Будова, функції та методи дослідження мітохондрій (стр. 3 из 5)
Ще з часів перших досліджень удалося установити, що мітохондрії складаються на 65-70% з білка і на 25-30% з ліпідів, головним чином фосфатидів (лецитину і кефаліну); холестерин та інші ліпіди присутні лише в незначній кількості. РНК незмінно складає близько 0,5% сухої ваги мітохондрій.
Існують два основних способи дослідження виділених мітохондрій: або їх вивчають у виді інтактних часток, або ці частки розділяють на усе більш і більш дрібні фрагменти, кожний з яких містить певні групи, які володіють ферментативною активністю. Обидва шляхи дослідження виявилися надзвичайно плідними і забезпечили одержання важливих даних про макромолекулярну і функціональну організацію мітохондрій.
Ферментна система мітохондрій. Ферментативні процеси мітохондрій вкрай складні; щоб їх охарактеризувати кількісно, достатньо сказати, що в реакції, які звичайно протікають у кожній мітохондрії, беруть більш 70 ферментів і коферментів, не рахуючи великого числа кофакторів, вітамінів і деяких металів.
Єдиною „сировиною”, яку потребують мітохондрії, є фосфат і аденозиндифосфат (АДФ), а кінцевим продуктом - АТФ, СО2 і Н2О. Три основні харчові речовини клітини (вуглеводи, жири і білки) в остаточному розщеплюються в цитоплазмі до двовуглецевих одиниць. Кожна така одиниця вступає в з'єднання з коферментом А, в результаті чого утворюється ацетилкофермент А. Коли останній попадає в мітохондрію, його ацетатна група вступає в цикл Кребса (його називають також циклом трикарбонових кислот або циклом лимонної кислоти) і після ряду складних реакцій за участю різних ферментів проходить декарбоксилювання, тобто вуглець, який входить до йогоскладувиділяється у вигляді СО2. На різних етапах циклу пари електронів (або еквівалентне число атомів Н) під дією дегідрогеназ переносяться в дихальний ланцюг (ланцюг переносу електронів); зрештою вони з'єднуються з молекулярним киснем, утворюючи молекули води.
Дихальний ланцюг являє собою головну систему перетворення енергії в мітохондріях. Її компоненти не тільки функціонально, але і просторово тісно зв'язані зі структурою мітохондрій. До складу основних компонентів дихального ланцюга входять два флавопротеїдних фермента (сукцинат- і ДПН-дегідрогенази), чотири цитохроми, а також негемінове залізо, мідь і кофермент Q. У трьох точках цього ланцюга за рахунок енергії електронів з АДФ і фосфату утвориться АТФ. Тому говорять, що дихальний ланцюг сполучений з фосфорилюванням.
Локалізація ферментної системи мітохондрій. Один з методів вивчення локалізації ферментів у мітохондріях складається в подрібненні цих часток на фрагменти різного розміру, які мають різними властивостями. Якщо зважку мітохондрій піддати дії ультразвуку, то розчинні білки, які містяться в матриксі виділяються і в осадженій фракції залишаються частини мембран
. Наприклад, у мітохондріях із клітин печінки утримується більше розчинних білків, чим у мітохондріях серцевого м'яза, які мають більш компактну структурою і велику кількістю крист.До числа розчинних білків, які містяться в матриксі, відноситься більшість ферментів, які беруть участь у циклі Кребса (аконітаза, дегідрогеназа малеїнової кислоти, фумараза, дегідрогеназа ізолимоної кислоти, конденсуючий фермент, дегідрогенази піровиноградної і кетоглутарової кислот і т.д.) і жирних кислот (кротоназа, ацилдегідрогеназа). У матриксі мітохондрій містяться також різні нуклеотиди, нуклеотид-коферменти і неорганічні іони (К+, HPO4-, Mg++ Cl-- і SO4-). У нерозчинної, фракції, тобто в мембранах, знаходяться всі ферменти, які відносяться до дихального ланцюга, а також ферменти, які каталізують сполучений з нею процес окисного фосфорилювання.
Так як між числом крист і інтенсивністю реакцій дихального ланцюга існує пряма залежність, то було висунуто припущення, що в кристах і внутрішніх мембранах мітохондрій; міститься більшість ферментів, які беруть участь у цих реакціях.
До дуже важливого результату привели спектрофотометричні дослідження: вони дають підставу думати, що компоненти дихального ланцюга знаходяться в еквімолекулярних співвідношеннях, тобто на кожну молекулу цитохрому або цитохромоксидази припадає одна молекула сукцинатдегідрогенази або ДПН-дегідрогенази.
Деякі фрагменти мітохондрій, які утворюються під дією ультразвуку або отримані за допомогою інших методів роздроблення, ще зберігають здатність до окисного фосфорилювання, але при їх подальшому подрібнюванні отримують частки, які хоча і містять ферменти дихального ланцюга, однак не можуть забезпечити сполучення окислювання з синтезом АТФ.
Розрахунки показують, що 25-40% білків мембран складають ферменти дихального ланцюга, а 60-70% структурних білків не містять окислювально-відновних груп.
Ще однією стороною діяльності мітохондрій участь у специфічних синтезах, наприклад у синтезі стероїдних гормонів і окремих ліпідів. У мітохондріях можуть накопичуватися різні речовини і деякі іони, особливо іони Са2+. У мітохондріях ооцитів різних тварин утворюється скупчення жовтка, при цьому вони втрачають свою основну функцію. Мітохондрії, які відпрацювали можуть також накопичувати продукти екскреції. Нарешті, у деяких випадках (печінка, нирки) мітохондрії здатні акумулювати шкідливі речовини й отруту, які попадають в клітину, ізолюючи їх від основної цитоплазми і частково блокуючи шкідливу дію цих речовин.
1.4 Походження мітохондрій
На підставі даних світлової мікроскопії можна було припускати існування трьох можливих шляхів утворення мітохондрій: розподіл передіснуючих мітохондрій, біосинтез їх de novo і формування з немітохондріальних структур.
Спочатку вважали, що мітохондрії, подібно хромосомам, несуть генетичну інформацію і розмножуються діленням, тобто що нові мітохондрії утворяться в результаті ділення раніше існуючих мітохондрій і наступного росту продуктів розподілу.
Припущення про виникнення мітохондрій de novo засновано головним чином на даних дослідів з центрифугуванням яєць морського їжака. Було виявлено, що в деяких фракціях, які не мають мітохондрій (судячи з результатів фарбування різними методами),потім розвивався повний набір цих органоїдів. Ці дані були витлумачені в тім змісті, що мітохондрії утворяться не з передіснуючих елементів. Однак цілком можливо, що мітохондрії були присутні в досліджених фракціях, але просто не були виявлені методами, які застосовувалися.
Третя гіпотеза базується на даних електронної мікроскопії, які свідчать про наявність безперервного зв'язку між мембраною мітохондрій і плазматичною мембраною або ендоплазматичною сіткою і ядерною оболонкою. На цій підставі було висловлене припущення, що мітохондрії утворюються в результаті росту і переміщення або плазматичної мембрани, або мембран вакуолярної системи клітини.
Аналогічні дані були отримані на рецепторі інфрачервоних променів у деяких змій. У нервових закінченнях цього органа утримується щільна маса мітохондрій, а на невеликій відстані від них розташовані складки мембрани аксона; отже, можна припустити, що в механізмі утворення мітохондрій беруть участь як мембрана аксона, так і матрикс аксоплазми. Варто нагадати, що в бактерій мезосоми також утворюються з плазматичної мембрани.
Проблему походження мітохондрій ні в якій мірі не можна вважати вирішеною. Досліди, які були проведені з використанням міченого холіну на мутанті Neurospora crassa з недостатністю холіну, показали, що, очевидно, маса мітохондрій зростає за рахунок безперервного-додаткового включення нових молекул лецитину у вже існуючу структуру, і, таким чином, виключили можливість утворення мітохондрій de novo.
Факти на користь тієї точки зору, що додатковий ліпопротеїдний матеріал включається на якомусь низькому рівні структури. Відповідно до ряду сучасних біохімічних даних, напівперіод життя мітохондрій печінки складає приблизно 5-10 днів; отже, синтез мітохондрій у клітині може являти собою безперервний процес. Якщо це так, то варто було б з'ясувати, яким чином усі ферменти, які утримуються в мембранах і матриксі, організуються в єдину систему, яка обумовлює повну функціональну активність мітохондрії. У цьому відношенні цікавим прикладом можуть служити дріжджові клітини, які на відміну від клітин вищих організмів здатні існувати як у присутності, так і у відсутності кисню. В останньому випадку (анаеробіоз) у цих клітинах відсутні цитохроми b і а, і, отже, не можна говорити про дихальний ланцюга в буквальному значенні цього слова. Було також виявлено, щопід час анаеробіозу в дріжджових клітинах відсутні істинні мітохондрії, а присутня тільки особлива система мембран, яка містить дві первинні дегідрогенази дихального ланцюга. Під дією кисню ці мембрани зливаються, утворюють складки і перетворюються в істиннімітохондрії, які містять цитохроми.