ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МИТОХОНДРИЙ

Митохондрии фигурируют во всех аэробных клетках живот­ных и растений, за исключением некоторых примитивных бакте­рий, где функции митохондрий выполняет плазматическая мем­брана.

Число этих органоидов в клетке различно — от 20—24 в спер­матозоидах до 500 000 в клетке гигантской амебы Chaos chaos. В клетке Escherichia coli имеется лишь одна митохондрия. Число митохондрий характерно для клеток данного типа данного вида: по-видимому, при митозе происходит деление митохондрий и их правильное расхождение в дочерние клетки. Форма, структура и размеры митохондрий также варьируют, но митохондрии всегда обладают развитой системой внутренних мембран, име­нуемых кристами. На рис. 6.7 [16] схематически изображена структура митохондрии из печени крысы. Длина такой митохонд­рии примерно 3 мкм, ширина 0,5—1 мкм, и поэтому она хорошо видна в оптическом микроскопе. Средний сухой вес митохондрии 10~13 г. Общая площадь поверхности всех крист составляет 16 мкм2, внешней мембраны—13 мкм2. В клетке печени содер­жится примерно 1000 митохондрий и, значит, полная поверх­ность мигохондриальных мембран составляет около 29 000 мкм,

•-"f-j*- ~180А

-ВО. ■SOt

Рис. 6.7. Схематическое изображение митохондрии.

Что в десятки раз превышает площадь мембраны самой клетки [16]. Внутренность митохондрии, не занятая кристами, заполнена матриксом. Митохондрии содержат так называемые плотные гранулы, по-видимому, возникшие в результате аккумуляции различных ионов, в частности Са++.

В митохондриях обнаружено наличие ДНК и в них происхо­дит ДНК-зависимый синтез РНК - Более того, в митохондриях представлена вся система биосинтеза белка — в них содержатся тРНК, аминоацил — РНК-синтетазы и рибосомы (см. [17—19]).

Мембраны митохондрий тоньше большинства клеточных мем­бран— их толщина порядка 50 А. Методом электронной микро­скопии было установлено, что внутренние мембраны и кристы покрыты сферическими или полиэдрическими частицами диамет­ром 80—100 А, прикрепленными к мембранам ножками, имею­щими размеры 20—40 X 40—50 А. Эти структурные элементы весьма многочисленны: их число в одной митохондрии достигает

10 М - В. Волькенштейн
104—105, и они занимают 10—15% ее объема. В некоторых слу­чаях удалось наблюдать еще один элемент — подставку, к ко­торой прикреплена ножка размером 40 -50 X 115 X 115 А3. Го­ловка, ножка и подставка образуют так называемую элементар­ною частицу митохондрии [20—22]. На рис. 6.8 показано элект­ронно-микроскопическое изображение крнст в митохондрии из сердца быка, на котором видны эти элементарные частицы [21]. Не исключено, однако, что элементарные частицы являются артефактом, возникающим при негативном контрастировании.

Возможно, что их нет в необра­ботанных митохондриях. Все же трудно считать случайностью, что они появляются при подго­товке препарата именно лишь на внутренних мембранах и кри - стах.

Митохондрия содержит 50— 60 ферментов, катализирующих реакции электронного транспор­та, окислительного фосфорили­рования, окисления жирных кис­лот, цикла Кребса и другие.

Рис. 6.8. Контрастирование изо - КР0Ме Т0Г0' примерно 40% всего

Сражение крист. митохондриального белка — это

Верхняя стрелка указывает головку, структурный белок, предположи-

Ннжняя нодсгав^ку^^э іементарной ча - тельн0 ИНДИВИДуаЛЬНЫЙ, СХОДНЫЙ

С белком миелина и бактериаль­ных мембран [23].

Липиды составляют от 15 до 50% сухого веса митохондрий. 90% липидов — фосфолипиды.

О локализации окислительных ферментов в митохондриях можно до некоторой степени судить по результатам обработки митохондрий детергентами или ультразвуком. Цитохромы и фла - вопротеиды дыхательной цепи обнаруживаются в нерастворимых частицах, по-видимому, принадлежавших мембранам. Напротив, ферменты цикла Кребса (дегидрогеназы и др.) содержатся в растворимой части. Отсюда можно заключить, что они локали­зованы вблизи крист или на них, но легко отделяются. Эти факты свидетельствуют об определенной пространственной ор­ганизации окислительно-восстановительной системы. В работе Чанса и Уильямса [14] установлено наличие простых стехиомет - рических соотношений в содержании флавопротеидов и цитохро - моз в митохондриях. Также постоянны молярные соотношения различных цитохромов [24], НАД и цитохромов [25] и т. д.

Кристы образованы впячиванием внутренних мембран. Число и поверхность крист непосредственно связаны с интенсивностью
клеточного дыхания. Их формы широко варьируют для разных клеток. Митохондрии летательных мышц насекомых содержат развитую поверхность плотно упакованных крист; интенсивность дыхания этих клеток раз в 20 выше, чем клеток печени, мито­хондрии которых содержат относительно мало крист. У мито­хондрии клетки печени площадь поверхности внешней мембраны составляет около 13 мкм2, площадь внутренней — в три раза больше. В такой митохондрии имеется примерно 17 000 дыха­тельных ансамблей, как это следует из содержания цитохромов. На каждый квадратный микрон поверхности внутренней мем­браны приходится 650 ансамблей, каждый ансамбль занимает площадь 400X400 А2 [16].

В работах Грина (см. [15, 26]) элементарные митохондриаль- ные частицы рассматриваются как реальные структуры, в кото­рых локализованы основные процессы электронного транспорта и окислительного фосфорилирования. Предполагается раздель­ная пространственная локализация этих процессов — электроны н протоны разделены в комплексах переноса электронов и раз­делены белки, участвующие в переносе электронов и протонов. Представление о разделении электронов и протонов является одним из основных в электромеханохимической модели мито - хондриальнон структуры и функции, развиваемой Грином и Джи [26, 27] (см. стр. 315).

Фазово-контрастная микроскопия показывает, что митохонд­рии живых клеток испытывают изменения размеров и формы, связанные с дыханием [4, 16, 28]. Осуществляются циклы набу­хания и сокращения двух типов. Обратимый цикл малой ампли­туды, в котором объем меняется не более чем на 1—2%, наблю­дается у всех типов митохондрий in vitro. Набухание, сопровож­даемое понижением оптической плотности, наступает в отсут­ствие АДФ в состоянии покоя митохондрий. При добавлении АДФ происходит сокращение и окислительное фосфорилирова­ние АДФ. Цикл блокируется разобщителями окислительного фосфорилирования [29].

В цикле большой амплитуды объем митохондрии может ме­няться в несколько раз. Это наблюдается как in vitro, так и in vivo. Такие циклы различаются у митохондрий из разных кле­ток. Сокращение митохондрий вызывается добавлением АТФ. Процесс непосредственно связан с дыханием — с окислительным фосфорилированием. Имеется' прямой параллелизм в ингибиро - йании сокращения и окислительного фосфорилирования олиго - мицином. Изменения оптической плотности в циклах набуха­ние—сокращение митохондрий показаны на рис. 6.9 [16].

291

Высокоамплитудные механохимические процессы в митохонд­риях определяются свойствами мембран. Мембраны, освобож­
денные от белка матрикса, «митохондриальные духи», способны сокращаться в присутствии АТФ.

Эти механохимические процессы сводятся к превращению химической энергии в механическую работу. Ленинджер подчер­кивает далеко идущее сходство АТФ-азной активности митохонд - риальных мембран и актомиозиновой сократительной системы скелетных мышц [16]. Сходны их механохимические свойства, прежде всего сокращение под действием АТФ. В обоих случаях для сокращения необходимы двухвалентные катионы, обе си­стемы являются мультикомпонентными. Можно указать еще ряд

Черт сходства. Исходя из этого, Ленинджер посту­лировал присутствие со­кратительных белков, по­добных актомиозину, в мембранах митохондрий

. Гипотеза Лениндже - ра была подтверждена Ониши, действительно выделившим из митохон­дрий белок такого типа

. Показано, что сокра­тительный белок участ­вует в митохондриальной механохимии, но оказа­лось, что здесь играет су­щественную роль и липид мембран — фосфатидил-

Инозитол [32]. Имеются и другие факторы, участвующие в со­кращении, в частности, ферментативные.

В работах школы Ленинджера было показано непосредствен­ное участие транспорта катионов в функционировании мембран митохондрий [16]. Накопление больших количеств Са++, посту­пающего из окружающей среды, происходит при дыхании и бло­кируется его ингибиторами и разобщителями окислительного фосфорилирования. Количество поступающего Са++ связано с количеством поглощаемого кислорода, фосфат также аккуму­лируется параллельно накоплению Са++ в отношении Са : Ф„ = = 5:3 (соответствующем оксиапатиту). Электронная микро­скопия показывает, что в митохондриях могут накапливаться гранулы фосфата кальция.

Рис. 6.9. Изменения оптической плотности при Я 5200 А в циклах набухание — сокра­щение митохондрий. 1 — цикл малой амплитуды, 2—цикл большой ам­плитуды.

Установлено, что имеется прямое и точное соотношение между аккумулированными количествами фосфата и кальция и числом электронов, проходящих по дыхательной цепи [33]. При перемещении каждой пары электронов через каждый из трех центров накопления энергии в цепи аккумулируется 1,67 моле­
кулы Са++ и 1,0 молекула фосфата. Этот процесс альтернативен окислительному фосфорилированию, что показано схематически на рис. 6.10 [16]. Тем самым Са++ препятствует окислительному фосфорилированию, действует как его разобщитель.

Малые количества Са++, напротив, стимулируют дыхательный процесс. Транспорт Са++ связан с транспортом катионов Н+, К+ и Na+.