「ミトコンドリア」の版間の差分

[[image:Mitochondrie.svg|thumb|200px|thumb|right|ミトコンドリアの構造<br />1.内膜 2.外膜 3.クリステ（平板状） 4.マトリックス]]

'''ミトコンドリア'''は、ほとんど全ての[[真核生物]]の[[細胞]]に含まれる細胞小器官である。直径は0.5 μm程度であるが、その形状は、生物種や細胞の置かれている条件によって多様である。球形、円筒形のものから、紐状あるいは、網目状など様々な形状のものまでありミトコンドリアが存在し、長さが10 μmに達するもの物も珍しくない。1細胞あたりの数は、1つに維持されている細胞もあ有るが、多い場合では数千個のミトコンドリアが絶えず分裂と融合を繰り返しているもの場合もある。

ミトコンドリアは外膜と内膜という二枚の呼ばれる脂質膜に囲まれており、その内側に、もう1枚、内膜と呼ばれる脂質膜を有する。内膜に囲まれた内側を'''マトリクス'''<ref group="注釈">ミトコンドリアのマトリクス（mitochondrial matrix）は、'''マトリックス'''と片仮名転記される場合もある。さらに、'''ミトコンドリア基質'''（mitochondrioplasma）とも呼ばれる。ただ、本稿では「マトリクス」の表記で統一する。</ref>、内膜と外膜に挟まれた空間を'''膜間腔'''と呼んでいるぶ。なお、内膜はマトリックスに向かって陥入した、[[クリステ]]（稜）（cristae）と呼ばれる特徴的な構造を取っている。参考までに、この「cristae」となは「櫛」という意味である<ref name="histology_p50">藤田 尚男・藤田 恒夫 『標準組織学 総論（第3版）』 p.50 医学書院 1988年2月1日発行 ISBN 4-260-10047-5</ref>。

[[アセチルCoA]]は、好気性[[細胞呼吸]]の第二2段階目である、[[ピルビン酸]]が[[ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体]]により[[脱炭酸]]して生成する。この酵素反応はミトコンドリアのマトリックスで起こる。ここで生成したアセチルCoAは[[、TCAサイクエン酸回路]]ルに参加す投入される<ref>[http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textbook/mitocho.htm 第5回 5.エネルギーの生産－サイトゾールとミトコンドリア 更新日：2002/04/08] 教養部生物学の資料[http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/sumcell.htm]</ref>{{信頼性要検証|date=2012年10月}}。

解糖系で生じたピルビン酸は内膜を[[能動輸送]]によって透過しなお、マトリッTCAサイクスで酸化され[[補酵素A]]と結合し、二酸化炭素、[[アセチルCoA]]、NADHを生じる。[[アセチルCoA]]はクエン酸回路へ入る基質である。クエン酸回路の酵素群はほとんどがマトリックスに存在しているが、[[コハク酸デヒドロゲナーゼ]]（[[ユビキノン]]）だけは例外で内膜の呼吸鎖複合体IIとなっている。クエン酸回路はアセチルCoAを酸化して二酸化炭素を生じ、その過程で3分子のNADHと1分子FADH₂、1分子のGTPを生成する。なお、二酸化炭素はミトコンドリア外にへ拡散して排出される。

クエン酸TCAサイクルでは、サイクルの一1回転ごとにすべ、全ての中間体（例えば、[[クエン酸]]、[[イソクエン酸]]、[[α-ケトグルタル酸]]、[[コハク酸]]、[[フマル酸]]、[[リンゴ酸]]および[[オキサロ酢酸]]）が再生される。したがって、ミトコンドリアにこれらの中間体のいずれかを追加して加えることは、追加された量がクエン酸TCAサイクル内に保持され、中間体の一1つが他方に変換されて順次増加することを意味する。したがよって、それらの中間体のいずれか1つをクエン酸TCAサイクルに加えることはれば、[[補充反応]]（アナプレロティック反応）効果を示しす。逆に、中間体のいずれかの除去はすれば、消費反応（カタプレロティック反応）効果を示す。これらの補充反応及び消費反応は、クエン酸TCAサイクルの回転で、アセチルCoAと結合してクエン酸を形成するために利用可能な、オキサロ酢酸の量を増加または減少させる。この回転量が、ミトコンドリアによる[[ATP]]製造量と、細胞へのATPの提供量の増減を左右することとなる<ref name="stryer">{{cite book
|last1= Stryertitle |first1= Lubert | title=In: Biochemistry. |edition= 4 th |chapter= Citric acid cycle. |editionpages= Fourth509-527, 569-579, 614-616, 638-641, 732-735, 739-748, 770-773
|location first1 = NewLubert York|last1= Stryer
| publisher = W.H. Freeman and Company |location= New York |publication-date= 1995
|pages= 509–527, 569–579, 614–616, 638–641, 732–735, 739–748, 770–773 |isbn = 0 -7167 -2009 -4 }}</ref>。

電子伝達系で、複合体Iと複合体IIIと複合体IVは、電子が伝達された際に、ミトコンドリアのマトリクスから膜間腔へとプロトンを汲み出す。このようにしてプロトンが膜間腔へ汲み出されることによりた結果、ミトコンドリアの内膜の内外で隔てて、プロトン濃度の差（[[電気化学的勾配]]）が生じる。汲み出されたプロトンは、[[ATP合成酵素]]を通じてマトリックスへ戻ること事ができ、このとき際にそ、電気化学的勾配のポテンシャルを使って、ADPと無機リン酸(P_i)からを、ATPを生成へと変換する。生成されたATPは、ATP/ADPトランスポーターによりって、ミトコンドリアから細胞質へ輸送され、細胞の活動エネルギー源となして利用される<ref name="atp"/>。

ミトコンドリアにおける脂肪酸の輸送については、[[β酸化#脂肪酸の動員]]及び[[β酸化#脂肪酸の活性化とミトコンドリア内への輸送]]を参照のこと。ミトコンドリアにおけるβ酸化については、[[β酸化#β酸化反応および酵素群]]を参照のこと。ミトコンドリアのマトリックスで生成された[[アセチルCoA]]は上述のように[[クエン酸回路]]でエネルギーに変換される。

ある条件下では、膜間腔のプロトンはATP合成に関与することなくせずに、促進拡散によってマトリックスに戻ること場合がある。これは「プロトンのリーク」とか「ミトコンドリアの脱共役」と呼ばれ、これによって蓄積されていた[[電気化学ポテンシャル]]は熱として解放されることになる。thermogeninをはじめとする一群のプロトンチャネル([[脱共役タンパク質]])が媒介しており、非ふるえ熱産生に関わっている<ref name="Mozo">{{cite journal | author=Mozo J, Emre Y, Bouillaud F, Ricquier D, Criscuolo F | title=Thermoregulation: What Role for UCPs in Mammals and Birds? | journal=Bioscience Reports. | date=2005 November | pmid=16283555 | pages=227–249 | issue=3-4 | doi=10.1007/s10540-005-2887-4 | volume=25 }}</ref>。Thermogeninは若齢や冬眠中の哺乳類に見られる[[褐色脂肪組織]]のミトコンドリアに存在している。

=== アポトーシス ===

細胞に発生したDNA損傷などのストレスは、アポトーシス誘導分子[[p53]]やアポトーシスを調節する[[Bcl-2]]ファミリータンパク質を介して、ミトコンドリアの[[膜電位]]を変化させ、そ外膜の結果、ミトコンドリアから[[シトクロムc電位依存性陰イオンチャネル]]が漏出し、[[アポトーシス]]へとつなが閉鎖される<ref>[https://doi.org/10.11251/ojjscn1969.31.122 アポトーシスの分子機構] 太田成男、石橋佳朋「脳と発達」Vol.31(1999)No.2</ref>。シトクロムcは、細胞質に存在するApaf-1や[[カスパーゼ]]-9と結合して、アポトソーム（{{lang-en-short|apoptosome}}）と呼ばれる集合体を形成する。これによって活性化されたカスパーゼ-9が、下流のエフェクターを活性化していく。cite journal

[[Image:Chondrocyte- calcium stain.jpg|300 px|right|thumb|300 px| [[軟骨細胞]]の電子顕微鏡像。ミトコンドリア中のカルシウムが強染されている。]]

ミトコンドリア中には、細胞核とは別に、独自のDNAが存在しており、これを[[ミトコンドリアDNA]]（'''mtDNA'''）と呼ぶ。mtDNAは、細胞核のものとは異なる独自の遺伝情報を持っている。通常はGC含量が低く(20-40%)、基本的なゲノムのサイズは数十kb程度のDNAであり、[[電子伝達系]]に関わるタンパク質、[[リボソームRNA]]や[[転移RNA|tRNA]]など数十種類の遺伝子がある。しかしDNA分子の大きさや形状、コードcodeされている遺伝子の数や種類などは、生物種によって大きく異なる。ヒトを含む脊椎動物のmtDNAは真核生物の中ではかなり特殊な性質を多く持っており、研究はよく進んでいるものの安易な一般化は慎まなければならない。

ミトコンドリアゲノムはα[[αプロテオバクテリア]]から受け継がれたものであており、その遺伝子発現は[[細菌]]と共通した特徴を持っていおり、真核生物の細胞核のDNAとは異なる。例えば、複数の遺伝子がまとめて転写され、それが遺伝子ごとに切断されポリアデニル化されて成熟mRNAとなること点や、翻訳の開始にフォルミル化メチオニンが利用されること点、細胞核に存在するような[[スプライソソーム]]型の[[イントロン]]が存在しないこと点、などが挙げられる。

ミトコンドリアの機能に関わる全ての遺伝子がミトコンドリアゲノムに存在しているわけではない。ミトコンドリアゲノムは細菌のゲノムと比べると遺伝子数が極端に減少しており、一方で大多数の遺伝子は細胞核にコードされ遺伝子産物がミトコンドリアへと輸送される。これは進化の過程で遺伝子が細胞核へ移動したからだと考えられている。こうした現象は比較的よくあった出来事だと考えられ、[[マイトソーム]]などのように全てのDNAを完全に失ったようなミトコンドリアも存在している。一方、原生生物のレクリノモナス(''Reclinomonas americana'')は、他の生物では細胞核から輸送されているようなタンパク質の遺伝子が、mtDNA上に存在しており、比較的原始的なミトコンドリアゲノムを未だに保っ持していると考えられている。

ミトコンドリアには、呼吸機能に関与する[[疎水性]]のタンパク質が存在し、疎水性でありるために輸送が難しく、これらをミトコンドリアの内部で作らざるを得ないのがために、ミトコンドリアに遺伝子が残っている理由の一1つとなっ考えられている<ref>池田清彦、『不思議な生き物-生命38億年の歴史と謎』203p p.203、2013年4月25日、角川学芸出版、ISBN 978-4-04-653275-6</ref>。

1つのミトコンドリアには、2-10コピーのDNA分子が存在する<ref name="Wiesner">{{cite journal
| author=Wiesnertitle RJ, Ruegg JC, Morano I |year=1992 |title=Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues
| author1 = Wiesner RJ.
| author2 = Ruegg JC.
| author3 = Morano I.
| journal = Biochim Biophys Acta | volume=183 |pages issue=553–5592 | pmidpages=1550563553-559 |year=1992
| issuepmid =2 1550563
}}</ref>。その全てが完全に同じ情報を持つわけではなく、複数の異質のDNA分子を含んでいることが確認されている<ref name="ミトコンドリアはどこからきたか"/>。

ミトコンドリアは好気性細菌で、[[リケッチア]]に近い好気性細菌のα[[プロテオバクテリア]]が、[[真核細胞]]に[[共生]]するこ入り込んだ結果とによっして獲得されたと考えられている<ref name="ミトコンドリアはどこからきたか"/>。[[リン・マーギュリス]]の[[細胞内共生説]]では単に好気性バクテリアが起源とされていたが、その後すぐの1970年代にはすでにミトコンドリアの起源が現在でいうαプロテオバクテリアだという意見が出ているた。脱窒細菌の''Paracoccus denitrificans''や、暗所好気条件で培養した[[紅色光合成細菌]]の''Rhodobacter sphaeroides''は、[[呼吸鎖]]の構成や阻害剤への応答がミトコンドリアのものと類似しており、特に、[[シトクロムc]]がミトコンドリアのものと互換性を持つ点が注目された<ref>{{cite journal
|author=John P,title Whatley FR.|year=1975|title= ''Paracoccus denitrificans'' and the evolutionary origin of the mitochondrion.
| author1 = John P.
| author2 = Whatley FR.
| journal = Nature |volume=254 |issue=5500 |pages=495-498 |pmidyear=2357421975
|url pmid = 235742
}}</ref>。

細胞核DNAにコードされているシトクロムcだけでなく、mtDNAにコードされている[[リボソームRNA]]の配列を使った系統解析でもαプロテオバクテリア起源であることが示され、1980年代にはミトコンドリアのαプロテオバクテリア起源は受け入れられるようになった<ref name="Yang1985">{{cite journal
|author title = Mitochondrial origins
| author1 = Yang D,.
| author2 = Oyaizu Y,.
| author3 = Oyaizu H,.
| author4 = Olsen GJ,.
| author5 = Woese CR.
|year=1985|title=Mitochondrial origins|journal = Proc Natl Acad Sci |volume=82 |issue=13 |pages=4443-4447 |year=1985
| pmid = 3892535
| url = http://www.pnas.org/content/82/13/4443.full.pdf}}</ref>。 |format=pdf

ただし、初期の解析では[[高等植物]]ミトコンドリアのリボソームRNAの配列が、他のミトコンドリアの配列と比べて進化的距離が非常に小さかったため、ミトコンドリアの起源は単独ではなく、高等植物のミトコンドリアは新たに獲得されたもの物だという意見もあ有った<ref name="Yang1985" />。しかし、こうした意見は現在では否定され、真核生物のミトコンドリアの起源は単一であるとされている<ref name="Viale1994" />。

もっとも、αプロテオバクテリアは非常に多様な細菌を含む分類群であり、その中でどのような細菌がミトコンドリアの起源となったのかについては、長く議論が続いている。初期には前述の通り脱窒細菌や光合成細菌が起源だと考えられていたが、[[シャペロニン]]Hsp60(GroEL)を用いた系統解析により[[リケッチア]]が最も近縁であると示されてからは、これが有力説となった。リケッチアは、細胞内寄生体生物であること点、[[TCA回路]]サイクルを持ち[[好気呼吸]]ができるがのに対して[[解糖系]]を持たないこと点、細胞膜にADP/ATP輸送体を持っていること点、ゲノムが小さくAT含量が高いこと点など、ミトコンドリアと共通した特徴を持っていが複数見られる<ref name="Viale1994">{{cite journal

| journal = FEBS Lett. |volume=341 |issue=2-3 |pages=146-151 |year=1994

| pmid = 7907991|url=

1998年に[[発疹チフス]]を引き起こすリケッチア(の1種である''Rickettsia prowazekii'')のゲノムが解読され、祖先的とされる''Reclinomonas americana''のミトコンドリアゲノムと共通している遺伝子や、配置順が保存された遺伝子群などが見出され解析されているた。その多くはミトコンドリアがリケッチアに近縁であるという仮説を支持するもの結果であったが、ADP/ATP輸送体については、予想に反して起源を異にしていることが示されているた<ref>{{cite journal
|author=Andersson SG,title Zomorodipour= A, Andersson JO, Sicheritz-Pontén T, Alsmark UC, Podowski RM, Näslund AK, Eriksson AS, Winkler HH, Kurland CG.|year=1998|title=The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria.
|journal author1 =Nature|volume=396|issue=6707|pages=133-140|pmid=9823893 |url=}}</ref>。Andersson SG.

|author=Rappe ettitle al.|year=2002|title= Cultivation of the ubiquitous SAR11 marine bacterioplankton clade|journal=Nature|volume=418|issue=6898|pages=630-633|pmid=12167859}}</ref>。

なお、[[アメーバ]]に似た[[原生生物]]である[[ペロミクサ]]や[[微胞子虫]]など、いくつかの原生生物の中はミトコンドリアを持っていない者もいる。これを、ミトコンドリアが共生する以前の真核生物の生き残りと見る説があった（→[[アーケゾア|アーケゾア仮説]]）が、後に否定されているた。

上記のようなミトコンドリアの特徴は、[[動物]]、[[植物]]、[[菌類]]にほぼ共通であるが、それ以外の[[原生動物]]では、若干異なった形状のもの物があ有る。特にクリステの形についてははっきりと、明らかに異なったものがある。一般のミトコンドリアでは内膜がひだのように折れ曲がり、クリステは平坦な板のような形をしている。しかし、[[粘菌]]類の場合、クリステは内膜から内部へと放射状に入り込む管の形で、管の表面にATP合成酵素の手段が並んでいる。また、内部の中央にDNAを含んだ塊があって、ミトコンドリア核と呼ばれる。このような、管状のクリステを持つミトコンドリアは、[[繊毛虫]]や[[アピコンプレックス類]]、[[アメーバ]]類、[[クロララクニオン藻]]類などの原生生物からも知が見られる。

1955年、に[[オットー・ワールブルク]]は、体細胞が長期間低酸素状態に晒されると呼吸障害を引き起こし、通常の酸素濃度の環境下に戻しても、大半の細胞が変性や壊死を起こし、ごく一部の細胞が[[酸素呼吸]]に代わるエネルギー生成経路を昂進させて生存する細胞が[[癌]]、ガン細胞とになるとの説を発表した。この説では、酸素呼吸よりも[[発酵]]（=、むしろ[[解糖系]]）によるエネルギー産生に依存するもの細胞は、下等動物や胎生期の未熟な細胞が一般的であり、体細胞がATP産生を酸素呼吸によらず発酵解糖系に依存することでした結果、細胞が退化し癌てガン細胞が発生するとしているた<ref>小野興作,{{cite 大島福造,journal
| 渡辺漸、「[https://doi.org/10.4044/joma1947.70.12supplement_143title = Warburgの「癌細胞の起原」に就いて]」
| 『岡山医学会雑誌』author1 1958年= 70巻小野 12supplement号興作
| p.143-154,author2 {{doi|10.4044/joma1947.70.12supplement_143}}</ref>。= 大島 福造

がんガン細胞の発生とmtDNAの突然変異の関与は、古くから指摘されてきた。その理由は特定の発がんガン性化学物質が、DNAよりもmtDNAに結合しやす易いこ事と、がんガン組織のmtDNAは正常組織よりも高い割合で突然変異がの蓄積していたことが観察されたこと事による。しかしながら、母性遺伝するがんガンの存在が確認されていないこと点や、DNAの影響を排除しmtDNA単独でのがんガンへの影響を検証する手法が確立されていないこと点などが、この仮説の証明の障害になっていた。ところで、2008年筑波大学の林純一らが、がんの転移能獲得という悪性化にミトコンドリアが関与している<ref>{{cite journal|author=Hayashi, J., et. al.|title=ROS-generating mitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metastasis|journal=Science|year=2008|volume=320|issue=5876|pages=661-664|pmid=18388260}}</ref>ことを、マウス肺がん細胞の細胞質移植による細胞雑種の比較により、mtDNAの特殊な病原性突然変異によあってがん細胞の転移能獲得の原因になることを発見し、ヒトのがん細胞株でもmtDNAの突然変異ががん細胞の転移能を誘導しえることを明らかにし、少なくともmtDNAがATP合成以外の生命現象にも関与することを明らかにした。また、林らによるとmtDNAの突然変異には活性酸素種(ROS)の介在が重要であり、ROSを除去すれば転移能の抑制が可能ではないかとしている。がんの転移能の獲得メカニズムは複雑であり、様々な要因が考えられるのでこれはその要因の一つにすぎない。

1995年に第2回日本ホラー小説大賞を受賞した[[瀬名秀明]]の『[[パラサイト・イヴ]]』は、ミトコンドリアの共生起源説、および、[[人類]][[の進化]]における[[ミトコンドリア・イブ]]説 (Wikipedia英語版[[:en:Mitochondrial Eve|Mitochondrial Eve]]参照) に基づき、現在のミトコンドリアは細胞の支配下にあるが、もしもそれが反乱を起こしたならば、という仮定の物語で話題を呼び、映画やゲーム化も行なわれた。