Ультраструктура мітохондрій

    В процесі  гліколізу відбувається неповне окиснення субстрату. В результаті гліколізу глюкоза розпадається до тріоз, при цьому витрачаються 2 молекули АТФ і синтезуються 4 молекули АТФ. Отже в кінцевому результаті клітина “заробляє” всього 2 молекули АТФ. У енергетичному відношенні цей процес малоефективний, тому з 680 ккал, що полягають в зв'язках 1 моля глюкози, звільняється менше 10% енергії.Не зважаючи на низький енергетичний вихід, анаеробне окиснення, гліколіз, широко використовується в живій природі. Він є основним процесом, що поставляє енергію для багатьох мікроорганізмів, деяких кишкових паразитичних анаеробних найпростіших, для клітин вищих організмів на ранніх стадіях ембріонального розвитку, для багатьох пухлинних клітин, для клітин культури тканини і ін. Еритроцити ссавців, наприклад, отримують всю необхідну ним енергію за рахунок гліколізу, оскільки у них немає мітохондрій.

    Тріози, що утворилися в результаті гліколізу, і в першу чергу піровиноградна кислота, залучаються до подальшого окиснення, що відбувається вже в самих мітохондріях. При цьому відбувається використання енергії розщеплювання всіх хімічних зв'язків, що приводить до виділення СО_2, до споживання кисню і синтезу великої кількості АТФ. Ці процеси пов'язані з окислювальним циклом трикарбонових кислот і з дихальним ланцюгом перенесення електронів, де відбувається фосфорилювання АДФ і синтез клітинного “палива”, молекул АТФ .

    У циклі  трикарбонових кислот (цикл Кребса, або цикл лимонної кислоти) піруват, що утворився в результаті гліколізу, спочатку втрачає молекулу СО₂ і, окислюючись до ацетату (двовуглецеве з'єднання), з'єднується з коферментом А. Потім ацетил- коензим А, з'єднуючись з оксалацетатом (чотирьохвуглецеве з'єднання), утворює шестивуглецевий цитрат (лимоную кислоту). Потім відбувається цикл окиснення цього шестивуглецевого з'єднання до чотирьохвуглецевого оксалацетата, знову пов'язання з ацетилкоензимом А, і потім цикл повторюється. При цьому окисненні виділяються дві молекули СО_2, а електрони, що звільнилися при окисненні, перено-сяться на акцепторні молекули коферментів (NAD-никотинамідаденіндинуклеотид), які залучають їх далі в ланцюг перенесення електронів. Отже, в циклі трикарбонових кислот немає самого синтезу АТФ, а йде окиснення молекул, перенесення елек-тронів на акцептори і виділення СО₂. Всі описані вище події усередині мітохондрій відбуваються в їх матриксі.

    Виділені  мітохондрії володіють здатністю  здійснювати окиснення пірувату до СО₂ і здібні до синтезу АТФ. Якщо суспензію мітохондрій піддати дії ультразвуку, то після розриву мітохондріальних мембран компоненти матриксу звільняються і переходять в середу виділення. Після такого руйнування можна обложити мембрани мітохондрій і аналізувати їх функціональні активності.

    Було  виявлено, що у фракції, що вільній  від мембран, є компонентами матриксу, виявляються ферменти, що беруть участь в циклі трикарбонових кислот. Отже, в матриксі локалізовані ферменти цього циклу, які знаходяться у вільному, не зв'язаному стані з мітохондріальними мембранами, за винятком сукцинат-дегідрогенази. Крім того, до складу матриксу входять ферменти окиснення жирних кислот; основний продукт окиснення жирних кислот – ацетилкоензим h – теж в матриксі поступає в цикл трикарбонових кислот, в якому він піддається подальшому окисненню до СО₂ і Н₂О .В матриксі мітохондрій відбувається також окиснення деяких амінокислот, що поступають в цикл трикарбонових кислот.

    Решта подій, пов'язаних з подальшим перенесенням електронів і синтезом АТФ пов'язані  з внутрішньою мітохондріальною мембраною, з кристами мітохондрій.

    Електрони, що звільнилися в процесі окиснення в циклі трикарбонових кислот, акцептовані на коферментах, переносяться потім в дихальний ланцюг (ланцюг перенесення електронів), де вони з'єднуються з молекулярним киснем, утворюючи молекули води.

    Дихальний ланцюг є рядом білкових комплексів, вбудованих у внутрішню мітохондріальну мембрану .Існують три головні ферментні комплекси. Перший, NADH-дегідрогеназний комплекс приймає електрони від NADH і переносить їх в другий комплекс, комплекс в-С1, який у свою чергу, переносить їх на цитохромоксидазний комплекс, а він їх передає на кисень, внаслідок чого утворюється вода. На цьому окиснення закінчується.

    Як і  вважається, окиснення початкового субстрата призвело до виділення СО₂ і води, але при цьому не виділилася теплова енергія, як при горінні, а утворилися молекули АТФ. Вони були синтезовані іншою групою білків, не пов'язаних прямо з окисненням. Було виявлено, що у внутрішніх мітохондріальних мембранах на поверхні мембран, що дивляться в матрикс, розташовуються крупні білкові комплекси, ферменти, АТФ-синтетази. У електронному мікроскопі у фракції внутрішніх мітохондріальних частинок видно так звані “грибоподібні” тільця що суцільно вистилають поверхню мембран, що дивиться в матрикс. Ці тільця мають як би ніжку і голівку. Діаметром 8-9 нм. Було виявлено, що ці тільця є білковим комплексом, що складається з 9 субодиниць, – АТФ-синтетази. Отже, у внутрішніх мембранах мітохондрій локалізовані ферменти як окиснювального ланцюга, так і ферменти синтезу АТФ.

    Дихальний ланцюг – це головна система перетворення енергії в мітохондріях. Тут відбувається послідовне окиснення і відновлення елементів дихального ланцюга, внаслідок чого вивільняється невеликими порціями енергія. За рахунок цієї енергії в трьох точках ланцюга з АДФ і фосфату утворюється АТФ. Тому говорять, що окиснення (перенесення електронів) зв'язане з фосфорилюванням (АДФ + Фн >АТФ), тобто відбувається процес окиснювального фосфорилювання.

    В результаті багатократної оборотності субстратів в циклі Кребса відбувається повне  окиснення продуктів первинного гліколітичного окиснення, що потрапили, і потім в ланцюзі окиснювального фосфорилювання відбувається максимальне використання енергії, що звільнилася при окисненні, для синтезу АТФ.

    Було  висловлено припущення, що енергія, що виділяється при транспорті електронів, запасається у вигляді градієнта  протонів на мембрані. При цьому  на зовнішній поверхні внутрішньої  мембрани мітохондрій виникає підвищена  концентрація позитивно заряджених іонів водню. Виниклий при цьому  протонний градієнт є рушійною силою в синтезі АТФ .

    Це припущення стало потім теорією -  хеміосмотичною теорією сполучення окиснення субстратів з синтезом АТФ. Як виявилось, при перенесенні електронів в мітохондріальній мембрані кожен комплекс дихального ланцюга направляє вільну енергію окиснення на переміщення протонів (позитивних зарядів) через мембрану, з матриксу в міжмембранний простір, що приводить до утворення різниці потенціалів на мембрані: позитивні заряди переважають в міжмембранному просторі, а негативні – з боку матриксу мітохондрій. Досягши певної різниці потенціалів (220 мВ) білковий комплекс АТФ-синтетази починає транспортувати протони назад в матрикс, при цьому перетворює одну форму енергії на іншу: утворює АТФ з АДФ і неорганічного фосфату. Так відбувається сполучення окислювальних процесів з синтетичним, з фосфорилюванням АДФ. Поки відбувається окиснення субстратів, поки відбувається перекачування протонів через внутрішню мітохондріальну мембрану – йде зв'язаний з цим синтез АТФ, тобто відбувається окислювальне фосфорилювання.

    Ці два  процеси можуть бути роз'єднані. Можна  зняти різницю потенціалів на мітохондріальній мембрані, або механічно  її порушити, або за допомогою хімічних сполук (наприклад, динітрофенола) зробити в ній дифузійні канали. При цьому продовжуватиметься перенесення електронів, продовжуватиметься окиснення субстрата, але синтезу АТФ вже відбуватися не буде. В цьому випадку енергія, що звільняється при окисненні переходитиме в теплову енергію.(Див. мал.6)

Окиснювальне  фосфорилювання у бактерій

    У прокаріотичних клітин, здібних до окиснювального фосфорилювання, елементи циклу трикарбонових кислот локалізовані прямо в цитоплазмі, а ферменти дихального ланцюга і фосфорилювання пов'язані з клітинною, плазматичною мембраною. Це було спочатку показано цитохімічними методами. Так, фермент сукцинатдегідрогеназа пов'язаний з плазматичною мембраною і з її випинаннями, виступаючими всередину цитоплазми, з так званими мезосомами . Треба відзначити, що такі бактерійні мезосоми можуть бути пов'язані не тільки з процесами аеробного дихання, але і у деяких видів брати участь в діленні клітин, в процесі розподілу ДНК по нових клітинах, в утворенні клітинної стінки і так далі .На плазматичній мембрані в мезосомах деяких бактерій локалізуються також чинники сполучення окиснення і синтезу АТФ. У електронному мікроскопі у фракціях плазматичних мембран бактерій виявлені сферичні частинки, аналогічні тим, які були знайдені в мітохондріях еукаріотичних клітин. Таким чином, у бактерійних клітин, здібних до окиснювального фосфорилювання, плазматична мембрана виконує роль, аналогічну внутрішній мембрані мітохондрій еукаріотичних клітин.

    Збільшення  кількості мітохондрій

    Так само, як і інші органели цитоплазми, мітохондрії можуть збільшуватися в кількості, що особливо помітно при поділі клітин або при збільшенні функціонального навантаження клітини, більш того, відбувається постійне оновлення мітохондрій. Так, в печінці середня тривалість життя мітохондрій складає близько 10 днів. Тому закономірно виникає питання, яким чином відбувається це збільшення кількості мітохондрій, за рахунок яких процесів і яких структур утворюються нові мітохондрії.

    Основна маса експериментальних даних говорить про те, що збільшення кількості мітохондрій відбувається шляхом зростання і ділення попередніх мітохондрій. Це припущення було вперше висловлене Альтманом (1893), що описав мітохондрії під терміном “біобласти”. Пізніше за допомогою цейтраферної кінозйомки вдалося спостерігати прижиттєво ділення, фрагментацію довгих мітохондрій на коротші. Особливо виразно видно цей процес при діленні клітин деяких одноклітинних водоростей і нижчих грибів, у яких ділення мітохондрій скоординоване з клітинним діленням. У електронний мікроскоп часто в багатьох клітинах можна бачити ділення мітохондрій шляхом утворення перетяжки , наприклад в клітинах печінки (хоча без доказів динамічності цього процесу такі спостереження мало переконливі). Зовні всі ці картини дуже нагадують бінарний спосіб ділення бактерій.

    Реальність  збільшення кількості мітохондрій шляхом ділення були доведені при вивченні поведінки мітохондрій в живих клітинах культури тканини. Було виявлено, що протягом клітинного циклу мітохондрії можуть зростати до декількох мкм, а потім фрагментуватися, ділитися на дрібніші тільця.

    Крім  того, мітохондрії можуть зливатися  один з одним. Так, в культурі клітин ендотелію серця пуголовка ксенопуса спостерігали до 40 випадків злиття і ділення мітохондрій за 1 годину У клітинах культури нирок ембріонів спостерігали зростання і галуження мітохондрій в S-періоді клітинного циклу. Проте вже в G₂- періоді переважали в числі дрібні мітохондрії, що утворилися за рахунок ділення при фрагментації довгих мітохондрій.

    Таким чином, розмноження мітохондрій йде  за принципом: omnis mitochondrion e mitochondrion.

    Цікаві  спостереження за долею мітохондрій в дріжджових клітинах. У аеробних умовах дріжджові клітини мають типові мітохондрії з чітко вираженими кристами. При перенесенні клітин в анаеробні умови (наприклад, при їх пересіванні або при переміщенні в атмосферу азоту) типові мітохондрії в їх цитоплазмі не виявляються, і замість них видно дрібні мембранні бульбашки. Виявилось, що в анаеробних умовах дріжджові клітини не містять повний дихальний ланцюг (відсутні цитохрому b і а). При аерації культури спостерігається швидка індукція біосинтезу дихальних ферментів, різке підвищення споживання кисню, а в цитоплазмі з'являються нормальні мітохондрії. Ці спостереження привели до уявлення про те, що у дріжджів в анаеробних умовах в цитоплазмі існують промітохондріальні структури із з редукованою системою окиснення. Такі промітохондрії при перенесенні клітин в умови аеробного середовища починають перебудовуватися, відбувається включення в їх мембрани елементів повного ланцюга окиснення і фосфорилювання, що супроводжується зміною їх морфології. Так, з примітивних, неактивних промітохондрій шляхом їх добудови і зростання утворюються звичайні функціонуючі мітохондрії.

    Ймовірно, схожі процеси протікають і при  діленні мітохондрій: відбувається збільшення маси мітохондріальних мембран  зі всіма специфічними компонентами за рахунок синтезу і включення  в них окремих білків – ферментів  і ліпідів, наростання маси білків матриксу, а потім відбувається ділення .

    Ці уявлення отримують підтримку з боку фактів, організації, що стосуються, і складу мітохондріального матриксу або  мітоплазми, в якій виявлена ДНК, різні типи РНК і рибосоми.

    Авторепродукція мітохондрій

    Дослідження останніх років привели до дивовижних відкриттів: двомембранна органела володіє повною системою авторепродукції. Ця система повна в тому сенсі, що  в мітохондріях  і пластидах відкрита ДНК, на якій в них синтезуються інформаційні, трансферні і рибосомні РНК і рибосоми, що здійснюють синтез мітохондріальних і пластидних білків. Проте, як виявилось, ці системи, хоча і автономні, дуже обмежені по своїх можливостях.

    ДНК в  мітохондріях представлена циклічними молекулами, які не створюють зв'язок з гістонами, в цьому відношенні вони нагадують бактерійні хромосоми. Розмір їх невеликий, близько 7 мкм, в одну циклічну молекулу мітохондрій тварин входить 16-19тис. нуклеотидних пар ДНК. У людини мітохондріальна ДНК містить 16,5 тис. н.п., вона повністю розшифрована. Знайдено, що митохондральная ДНК різних об'єктів дуже однорідна, відмінність їх полягає лише у величині інтронів і нетранскрибних ділянок. Вся мітохондріальна ДНК представлена множинними копіями, зібраними в групи, кластери. Так в одній мітохондрії печінки щура може міститися від 1 до 50 циклічних молекул ДНК. Загальна ж кількість мітохондріальної ДНК на клітину складає біля одного відсотка. Синтез мітохондріальної ДНК не пов'язаний з синтезом ДНК в ядрі.

    Так само як і у бактерій мітохондральна ДНК зібрана в окрему зону – нуклеоїд, його розмір складає близько 0, 4 мкм в діаметрі. У довгих мітохондріях може бути від 1 до  10 нуклеоїдів.При діленні довгої мітохондрії від неї відділяється ділянка, що містить нуклеоїд (схожість з бінарним діленням бактерій). Кількість ДНК в окремих нуклеоїдах мітохондрій може коливатися в 10 разів залежно від типу клітин.

    Прижиттєво  нуклеоїди мітохондрій можна забарвлювати спеціальними флуорохромами. Виявилось, що в деяких культурах в клітинах від 6 до 60% мітохондрій не мають нуклеоїда, що може пояснюватися тим, що поділ цієї органели швидше пов'язане з фрагментацією, а не з розподілом нуклеоїдів.

    Як вже  мовилося, мітохондрії можуть як ділитися, так і зливатися один з одним. У звичайній культурі клітин людини Hela всі мітохондрії містять нуклеоїди. Проте одна з ліній мутантів цієї культури містила мітохондрії, в яких нуклеоїди за допомогою флуорохромов не виявлялися. Але якщо ці клітини мутантів злити з цитопластами клітин початкового типу, то у всіх мітохондріях нуклеоїди були виявлені. Це говорить про те, що при злитті мітохондрій один з одним може відбуватися обмін їх внутрішніми компонентами^.(7)