Ультраструктура мітохондрій

    Важливо підкреслити, що рРНК і рибосоми мітохондрій різко відмінні від таких в цитоплазмі. Якщо в цитоплазмі виявляються 80s рибосоми, то рибосоми мітохондрій рослинних клітин належать до 70s рибосом (складаються з 30s і 50s субодиниць, містять 16s і 23s РНК, характерні для прокариотичних клітин), а в мітохондріях клітин тварин виявлені дрібніші рибосоми (біля 50s).

    Рибосомні РНК мітохондрій синтезуються на мітохондріальній ДНК. У мітоплазмі на рибосомах йде синтез білків. Він припиняється, на відміну від синтезу на цитоплазмі рибосомах, при дії антибіотика хлорамфенікола, що пригнічує синтез білка у бактерій.

    На мітохондріальному  геномі синтезуються і транспортні  РНК, всього синтезується 22 тРНК. Триплетний код мітохондріальної синтетичної системи відмінний від такого, використовуваного в гіалоплазмі. Не дивлячись на наявність здавалося б всіх компонентів, необхідних для синтезу білків, невеликі молекули мітохондріальної ДНК не можуть кодувати всі мітохондріальні білки, тільки їх невелику частину. Так ДНК розміром 15 тис.н.п. може кодувати білки з сумарною молекулярною вагою близько 6х105. В цей же час сумарна молекулярна вага білків частинки повного дихального ансамблю мітохондрії досягає величини близько 2х106. Якщо врахувати, що окрім білків окиснювального фосфорилювання в мітохондрії входять ферменти циклу трикарбонових кислот, ферменти синтезу ДНК і РНК, ферменти активації амінокислот і інші білки, то видно, що, для того, щоб кодувати ці численні білки і рРНК і тРНК, кількості генетичної інформації в короткій молекулі мітохондріальної ДНК явно не вистачає. Розшифровка нуклеотидної послідовності мітохондріальною ДНК людини показала, що вона кодує всього лише 2 рибосомні РНК, 22 трансферних РНК і всього 13 різних поліпептидних ланцюгів.

    В даний  час є  переконливі докази, що велика частина білків мітохондрій  знаходиться під генетичним  контролем  з боку клітинного ядра і синтезується поза мітохондріями. Так, зокрема цитохром з, утворюється в гіалоплазмі, а  з дев'яти поліпептидних ланцюгів у складі АТФ-синтетази тільки одна синтезується в матриксі мітохондрій тварин. Мітохондріальна ДНК кодує лише небагато мітохондріальних білків, які локалізовані в мембранах і є структурними білками, відповідальними за правильну інтеграцію в мітохондріальних мембранах окремих функціональних компонентів.

    Більшість мітохондріальних білків синтезуються на рибосомах в цитозолі. Ці білки мають спеціальні сигнальні послідовності, які пізнаються рецепторами на зовнішній мембрані мітохондрій. Ці білки можуть вбудовуватися в них (див. аналогію з мембраною пероксисом), а потім переміщатися на внутрішню мембрану. Це перенесення відбувається в точках контакту зовнішньої і внутрішньої мембран, де такий транспорт відмічений. Більшість ліпідів мітохондрій так само синтезуються в цитоплазмі.

    Всі ці відкриття, що показують відносно незалежну  будову і функціонування системи  білкового синтезу мітохондрій, відродили гіпотезу про ендосимбіотичне

 походження мітохондрій, про те, що мітохондрії є організми типу бактерій, що знаходяться в симбіозі з еукаріотичною клітиною.

    Хондріом

    Хондріом  – це сукупність всіх мітохондрій  в одній клітині. Виявилось, що така сукупність може бути різною залежно від типу клітин. Так, в багатьох клітинах хондріом представлений розрізненими численними мітохондріями, розкиданими досить рівномірно по всій цитоплазмі, як, наприклад, в багатьох недиференційованих клітинах. У інших випадках окремі мітохондрії локалізуються групами в місцях інтенсивної витрати АТФ, як наприклад, в клітинах аналізаторів сітківки. У обох цих випадках мітохондрії функціонують поодинці, їх кооперативна робота, можливо, координується якимись сигналами з цитоплазми. Проте існує і абсолютно інший тип хондріома, коли замість дрібних поодиноких розрізнених мітохондрій в клітині розташовується одна гігантська розгалужена мітохондрія . Такі мітохондрії часто зустрічаються у одноклітинних зелених водоростей (наприклад у Chlorella). У цих випадках ми бачимо не окремі мітохондрії, а складну мітохондріальну систему, мережа або, як їй дали назву, мітохондріальний ретикулум (Reticulum miyochondriale). Який біологічний сенс появи такої гігантської розгалуженої мітохондріальної структури, об'єднаної в одне ціле своїми зовнішніми і внутрішніми мембранами? Згідно з хемоосмотичною теорією, електрохімічний протонний градієнт, що виник на поверхні внутрішньої мембрани рівномірно розподіляється по поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій, вона еквіпотенціальна в будь-якій своїй точці. Тому в будь-якій точці поверхні внутрішньої мембрани такої розгалуженої мітохондрії може йти синтез АТФ, який поступатиме в будь-яку точку цитоплазми, де в цьому є необхідність. Тобто такі розгалужені мітохондрії можуть бути “електричним кабелем”.

    Те, що це дійсно має місце, було доведено експериментально. Були вибрані фібробласти, що ростуть  в культурі тканини, в цитоплазмі яких є довгі нитчасті мітохондрії, що досягають 60 мкм. У живих клітинах їх можна спостерігати за допомогою флуорохрома етилродаміна, який накопичується в матриксі тих, що тільки працюють, синтезують АТФ, мітохондрій. Якщо зняти різницю потенціалів на внутрішній мембрані мітохондрій, впливаючи на клітини динітрофенолом, то свічення етилродаміна в мітохондріях припиняється, паралельно падінню синтезу АТФ. При цьому гасіння флуоресценції відбувається у всіх мітохондрій. Це спостереження показує, що етилродамін, як протонний фарбник, накопичується в матриксі мітохондрій, тільки тоді, коли є різниця потенціалів на внутрішній мембрані мітохондрій, тобто коли відбувається синтез АТФ.

  Але динітрофенол, вбудовуючись в мембрану, створює “пробій” на всіх мітохондріях даної клітини. А як “вимкнути” одну мітохондрію? Для цього використовується лазерний або ультрафіолетовий мікропромінь, який можна точно направити на вибрану експериментатором мітохондрію . Робиться це за допомогою спеціальної оптичної системи, яка дозволяє одночасно розглядати об'єкт (в даному випадку живі клітини із забарвленими родаміном мітохондріями) і навести на вибрану деталь тонкий пучок лазера або ультрафіолетового світла.  При опромінюванні окремої мітохондрії відбувається в ній гасіння флуоресценції родаміна через те, що в результаті пробою внутрішньої мембрани мітохондрії різниця потенціалів на ній падає, і родамін немов витікає з матриксу мітохондрії. При цьому сусідні мітохондрії не міняють свого свічення і продовжують синтез АТФ. Що ж відбудеться, якщо опромінити невелику ділянку розгалуженою або ж дуже довгою мітохондрії? У експерименті одна з протяжних мітохондрій фібробласта, що світиться, була локально уражена вузьким (0,5 мкм) мікропроменем оптичного лазера. В результаті цього вся довга мітохондрія потухнула, тоді як сусідні залишалися без змін . Ураження мікропроменем ділянок вільної від мітохондрії цитоплазми не призводило до гасіння мітохондрій. Це говорить про те, що точковий пробій мембрани мітохондрії приводить до зняття різниці потенціалів не тільки в точці пробою, але по всій довжині мітохондрії, яка є провідник з еквіпотенціальною поверхнею. Отже, такі довгі нитчасті мітохондрії фібробластів можуть бути електричні провідники, що можуть передавати різницю потенціалів на мітохондріальних мембранах на великі відстані і об'єднувати видалені ділянки цитоплазми.

    Це означає, що і у разі гігантських розгалужених мітохондрій в будь-якій її крапці може на внутрішній мембрані накопичитися потенціал, достатній для того, щоб  почався синтез АТФ. З цих позицій  мітохондріальний ретикулум є як би електричний провідник, кабель, що сполучає віддалені точки такої системи. Мітохондріальний ретикулум може виявитися дуже корисним не тільки для дрібних рухомих клітин, таких як хлорела, але і для більших, там, де потрібна кооперація і синхронізація в роботі багатьох структурних одиниць таких як, наприклад, міофібрили в скелетних м'язах.

    Як відомо, скелетні м'язи складаються з  маси м'язових волокон, симпластів, що містять безліч ядер. Довжина таких м'язових волокон досягає 40 мкм, при товщині 0,1 мкм – це гігантська структура, що містить велику кількість міофібрил, всі з яких скорочуються одночасно, синхронно. Для такого скорочення до кожної одиниці скорочення, до кожного саркомера міофібрил, повинна бути доставлене велика кількість АТФ. На подовжніх ультратонких зрізах скелетних м'язів в електронному мікроскопі видно численні округлі дрібні перетини мітохондрій, розташованих в сусідстві з саркомерами . Якщо ж досліджувати поперечні зрізи м'язових волокон на рівні z-дисков, то видно, що м'язовими мітохондріями є не дрібні кульки або палички, а як би павукоподібні структури, відростки яких можуть гілкуватися і тягнутися на великі відстані, іноді через весь поперечник м'язового волокна. При цьому розгалуження мітохондрій оточують кожну міофібрилу в м'язовому волокні, забезпечуючи їх АТФ, необхідного для м'язового скорочення. Отже, в площині z-диска мітохондрії представлені типовим мітохондріальним ретикулумом – єдиною мітохондріальною системою. Такий пласт або поверх мітохондріального ретикулума повторюється двічі на кожен саркомер, а все м'язове волокно має тисячі поперечних розташованих “пошарових” пластів мітохондріального ретикулуму. Було виявлено, що між “поверхами” уздовж міофібрил розташовуються нитчасті мітохондрії, що сполучають ці мітохондріальні пласти. Тим самим створюється тривимірна картина мітохондріального ретикулуму, м'язового волокна, що проходить через весь об'єм .

    Тут же було виявлено, що як між відгалуженнями мітохондріального ретикулума, так і між ним і ниткоподібними подовжніми мітохондріями існують спеціальні міжмітохондріальні з'єднання або контакти (ММК). Вони утворені щільно прилеглими зовнішніми мітохондріальними мембранами контактуючих мітохондрій, міжмембранний простір і мембрани в цій зоні мають підвищену електронну щільність . Було зроблено припущення, що через ці спеціальні утворення може відбуватися функціональне об'єднання сусідніх мітохондрій і мітохондріальних ретикулумов в єдину, кооперативну енергетичну систему. Всі міофібрили в м'язовому волокні скорочуються синхронно по всій їх довжині, отже, і надходження АТФ на будь-якій ділянці цієї складної машини теж повинно відбуватися синхронно, а це може відбуватися лише в тому випадку, якщо величезна кількість розгалужених мітохондрій-провідників буде зв'язана один з одним клемами-контактами (ММК).

    Довести те, що ММК дійсно беруть участь в  енергетичному об'єднанні мітохондрій  один з одним вдалося на іншому типі поперечно-смугастих м'язів – на кардіоміоцитах, клітинах серцевих м'язів.

    Виявилось, що хондріом клітин серцевого м'яза не утворює структур, що галузяться, а представлений безліччю невеликих витягнутих мітохондрій, розташованих без особливого порядку між міофібрилами. Проте було знайдено, що всі сусідні мітохондрії стикаються один з одним за допомогою мітохондріальних контактів такого ж типу, як в скелетному м'язі, тільки їх число дуже велике: в середньому на одну мітохондрію доводиться 2-3 ММК, які зв'язують мітохондрії в єдиний ланцюг, де кожною ланкою такого ланцюга (Streptio mitochondriale) є окрема мітохондрія. Такий тип хондріома також може служити цілям синхронного скорочення всіх саркомерів в міофібрилах кардіоміоцитів. Для такої кооперативної координації мітохондрій повинні служити множинні міжмітохондріальні контакти .

    Для доказу цієї гіпотези були використані кардіоміоцити  ембріонів щура в культурі тканини. Ці клітині мають гетерогенні за розміром і формою мітохондрії, розташовані між міофібрилами . У електронному мікроскопі було виявлено, що між деякими мітохондріями були видні ММК, об'єднуючі їх в невеликі групи - кластери. Надалі були проведені експерименти, аналогічні тим, які були зроблені на культурі фібробластів: мітохондрії живих кардіоміоцитів забарвлювали етилродаміном, а потім одну з мітохондрій в групі опромінювали лазерним мікропучком. Опромінювання одиночних мітохондрій приводило до швидкого їх гасіння. У одних випадках згасала тільки опромінена мітохондрія, в інших – втрачала люмінесценцію вся група мітохондрій . Електронна мікроскопія показала, що в останньому випадку мітохондрії в кластері були зв'язані один з одним за допомогою ММК. Отже, якщо одиночні мітохондрії втрачають етилродамін після лазерного уколу унаслідок електричного пробою мітохондріальної мембрани, то гасіння групи мітохондрій, зв'язаних ММК, доводить, що ММК, як клеми, об'єднують в єдиний ланцюг потенціали поодиноких мітохондрій. Ймовірно, області ММК проникні для протонів, які можуть передаватися з внутрішньої мітохондріальної мембрани однієї мітохондрії на внутрішню мембрану інший, і тим самим об'єднувати мітохондрії в єдину енергетичну систему.

    Як виявилось, міжмітохондріальні контакти (ММК), як обов'язкова структура серцевих клітин, зустрічаються не тільки у щурів. Вони виявлені в кардіоміоцитах як шлуночків, так і передсердя всіх хребетних тварин: ссавців, птахів, плазунів, амфібій і костистих риб. Більш того ММК були виявлені (але в меншому числі) в клітинах серця деяких комах і молюсків. Ці спостереження говорять про надзвичайно важливу біологічну роль цих структур, що характеризують мітохондрії інтенсивно і постійно працюючих клітин серця.

    Було  виявлено, що кількість ММК в кардіоміоцитах змінюється залежно від функціонального  навантаження на серце. Так, якщо у щурів викликати експериментальне посилення роботи серцевого м'яза, наприклад при компенсаторній гіпертрофії міокарду (часткова перев'язка аорти), то кількість ММК збільшується майже удвічі. Збільшується число ММК і при підвищенні фізичних навантажень тварин. Навпаки, при обмеженні рухливості тварин, що знаходяться в тісних камерах більш 4-х місяців (як в космічному кораблі), при падінні навантаження на серцевий м'яз, відбувається різке скорочення кількості ММК.

    Ті ж  закономірності спостерігається і  у інших тварин в природних  умовах їх життя. Так зменшується  число ММК у зимових сплячих  кажанів, у зимуючих бабаків. Різко  зростає число ММК в кардіоміоцитах стрижів, що літають, в порівнянні з  їх пташенятами до вильоту з гнізда. З цих спостережень можна зробити  узагальнення: чим вище функціональне  навантаження на кардіоміоцити, чим  вище споживання енергії, тим більша кількість ММК зв'язує окремі мітохондрії  в єдину кооперативну систему.

    Хондріом  може мати різну композицію залежно  від енергетичних потреб клітини. У простому (і що частіше зустрічається ) випадку він може бути представлений безліччю розрізнених невеликих мітохондрій, що функціонують незалежно один від одного і що забезпечують АТФ невеликі ділянки цитоплазми. У іншому випадку довгі і розгалужені мітохондрії можуть енергетично забезпечувати віддалені один від одного ділянки клітини. Варіантом такої протяжної системи може бути хондріом типу мітохондріального ретикулума, який зустрічається як у одноклітинних, так і у багатоклітинних організмів. Особливо складно цей вид хондріома виражений в скелетних м'язах ссавців, де групи гігантських розгалужених мітохондрій зв'язані один з одним за допомогою ММК. Взагалі ж наявність ММК характерний для хондріомів скоротних структур. Особливо рясно ММК представлені в клітинах серцевих м'язів, де вони функціонально зв'язують множинні окремі мітохондрії в єдиний розгалужений ланцюг^.(8)