Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 14)
Число митохондрий в клетке очень непостоянно; оно зависит от вида организма и от природы клетки. В клетках, в которых потребность в энергии велика, содержится много митохондрий (в одной печеночной клетке, например, их может быть около 1000). В менее активных клетках митохондрий гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируют также размеры и форма митохондрий. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными; в более активных клетках они обычно крупнее. Длина митохондрий колеблется в пределах 1,5-10 мкм, а ширина — в пределах 0,25-1,00 мкм.
Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут также перемещаться в особо активные участки клетки. Такое перемещение (которому способствует ток цитоплазмы) позволяет клетке сосредоточивать большее число митохондрий в тех местах, где выше потребность в АТФ. В других случаях положение митохондрий более постоянно (как, например, в летательных мышцах насекомых; рис. 11.13).
Рис. 11.13. Электронные микрофотографии летательной мышцы комнатной мухи (Musca), полученные с помощью трансмиссионного (А) и сканирующего (Б) электронного микроскопа. Видно, что каждая миофибрилла окружена полиморфными митохондриями
11.5.1. Строение митохондрий
Митохондрии можно выделить из клеток в виде чистой фракции с помощью гомогенизатора и ультрацентрифуги. После этого их можно исследовать в электронном микроскопе, используя для этой цели различные методики, такие, как изготовление срезов и негативный контраст. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами; наружную мембрану отделяет от внутренней расстояние в 6-10 нм. Внутренняя мембрана заключает в себе полужесткий матрикс митохондрии; эта мембрана образует многочисленные гребневидные складки, так называемые кристы (рис. 11.14). Обрабатывая митохондрии ультразвуком и детергентами, можно отделить наружную мембрану от внутренней, что позволяет изучать структуру и функции каждой из них в отдельности. Однако даже и с помощью такой методики нам пока еще мало что удалось узнать о наружной митохондриальной мембране. Полагают, что она проницаема для веществ с молекулярной массой меньше 21 000 и что такие вещества через нее диффундируют. Кристы внутренней мембраны существенно увеличивают ее поверхность, обеспечивая место для размещения мультиферментных систем и облегчая доступ к ферментам, находящимся в митохондриальном матриксе. Внутренняя мембрана отличается избирательной проницаемостью, т. е. пропускает лишь определенные вещества. Известно, что активный транспорт АДФ и АТФ через внутреннюю митохондриальную мембрану осуществляют особые ферменты, называемые транслоказами. Метод негативного контрастирования, при котором окрашенными оказываются не сами структуры, а пространство вокруг них, позволил выявить присутствие особых "элементарных частиц" на той стороне внутренней митохондриальной мембраны, которая обращена к матриксу (рис. 11.14, Б и Д). Каждая такая частица состоит из головки, ножки и основания. Хотя микрофотографии свидетельствуют, казалось бы, о том, что элементарные частицы выступают из мембраны в матрикс, считается, что это артефакт, обусловленный самой процедурой приготовления препарата, и что в действительности они полностью погружены в мембрану. Головки частиц ответственны за синтез АТФ. Это АТФаза (ранее обозначавшаяся F1), обеспечивающая сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями в дыхательной цепи. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты самой дыхательной цепи. Они размещены по отношению друг к другу строго упорядоченным образом. В митохондриальном матриксе содержится большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса и в окислении жирных кислот. Здесь же находятся митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы, а также ряд различных не очень крупных белков (разд. 7.2.12).
Рис. 11.14. Строение митохондрий. А. Схематическое изображение митохондрии. Б. Схема строения кристы с 'элементарными частицами' внутренней мембраны. В. Строение элементарной частицы внутренней митохондриальной мембраны. Г. Электронная микрофотография митохондрии, полученная при малом увеличении. Д. Электронная микрофотография, на которой видны элементарные частицы внутренней митохондриальной мембраны (F1-F0-АТФаза) из разрушенных осмотическим шоком митохондрий комнатной мухи
11.5.2. Сборка митохондрий
Митохондриальная ДНК несет информацию для синтеза приблизительно 30 белков. Этого, однако, недостаточно, так как для построения новой митохондрии требуется большее число белков. В какой-то мере, следовательно, образование новых митохондрий должно зависеть от ядерной ДНК, от цитоплазматических ферментов и от некоторых других молекул, поставляемых клеткой. На рис. 11.15 суммированы современные представления о взаимодействии между митохондрией и другими частями клетки в процессе сборки митохондрии.
Рис. 11.15. Процесс сборки митохондрии из ее компонентов. (По Tribe, Whittaker, Chloroplasts and mitochondria. Series in Biology, №31, Arnold.)
11.5.3. Эволюция митохондрий: эндосимбиотическая гипотеза
Существует гипотеза, согласно которой митохондрии были некогда свободноживущими прокариотическими организмами, наподобие бактерий. Эти прокариоты, случайно проникнув в клетку, вступили затем с этой клеткой-хозяином во взаимовыгодный симбиоз. По-видимому, условия внутри клетки оказались благоприятными для прокариот, в обмен же прокариоты своим присутствием резко повысили "производительность" клетки в смысле синтеза АТФ и придали ей способность к аэробному дыханию. В пользу этой гипотезы свидетельствует ряд данных. Во-первых, митохондриальная ДНК представлена обычно кольцевой молекулой (рис. 11.16), а именно такую ДНК мы находим у современных бактерий. Во-вторых, митохондриальные рибосомы меньше цитоплазматических и сходны по своим размерам с бактериальными. В-третьих, движения митохондрий напоминают движения некоторых бактерий. И наконец, отмечено, что механизмы белкового синтеза у митохондрий и бактерий, с одной стороны, и в цитоплазме — с другой, чувствительны к разным антибиотикам. Например, хлорамфеникол и стрептомицин подавляют синтез белка в митохондриях и у бактерий, а циклогексимид блокирует синтез белка в цитоплазме (см. разд. 9.3.1 об эндосимбиотической гипотезе применительно к хлоропластам).
Рис. 11.16. Электронная микрофотография митохондриальной ДНК из пивных дрожжей Saccharomyces carlsbergensis. Молекула представляет собой суперспирализованное кольцо двухцепочечной ДНК с длиной 'окружности' 26 мкм. Она построена примерно из 75000 нуклеотидов
11.5.4. Синтез АТФ
Изучением этого вопроса активно занимаются больше 30 лет, однако четкого представления о механизмах синтеза АТФ у нас пока еще нет. В последнее время усиленно обсуждаются главным образом две гипотезы: гипотеза химического сопряжения и хемиосмотическая гипотеза.
Гипотеза химического сопряжения
Согласно этой гипотезе, синтез АТФ сопряжен с переносом электронов при посредстве одного или нескольких "высокоэнергетических" промежуточных продуктов. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов в окислительно-восстановительных реакциях дыхательной цепи, используется в нескольких ее звеньях для образования высокоэнергетической связи в одном из таких продуктов. Затем при фосфорилировании АДФ эта энергия переходит к высокоэнергетической связи АТФ (рис. 11.17). До сих пор, однако, обнаружить подобные промежуточные продукты не удалось, и до тех пор пока их существование не подтвердится, эту гипотезу нельзя считать убедительной.
Рис. 11.17. Гипотеза химического сопряжения. Х-пока еще не идентифицированный промежуточный продукт. Здесь показан только один такой продукт, но их могло быть и несколько
Хемиосмотическая гипотеза
Большее признание завоевала гипотеза, выдвинутая Митчеллом в 1961 г. Он полагал, что синтез АТФ находится в тесной зависимости от того, каким образом электроны и протоны передаются по дыхательной цепи. Ниже перечислены условия, соблюдения которых требует эта гипотеза.
1. Внутренняя митохондриальная мембрана должна быть интактна и непроницаема для протонов (ионов водорода), направляющихся снаружи внутрь.
2. В результате активности дыхательной (электрон-транспортной) цепи ионы водорода поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной стороне мембраны.
3. Движение ионов водорода, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент рН. Это может быть связано с тем, что ферменты, принимающие и отдающие ионы водорода, расположены в мембране определенным образом и поэтому могут принимать ионы водорода только изнутри и отдавать их только наружу.
4. Сам по себе градиент рН не мог бы поддерживаться, так как ионы водорода диффундировали бы обратно в митохондрию. Поддержание такого градиента требует затраты энергии. Предполагается, что энергию поставляет перенос электронов по электронтранспортной (дыхательной) цепи.