Как сделать объемную модель митохондрии

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

Митохондрии взрослого человека поглощают в день до 400 литров кислорода. При этом образуется примерно 40 кг АТФ, которые служат источником энергии, необходимой для сокращения мышц, проведения нервного импульса и протекания большинства биохимических реакций.

В покое расходуется 28 гр АТФ в минуту, при физической нагрузке - 500 гр.

Именно в митохондриях из холестерина происходит образование половых гормонов - эстрогена, прогестерона, тестостерона. Снижение их количества или функции снижает уровень гормонов.

Что может нарушать их работу:

· дефицит физической нагрузки;

· высокое потребление простых углеводов;

· высокое потребление трансжиров;

· недостаточное потребление клетчатки и полиненасыщенных жирных кислот;

· низкое потребление белков (животных и растительных);

· частое дробное питание;

· дефицит физической нагрузки;

Нарушение работы митохондрий может быть как пусковым моментом, так и сопровождать развитие таких заболеваний как атеросклероз, рак, остеоартрит, ожирение, диабет, аутоиммунный тиреоидин, хроническая усталость, болезнь Альцгеймера.

Александрова Елена Евгеньевна, акушер-гинеколог, врач интегративной и профилактической медицины ЦСМ "Здравица"

Как профилактировать митохондриальную дисфункцию.

1. Регулярные аэробные физические нагрузки.

2. Адекватный сон. Наш организм живет согласно своим биоритмам. По ним выделение гормона сна - мелатонина в головном мозге происходит с 20-21 часов. Он в свою очередь пытается уложить своего хозяина в сон. Но как правило мы этот момент упускаем и ложимся спать за полночь. Именно с 22 часов до 04 часов ночи организм находясь в непрерывном сне восстанавливает свои ресурсы. Поэтому засыпать рекомендуется в 22 часа. Если это сегодня для вас сложно, введите сначала такое правило: ложиться спать в тот же день, в который утром встали.

3. Ограничение употребления простых углеводов. Знаете, что они занимают 80% рациона современного человека?! Пищевая промышленность заполонила полки магазинов некачественными углеводами. Рафинированные (обработанные) крупы, хлебобулочные изделия из белой муки, сладости, конфеты, соки, сладкие напитки - газировки, чай. Выбирайте сложные углеводы, которые богаты клетчаткой - цельнозерновые крупы (зеленая гречка, нешлифованный рис), выпечку из цельнозерновой муки на закваске. Вместо сока порадуйте себя фруктами.

4. Ограничение употребления трансгенных жиров. Это касается маргарина и продуктов, которые его содержат. Часто трансгенные жиры встречаются в магазинных хлебобулочных и кондитерских изделиях. Также в кафе быстрого питания. Добавьте в рацион правильные жиры - сливочное масло, соленое свежее сало, икру, творог и сметану высокой жирности. Солёную среднюю морскую рыбу жирных сортов употребляйте не менее 3 раз в неделю.

5. Не забывайте про белки. Главное правило - разнообразие. Разное мясо содержит свой набор аминокислот, большая часть которых являются незаменимыми для организма человека и должны поступать из вне. Растительные белки тоже должны быть в рационе, но без фанатизма. Делить весь объём суточного потребления белка на 3 приема пищи.

6. Если вы не имеете особых указаний от врача по количеству приемов пищи, лучше придерживаться правила: питание 3-4 раза в день и никаких перекусов. В промежутках можно пить только воду. Все остальное, в том числе, чай и кофе - это тоже еда.

Соблюдая эти просты правила ежедневно вы не только улучшите работу своих митохондрий и почувствуете больше энергии и сил, но и заметите улучшение состояния желудочно-кишечного тракта и настроения.

Описан состав, структура и функции митохондрий, а также их расположение в мышечном волокне. При тренировке на выносливость наблюдается саркоплазматическая гипертрофия, при которой увеличивается количество и размеры митохондрий. Существуют достоверные различия в количестве и размерах митохондрий в мышечных волокнах различных типов.

Митохондрии мышечного волокна

Митохондрии – мембранные органеллы общего назначения, что означает, что эти органеллы имеются в любой клетке. Размер митохондрий составляет 1-2 мкм. Размеры митохондрий соответствуют размерам бактерий. В митохондриях имеется ДНК.

Расположение митохондрий в мышечном волокне

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков саркоплазмы, где возникает потребность в АТФ. По расположению различают субсарколеммные и межфибриллярные митохондрии. Субсарколеммные митохондрии расположены непосредственно под сарколеммой мышечного волокна. Напомним, что в мышечном волокне под сарколеммой расположены многочисленные ядра и рибосомы, в которых происходит синтез белка. В связи с этим, субсарколеммные митохондрии снабжают рибосомы необходимой энергией для синтеза белка. Они составляют 10-15% от общего количества митохондрий. Межфибриллярные митохондрии расположены между миофибриллами. АТФ, выделяемая межфибиллярными митохондриями, необходима сокращения и расслабления мышечного волокна.

Функции митохондрий

В митохондриях протекает окисление углеводов, жиров и аминокислот до углекислого газа и воды с использованием кислорода воздуха. За счет энергии, выделяющейся в митохондриях при окислении, осуществляется синтез АТФ. Поэтому митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки или органеллами тканевого (клеточного) дыхания.

Также митохондрии очень хорошо поглащают кальций, который не только полезен, но и вреден для мышечного волокна. Поэтому иногда митохондрии называют депо кальция.

Строение митохондрий

Митохондрии состоят из двух мембран (внешней (рис.1.1) и внутренней (рис.1.2) и внутреннего содержимого – матрикса. Внутренняя мембрана образует выпячивания внутрь митохондрии – кристы (рис. 1.3). Именно на кристах происходит процесс окисления углеводов, жиров и аминокислот, так как они содержат большое количество различных ферментов.

Гипертрофия и гиперплазия митохондрий

Объем митохондрий мышечных волокон может возрастать, то есть осуществляется их гипертрофия. Также в мышечном волокне может увеличиться количество митохондрий, то есть может иметь место их гиперплазия. Увеличение числа митохондрий может происходить посредством их деления перетяжкой. Также возможна фрагментация исходных крупных митохондрий на более мелкие, которые, в свою очередь, могут расти и снова делиться.

Различия мышечных волокон по содержанию и размерам митохондрий

В мышечных волокнах I типа митохондрий много, и они крупные. В мышечных волокнах II типа митохондрий значительно меньше. Кроме того, они значительно меньше в размерах. Это связано с тем, что в мышечных волокнах I типа протекает тканевое дыхание, а в мышечных волокнах II типа – гликолиз и креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ.

Объемная плотность митохондрий

Митохондрии занимают объем около 5% от объема мышечного волокна взрослого человека. Этот показатель называется объемной плотностью митохондрий. С возрастом этот показатель уменьшается.

При тренировке на выносливость в мышечном волокне возрастает количество и размеры митохондрий, что является проявлением саркоплазматической гипертрофии. У профессиональных велосипедистов объем, занимаемый митохондриями в мышечном волокне (объемная плотность митохондрий), может достигать 10%. У тяжелоатлетов и бодибилдеров объемная плотность митохондрий не превышает 3%.

Литература

Самсонова А.В. Гипертрофия скелетных мышц человека: Учебное пособие.- 5-е изд. – СПб.: Кинетика, 2018.– 159 с.

Похожие записи:

Тест времени реакции на сигнал

Представлена программа расчета времени реакции на сигнал, предназначенная для использования в учебных целях, например на занятиях по…

Саркоплазматическая гипертрофия мышц

Дано определение и описаны механизмы саркоплазматической гипертрофии скелетных мышц. Показано, что этот вид гипертрофии мышц широко…

Классификация типов конституции человека М.В. Черноруцкого

Рассмотрена классификация типов конституции человека, разработанная выдающимся терапевтом М.В. Черноруцким в 1925 году. Классификация типов конституции человека М.В.

Гипертрофия мышц, гиперплазия и капилляризация мышечных волокон после силовой тренировки

Изучалась гипертрофия мышц, гиперплазия и капилляризация мышечных волокон под влиянием силовой тренировки. После 12…

Пролиферация (деление) миофибрилл

При гипертрофии мышц происходит пролиферация (деление) миофибрилл. При помощи электронного микроскопа установлено, что в…

Что такое гиперплазия мышечных волокон?

Типы гипертрофии скелетных мышц человека

В статье дается классификация различных видов гипертрофии скелетных мышц человека на основе ряда классификационных признаков: времени проявления…

Миомейкер: Мембранный активатор слияния миобластов и образования мышц

Ученые установили, что для образования мышечных волокон необходимо слияние клеток-предшественников, которые называются миобластами. Эти клетки имеют только…

— органеллы, которые находятся в каждой клетке нашего организма (кроме зрелых эритроцитов) и отвечают за производство энергии. Эти органеллы стали частью клетки около 2 млрд лет назад, когда археи установили симбиотические взаимоотношения с альфа-протеобактериями. Поэтому митохондрии — полуавтономные органеллы, так как они имеют собственный наследственный материал в виде кольцевой молекулы ДНК и окружены двумя мембранами.

Митохондрии выполняют важнейшие сигнальные функции: метаболиты цикла Кребса и ROS принимают участие в эпигенетических модификациях ядерной ДНК, влияют на процессы дифференцировки клетки (стволовые и онко-клетки имеют только незрелые митохондрии, активная работа митохондрий запускает их дифференцировку), влияют на метаболизм кальция и запускают процесс апоптоза — гибели клетки (источник 1, источник 2).

Не удивительно, что митохондриям отводят ключевую роль в процессах старения клеток и организма. И если раньше внимание было приковано только к ROS, которые выступают как повреждающие агенты долгоживущих молекул (липидов мембран, ДНК), то сегодня понимание роли митохондрий в старении существенно расширилась (рис.1) (источник).

С возрастом снижается общее количество митохондрий, происходит нарушение их внутренней структуры, снижается общее количество мтДНК, накапливаются различные повреждения мтДНК (точечные мутации и более крупные делеции), нарушаются процессы контроля качества митохондрий, — митофагии (удаление поврежденных митохондрий), биогенеза (образования митохондрий), динамики митохондрий.

— это комплекс мероприятий, направленных на улучшение митохондриальной функции не только при МХ заболеваниях, но и при возраст-зависимых заболеваниях.

Так как направление возникло относительно недавно, мы попробуем структурировать подходы, используемые митохондриальной медициной по таргетам их воздействия.

Процессы, протекающие в митохондриях, взаимосвязаны, данные направления могут пересекаться. Например, стабилизация мембран митохондрий улучшает динамику и процессы митофагии. Также направления митохондриальной медицины можно подразделить на:

Инновационные подходы (трансфер митохондрий, генная терапия митохондрий, перенос генов митохондрий в ядро).

Качественная и достоверная диагностика необходима и для разработки терапии и для оценки ее эффективности. Между тем, не существует стандартного набора методов для диагностики митохондриальной дисфункции.

Так как клетки наших тканей содержат разное количество митохондрий в зависимости от уровня метаболической активности, генетический материал в этих митохондриях может быть неодинаковым, некоторые из них могут нести мутацию, а другие — нет. Это явление называется гетероплазмией, что существенно затрудняет генетическую диагностику наследственного материала митохондрий.

Различные ткани имеют разную степень выраженности митохондриальной дисфункции. Более того, в различных тканях (в мозге и печени, например) о нарушении работы митохондрий могут свидетельствовать различные маркеры, а изменение работы митохондрий происходит с различной скоростью. Поэтому очень трудно "перенести" данные, полученные для одного субстрата, на другой. А выбор оптимального субстрата для диагностики является сложной задачей.

Между тем, маркеры для диагностики митохондриальной дисфункции существуют — есть ряд маркеров-кандидатов. Разрабатываются новые методики для диагностики работы митохондрий.

Все существующие и потенциальные маркеры диагностики митохондриальной дисфункции можно подразделить на группы.

Косвенно свидетельствует о нарушении работы дыхательной цепи. К этой группе методов относятся методики, входящие в гайдлайны диагностики митохондриальных заболеваний (ref), — определение уровня лактата, пирувата, их соотношения; количественное определение аминокислот, органических кислот и ацилкарнитинов), измерение ферментов — креатинкиназы, цитрат-синтазы, сукцинат-дегидрогеназы, цитрохром-с-оксидазы.

Данные методы достаточно удобны, однако, обладают невысокой специфичностью.

Также к этой группе методов относятся более новые подходы: метаболомика, определение сывороточных цитокинов и микроРНК.

Важная группа маркеров, так как нарушение генетического аппарата митохондрий является не только следствием нарушения работы митохондрий, но и причиной их дисфункции. Показано возраст-зависимое накопление генетических нарушений митохондрий. Для некоторых субстратов показана хорошая корреляция с возрастом.

К этой группе методов относят определение количества мтДНК, точечных мутаций, частой делеции (del4977bp)и других делеций, количества внеклеточной мтДНК и метилирования мтДНК.

Частая делеция (4977 bp) является является еще одним интересным генетическим биомаркером, так как ее уровень с возрастом растет, а в митохондрии с делецией не могут функционировать. Накопление этой делеции происходит в тканях с низкой пролиферативной активностью (скелетные мышцы, мозг, сердце), криминалисты используют этот маркер в своей работе для определения возраста (Meissner, 1997), она обнаруживается в коже при фотостарении и даже в волосах. У мышей есть свой аналог частой делеции митохондрий. Этому генетическому повреждению митохондрий посвящена целая теория старения (Dun-XianTan, 2019). Согласно ей, нарастающий уровень врожденного иммунитета направляет свою активность на митохондрии, являющиеся, в некоторой мере, чужеродными агентами. А митохондрии с делецией в этом случае получают селективное преимущество, хотя и являются дисфункциональными.

К этой группе методов относятся как инвазивные методики биопсии с последующей оценкой объемной плотности митохондрий, так и неинвазивные методики магнитно-резонансной спектроскопии, позитронно-эмиссионной томографии, функциональной МРТ.

Часто используется спортсментами, включают оценку аэробной способности митохондрий при помощи физиологии упражнений по показателям: максимальное потребление кислорода (МПК), артерио-венозная разница содержания кислорода. Может также сопровождаться инвазивным измерением различных биомаркеров в крови на различных этапах физической нагрузки.

Метод может использоваться и как подтверждение дисфункции, и как метод терапии, и как метод оценки эффективности терапии. Он является неинвазивным, доступным и чувствительным, хотя и требует специального оборудования и не всегда подходит для всех возрастных групп.

Лактат;Кровь, спинномозговая жидкость;Митохондриальная дисфункция, первичное митохондриальное заболевание;— Пируват;Кровь;Без повышения лактата низкая клиническая значимость;— Соотношение лактат:пируват;Кровь;Дифференциальная диагностика нарушений электронной транспортной цепи (ETC) от нарушений метаболизма пирувата, мх дисфункция; — Количественный анализ аминокислот (аланин, глицин, пролин и треонин);Кровь;Самостоятельная клиническая ценность не установлена; — Органические кислоты (в частности, малат и фумарат);Кровь;Нарушение ЦТК, мх заболевания; — Карнитины;Кровь;Первичные или вторичные дефекты окисления жирных кислот, а также некоторые первичные амино- и органические ацидемии; — Цитрат-синтаза;Кровь;Маркер биогенеза митохондрий; — Сукцинат-дегидрогеназа;Кровь;Маркер биогенеза митохондрий; — Метаболомика;Кровь, моча, спинномозговая жидкость;Вклад митохондриальной дисфункции при диабетической нефропатии, при болезни Альцгеймера, при биполярных нарушениях, для дифференциальной диагностики при сердечной недостаточности; — Циркулирующие цитокины (сывороточный fibroblast growth factor-21 (FGF-21) и сывороточный growth and differentiation factor-15 (GDF-15));Кровь;Специф. для митохондриальных нарушений, вызванных дефектами трансляции и поддержания мтДНК, а не нарушением дыхательных комплексов или факторов сборки. Могут использоваться для возрастного снижения функции митохондрий.;FGF-21 образуется главным образом в скелетных мышцах, поэтому его диагностическая ценность наиболее высока при саркопении и миопатиях. Специфичность маркера при миопатии составила 89.3 %, а чувствительность, - 67.3 %. Микро-РНК, паттерн микроРНК (9/9*); — ;Выявляется в клетках с мутацией m.3243A>G; — Секреторный фенотип IL-10, TNF-α и CCL27, но не имеющим IL-1 сигнального звена; —; —; — Количество копий мтДНК;Тканеспецифично. В периферических иммунных клетках уровень мтДНК при старении снижается (Mengel-From et al. 2014), а в других типах клеток он может и расти (эпителий бронхов);сердечно-сосудистые заболевания (Yue et al. 2018), диабет 2 типа (Malik et al. 2009, Monickaraj et al. 2012), рак (Afrifa et al. 2018), деменция (Rice et al. 2014, Pyle et al. 2016). Маркер старения иммунной системы;Может быть биомаркером биологического возраста (Pieters et al. 2015, Qiu et al. 2015, Tyrka et al. 2015). В мононуклеарных лимфоцитах периферической крови (PBMCs) снижается при старении постепенно и ассоциирован с статусом здоровья среди пожилого населения (Mengel-From et al. 2014, Wachsmuth et al. 2016). Гетероплазмия по частой делеции (4977 bp);Тканеспецифична, Более всего поражает дифференцированные клетки с низкой пролиферативной способностью (мозг, сердце, скелетные мышцы). Сперма (для диагностики причин бесплодия), кровь – не оптимальный маркер, хотя используется (высокая пролиф.активность), биопсия скелетных мышц, волосы (растет с возрастом), Т-лимфоциты – старение иммунной системы;Мужское бесплодие, смертность от всех причин и кардиособытия (периферическая кровь), нейродегенеративные заболевания, старение иммунной системы;Уровень корреляции с возрастом наиболее высок в substantia nigra (r=0.87), хорошая корреляция в биоптатах мышц (*формула для расчета возраста) Гетероплазмия по точечным мутациям;Кровь (использовали при ССЗ), биоптаты мышц;ССЗ ((m.5178C>A, m.15059G>A, m.652delG, m.13513G>A, m.14846G>A, m.652insG, m.12315G>A, m.3336T>C, m.1555A>G, m.14459G>A, m.3256C>T);Растет с возрастом, оптимальны для измерения постмитотические ткани Метилирование мтДН;Кровь, отдельно — тромбоциты, мезенхимальные стволовые клетки;Пациенты с ССЗ имеют более высокий уровень метилирования мтДНК по ряду генов, вовлеченных в синтез АТФ (МТ-СО1, МТ-СО2, МТ-СО3 и МТ-TL1);два сайта (М1215 и М1313) показали устойчивую корреляцию между предсказанным и хронологическим возрастом, Гипометилирование островков CpG (гена цитохром С оксидазы) ассоциировано со старением мезенхимальных стволовых клеток (MSCs). Внеклеточная мтДНК; — ;Системное воспаление, саркопения;С возрастом содержание увеличивается Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС, MRS); — ;1H позволяет захватывать тканеспецифичные метаболиты, такие как лактат, холин и N-ацетиласпартат, в то время как 31P захватывает относительные пропорции метаболитов фосфора и, следовательно, окислительную емкость; — Позитронно-эмиссионная томография (PET, ПЭТ);Неинвазивный; — ; — Метод DNP (динамическая ядерная поляризация, ДЯП);Неинвазивный; — ; — Тесты с физической нагрузкой;Неинвазивный;МТ дисфункция 1ная и 2ная; — Лактат-стресс тест; — ;МТ дисфункция 1ная и 2ная; — Кожная респирометрия, СОМЕТ;Неинвазивный;Пока используется при неотложных состояниях;Не проверялось

Fibrocell, Forbius, Genzyme, Regulus, Fibrogen и Foresee. Мы не знаем, как не запутаться во всех этих Fib' и For', но кое в чём разобрались.

Исследователи из Сеченовского Университета совместно с коллегами из Ирландии разработали новый метод изучения поляризации митохондрий в живых клетках и тканях. Он хорошо дополняет существующие подходы и позволяет оценивать состояние митохондрий, изучать клетки в тканях и моделях органов. Исследование опубликовано в журнале Cytometry Part A.

Митохондрии играют важную роль в жизни клетки, снабжая ее энергией, участвуя в регулировании клеточного цикла и процессах программируемой клеточной смерти. Однако возможности ученых по наблюдению за количественными изменениями в митохондриях все еще довольно ограничены. Один из методов, позволяющих глубже взглянуть на функцию митохондрий, – это визуализация времени жизни флуоресценции, или флуоресцентная время-разрешенная микроскопия (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM). Этот метод использует тот факт, что продолжительность свечения флуоресцентных красителей, молекулярных проб, белков и наночастиц зависит от их микроокружения, полярности среды, температуры и прочих факторов. Современные FLIM-микроскопы позволяют оценивать длительность свечения с точностью до долей наносекунд, и получать двух- и трехмерные изображения живых тканей, клеток или моделей органов. Метод уже активно используется в изучении снабжения кислородом тканей и клеток, изменений кислотности и окислительно-восстановительного баланса внутри клетки.

Авторы статьи обнаружили, что несколько известных красителей (в том числе метиловый эфир тетраметилродамина и красители группы SYTO) могут существенно дополнить традиционные методы изучения митохондрий в режиме FLIM.

Описанный подход открывает новые перспективы в развитии технологий культивирования стволовых клеток и оценке их качества, стимулирует развитие тканеинженерных подходов и методов микроскопии (применительно к другим моделям органов и тканей, полученных in vitro), а также будет полезен в фундаментальных исследованиях стволовых клеток.

Трехмерная реконструкция клеточных ядер и митохондрий в кишечном органоиде, полученная с помощью двухфотонной FLIM микроскопии.

Читайте также: