Матрикс - это внутреннее пространство митохондрий, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной (рис.5). Оно является местом локализации важнейших ферментов и ферментативных путей, предопределяющих роль митохондрий в общем клеточном обмене. Прежде всего, следует упомянуть о цикле ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса), занимающем центральное место в обмене благодаря интеграции процессов деградации и биосинтеза клеточных компонентов и сопряжения их с запасанием значительных количеств энергии.
Еще в митохондрии локализовано бета-окисление жирных кислот, но это характерно только для животного царства [6], а в дрожжах, грибах и растениях бета- окисление сосредоточено в микротелах, главным образом в пероксисомах. В матриксе присутствуют пируватдегидрогеназный комплекс, ферменты окисления аминокислот и множество других ферментов, АТФ, АДФ, Pi, Mg2+, Ca2+, K+ и множество метаболических интермидиатов.
В матриксе митохондрий находятся рибосомы, по многим характеристикам отличающиеся от эукариотических рибосом. На них синтезируется не более 5% от всех митохондриальных белков, а большинство белков кодируется клеточной ДНК и поступает в митохондрии из цитозоля. Как правило, кодируемые мтДНК белки, сильно гидрофобны и локализованы на внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса. В целом же рост и функционирование митохондрии невозможны без импорта белков, кодируемых ядерным геномом и синтезированных на цитоплазматических рибосомах (так называемых белков-предшественников). Каждый поступивший белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует. Таким образом, рост митохондрий возможен за счет импорта цитоплазматических белков, включающего последовательный избирательный перенос белков через одну или две мембраны.
Подавляющее большинство описанных митохондриальных геномов представляет собой кольцевые суперспирализованные двуцепочечные молекулы ДНК. У некоторых растений наряду с кольцевыми формами имеются и линейные, а у некоторых простейших, например инфузорий, в митохондриях обнаружены только линейные ДНК [46]. Как правило, в каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома. Так, в клетках печени человека около 2 тыс. митохондрий, и в каждой из них — по 10 одинаковых геномов. В фибробластах мыши 500 митохондрий, содержащих по два генома, а в клетках дрожжей S.cerevisiae — до 22 митохондрий, имеющих по четыре генома.
Размер генома митохондрий разных организмов колеблется от менее 6 тыс. пар нуклеотидов у малярийного плазмодия (в нем, помимо двух генов рРНК, содержится только три гена, кодирующих белки) до сотен тысяч пар нуклеотидов у наземных растений (например, у Arabidopsis thaliana из семейства крестоцветных 366924 пар нуклеотидов). При этом 7—8-кратные различия в размерах мтДНК высших растений обнаруживаются даже в пределах одного семейства. Длина мтДНК позвоночных животных отличается незначительно (табл.1).
Таблица 1: Размеры мтДНК млекопитающих.
| организм | человек | свинья | дельфин | шпорцевой лягушки Xenopus laevis | карп |
| Размер генома (пар нуклеотидов) | 16569 | 16350 | 16330 | 17533 | 16400 |
Эти геномы сходны также и по локализации генов, большинство которых располагаются встык; в ряде случаев они даже перекрываются, обычно на один нуклеотид, так что последний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем. В отличие от позвоночных, у растений, грибов и простейших мтДНК содержат до 80% некодирующих последовательностей. У разных видов порядок генов в геномах митохондрий отличается [47].
Количество генов, кодируемых мтДНК разных организмов, колеблется от 37 (у млекопитающих) до 97 (у простейших) (табл.2). Все митохондриальные геномы кодируют две рРНК, двадцать две или более тРНК, тринадцать или более белков комплекса Таблица 2: дыхательной цепи и дополнительные митохондриальные гены (нет у млекопитающих).
Таблица 2: Количество генов кодируемых мтДНК у разных организмов
| организмы гены, кодируемые мтДНК | Простейшие (Reclinomonas americana) | млекопитающие и большинство грибов | растения |
| Белки электрон-транспортной цепи и аппарата окислительного фосфорилирования | 23 | 13 | 13 |
| рРНК | 3 (5S РНК, 12S рРНК, 16S рРНК) | 2 (12S рРНК, 16S рРНК) | более 2х (12S рРНК, 16S рРНК и другие рРНК) |
| 5S РНК | 1 | не найдены | не найдены |
| тРНК | 27 | 22 | 22 |
| РНК компонент рибонуклеазы Р (РНК процессинг)- | 1 | не найдены | не найдены |
| мультисубъединичной РНК полимеразы - аналога эукариотичекой полимеразы | 4 | Похоже, что гены эубактериальной мультисубъеди-ничной рнк-полимеразы потерялись из всех прочих митохондрий и заменились на одно-субъединичный фермент, который кодируется ядерным геномом. | |
| миторибосомальные белки | 18 | не найдены | несколько |
| всего | 97 генов (геном в 69034 пар оснований) | 37 генов | более 37 генов |
Кроме того, все мтДНК обладают интересным свойством - они не метилируются, в отличие от ядерных и прокариотических ДНК [48].
Существуют две основные теории, объясняющих происхождение органелл с собственным не ядерным геномом.
Теории первой группы предполагают, что геном органелл происходит от ядерного генома. Предполагается, что часть ядерного генома оказалась механически отделена мембранами от основной части ядерного генома и постепенно приобрела способность к независимому функционированию.
Теории второй группы предполагают симбиотические события и то, что геномный материал органелл имеет внеклеточного происхождения. Факультативные прокариотические симбионты, попавшие в клетку хозяина путем эндоцитоза, с течением времени потеряли часть своих генов и стали облигатными симбионтами. Постепенно за ними закрепилась и определенная функция внутриклеточного метаболизма.
Одним из доказательств эндосимбиотической теории стало открытие митохондриальной ДНК [17] и обнаружение таковой во всех эукариотических митохондриях. Но мтДНК слишком мала, чтобы содержать информацию о свободноживущем организме. Это говорит о том, что часть митохондриального генома была утеряна и, скорее всего, недостающие промитохондриальные гены частично были перенесены в ядро, а частично безвозвратно утеряны. Еще в пользу симбиотической теории говорят многочисленные факты:
- совпадают размеры и формы митохондрий и свободно живущих аэробных бактерий; те и другие содержат кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами (в отличие от линейных ядерных ДНК);
- по нуклеотидным последовательностям рибосомные и транспортные РНК митохондрий отличаются от ядерных, демонстрируя при этом удивительное сходство с аналогичными молекулами некоторых аэробных грамотрицательных эубактерий;
- митохондриальные РНК-полимеразы, хотя и кодируются в ядре клетки, ингибируются рифампицином, как и бактериальные, а эвкариотические РНК-полимеразы нечувствительны к этому антибиотику; ингибирование рибосом стрептомицином
- белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на рибосомы эвкариот: ингибирование рибосом стрептомицином, зависимость транскрипции от рифамицина и ее устойчивость к циклогексимидину, участие в начале транскрипции формилметионин, прокариотическая структура промотера
- в митохондрии, как и в бактериях, полиаденилирование мРНК отсутствует или выражены слабо
- липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, но сильно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эвкариотических клеток;
- кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот;
Результаты сиквенса митохондриальных генов свидетельствуют о монофилетическом происхождении митохондрии из эубактериального предка, относящегося к подразделу a-протеобактерий. В течение последних лет были определены полные последовательности большого числа митохондриальных и эубактериальных геномов. Эти результаты свидетельствуют о том, что митохондриальный геном эволюционировал из единого предка, общего для всех существующих в настоящее время эукариот, и что митохондриальная и ядерная компоненты эукариотной клетки возникли одновременно [45].
Внутренняя митохондриальная мембрана
Внутренняя мембрана митохондрий отличается от прочих клеточных мембран своим белково-липидным составом. Так, в большинстве мембран клетки соотношение белков и липидов составляет 50:50, в рамках концепции “белков, плавающих в липидном море”, когда как во внутренней митохондриальной мембране это соотношение равно 75:25, предполагая сравнительно плотную упаковку белков. Тем не менее, внутренняя мембрана, вероятно, находится в текучем, а не в твердом состоянии[7,8].
Белки внутренней мембраны, кодируемые мтДНК, образуют субъединицы белковых комплексов, другие компоненты которых кодируются ядерными генами и поступают из цитозоля. Образование таких гибридных агрегатов требует сбалансированного синтеза этих двух типов субъединиц; каким образом координируется синтез белка на рибосомах разных типов, разделенных двумя мембранами, остается загадкой.
Внутренняя митохондриальная мембрана легко проницаема для О2, СО2, Н2О и некоторых других соединений и слабо проницаема (в силу специфики белково-липидного состава) для нуклеотидов, сахарозы, ионов водорода, калия, натрия, кальция, магния и т. д. Связь внутреннего компартмента митохондрий с цитоплазмой осуществляется через сеть специфических белков-переносчиков, обеспечивающих активный избирательный транспорт необходимых веществ: неорганических анионов и катионов, моно-, ди- и трикарбоновых кислот, аминокислот, жирных кислот, адениновых нуклеотидов.