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, що під 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 істинні мітохондрії, які містять цитохроми.
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ МІТОХОНДРІЙ
Значних успіхів було досягнуто у вивченні мітохондрій, при цьому значну роль зіграла електронна мікроскопія, яка дала можливість виявити їх специфічну ультраструктурну організацію, а також розробка методів біохімічного аналізу цих органоїдів після виділення.
Електронна мікроскопія. Взаємозв'язок довжини хвилі світла і межі дозволу зберігається для будь-якої форми випромінювання, як для світлових променів, так і для електронів. Однак в останньому випадку межа дозволу істотно нижче. Довжина хвилі електрона зменшується зі збільшенням його швидкості. В електронному мікроскопі з напругою 100000 В довжина хвилі електрона дорівнює 0.004 нм, а відповідно до теорії, дозвіл такого мікроскопа складає 0,002 нм.
Загальна схема просвічуючого електронного мікроскопа (ПЕМ). Джерело випромінювання - нитка катода, яка випускає електрони з вершини циліндричної колони висотою біля двох метрів. Оскільки при зіткненні з молекулами повітря електрони розсіюються, у колоні повинний бути створений вакуум. Електрони, які випромінюються катодною ниткою, прискорюються найближчим анодом і проникають через малюсінький отвір, формуючи електронний промінь, який проходить у нижню частину колони. Уздовж колони на деякій відстані розташовані кільцеві магніти, які фокусують електронний промінь, подібно скляним лінзам, які фокусують промінь світла у світловому мікроскопі. Зразок через повітряний шлюз поміщають у вакуум колони, на шляху електронного пучка. Частина електронів у момент проходження через зразок розсіюється відповідно до щільності речовини в даній ділянці, залишок електронів фокусується й утворить зображення на фотопластинці або на фосфоресцируючому екрані.
В електронному мікроскопі не можна спостерігати живі об'єкти. Тому тканини фіксують, зшиваючи клітини і клітинні структури глутаральдегідом, а потім обробляють осмієвою кислотою. Зразки збезводнюють, фіксують смолами і нарізають тонким скляним або алмазним ножем.
Тонкі зрізи практично є двовимірними зрізами тканини і не дозволяють судити про тривимірну структуру клітинних компонентів. Тривимірне зображення можна одержати після реконструкції сотень серійних зрізів. В даний час розроблені більш прямі методи одержання тривимірного зображення. Один з них складається у вивченні зразка під скануючим електронним мікроскопом. Для одержання зображення в просвітчастому електронному мікроскопі використовують електрони, які проходять через зразок, а в скануючому електронному мікроскопі використовуються електрони, які розсіюються або випромінюються поверхнею зразка. У даному випадку зразок повинен бути зафіксований, висушений і покритий тонкою плівкою важкого металу. Потім зразок сканується дуже вузьким пучком електронів. У такий спосіб відбувається формування єдиного, цільного і значно збільшеного зображення.
Метод скануючої електронної мікроскопії забезпечує значну глибину фокусування; більш того, оскільки масштаби розсіювання електронів визначаються кутом поверхні стосовно променя, на зображенні виникають світлі і темні ділянки, які чергуються та створюють враження тривимірності. Але цей метод застосовують тільки для вивчення поверхні і його дозвіл порівняно невеликий (близько 10 нм з ефективним збільшенням приблизно 20 тис. раз). Даний метод практично не застосовується для вивчення субклітинних органел і використовується винятково для вивчення цілих кліток і тканин.
Просвітлюючий електронний мікроскоп можна використовувати для вивчення поверхні зразка з дуже великим збільшенням, спостерігаючи окремі макромолекули. На висушений зразок напиляється тонка плівка важкого металу. Метал напиляється під певним кутом, так що відкладення напиленої плівки в деяких місцях товстіше, ніж в інших. Цей процес відомий як відтінення, при ньому виникає ефект тіні, який створює враження тривимірності зображення.
Приготовані в такий спосіб зразки можуть бути досить малі і тонкі, щоб електронний промінь проникав крізь них; наприклад, таким способом можна аналізувати індивідуальні молекули, віруси і стінки кліток. Що ж стосується більш товстих зразків, то тут після відтінення необхідно видалити органічний матеріал клітки, при цьому на поверхні зразка залишиться тільки тонкий металевий відбиток або репліка поверхні. Ця репліка потім підсилюється вуглецевою плівкою, після чого її можна помістити на сітку і вивчати в звичайному електронному мікроскопі.
У клітинній біології особливо успішно використовуються два методи, засновані на одержанні механічних реплік. Один з них - метод електронної мікроскопії «заморожування-сколювання» - дає можливість вивчати внутрішню будову клітинних мембран. Клітки заморожують при температурі рідкого азоту. Заморожений блок потім розколюють лезом ножа. Відкол часто проходить через гідрофобну середину подвійного шару ліпідів, оголюючи внутрішню поверхню клітинних мембран. Утворену поверхню відколу, яка утвориться відтіняють платиною, органічний матеріал видаляють і вивчають отримані репліки в електронному мікроскопі.
Метод «заморожування - травлення» використовується для вивчення зовнішньої поверхні кліток і мембран. У даному випадку клітки заморожують при дуже низькій температурі і замороженому блоці розколюють лезом ножа. Вміст льоду навколо кліток (і в меншому ступені усередині кліток) знижують сублімацією води у вакуумі при підвищенні температури (процес називають вакуумним сушінням). Ділянки клітини, піддані такому травленню, потім відтіняють для готування платинової репліки.
Страницы: 1, 2, 3, 4
