značilen tako imenovan učinek praga. V tkivu mora biti namreč dovolj veliko število patogenih mutacij, da se bolezen fenotipsko izrazi, torej da se pokažejo simptomi bolezni. Višina praga je odvisna od deleža okvarjenih mitohondrijev in od tkiva, v katerem se heteroplazmija pojavi. Bolj občutljiva na heteroplazmijo so ravno tkiva, v katerih intenzivno poteka celično dihanje za proizvodnjo energije. Bolj občutljiva tkiva so torej živčno tkivo, mrežnica in mišično tkivo.
Naše celice se stalno delijo, med mitozo pa se organeli, med njimi tudi mitohondriji, naključno razdelijo med celicama. Na ta način se tudi že po tem, ko je oseba že razvita, lahko spremeni delež mutirane DNK in preseže prag, posledično pa se izrazi bolezen. V celicah pa imamo na srečo zaščitni mehanizem, imenovan mitofagija. Gre za proces, ko celica razgradi svoje nedelujoče mitohondrije, saj mitohondriji z velikim številom mutacij postanejo neučinkoviti. Tako mitofagija preprečuje prekoračitev praga heteroplazmije, žal pa seveda ni vedno uspešna.
Mitohondriji in z njimi povezane bolezni se tako pri ljudeh in ostalih vretenčarjih dedujejo predvsem preko matere, otroka pa lahko prizadanejo ne glede na spol. Prav tako lahko oboli zgolj eden izmed otrok, ostali pa so zdravi. Ravno zato, ker iz genskih analiz ne moremo predvideti, kolikšen delež okvarjenih mitohondrijev bo prisoten in kolikšen delež je potreben, da se bolezen zaradi heteroplazmije izrazi, je zelo oteženo genetsko svetovanje staršem pri takih boleznih.
Mutacije v mitohondrijski DNK imajo lahko drastične posledice, saj skoraj celotna DNK nosi zapis za proteine oziroma je kodogena. Posledice so lahko razne bolezni, ki jim je skupna značilna motnja funkcije mitohondrijske dihalne verige, klinični znaki in simptomi pa so lahko zelo raznoliki. Najpogosteje pride do nevroloških simptomov. Če pa se mutacije zgodijo v pomembnih genih mitohondrijske DNK, pa lahko že v fazi razvoja embrija pride do splava. Več o boleznih, ki jih povzročajo mutacije v mitohondrijski DNK, nam bo povedal profesor Peter Dovč z Biotehniške fakultete.
Mitohondrijska DNK še danes kaže znake tipičnih prokariontskih genomov, saj tako rekoč ni nekodirajočih regij oziroma intronov. Predstavlja zelo kompaktno, skoncentrirano genetsko informacijo. Samo kratek del te molekule je namreč namenjen uravnavanju in transkripciji molekule. Omenjena kratka regija je torej nekodogeni del mitohondrijske DNK, ki jo imenujemo D-loop regija oziroma displacement loop regija, ki je bolj neobčutljiva na mutacije. D-loop regijo nam je podrobno predstavil profesor Peter Dovč:
Na ta način lahko s pomočjo D-loop regije ugotavljamo sorodnost med organizmi.
Kot zanimivost lahko še povemo, da je mitohondrijska DNK zaradi svoje stabilnosti zelo dragocena pri arheoloških raziskavah. Zaradi svoje majhnosti in krožne oblike je namreč težje razgradljiva kot jedrna DNK. Na področju raziskovanja mitohondrijske DNK so tako že veliko odkrili. Ker pa so znanstveniki in znanstvenice šele v zadnjih letih ugotovili, da dedovanje mitohondrijske DNK ni zgolj maternalno, ampak je lahko tudi paternalno, bo morda prišlo do kakšnih novih odkritij v človeški evoluciji.
Hvala, da ste se z nami podali na pot mitohondrijev. Naša prva postaja je bila sestava mitohondrijev, potem smo malce celično podihali in naredili krajši postanek pri hidrogenosomih. Potem smo svoje mitohondrije še malo premešali in jih razposlali naprej po generacijah. Mutiral pa je tudi termin oddaje Frequenza della scienza, ki bo od danes naprej vsako drugo nedeljo na vaši najljubši frekvenci.
Vaši vodički po popotovanju v svet celičnih elektrarn sva bili vajenki Dora in Iza s strojevodjo Tejo.
Urednikovala je Zarja.
Brala sva AMG in Lovrenc.
Tehniciral je Vito.
*Po posneti oddaji smo žal odkrili komentarje in izjave velikega števila znanstvenikov, ki so izpostavili, da ta raziskava ni zelo legitimna. Pri izračunu v raziskavi namreč niso upoštevali pravilne toplotne prevodnosti celice. Če bi bil podatek, da imajo naši mitohondriji 50 stopinj Celzija, pravilen bi bila moč našega telesa v višini desetih jedrskih elektrarn, kar je seveda neverjetno. Več o tem si lahko preberete tukaj.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj