Тема 6. Мембранные структуры цитоплазмы. Митохондрии Общая морфология. Роль митохондрий в энергетическом обмене (окисление, фосфорилирование). Происхождение митохондрий. 1
Тема 6. Митохондрии и пластиды (общая характеристика) • Митохондрии (МТ) и пластиды (ПЛ) — двумембранные органоиды эукариотических клеток • МТ имеются во всех клетках животных и растений, ПЛ – только в клетках растений (фотосинтез) • МТ и ПЛ отделены от цитоплазмы (гиалоплазмы) двумя мембранами – внешней и внутренней, поэтому имеют две полости или пространства: межмембранное и матрикс (ограничен внутренней мембраной). • У МТ и ПЛ внутренняя мембрана образует складки, мешки, гребни, глубокие впячивания, направленные внутрь матрикса (на них локализуются полиферментиые комплексы, выполняющие в МТ – окислительное фосфорилирование и в ПЛ – фотофосфорилирование). • В матриксе МТ и ПЛ имеются элементы авторепродукции органелл и локализованы ферменты некоторых метаболических процессов. • Главные функции МТ и ПЛ – синтез специфических молекул аденозинтрифосфата (АТФ – источник энергии для клеточных процессов). • В ПЛ (хлоропластах) при использовании энергии АТФ (образованной в результате фотофосфорилирования) проходит важнейший биологический процесс – связывание СO 2 и синтез углеводов. Лекция 6(31) 2
Тема 6. Митохондрии – клеточная энергетика • Основная функция МТ – окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для синтеза молекул АТФ. МТ – «энергетические станции клеток» • МТ – гранулярные или нитевидные органоиды в цитоплазме простейших, растений и животных (рис. ). • МТ можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой оптической плотностью. В живых клетках МТ могут двигаться, сливаться друг с другом. • Особенно хорошо МТ выявляются на препаратах, окрашенных различными способами после осмиевой фиксации, которая хорошо стабилизирует липиды. Вид окрашенных митохондрий в световом микроскопе: а - клетка водоросли спирогиры, палочковидные и нитевидные митохондрии; б – диатомовая водоросль; в – гифы гриба; г – сперматофит нарцисса; д – плазмодий миксомицета; е – инфузория; ж – клетка медузы; з – клетки мальпигиевых трубочек паука; и – клетки эпителия кишечника насекомых; к – клетки эпителия глотки лягушки; л – клетки сосудистого сплетения селяхии; м – клетки почки мыши; н – клетки мозга мыши; о – клетки спинального ганглия человека (по Cowdry, 1924) Лекция 6(31) 3
Тема 6. Митохондрии Размеры митохондрий • Размеры МТ: у большинства клеток толщина относительно постоянна (около 0, 5 мкм), а длина варьирует (у нитчатых форм до 7 – 10 мкм). • Геометрия МТ изучается при помощи электронной микроскопии (истинные размеры МТ трудно определить: в срез попадает незначительный объем одной МТ; одна извитая МТ может попасть в несколько сечений. Только трехмерная реконструкция позволяет решать вопрос о количестве и размерах МТ • Выделенные МТ из клеток обычно повреждаются и фрагментируются, что ограничивает использование этого метода для измерения размеров МТ • При использовании высоковольтной электронной микроскопии, позволяющей исследовать объекты толщиной до нескольких микрон, было обнаружено, что в клетках дрожжей есть всего лишь несколько (2 – 3) сильно разветвленных МТ Лекция 6(31) 4
Тема 6. Митохондрии Общая конструкция митохондрий • Такая же картина обнаруживается в поперечнополосатых мышцах крыс (рис. ). На продольных срезах мышечного волокна видно, что множество мелких округлых митохондрий разбросано среди миофибрилл. • Если же исследовать поперечные срезы волокон в области z-дисков, то видно, что мышечные митохондрии представляют собой паукообразные структуры, отростки которых могут ветвиться. Тем самым общее число их значительно меньше, чем можно было это ожидать, изучая продольные срезы мышц. • Есть данные, что число митохондрий и для других клеток нужно считать завышенным из-за сложности структуры разветвленных митохондрий. • Имеется представления о том, что, может быть, в любой клетке есть всего одна митохондрия, но сильно разветвленная. Так, у трипанозом в клетке присутствует одна гигантская митохондрия, имеющая сложную разветвленную форму. а – продольный срез мышечного волокна диафрагмы крысы: м – митохондрии; ф – миофибриллы; я – ядро. б – поперечный срез. Видны гигантские ветвящиеся Мит между миофибриллами (Ченцов, 1978) Лекция 6(31) 5
Тема 6. Митохондрии Общая конструкция митохондрий (продолжение) Хондросфера, сборная Мит в сперматоците кузнечика (Ченцов, 1978) • Обычные же подсчеты показывают, что на печеночную клетку приходится около 1000 митохондрий. Это составляет более 20% от общего объема цитоплазмы и около 30— 35% от общего количества белка в клетке. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4— 5 раз больше поверхности ее плазматической мембраны. Больше всего митохондрий в ооцитах (300000) и у гигантской амёбы Chaos chaos (до 500 000). • В клетках зеленых растений число митохондрий меньше, чем в клетках животных, так как часть их функций могут выполнять хлоропласты. • В некоторых клетках митохондрии могут сливаться друг с другом, образуя одну гигантскую митохондрию (хондросфера), это наблюдается в клетках сперматогониев (рис. ). В спермиях часто присутствует одна гигантская митохондрия, спирально закрученная вокруг осевой части жгутика. • Отсутствуют митохондрии у кишечных энтамёб, живущих в условиях анаэробиоза, и у некоторых других паразитических простейших. Лекция 6(31) 6
Тема 6. Митохондрии Локализация митохондрий (Мит)в клетках • Локализация Мит в клетках может быть различной. Часто их расположение обусловлено топографией цитоплазматических структур и включений. Так, в дифференцированных клетках растений Мит большей частью расположены в периферических участках цитоплазмы, отодвинутых к плазматической мембране центральной вакуолью. • В мало дифференцированных клетках меристимы растений Мит располагаются в клетке более или менее равномерно. • В клетках эпителия почечных канальцев Мит ориентированы вдоль продольной оси клетки. Это связано с тем, что они располагаются между глубокими впячиваниями плазматической мембраны в базальной области клетки. • Обычно Мит скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ. Так, в скелетных мышцах Мит находятся вблизи миофибрилл. В сперматозоидах Мит образуют спиральный футляр вокруг оси жгутика; вероятно, это связано с необходимостью использования АТФ для движения хвоста сперматозоида. • Аналогичным образом у простейших и в других клетках, снабженных ресничками, Мит локализуются непосредственно под клеточной мембраной у основания ресничек, для работы которых необходим АТФ. • В аксонах нервных клеток Мит располагаются около синапсов, где происходит процесс передачи нервного импульса. В секреторных клетках, которые синтезируют большие количества белков, Мит тесно связаны с зонами эргастоплазмы; вероятно, они поставляют АТФ для активации аминокислот и синтеза белка на рибосомах. Лекция 6(31) 7
Тема 6. Митохондрии Ультраструктура митохондрий • Мит ограничены двумя мембранами (схема). Внешняя митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок. Ее толщина около 7 нм, она не бывает связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута , так что представляет собой мембранный мешок. Схема общей организации митохондрий: 1 – внешняя мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 – впячивания внутренней мембраны – кристы; 4 – места впячиваний, вид с поверхности внутренней мембраны • Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10— 20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое Мит, ее матрикс или митоплазму. • Характерной чертой внутренних мембран Мит является многочисленные впячивания внутрь Мит в виде плоских гребней или крист (Рис. 1, 2). Расстояние между мембранами в кристе составляет около 10— 20 нм. Лекция 6(31)8 Рис. 1. Мит. с попереч- ным расположением крист (печень крысы) (Ченцов, 1978) Рис. 2. Мит. в гепатоцитах крысы (Ченцов, 1978)
Тема 6. Митохондрии Ультраструктура митохондрий (продолжение) Варианты строения крист митохондрий: а – пластинчатые перегородки, собственно кристы (печень крысы); б – перфорированные кристы (летательная мышца мухи); в – трубчатые кристы; г – волнистые кристы (амеба) • На срезах связь мембраны крист с внутренней мембраной прослеживается очень отчетливо, но мест таких мембранных переходов не много. Это объясняется тем, что связь между мембранами осуществляется через узкую шейку или стебелек. • Ориентация крист по отношению к длинной оси Мит различна для разных клеток: перпендикулярная ориентация (клетки печени, почек); в некоторых клетках (сердечная мышца) – продольное расположение. • Часто кристы могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выраженной ориентации (рис. ). • У простейших, одноклеточных водорослей в некоторых клетках растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубок (трубчатые кристы). Внутренний диаметр таких трубок достигает 50 нм. • Митохондриальные кристы, отходящие от внутренней мембраны и простирающиеся в сторону матрикса, обычно не полностью перегораживают полость Мит, не нарушают непрерывности заполняющего ее матрикса. Лекция 6(31) 9
Тема 6. Митохондрии Матрикс митохрндрий • Матрикс Мит имеет тонкозернистое гомогенное строение, в нем иногда выявляются тонкие нити (около 2— 3 нм) и гранулы около 15— 20 нм. Нити матрикса – молекулы ДНК, а мелкие гранулы — митохондриальные рибосомы. • В матриксе встречаются крупные (20— 40 нм) плотные гранулы, это места отложения солей магния и кальция. • Низкая электронная плотность матрикса ни в коем случае не отражает низкую концентрацию в нем макромолекулярных веществ. Скорее всего это связано с вымыванием их при обработке клеток для изготовления ультратонких срезов. • При итзучении срезов замороженных и высушенных клеток можно видеть – межмембранные пространства и полость матрикса заполнены содержимым, плотность которого выше, чем плотность мембран. Это подтверждает биохимические данные о том, что в полости Мит большое количество белков и многих других органических соединений. Лекция 6(31) 10
Тема 6. Митохондрии Функции митохондрий • Основной функцией Мит является синтез АТФ (рис. ), происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. • В клетках процессы окисления и накопления энергии, освобождающейся в результате этого процесса, проходят в несколько взаимосвязанных этапов. При этом в качестве начальных субстратов используются различные углеводы, жирные кислоты, аминокислоты. Лекция 6(31) 11
Тема 6. Митохондрии Окисление углеводов • Начальные этапы окисления углеводов происходят в гиалоплазме и не требуют участия кислорода. Поэтому они называются анаэробным окислением или гликолизом • Главным субстратом окисления при анаэробном получении энергии служат гексозы, и в первую очередь глюкоза; некоторые бактерии обладают свойством извлекать энергию, окисляя пентозы, жирные кислоты или аминокислоты. • В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет около 680 ккал на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы); эта энергия освобождается при полном окислении глюкозы, согласно следующей реакции: С 6 Н 12 О 6 + 602 → 6 Н 20 + С 02 + 680 ккал • В живой клетке эта энергия не освобождается одновременно, как при горении в пламени. Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и не связано с переходом энергии химической связи в тепло, как при горении, а с переходом ее в макроэргическую связь в молекуле АТФ, которая синтезируется при использовании освобождающейся энергии из АДФ и фосфата. Лекция 6(31) 12
Тема 6. Митохондрии Гликолиз (Гли) Две стадии гликолиза (по Lehninger, 1972) • В процессе Гли, окисления углеводов и глюкозы, в первую очередь, происходит неполное окисление субстрата. • В результате Гли глюкоза распадается до триоз, при этом тратится 2 молекулы АТФ и синтезируется 4 молекулы АТФ. Так что в конечном результате клетка зарабатывает всего 2 молекулы АТФ. • В энергетическом отношении этот процесс малоэффективен, поэтому из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля глюкозы, освобождается менее 10% энергии. • Несмотря на низкий энергетический выход, анаэробное окисление, гликолиз широко используется в живой природе (микроорганизмы, некоторые кишечные паразитические простейшие, клетки высших организмов на ранних стадиях эмбрионального развития, многие опухолевые клетки, клетки культуры ткани и др. ) Лекция 6(31) 13
Тема 6. Митохондрии Гликолиз (Гли) (продолжение) • Эритроциты млекопитающих получают всю необходимую энергию за счет гликолиза, так как у них нет митохондрий. Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота, вовлекаются в дальнейшее окисление, происходящее уже в самих Мит. При этом происходит использование энергии расщепления всех химических связей, что приводит к выделению СО 2, к потреблению кислорода и синтезу большого количества АТФ. • Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот (Цикл Кребса) и с дыхательной цепью переноса электронов, где происходит фосфорилирование АДФ и синтез клеточного «топлива» , молекул АТФ. Лекция 6(31) 14
Тема 6. Митохондрии Цикл Кребса (рис. ) • В цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты) образовавшийся в результате гликолиза пируват сначала теряет молекулу СО 2 и, окисляясь до ацетата, соединяется с коферментом А. Затем ацетилкоэнзим А, соединяясь с оксалацетатом, образует лимонную кислоту. • Затем происходит цикл окисления лимонной кислоты до оксалацетата, снова связывание с ацетилкоэнзимом А и затем цикл повторяется. При этом окислении выделяются две молекулы СО 2, а электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов (НАД — никотинамидадениндинуклеотид), которые вовлекают их далее в цепь переноса электронов. • Следовательно, в цикле трикарбоновых кислот нет самого синтеза АТФ, а идет окисление молекул, перенос электронов на акцепторы и выделение СО 2. • Освободившиеся в процессе окисления в цикле Кребса электроны, акцептированные на коферментах, переносятся затем в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), где они соединяются с молекулярным кислородом, образуя молекулы воды. Лекция 6(31) 15
Тема 6. Митохондрии Образование АТФ • Дыхательная цепь представляет собой главную систему превращения энергии в митохондриях. В ее состав входит два флавопротеиндных фермента (сукцинатдегидрогеназа и НАД-дегидрогеназа) и четыре цитохрома, негеминовое железо, медь и кофермент Q. • В Мит происходит последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. • За счет этой энергии в трех точках этой цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. Т. о. окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + ФН→АТФ), т. е. происходит процесс окислительного фосфорилирования. • В результате многократной оборачиваемости субстратов в цикле Кребса происходит полное окисление поступивших продуктов первичного гликолитического окисления, и затем в цепи окислительного фосфорилирования происходит максимальное использование освободившейся при окислении энергии для синтеза АТФ. Лекция 6(31) 16
Тема 6. Митохондрии Локализация процессов окисления и фосфорилирования • Выделенные Мит способны окислять пируват до СО 2 и способны к синтезу АТФ. • Если фракцию Мит обработать ультразвуком, то после разрыва митохондриальных мембран компоненты матрикса освобождаются и переходят в среду выделения. Затем можно осадить мембраны Мит и изучать их функциональную активность. • Во фракции, свободной от мембран (матрикс), обнаруживаются ферменты цикла Кребса. Вывод: в матриксе локализованы ферменты этого цикла, не связанные с мембранами Мит, за исключением сукцинатдегидрогеназы. • Кроме того, в состав матрикса входят ферменты окисления жирных кислот; основной продукт окисления жирных кислот – ацетилкоэнзим А – тоже в матриксе поступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором он подвергается дальнейшему окислению до СО 2 и Н 2 О. • В матриксе Мит происходит также окисление некоторых аминокислот: эти продукты также поступают в цикл Кребса. Лекция 6(31) 17
Тема 6. Митохондрии Локализация процессов окисления и фосфорилирования (продолжение) Мит. в клетках печени. Метод негативного контраста в электронном микроскопе. М – мембраны; стрелки указывают на сферические субмитохондриальные частицы (Ченцов, 1978) • При интенсивной ультразвуковой обработке фракции мембран Мит, они разрушаются до мелких фрагментов, которые образуют небольшой величины пузырьки (субмитохондриальные частицы) способные к окислительному фосфорилированию (содержат систему переноса электронов, в них локализован фермент АТФсинтетаза, но нет ферментов цикла трикарбоновых кислот). • Эти пузырьки образуются из фрагментов внутренней мембраны (причем та поверхность их мембран, которая в интактных Мит была обращена в сторону матрикса, в таких частицах обращена во внешнюю среду). • При изучении субмитохондриальных частиц методом негативного контраста в электронном микроскопе показано, что вся внешняя поверхность этих пузырьков сплошь покрыта мелкими сферическими частицами, имеющими как бы головку (диаметром 8— 9 нм) и ножку ( «грибовидные тельца» ), расположенных на расстоянии 10 нм друг от друга (рис. ) Лекция 6(31) 18
Тема 6. Митохондрии Локализация процессов окисления и фосфорилирования (продолжение) Схема разборки и сборки субмитохондриальных частиц: 1 – исходная митохондрия; 2 – субмитохон-дриальные частицы, обладающие (+) способностью к окислительному фосфорилированию (ОФ), к переносу электронов (ТЭ), АТФазной активностью, ингибируемой олигомицином; 3 – свободные сферические частицы, сохранившие только АТФазную активность, но не чувствительные к антибиотику олигомицину; 4 – мембранные пузырьки, сохранившие только систему переноса электронов; 5 – восстановленные частицы с полным набором исходных свойств • Если такие сферические частицы отделить от мембран и получить две раздельные фракции, то во фракции сферических частиц наблюдается только АТФазная активность (способность расщеплять АТФ) (рис. ) • Фракция мембран, лишенных субмитохондриальных частиц, способна катализировать окисление янтарной кислоты, но не способна фосфорилировать АДФ. • Если фракцию сферических частиц смешать при определенных условиях с фракцией мембран, то реконструируется исходная структура – субмитохондриальные пузырьки, содержащие сферические частицы, прикрепленные к мембранам. • При добавлении к таким реконструированным пузырькам растворимых субфракций, можно восстановить способность к сопряженному фосфорилированию (синтезу АТФ) и к окислению НАД∙Н – т. е. структурная реконструкция сопровождается функциональной реконструкцией. • Вывод: элементы цепи переноса электронов локализованы собственно во внутренней мембране Мит, а сферические частицы представляют собой АТФазу (или АТФ-синтетазу), участвующую в сопряжении окисления и фосфорилирования. Лекция 6(31) 19
Тема 6. Митохондрии Локализация процессов окисления и фосфорилирования (продолжение) Мит эукаритических клеток • На внутренней мембране Мит на фиксированных препаратах не видно сферических частиц, они выявляются только в гипотонических условиях обработки мембран. По всей вероятности, в нативных мембранах эти белковые сферические частицы погружены в толщу липопротеидной мембраны. • Фракция внешних мембран Мит не содержи сферических частиц и не обладают способностью осуществлять окислительное фосфорилирование, по своему белковолипидному составу напоминают мембраны эндоплазматического ретикулума и содержат некоторые ферменты внемитохондриального НАД-Н окисления, обнаруженные в микросомах. Прокаритоические клетки • У прокариотических клеток, способных к окислительному фосфорилированию, элементы цикла трикарбоновых кислот локализованы прямо в цитоплазме, а ферменты дыхательной цепи и фосфорилирования связаны с плазматической мембраной. Лекция 6(31) 20
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий • Так же, как и другие органеллы цитоплазмы, Мит могут увеличиваться в числе, что особенно заметно при делении клеток или при увеличении функциональной нагрузки клетки. Поэтому закономерно возникает вопрос, каким образом происходит это увеличение числа Мит, за счет каких процессов и каких структур образуются новые Мит? • Существует три гипотезы о происхождении Мит: 1) Мит в клетках могут образовываться заново (de novo) из ультрамикроскопических предшественников, имеющихся в гиалоплазме; 2) Мит образуются из других мембранных структур клетки; 3) Увеличение числа Мит происходит путем деления предсуществующих Мит. Лекция 6(31) 21
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) • Первая гипотеза – «сборка» Мит из отдельных элементов, разбросанных в цитоплазме. В принципе возможна самосборка функционирующих мембранных ансамблей (например, реконструкция работающих субмитохондриальных пузырьков). Однако биохимические данные противоречат этому: большинство ферментов, специфичных для Мит (например, цитохромы, флавопротеиды и специфические дегидрогеназы), не обнаружены в растворимой цитоплазме. Четких морфологических подтверждений образования Мит de novo также не существует. • Вторая гипотеза основана на наблюдениях о морфологических связях внешней мембраны Мит с эндоплазматическим ретикулумом, с мембранами аппарата Гольджи, с ядерной оболочкой и с плазматической мембраной. Однако эта гипотеза образования Мит в настоящее время она не находит биохимических и морфологических подтверждений. Лекция 6(31) 22
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) Возможные пути деления митохондрий при образовании перегородок (А) или перетяжки (Б) (по Muhlethaler, 1959) Схема процесса деления митохондрий почкованием (по Фрей-Висслингу и Мюлеталеру, 1968) • Третья гипотеза подтверждается многими экспериментальными данными. Предположение о том, что Мит образуются путем роста и деления предшествующих Мит было впервые высказано Альтманом (1893), описавшим Мит под термином «биобласты» . • С помощью цейтраферной киносъемки удалось наблюдать прижизненно деление, фрагментацию длинных Мит на более короткие. Особенно отчетливо виден этот процесс при делении клеток некоторых одноклеточных водорослей, у которых деление Мит скоординировано с клеточным делением. • Есть данные (электронная микроскопия), что во многих клетках деление Мит происходит путем образования перетяжки (рис. ), например в клетках печени (без наблюдений динамики этого процесса эти данные мало убедительны). Лекция 6(31) 23
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) • Биохимические доказательства деления Мит: радиоактивный холин, добавленный к клеткам мутантной линии гриба Neurospora (не способны синтезировать холин) включается в липиды клеточных мембран, в том числе в мембраны Мит. • После короткого, импульсного, включения холина, клетки переносились в нерадиоактивную среду, где рост и деление продолжались. Если бы в разделившихся клетках обнаруживались как меченые, так и немеченые Мит и при этом уменьшалась доля меченых при постоянном количестве метки на каждую Мит, то это показывало бы, что идет образование Мит de novo. • Однако этого не наблюдалось: Мит дочерних клеток все содержали радиоактивный холин, но среднее число зерен серебра на Мит (при использовании метода авторадиографии) снижается по мере роста культуры, что согласуется с предположением о делении Мит. Лекция 6(31) 24
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) Мит в дрожжевых клетках (ДК) • В аэробных условиях ДК имеют типичные Мит с четко выраженными кристами. При переносе клеток в анаэробные условия (например, при их пересеве или при помещении в атмосферу азота) типичные Мит в цитоплазме не обнаруживаются, и вместо них видны мелкие мембранные пузырьки. • В анаэробных условиях ДК не содержат полную дыхательную цепь (отсутствуют цитохромы b и а). При аэрации культуры наблюдается быстрая индукция биосинтеза дыхательных ферментов, резкое повышение потребления кислорода, а в цитоплазме появляются нормальные Мит. • Гипотеза: в ДК в анаэробных условиях в цитоплазме существуют промитохондриальные (про. Мит) структуры с редуцированной системой окисления. Такие про. Мит при переносе клеток в условиях аэробной среды начиняют перестраиваться, происходит включение в их мембраны элементов полной цепи окисления и фосфорилирования, что сопровождается изменением их морфологии. Так из примитивных, неактивных про. Мит путем их достройки и роста образуются обычные функционирующие Мит. Лекция 6(31) 25
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) • Вероятно, что при делении Мит происходит увеличение массы митохондриальных мембран со всеми специфическими компонентами за счет синтеза и включение в них отдельных белков – ферментов и липидов, нарастание массы белков матрикса, а затем происходит деление как бы удвоившейся или многократно увеличившейся структуры. • Эти представления получают поддержку со стороны фактов, касающихся организации и состава митохондриального матрикса или митоплазмы, в которой обнаружены ДНК, разные типы РНК и рибосомы. Лекция 6(31) 26
Тема 6. Митохондрии Относительная автономия Мит • Мит обладают полной системой синтеза белков: в них есть своя специфическая ДНК, на которой синтезируются специфические митохондриальные РНК, есть свои рибосомы, в них происходит синтез белка. • Специфичность этой системы и ее автономность заключаются в том, что она резко отличается от такой системы самой клетки. • Общее количество ДНК Мит невелико, у L-фибробластов (линия саркомных клеток) на 250 Мит приходится ДНК всего 0, 1— 0, 2% от ДНК клеточного ядра. • Митохондриальные ДНК представляют собой небольшие (мол. вес около 1 107) циклические молекулы (длиной около 7 мкм), не связанные с белком. В этом отношении они очень похожи на молекулы ДНК бактерий (хотя ДНК у кишечной палочки имеет мол. вес около 3 109) и резко отличны от ядерной ДНК. • Отличаются митохондриальные ДНК от ядерных по нуклеотидному составу (чаще это ДНК, обогащенные Г и Ц) и по последовательности нуклеотидов; они не гибридизируются полно с ДНК ядра. Синтез митохондриальных ДНК независим от синтеза ДНК. ядра: он осуществляется внутри Мит на своих ферментах и часто не совпадает во времени с синтезом ядерной ДНК. Лекция 6(31) 27
Тема 6. Митохондрии РНК в митохондриях • В матриксе Мит происходят процессы синтеза РНК на матрицах их ДНК. В Мит обнаружены все типы РНК: информационная, транспортная и рибосомная. • р. РНК и рибосомы Мит резко отличны от таковых в цитоплазме. Если в цитоплазме обнаруживаются 80 S рибосомы, то рибосомы Мит растительных клеток принадлежат к 70 S рибосомам (состоят из 30 S и 50 S субъединиц, содержат 16 S и 23 S РНК, характерные для прокариотических клеток), а в Мит клеток животных обнаружены более мелкие рибосомы (около 50 S). • р. РНК и т. РНК Мит синтезируются на митохондриальных ДНК. В митоплазме на рибосомах идет синтез белков. Он прекращается в отличие от синтеза на цитоплазматических рибосомах при действии антибиотика хлорамфеникола, подавляющего синтез белка у бактерий. Лекция 6(31) 28
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) • Гипотеза: эндосимбиотическое происхождение Мит – они представляют организмы, типа бактерий, находящиеся в симбиозе с эукариотической клеткой. • Эта идея была высказана еще Альтманом в его теории «биобластов» . Предполагается, что в ходе эволюции произошло внедрение в клетку-хозяина, живущую за счет анаэробных процессов гликолиза в цитоплазматическом матриксе, прокариотического симбионта, обладавшего ферментами цикла Кребса и ферментами окислительного фосфорилирования. • В дальнейшем Мит потеряли часть генетического материала, они превратились в структуры с ограниченной автономией. В пользу этих представлений говорит ряд фактов. Расчеты указывают, что малые размеры молекул ДНК митохондрий не могут определить (кодировать) синтез всех митохондриальных белков; митохондриальная ДНК кодирует лишь часть общей структуры митохондрий. Так, ДНК с молекулярным весом 10 – 11∙ 106 может кодировать белки с суммарным молекулярным весом около 6 ∙ 105. В это же время суммарный молекулярный вес белков частицы полного дыхательного ансамбля Мит достигает величины около 2 ∙ 106. • Если учесть, что кроме белков окислительного фосфорилирования в Мит входят ферменты цикла Кребса, ферменты синтеза РНК и ДНК, ферменты активации аминокислот и другие белки, то видно, что для того чтобы кодировать эти многочисленные белки и р. РНК и т. РНК, количества генетической информации в короткой молекуле митохондриальной ДНК явно не хватает. Лекция 6(31) 29
Тема 6. Митохондрии Происхождение митохондрий (продолжение) • Показано, что большая часть белков Мит находится под генетическим контролем со стороны клеточного ядра и синтезируется вне Мит. • Большинство растворимых белков Мит, и в частности цитохром С, образуются в гиалоплазме. Представляется наиболее вероятным, что митохондриальная ДНК кодирует лишь немногие митохондриальные белки, которые локализованы в мембранах и представляют структурные белки, ответственные за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных компонентов. Лекция 6(31) 30
Тема 6. Митохондрии Дополнительная литература 1. Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 2. Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978, стр. 135 -155 3. Васильев А. Е. , Воронин Н. С. , Еленевский А. Г. , Серебрякова Т. И. , Шорина И. И. Ботаника. Морфорлогия и анатомия растений, М. , Просвещение, 1988, стр. 78 -93 4. Раздорский В. Ф. Анатомия растений, Советская наука, М. , 1949 5. Эсау К. Анатомия растений, пер. с англ. , Мир, М. , 1969, гл. 3 6. Plant Protoplasts, Ed. K. L. Giles, International Review of Cytology, Suupl. 16, Academic Press, London, 1983, p. 2, 58, 59, 212(1), 212(2), 91 31
Скачать презентацию Тема 6 Мембранные структуры цитоплазмы Митохондрии Общая морфология
Митохондрии.ppt