Митохондрии

Наряду с ядром в прошлом веке многие исследователи как в животных, так и в растительных клетках под разными названиями описывали структурные элементы цитоплазмы в форме зернышек, палочек и нитей. Однако их значение было неясно и, кроме того, не было оснований для заключения, что они являются обязательными элементами клетки. Бенда (Benda, 1898) предложил назвать определенные гранулы спермообразующих клеток митохондриями. Довольно быстро рядом исследователей было установлено, что митохондрии встречаются во всех видах животных клеток. Мевес уже в 1904 г. установил их наличие в растительных клетках и назвал хондриосомами. В огромной литературе об этих органоидах клеток термины «митохондрии» и «хондриосомы» употребляются обычно как синонимы. Правда, нитевидную фррму этого органоида называют хондриоконтом. В последние годы наибольшее распространение приобрел термин Митохондрии, которым мы и будем пользоваться.

После того как было доказано, что митохондрии представляют собой особую группу гранул, встречающуюся во всех клетках, интерес к ним очень сильно возрос. Без достаточных оснований им стали приписывать очень важную роль в гистогенезе и наследственности.

Интерес к митохондриям особенно возрос после появления работы цитолога Мевеса (Meves, 1904), который обнаружил, что митохондрий в виде зерен и нитей очень много в молодых клетках, и утверждал, что из них возникают все форменные элементы цитоплазмы. Митохондриям он приписывал также секреторную функцию и важную роль в явлениях наследственности. Вслед за Мевесом Левитскип (Lewitsky, 1910), Д. Н. Насонов (1918) утверждали, что и пластиды возникают из митохондрий.

Обилие работ, посвященных исследованию функций митохондрий и опубликованных в первой половине XX в., свидетельствовало лишь о большом интересе к этим органоидам клетки. Однако из-за несовершенства методов исследования функций органоидов клетки роль митохондрий была неясной и непонятной. Правда, уже в 1910 г. Рего утверждал, что митохондрии являются центром специфической химической активности клетки, где происходит фиксация и переработка составных частей протоплазмы. Из работ этого периода следует отметить исследования Жуайе-Лавернь (Joyet-Lavergne, 1929), который обнаружив в митохондриях глютатион, предположил, что в них осуществляются процессы окисления и восстановления и что, следовательно, они играют важную- роль в процессе дыхания.

Коренной перелом в исследовании функции митохондрий произошел, когда Бенсло и Герр сообщили о выделении митохондрий из лиофилизированного клеточного материала (Bensley, Hoerr, 1931). Разработанный затем Лазаревым и Клодом (Lasarow, 1943; Claude, 1944) метод фракционирования клеточной суспензии в сочетании с электронномикроскопическими исследованиями положил начало новому этапу в изучении морфологии и функции митохондрий. В настоящее время мы располагаем огромным материалом по морфологии, химии и физиологии митохондрий. Современными методами исследования полностью подтверждено прежнее представление об обязательном присутствии митохондрий во всех живых клетках растений и животных.

Структура митохондрий. Чаще всего митохондрии имеют форму округлых зернышек, палочек или же вытянутых нитей диаметром от 0,5 до 1 мк, при крайних пределах 0,2-2 мк.

Максимальная длина их не превышает 7 мк. Форма митохондрий довольно сильно меняется в зависимости от внешних условий и физиологического состояния клетки.

Под влиянием фиксаторов, содержащих кислоту, митохондрии легко разрушаются. В живой клетке они могут быть окрашены янусом зеленым.

Данных по количественному подсчету митохондрий в клетке для установления определенных закономерностей пока еще очень мало. Бесспорно, что их количество изменяется с возрастом и функциональным состоянием клетки.

Благодаря электронномикроскопическим исследованиям (Ра1аdе, 1952; Sjostrand, 1953; Шестранд, 1957 и др.) мы располагаем данными о тонкой структуре митохондрий. На рис. 9 дано схематическое плоскостное изображение палочковидной митохондрии. Мы видим, что характерной особенностью структуры является наличие трехслойных мембран наружной оболочки и внутренних перегородок; при этом наружная оболочка несколько тоньше внутренних перегородок. Количество внутренних перегородок в различных митохондриях довольно сильно варьирует. Внутренние перегородки обычно расположены параллельно друг другу и перпендикулярной оси митохондрий. Обнаружено большое разнообразие в протяженности внутренних мембран и плотности их упаковки. Иногда они непосредственно подходят к наружной мембране, но довольно часто занимают лишь часть поперечника митохондрий.


Рис. 9. Палочковидная митохондрия (схема)

На электронномикроскопических фотографиях можно видеть, что мембраны состоят из двух темных слоев, разделенных светлым промежутком.

Есть указания, что толщина мембраны изменяется в зависимости от внешних воздействий, притом не однозначно, что свидетельствует о различиях, существующих между наружной и внутренней перегородками.

Пространство между мембранами в митохондриях заполнено основным веществом, по мнению ряда авторов (Раїабе, 1952; Брэдшс, 1953 и др.), имеющимімелкозернистое строение. Однако даже электронный микроскоп не позволяет выявить структуру этих гранул.

В последние годы наши сведения о структуре митохондрий сильно пополнились благодаря широкому применению приема дезагрегации митохондрий и детальному исследованию полученных фрагментов. При воздействии на митохондрии ультразвуком они распадаются на составляющие их структурные единицы. Схематическое трехмерное изображение митохондрий, с характерной упаковкой структурных единиц (см. рис. 10), привел в своем докладе Д. Е. Грин. При этом он подчеркивает, что возможны другие варианты упаковки структурных элементов в митохондриях.

Химический состав митохондрий изучен довольно подробно. Уже Клод (Claude, 1944) определил элементарный химический состав митохондрий. Согласно его данным, митохондрии содержат (в % на сухой вес): азота — 10,0-12,0; фосфора — 0,8-1,9; серы — 0,7-1,2; углерода — 50,4-54,5; водорода — 7,8-8,1; железа — 0,02-0,4; меди — 0,02-0,04.

Митохондрии являются липопротеиновыми гранулами. Содержание липидов в них достигает 25-30%; белок составляет 65-70% сухого вещества.

Вопрос о содержании РНК в митохондриях до сих пор окончательно не решен. Большинство исследователей приходит к выводу, что небольшое количество РНК (от 0,5 до 1 % сухого вещества) является обязательным компонентом митохондрий, хотя Новиков (Novikoff, 1956) утверждал, что ему удалось получить митохондрии, не содержащие РНК. Противоречивость получаемых результатов обусловлена тем, что фракция митохондрий всегда может оказаться загрязненной более мелкими цитоплазматическими гранулами, богатыми РНК. С другой стороны, при очистке митохондрий возможно вымывание веществ, являющихся необходимым компонентом нормально функционирующих митохондрий.

Ферменты митохондрий. В исследованиях химического состава митохондрий очень много внимания уделялось ферментным системам. В 1913 г. О. Варбург впервые показал, что дыхание ткани связано с деятельностью цитоплазматических гранул. Однако значимость этих работ стала ясной лишь после того, как Кейлин (Keilin, 1929) выделил в виде гранул комплексные ферментные системы (комплекс сукциноксидазы и цитохромоксидазы), а позднее Клод (Claude, 1940) установил, что этими гранулами являются митохондрии. Использование метода дифференциального центрифугирования дало возможность утверждать, что сукциноксидаза и цитохромоксидаза сосредоточены в основ-ном в митохондриях клеток. Так как к этому времени было установлено, что в обмене веществ живой ткани центральное место занимает цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), внимание исследователей было сосредоточено на изучении локализации многочисленных ферментов, катализирующих реакции этого цикла. Для выяснения этого вопроса решающее значение имели работы Грина (1961). Правда, в первых своих исследованиях Грин с сотрудниками (Green, и др. 1948) получили из гомогената тканей осадок, состоящий из ядер и митохондрий, содержащий систему ферментов и коферментов, полностью обеспечивающих превращения в цикле трикарбоновых кислот.

Однако в дальнейшем рядом исследователей было доказано, что ферменты, катализирующие превращения в цикле Кребса, связаны только с митохондриями. В настоящее время твердо установлено, что в митохондриях содержится полный комплекс ферментов, катализирующих все реакции цикла трикарбоновых кислот, а сукциндегидраза, обратимо окисляющая янтарную кислоту, оказалась локализованной только в митохондриях. Поэтому наличие сукциндегидразы в других фракциях гомогената тканей свидетельствует об их загряз-нении митохондриями.

Многочисленными исследованиями было доказано, что вся сложная система ферментов окисления жирных кислот также находится в митохондриях. Кроме того, было показано, что изолированные митохондрии окисляют фосфолипиды - Превращение в цикле Кребса возможно только при наличии системы акцепторов электронов и протонов. Такими акцепторами являются кодегидразы I и II (ДПН и ТПН), которые передают затем электроны и протоны через флавиновые ферменты системе цитохромов, последний из которых, цитохром a3, передает электроны непосредственно на кислород. В последние годы уделяется очень много внимания изучению системы переноса электронов, в частности цитохромной системы и особенно конечного звена — цитохрома а, или цитохромоксидазы.

Накоплено достаточное количество фактов для утверждения, что в митохондриях содержится полностью система, переносящая на кислород водородные ионы и электроны от ферментов, окисляющих субстраты в цикле Кребса. Есть указания, что эта система может различаться в митохондриях различных органов организма.

Ряд авторов (Sun, 1960; Боннер, 1961) показал, что имеются определенные различия в цитохромной системе митохондрий растений и животных.

Одним из крупнейших достижений последнего времени является установление того факта, что энергия, освобождаемая в цикле трикарбоновых кислот, используется в живой клетке для образования высокоэргических фосфорных соединений и в первую очередь АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). При окислительном фосфорилировании, открытом В. А. Энгельгардтом и В. А. Белицером (1945), было установлено, что окисление субстратов в цикле Кребса происходит с присоединением неорганического фосфата к адениловой кислоте или другим акцепторам. Поэтому после того как было установлено, что митохондрии являются центром окислительных процессов в клетке, возник вопрос, происходит ли в них и трансформация энергии, окислительное фосфорилирование. Грин с сотрудниками (Green и др., 1948), используя меченый фосфор, доказали, что в митохондриях осуществляется сопряженное окисление всех основных субстратов цикла Кребса и фосфорилирование. Было выяснено, что на каждый атом кислорода эстерифицируется от 2 до 4 остатков фосфорной кислоты. Таким образом, школой Грина и рядом других исследователей было установлено, что не только дыхание в митохондриях сопряжено с фосфорилированием, но оно в известной степени зависит от последнего. Инкубация митохондрий позволила изучить те звенья дыхательной цепи, с которыми непосредственно сопряжены отдельные реакции фосфорилирования.

Функция митохондрий. Широкие исследования фермен-тативных процессов в митохондриях позволили понять функцию митохондрий.

Грин в своем докладе на V Международном биохимическом конгрессе назвал митохондрии «преобразующими машинами» и основной функцией их считает сопряжение синтеза АТФ и аэробного окисления некоторых метаболитов. Согласно его концепции, существуют три параметра основной функции митохондрий: 1) окисление в ЦТК (цикле трикарбоновых кислот), 2) перенос электронов и 3) окислительное фосфорилирование. При этом подчеркивается, что помимо компонентов ЦТК в митохондриях могут окисляться и другие соединения (аминокислоты, жирные кислоты и др.). Однако в большинстве случаев компоненты ЦТК являются главными, а иногда и единственными.

Таким образом, мы видим, что в метаболизме клетки митохондрии занимают центральное положение. В них в результате окислительного распада освобождается энергия, которая путем окислительного фосфорилирования переводится в форму макроэргических связей, легко доступную для многочисленных эндотермических реакций, протекающих в клетке. Поэтому митохондрии рассматриваются как «основные силовые станции» клетки.

В последние годы широкое использование приема дезагрегации митохондрий и восстановления свойств целого из свойств выделенных фрагментов позволило получить очень ценные сведения о структуре и функции митохондрий. Исходя из современных представлений, Грин в своем докладе привел схему трехмерного изображения митохондрии (рис. 10). На рисунке хорошо выражена основная идея строения митохондрий, «силовой станции», в работе которой принимают участие сотни ферментов. Она может продуктивно функционировать только при строгой упорядоченности структурных элементов. По мнению Грина, структурные единицы, упакованные штабелями, как во внешних, так и во внутренних мембранах представляют собой функциональные единицы. Грин не настаивает на том, что предложенная система упаковки структурных единиц является единственной. Вполне допустимы и другие возможности упорядочения структурных элементов митохондрии. Важно принципиальное положение, что каждая структурная и функциональная единица связана с определенным набором ферментов и коферментов.


Рис. 10. Трехмерное изображение митохондрии (схема)

Можно было предположить, что при дезагрегации митохондрий они будут распадаться на составляющие их структурные единицы. В действительности это и происходит при обработке митохондрий ультразвуком. Приведенная схема (рис. 11) иллюстрирует ступенчатую деградацию митохондрий и их функции.


Рис. 11. Ступенчатая деградация митохондрий и их функции (схема)

При кратковременном воздействии на митохондрию ультразвуком она распадается на частицы, внутри которых сохраняются трехслойные мембраны. Однако при этом митохондрия полностью утрачивает способность осуществлять окисление в ЦТК. Следовательно, первый параметр основной функции митохондрий — окисление в ЦТК — связан с наличием в них упорядоченного расположения мембран.

Вычлененные структурные элементы сохраняют способность осуществлять окислительное фосфорилирование и перенос электронов. Если же продолжить обработку полученных частиц ультразвуком, то в них исчезают трехслойные мембраны, внутреннее содержимое их кажется гомогенным. Полученные частицы при этом теряют способность к окислительному фосфорилированию и сохраняют лишь третий параметр основной функции митохондрий — перенос электронов.

Следовательно, окислительное фосфорилирование в митохондриях обусловлено наличием в них трехслойных мембран, или гребней.

Таким способом — путем ступенчатой деградации митохондрий ультразвуком — можно получить элементарную структурную частицу митохондрий, сохранившую только один параметр функции — перенос электронов.

Дальнейшей деградацией этой элементарной частицы, названной Грином ЭПЧ (электроны переносящей частицы), удалось установить, что она состоит только из пяти окислительно-восстановительных компонентов: флавина, тема, негеминового железа, меди и коэнзима Q. Выделены два различных флавина, четыре цитохрома, две формы негеминового железа, один купропротеин и одна форма коэнзима Q.

В перегородках и во внешней мембране митохондрий ЭПЧ складываются в пары, образуют палочковидные капсулы, внешняя мембрана которых состоит из полимерных единиц структурного белка, а внутренняя образована фосфолипидами. В этих капсулах возможно осуществление окислительного фосфорилирования. Липидный слой связывает не только частицы ЭПЧ, но и спаренные гранулы при укладке их в штабеля. Поэтому митохондрии содержат около 28% липидов (по весу).

Из сказанного ясно, что метод ступенчатой деградации митохондрий открыл возможность детального и всестороннего изучения всех параметров основных функций митохондрий, понимания их роли в метаболизме клетки. Хотя многое здесь еще гипотетично, недостаточно экспериментально обосновано, однако при этом совершенно ясны пути дальнейших исследований митохондрий. Являясь главными генераторами внутриклеточной энергии, которая накапливается в АТФ, митохондрии передают ее другим внутриклеточным органоидам. Высказывалось предположение, что и ядра для осуществления своих функций получают энергию от митохондрий, хотя в последнее время эта точка зрения подвергается сомнению. Энергия, преобразованная в митохондриях, по всей вероятности, передается только на близкие расстояния, поэтому, как правило, митохондрии довольно часто равномерно распределены по всей протоплазме. Правда, в полярных клетках митохондрии оказываются сконцентрированными в наиболее метаболически активных участках.

Происхождение митохондрий. Вопрос о происхождении митохондрий, который длительное время дискутируется в литературе, в свете, последних данных, а особенно недавней работы Грина (1961), приобрел большую определенность. По данным этого автора, полупериод жизни митохондрий составляет 5-10 дней. Следовательно, в любой клетке непрерывно происходит образование и разрушение митохондрий. Увеличение количества митохондрий в клетке свидетельствует о преобладании процесса новообразования над их распадом.

В первом приближении мы можем принять предложенную Грином схему ступенчатого построения митохондрий.

На первом этапе происходит полимеризация мономеров структурного белка в присутствии липидов и компонентов цепи переноса электронов и образование элементарных единиц системы переноса электронов.

На втором этапе возникают специфические комплексы из вспомогательных ферментов и коэнзимов и присоединение этих агрегатов к частицам, переносящим электроны. Затем элементарные единицы организуются в упорядоченные ряды и пласты, в которых соседние единицы отделены друг от друга липидами. Из пластов возникают внешние мембраны и внутренние перегородки митохондрий; к ним присоединяются вспомогательные ферменты.

Схема Грина не умозрительная, она возникла как следствие анализа экспериментальных данных ступенчатой деградации структуры митохондрий, всестороннего исследования фрагментов, субмитохондриальных частиц и их реконструкции.

Несмотря на несомненные большие успехи в изучении структуры и функции митохондрий, многое здесь остается еще неясным и непонятным. Прежде всего далеко еще не расшифрован механизм фосфорилирования.

Поделиться:

Дополнительные материалы по теме: