Будова, функції та методи дослідження мітохондрій

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.

Використовуючи для контрастування відтінення солями важких металів, можна спостерігати в електронний мікроскоп ізольовані макромолекули, наприклад, ДНК або великі білки, а після негативного контрастування можна розгледіти навіть дрібні деталі. При готуванні зразків для негативного контрастування досліджувані молекули наносять на тонку плівку вуглецю (практично прозору для електронів), потім її змочують концентрованим розчином солей важких металів, наприклад, уранілацетата. Після висушування зразка тонка плівка солей важких металів рівномірно покриває вуглецеву підкладку, за винятком ділянок, зайнятих адсорбованими макромолекулами. Речовина макромолекул більш проникна для електронів у порівнянні з ближніми ділянками, покритими солями важких металів; за рахунок цього виникає звернене або негативне зображення молекули.

В даний час можна спостерігати з високим дозволом навіть внутрішні деталі тривимірних структур, таких, як віруси. Для цього використовують метод кріоелектроної мікроскопії, де дуже тонкий (приблизно 100 нм), швидко заморожений шар вологого зразка поміщають на мікроскопічні ґрати. За допомогою спеціального пристосування гідратований зразок утримують при - 160сС у вакуумі мікроскопа. Таким способом можна спостерігати матеріал практично безпосередньо: без фіксації, фарбування і сушіння.

При біохімічному аналізі використовують такі методи дослідження, як гібридизація, імуноцитохімія з застосуванням моноклінних антитіл на електронно-мікроскопічному рівні. За допомогою біохімічних методів вивчали АТФ-синтетазні комплекси внутрішньої мембрани.

Хоча дослідження мітохондрій у живій клітині пов'язано з відомими труднощами через те, що вони мають низький показник переломлення, їх усе-таки можна легко спостерігати в культурах тканини in vitro, зокрема під фазово-контрастним мікроскопом або в темному полі звичайного мікроскопа.

При фазово-контрастному та інтерференційному мікроскопуванні проходження світла через живу клітку фаза світлової хвилі міняється відповідно до коефіцієнта рефракції клітки: світло, яке проходить через відносно тонкі або відносно товсті ділянки клітки, затримується, і його фаза відповідно зрушується стосовно фази світла, яке проходить через відносно тонкі ділянки цитоплазми. Як у фазово-контрастному, так і в інтерференційному мікроскопі використовуються ефекти інтерференції, які виникають при рекомбінації двох наборів хвиль, що і створюють зображення клітинних структур. Обидва типи світлової мікроскопії широко використовуються для спостереження живих клітин.

Найпростіший спосіб розглянути деталі клітинної структури - спостерігати світло, яке розсіюється різними компонентами клітини. У темнопольному мікроскопі промені від освітлювача направляються збоку і при цьому в лінзи мікроскопа попадають тільки розсіяні промені. Відповідно клітина виглядає як освітлений об'єкт на темному полі. Одним з основних переваг фазово-контрастної, інтерференційної і темнопольной мікроскопії є можливість спостерігати рух клітин у процесі мітозу і міграції.

Високий контраст, який досягається за допомогою комп'ютерної інтерференційної мікроскопії, дозволяє спостерігати навіть дуже дрібні об'єкти.

За допомогою мікроманіпулятора було встановлено, що мітохондрії являють собою відносно стабільні утворення, які можна, неушкоджуючи, переміщати мікроголкою усередині клітини. Їх питома вага вище питомої ваги цитоплазми. Під час ультрацентрифугування живих клітин при 200000-400 000 g мітохондрії накопичуються у відцентрового полюса в неушкодженому виді.

Зміна об'єму і форми in vivo. Прижиттєві спостереження становлять особливий інтерес тоді, коли вони доповнюються цейтраферною мікрокінозйомкою. У культурі фібробластів можна спостерігати безперервні і часом ритмічні зміни об'єму, форми і розподілу мітохондрій. У русі мітохондрій розрізняють два основних типи: коливальні рухи і переміщення з однієї частини клітини в іншу, причому під час інтерфази вони значно більш активні, чим протягом мітозу. Іноді ці органоїди прикріплюються до оболонки ядра найближче до ядерця. Нитковидні мітохондрії можуть розпадатися на гранули, які здатні знову об'єднуватися в нитки. У деяких випадках рух мітохондрій зовсім пасивний й обумовлюється плином цитоплазми.

Різкі зміни об'єму і форми мітохондрій можуть викликатися хімічними, осмотичними і механо-хімічними реакціями. У живих клітинах спостерігаються цикли скорочень з малою амплітудою, які пов'язані з процесом окисного фосфорилювання. Відомо, що ціаністі сполуки, динітрофенол і інші інгібітори окислювання викликають набрякання, а надлишок АТФ - скорочення мітохондрій. Ці явища відбуваються і при зміні осмотичного тиску середовища. Неорганічний фосфат, відновлений глутатіон, Са2+ і жирні кислоти викликають набрякання, а дія АТФ запобігає цьому. Явище скорочення обумовлюється наявністю в мітохондріях скорочувального білка, аналогічного актоміозину м'язів. Більшої амплітуди змін об'єму можна досягти шляхом одночасного застосування декількох факторів (найбільш ефективними є Са2+ і тироксин) . Можливо, що набряканням мітохондрій, яке приводять до роз'єднання процесів окислювання і фосфорилювання, пояснюється фізіологічна дія цього гормону при гіперфункції щитовидної залози. Інші гормони, у тому числі гормон росту, окситоцин, вазопресин, інсулін і деякі кортикостероїди, також викликають набрякання мітохондрій. Крім того, це явище спостерігається і при патологічних станах організму, обумовлених, наприклад, впливом канцерогенів і токсинів.

Фіксація і фарбування. Вітальне і суправітальне дослідження мітохондрій значно полегшується при фарбуванні їх слабкими розчинами януса зеленого, у якому вони набувають зеленувато-синього кольору. Таке фарбування пояснюється присутністю в мітохондріях цитохромоксидазної системи, яка підтримує барвник в окисленій (зафарбованій) формі. У навколишній цитоплазмі барвник відновлюється до безбарвної лейкоформи.

Уже давно відомо, що мітохондрії досить лабільні і легко ушкоджуються під дією фіксаторів. Тому всі методи фіксації мітохондрій засновані на стабілізації їх ліпопротеїдної структури шляхом тривалої дії окисних агентів (оксид осмію(IV), хромова кислота і біхромат калію). Як барвник застосовують залізний гематоксилін або кислий фуксин Серед цитохімічних методів фарбування мітохондрій, слід виділити такі, як реакція наді на цитохромоксидазу або застосування різних сполук тетразолію, які утворють за участю дегідрогеназ мітохондрій нерозчинні хромогени (формазан). Подібні цитохімічні дослідження проводилися і з використанням електронного мікроскопа, причому для виявлення сукцинатдегідрогенази застосовувався телурит калію, а для виявлення сукцинат- і НАД-Н2-дегідрогеназ - нітросиній тетразолій і тетранітро-синий тетразолій. Виявилося, що локалізація продуктів реакції в мітохондріях тісно зв'язана з локалізацією крист.

РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ МІТОХОНДРІЙ НА СУЧАСНОМУ ЕТАПІ

Таблиця 3.1

У 1999 році приділялась увага кількісним морфологічним характеристикам трьох типів мітохондрій у зрілих кардіоміоцитах крис. Встановлено існування двох режимів роботи мітохондріального апарату в залежності від локалізації та стану міофібрилярного апарату. Проведена оцінка кількісного відношення між типами органел на етапах онтогенезу. В цьому ж році був виділений коливальний характер рівня дихання культури та зміна ультраструктури мітохондрій. Відмічено два піка підйому інтенсивності дихання - на початковому етапі дії кліностатування і в кінці логарифмічної фази росту культури, які співпадають з періодами перерозподілу популяції. Підвищення інтенсивності дихання клітин та зміна ультраструктури направлені на стимуляцію метаболізму клітин в процесі адаптації до умов навколишнього середовища.

У 2001 році у частині казусних клітин гороху поряд з мітохондріями типової організації були виявлені гігантські органели. Їх оболонка як і у мітохондрій складається з двох біологічних мембран, з яких внутрішня утворює інвагінації. Специфічною особливістю структурної організації незвичайних мітохондрій є наявність включень у їх матриксі. Останні мають вигляд електронно щільного тяжу, що складається з фібрилоподібних утворень і простягається паралельно повздовжньої вісі органел.

У 2002 році в експерименті на 66 білих пацюках вивчена дія низькочастотної вібрації на популяцію мітохондрій нейронів сенсорної кори. Результати досліджень показали етапність реакції мітохондріальної популяції на дію низькочастотної вібрації; схожість структурних перебудов мітохондрій при дії вібрації та гіпоксії; перехід до одноманітності структурно-функціональних характеристик мітохондрій в популяції в динаміці низькочастотної дії.

Також проводились роботи щодо вивчення еволюції мітохондрій. Результати сіквенсу мітохондріальних геномів свідчать про монофілетичне походження мітохондрій від еубактеріального предка, який відноситься до підрозділу б-протеобактерій. Протягом останніх років були визначені повні послідовності великої кількості мітохондріальних та еубактеріальних геномів. Ці результати свідчать про те, що мітохондріальний геном еволюціонував від одного предка, загального для всіх існуючих на даний час еукаріотів, та що мітохондріальна та ядерна компоненти еукаріотичної клітини виникли одночасно.

В 2003 році на прикладі представника з родини Пасльонових Salpiglossis sinuata був запропонований новий підхід щодо створення пластомних трансформантів. В результаті експериментів були отримані морфологічно подібні з Salpiglossis sinuata рослини стійкі до стрептоміцину. Аналіз показав, що отримані рослини містять трансформований пластом Salpiglossis sinuata, а мітохондріальна ДНК отриманих рослин відрізняється від обох батьківських.

На основі проведеного аналізу можна сказати, що на сучасному етапі дослідження мітохондрій проводяться в багатьох вузьких, глибоко специфікованих напрямках, які стосуються впливу зовнішніх умов на будову і функції мітохондрій, особливостей роботи ферментного апарату, генетики і еволюції мітохондрій.

ВИСНОВКИ

1. Проведено огляд літературних джерел на основі яких з'ясовано особливості будови та функції мітохондрій, їхню роль в забезпечені клітин енергією.

2. Визначені особливості генетичної системи мітохондрій, її структура та особливості генетичного коду, визначено межі її автономності.

3. Розглянуто теорії походження мітохондрій та основні шляхи їх успадковування.

4. З'ясовані основні методи дослідження мітохондрій, і, як бачимо, вони представлені методами генетики, цитології, молекулярної біології і біохімії.

5. Проведено аналіз сучасних українських наукових досліджень, які проводились з мітохондріями.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. В 5-ти томах. М.: Мир, 1986 - 1987.

2. Заварзин А.А, Харазова А.Д., Молитвин М.Н. Биология клетки: Общая цитология: Учебное пособие для биол. спец. высших учебн.заведений. - Спб.:Из-во С. - Петербург. Ун-та, 1992. - 318 с.

3. Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. В 3-х т. М.: Мир, 1982. - 342 с.

4. Ленинджер А. Митохондрия. - М.: Мир, 1966. - 315 с.

5. Марченко А.І. Цитологія: Навчальний посібник для ден. Та заоч. Відділення природничо-географічного факультету / Ніжин, 2003. - 66 с.

6. Ченцов Ю.С. Общая цитология: [Учебное пособие для биолог. спец. вузов] - 2-е изд., М.: Из-во МГУ, 1984. - 350 с.

7. Э.де Робертис, В. Новинский, Ф. Саэс. Биология клетки. - М.: Мир, 1967. - 473 с.

Страницы: 1, 2