10-тақырып Цитология · зертханалық 3D виртуалды жұмыс
Митохондриялар

Жасушаның энергетикалық станциясы

Митохондрия құрылысы, жасушалық тыныс алу, тыныс алу тізбегі, мтДНҚ және митохондриялық аурулар

⚡ АТФ синтезі🧬 мтДНҚ📱 3 QR-тапсырма
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
02 Сабақ құрылымы

Оқу нәтижелері және жоспар

🎯 Мақсаты

Митохондрияның ультрақұрылымын 3D модель арқылы зерттеп, тотығу фосфорлануының механизмін, эндосимбиоз теориясын және митохондриялық патологияның ерекшеліктерін түсіндіру.

Сабақ соңында студент:

  • митохондрияның құрылымдық компоненттерін (сыртқы/ішкі мембрана, кристалар, матрикс) сипаттайды;
  • энергия алмасудың кезеңдерін (гликолиз, Кребс циклі, тотығу фосфорлануы) салыстырады;
  • тыныс алу тізбегі мен хемиосмостық теорияны түсіндіреді;
  • эндосимбиоз теориясының дәлелдерін келтіреді;
  • митохондриялық аурулардың тұқым қуалау ерекшелігін талдайды.

⏱ Жоспар · 80 минут

5′Мотивация: проблемалық сұрақ
10′Алдыңғы білімді белсендіру
30′Жаңа тақырып: 3D модельдермен түсіндіру
10′3D-препарат: тақтада тану
15′QR-зертхана: 3 тапсырма
10′Кейс · бағалау · рефлексия
Проблемалық сұрақАдам тәулігіне өз салмағындай (≈ 60–70 кг) АТФ түзеді. Бұл қалай мүмкін?
3D-визуализацияКейс-стадиФормативті бағалау
03 Негізгі ұғымдар

Терминдер мен анықтамалар

МитохондрияҚос мембраналы, жартылай автономды органоид; тотығу фосфорлануы арқылы жасуша АТФ-ының 90%-дан астамын түзеді («жасушаның энергетикалық станциясы»).
КристаларІшкі мембрананың матрикске қарай ойылған қатпарлары; тыныс алу тізбегі мен АТФ-синтаза орналасатын бетті бірнеше есе ұлғайтады.
МатриксІшкі мембрана шектеген қоймалжың орта; Кребс циклі, β-тотығу ферменттері, мтДНҚ, 70S рибосомалар, Ca²⁺ түйіршіктері бар.
Жасушалық тыныс алуОрганикалық заттардың (глюкоза, май қышқылдары) O₂ қатысуымен CO₂ мен H₂O-ға дейін тотығып, бөлінген энергияның АТФ түрінде жиналуы.
ГликолизЦитозольде глюкозаның 2 пируватқа дейін оттегісіз ыдырауы (10 реакция); 2 АТФ (таза) және 2 НАДН береді.
Кребс циклі (лимон қышқылы циклі)Матриксте ацетил-КоА-ның CO₂-ге дейін тотығуы; бір айналымда 3 НАДН, 1 ФАДН₂, 1 ГТФ, 2 CO₂ түзіледі.
Тыныс алу тізбегіІшкі мембранадағы I–IV кешендер мен тасымалдаушылар (убихинон, цитохром c); электрондарды НАДН мен ФАДН₂-ден O₂-ге тасымалдап, протондарды айдайды.
Тотығу фосфорлануыТыныс алу тізбегіндегі электрон тасымалымен түйіндескен АДФ-тың АТФ-қа фосфорлануы; энергия протон градиенті арқылы беріледі.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
04 Негізгі ұғымдар

Анықтамалар · жалғасы

Хемиосмостық теорияЭлектрон тасымалы мембрана арқылы протон градиентін түзеді, ал градиенттің энергиясы АТФ-синтаза арқылы АТФ синтезіне жұмсалады (П. Митчелл).
АТФ-синтаза (F₀F₁)Протон ағынымен айналатын молекулалық мотор: F₀ — мембранадағы протон каналы-роторы, F₁ — матрикстегі каталитикалық «бас» (3 АТФ бір айналымда).
Эндосимбиоз теориясыМитохондриялар ежелгі аэробты α-протеобактериялардың жасушаға енуі және симбионтқа айналуынан шыққан деген теория.
ГетероплазмияБір жасушада немесе ағзада қалыпты және мутантты мтДНҚ-ның қатар болуы; мутантты үлес шектен асса, ауру белгілері пайда болады.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
05 Зерттелу тарихы

Ашылу тарихы

1857А. Кёлликер — бұлшық еттен түйіршіктерді сипаттады
1890Р. Альтман — «биобластар»: тірі элементар бөлшектер
1898К. Бенда — «митохондрия» (гр. mitos — жіп, chondros — дән) атауын берді
1937Х. Кребс — лимон қышқылы циклі (Нобель 1953)
1948–49Ю. Кеннеди, А. Ленинджер — Кребс циклі мен тотығу фосфорлануы митохондрияда жүреді
1952–53Дж. Паладе, Ф. Шёстранд — кристалардың ультрақұрылымы
1961П. Митчелл — хемиосмостық теория (Нобель 1978)
1963М. мен С. Насс — митохондрия ішінен ДНҚ тапты; 1981 — адам мтДНҚ-сы толық оқылды
1994–97П. Бойер, Дж. Уокер — АТФ-синтазаның айналмалы механизмі (Нобель 1997)
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
06 Құрылысы

Митохондрияның құрылысы

Сыртқы мембранаТегіс; порин каналдары (≤ 5 кДа өтеді)
Мембрана аралық кеңістікH⁺ жиналады; цитохром c
Ішкі мембранаКристалар; кардиолипин; тыныс алу тізбегі, АТФ-синтаза; H⁺ өткізбейді
МатриксКребс циклі, β-тотығу, мтДНҚ, 70S рибосомалар

Санды деректер

  • Өлшемі 0,5–1 × 1–10 мкм
  • Гепатоцитте 1000–2000, кардиомиоцитте цитоплазманың 35–40%
  • Динамикалық: бөлінеді (Drp1) және қосылады (митофузиндер)
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
07 Энергия алмасу

Жасушалық тыныс алу

КезеңОрныӨнімі (1 глюкозаға)
ГликолизЦитозоль2 пируват, 2 АТФ, 2 НАДН
Пируваттың тотығуыМатрикс2 ацетил-КоА, 2 НАДН, 2 CO₂
Кребс цикліМатрикс2 АТФ(ГТФ), 6 НАДН, 2 ФАДН₂, 4 CO₂
Тотығу фосфорлануыІшкі мембрана≈ 32–34 АТФ, H₂O
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 36–38 АТФ
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
08 Тыныс алу тізбегі

Хемиосмостық теория

П. Митчелл, Нобель 1978

  • НАДН → I кешен → убихинон → III кешен → цитохром c → IV кешен → O₂
  • I, III, IV кешендер H⁺-ды мембрана аралық кеңістікке айдайды
  • Протон градиенті (ΔpH + потенциал) — «протондық қозғаушы күш»
  • H⁺ АТФ-синтаза арқылы қайтып, ротор айналады → АДФ + Ф → АТФ
ТежегіштерЦианид, CO → IV кешен; ротенон → I кешен
АжыратушыларТермогенин (қоңыр май), 2,4-динитрофенол → жылу
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
09 Эволюция және генетика

Митохондрия — ежелгі бактерия

Эндосимбиоз дәлелдері · Л. Маргулис, 1967

  • Өз сақиналы ДНҚ-сы (адамда 16 569 н.ж., 37 ген)
  • 70S рибосомалар, N-формилметионин
  • Қос мембрана, ішкісінде кардиолипин
  • Бактерия сияқты бөлінуі, антибиотиктерге сезімталдығы

Аналық тұқым қуалау

Зиготаның митохондриялары жұмыртқа жасушасынан; гетероплазмия — қалыпты және мутантты мтДНҚ қоспасы; ауырлығы мутантты үлеске байланысты.

🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
10 Кребс циклі

Лимон қышқылы циклі толығырақ

Циклдің реакциялары (қысқаша)

  • Ацетил-КоА (2С) + оксалоацетат (4С) → цитрат (6С)
  • Цитрат → изоцитрат → α-кетоглутарат (5С) + CO₂ + НАДН
  • α-кетоглутарат → сукцинил-КоА (4С) + CO₂ + НАДН
  • Сукцинил-КоА → сукцинат + ГТФ
  • Сукцинат → фумарат + ФАДН₂ (сукцинатдегидрогеназа — II кешен)
  • Фумарат → малат → оксалоацетат + НАДН
АмфиболизмЦикл метаболиттері аминқышқыл, гем, май қышқылдары синтезіне жұмсалады
РеттелуіАТФ, НАДН көп болса — баяулайды; АДФ, Ca²⁺ — жылдамдатады
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
11 АТФ-синтаза

Ең кішкентай айналмалы мотор

Механизмі

Протондар мембрана аралық кеңістіктен F₀ бөлігінің c-сақинасы арқылы матрикске өтіп, роторды айналдырады (секундына ~ 100 айналым). Ротормен бірге γ-білік F₁-дің үш β-суббірлігін кезекпен деформациялайды: ашық → бос байланысқан → тығыз (П. Бойердің «байланыс өзгерісі» механизмі) — әр айналымда 3 АТФ.

ШамаМәні
Бір АТФ-қа протон≈ 3 (+1 Ф тасымалына) ≈ 4 H⁺
НАДН-тан≈ 2,5 АТФ (10 H⁺)
ФАДН₂-ден≈ 1,5 АТФ (6 H⁺)
Глюкозаға (қазіргі есеп)≈ 30–32 АТФ (классикалық 36–38)
Тиімділігі≈ 40% — қалғаны жылу
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
12 Митохондрия және апоптоз

Митохондрия — өмір мен өлім орталығы

Апоптоздың ішкі (митохондриялық) жолы

  • ДНҚ зақымы, оксидативті стресс, өсу факторларының жоқтығы → p53 белсенеді
  • Bax, Bak белоктары сыртқы мембранада тесік түзеді (Bcl-2 тежейді)
  • Цитохром c цитозольге шығып, Apaf-1-мен апоптосома құрайды
  • Каспаза-9 → каспаза-3 → ДНҚ фрагментациясы, жасуша жиырылып, апоптоздық денешіктерге бөлінеді
Белсенді оттегі түрлері (БОТ)I және III кешендерден электрон «ағып», супероксид түзіледі; СОД, каталаза, глутатион залалсыздандырады
Ca²⁺ буферіМитохондрия Ca²⁺ жинап, сигналды реттейді; артық жинағанда — тесік ашылып, некроз
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
13 мтДНҚ және генетика

Митохондрия геномы

БелгіАдам мтДНҚ-сы
Пішіні, мөлшеріСақиналы, 16 569 н.ж., гистонсыз (нуклеоид)
Гендер37: 13 белок (I, III, IV кешендер, АТФ-синтаза), 22 тРНҚ, 2 рРНҚ
Көшірме саныЖасушада 100–10 000
Мутация жылдамдығыЯдро ДНҚ-сынан 10–20 есе жоғары (БОТ, репарация әлсіз)
Тұқым қуалауыТек аналық

Қолданылуы

  • «Митохондриялық Ева» — адамзаттың ортақ аналық ата-тегін зерттеу (≈ 150–200 мың жыл бұрын, Африка)
  • Сот-медицинасы, ежелгі қалдықтарды, жоғалған адамдарды анықтау
  • Митохондриялық донорлық («үш ата-аналы бала», Ұлыбритания 2015)
  • Митохондрия белоктарының ≈ 99%-ын ядро гендері кодтайды — импорт TOM/TIM кешендері арқылы
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
14 Митохондриялық аурулар

Митохондриялық патология

АуруСебебіНегізгі белгілері
MELASмтДНҚ tRNA-Leu (A3243G)Энцефалопатия, лактат-ацидоз, инсульт тәрізді эпизодтар
MERRFмтДНҚ tRNA-LysМиоклонус-эпилепсия, «жыртық қызыл талшықтар»
Лебер нейропатиясы (LHON)мтДНҚ I кешен гендеріЖас ер адамдарда кенеттен көру жоғалуы
Ли синдромыЯдро және мтДНҚ гендеріНәрестелерде мидың ауыр зақымдануы
Кернс–СейрмтДНҚ ірі делециясыОфтальмоплегия, птоз, жүрек блокадасы
Диагностикалық белгіБұлшық ет биопсиясында Гомори трихромымен «жыртық қызыл талшықтар» (ragged-red fibers) — субсарколеммалық митохондриялардың жиналуы; қанда лактат/пируват қатынасы жоғары.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
15 Қорытынды

Тақырыптың негізгі түйіндері

  • Митохондрия — қос мембраналы, жартылай автономды органоид: сыртқы мембрана, мембрана аралық кеңістік, кристалы ішкі мембрана, матрикс.
  • Энергия алмасу: гликолиз (цитозоль) → пируваттың тотығуы және Кребс циклі (матрикс) → тотығу фосфорлануы (ішкі мембрана).
  • Тыныс алу тізбегі (I–IV кешендер) электрондарды O₂-ге тасымалдап, протондарды мембрана аралық кеңістікке айдайды.
  • Хемиосмостық теория: протон градиентінің энергиясын АТФ-синтаза — айналмалы мотор АТФ-қа айналдырады.
  • Бір глюкозадан ≈ 30–38 АТФ; цианид, CO, ротенон тізбекті тежейді; термогенин мен ДНФ ажыратады.
  • Митохондрия апоптозды (цитохром c), Ca²⁺ буферлеуді, жылу өндіруді, БОТ түзілуін реттейді.
  • Өз сақиналы ДНҚ-сы (37 ген), 70S рибосомалары бар — эндосимбиоз теориясының дәлелі; тұқым қуалауы аналық.
  • мтДНҚ мутациялары энергияға тәуелді ұлпаларды (ми, жүрек, бұлшық ет, көру жүйкесі) зақымдайды; гетероплазмия ауырлықты анықтайды.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
16 Өзін-өзі тексеру

Сұрақ — жауап

1.Неге кардиомиоцитте митохондриялар цитоплазманың 35–40%-ын алады?
👆 жауабын көру үшін бас
Жүрек үздіксіз жиырылып, АТФ-ты өте көп жұмсайды; энергия негізінен аэробты (май қышқылдарының β-тотығуы) жолмен алынады.
2.Цианидпен уланғанда неге АТФ синтезі тоқтайды?
👆 жауабын көру үшін бас
Цианид IV кешенді (цитохромоксидаза) тежейді → электрондар O₂-ге берілмейді → тізбек тоқтайды → протон градиенті түзілмейді.
3.Ротенон I кешенді тежесе, сукцинат қосылғанда АТФ түзіле ме?
👆 жауабын көру үшін бас
Иә: сукцинат электрондарды II кешен арқылы ФАДН₂ → убихинонға береді, I кешенді айналып өтеді (≈ 1,5 АТФ).
4.Неге митохондриялық ауруда белгілер туыстарда әртүрлі ауырлықта?
👆 жауабын көру үшін бас
Гетероплазмия: жұмыртқа жасушасына мутантты мтДНҚ кездейсоқ үлесте түседі (бөтелке мойны), әр ұлпада үлес әртүрлі.
5.Апоптозда митохондрияның рөлі қандай?
👆 жауабын көру үшін бас
Bax/Bak сыртқы мембранада тесік ашып, цитохром c цитозольге шығады → апоптосома → каспаза-9 → каспаза-3.
6.Неге классикалық 38 АТФ қазір 30–32-ге түзетілді?
👆 жауабын көру үшін бас
НАДН мен ФАДН₂-нің нақты P/O қатынасы 2,5 және 1,5; бүтін емес; цитозольдік НАДН-ның тасымалына және Ф тасымалына протон жұмсалады.
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
17 3D-препарат · тақтада

Нөмірді ата, басып тексер

👆 Қалай ойнаймыз

  • Студент тақтаға шығып, нөмірді атайды және құрылымның қызметін айтады
  • Сары нөмірді басса — дұрыс жауап ашылады
  • Модельді айналдырып, барлық нөмірді тап

Талқылауға

  • Неге ішкі мембрананың ауданы кристалармен ұлғайған?
  • АТФ-синтазаның роторын не айналдырады?
🖱 айналдыр · дөңгелек — жақындат
18 QR-зертхана · телефонмен

Үш виртуалды тапсырма

🔬 1 · 3D-препарат

3D модельде белгіленген құрылымды тап. 10 раунд.

20 балл

🧬 2 · Энергия шебері

Электрон жолы, АТФ есебі, сұрыптау

20 балл

🩺 3 · Кейс-тест

10 сұрақ: құрылыс → қызмет → патология. Жауаптар тексергеннен кейін ашылады.

20 балл

Кодсыз ашылады · аты-жөніңді жаз · соңғы экранның скриншотын жұмыс парағына тірке

19 Клиникалық / зерттеу кейсі

Білімді қолдан

Кейс 1 · MELAS

19 жастағы қыз: бас ауруы, құсу, инсульт тәрізді эпизод; қанда лактат 6 ммоль/л; анасында қант диабеті мен саңыраулық.

Сұрақ: Ауру неге анадан беріледі? Гетероплазмия белгілердің әртүрлілігін қалай түсіндіреді?

Кейс 2 · Цианид

Өндірістік апатта жұмысшы есінен танды; веноздық қаны артериялық сияқты ашық қызыл.

Сұрақ: Неге оттегі қанда бар, бірақ ұлпалар «тұншығады»? Неге қан ашық қызыл?

Кейс 3 · Қоңыр май

Жаңа туған сәби суық бөлмеде дірілдемей-ақ дене қызуын сақтады.

Сұрақ: Қоңыр май митохондрияларында жылу қалай түзіледі?

Топпен талқылау 5 минут · жауапты жұмыс парағына жаз

20 Бағалау · Рефлексия

Не білдім, не үйрендім?

📊 Бағалау · 100 балл

Жұмыс түріБалл
QR-1 «3D-препарат»20
QR-2 «Энергия шебері»20
QR-3 «Кейс-тест»20
Жұмыс парағы30
3D-препарат, кейс талқылау10

90–100 «өте жақсы» · 75–89 «жақсы» · 50–74 «қанағаттанарлық»

🪞 Рефлексия «3–2–1»

  • 3 — бүгін түсінген ұғым
  • 2 — құрылыс пен қызмет байланысының мысалы
  • 1 — әлі де сұрағым келетін сұрақ

🏠 Өздік жұмыс (СӨЖ)

  • Хемиосмостық теорияның сызбасын түсті қаламмен сал
  • Келесі тақырып: Фотосинтез