Часть V. Цитоплазма: системы энергообеспечения клеток

Для осуществления любых клеточных функций необходимы затраты энергии. Живые организмы получают её, или используя внешние источники, например за счет энергии Солнца, или же используя энергию переноса электронов при окислении различных субстратов. В обоих случаях клетками синтезируются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат), некая разменная “топливная” единица, обладающая высокоэнергетическими фосфатными связями, при разрушении которых выделяемая энергия может тратиться на любые клеточные функции: на активный транспорт веществ, на синтетические процессы, на механическую работу и т.д. (рис. 197). В клетках животных синтез АТФ осуществляется специальными органеллами, митохондриями, в растительных клетках кроме митохондрий в энергообеспечении огромную роль играют хлоропласты, один из видов пластид. Эти два органоида имеют общий сходный план строения, и выполняют сходные энергетические функции. Митохондрии и пластиды – двумембранные органоиды эукариотических клеток.

Общим в их строении является то, что они отделены от цитоплазмы (гиалоплазмы) двумя мембранами – внешней и внутренней. Поэтому у митохондрий и пластид различают две полости или пространства: одну между внешней и внутренней мембранами (межмебранные) и другую, основную (матрикс), ограниченную внутренней мембраной. Другой общей чертой в их строении является то, что внутренняя мембрана образует складки, мешки, гребни, глубокие впячивания, направленные внутрь матрикса. На таких мембранных гребнях и впячиваниях локализуются активные метаболические центры этих органелл – полиферментные комплексы, определяющие выполнение основных физиологических функций (окислительное фосфорилирование для митохондрий, фотофосфорилирование для хлоропластов). В матриксе и тех, и других располагаются элементы авторепродукции этих клеточных мембранных органелл и локализованы ферменты некоторых метаболических процессов. Система авторепродукции двумембранных органелл представлена ДНК, РНК и рибосомами, которые могут определять часть генетических, автономных свойств этих структур.

Главными функциональными нагрузками пластид и митохондрий являются процессы энергетического характера, приводящие к синтезу специфических молекул аденозинтрифосфата (АТФ), являющихся донорами энергии для любых клеточных процессов.

В митохондриях, хлоропластах, так же как в бактериях, АТФ синтезируется одним и тем же способом: с помощью энергии, отдаваемой электронами при продвижении их по электроннотранспортной цепи белков внутренний мембраны, происходит перенос, “перекачка” протонов с внутренней стороны мембраны на внешнюю. Вследствие этого возникает электрохимический протонный градиент, энергия которого с помощью других белков используется для синтеза АТФ.

В хлоропластах растений, кроме того, при использовании энергии АТФ, образованной в результате фосфорилирования, происходит важнейший биологический процесс – связывание СО₂ и синтез углеводов.

Глава 18. Митохондрии – строение и функции

Митохондрии как органеллы синтеза АТФ характерны, за малым исключением, для всех эукариотических клеток как аутотрофных (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофных (животные, грибы) организмов. Их основная функция связана с окислением органических соединений и использовании освобождающейся при распаде этих соединений энергии в синтезе молекул АТФ. Поэтому митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки.

Общая морфология

Митохондрии или хондриосомы (от греч. mitos– нить, chondrion- зернышко, soma- тельце) представляют собой гранулярные или нитевидные органеллы, присутствующие в цитоплазме простейших, растений и животных (рис. 198). Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом. Особенно хорошо митохондрии выявляются на препаратах, окрашенных различными способами после осмиевой фиксации, которая хорошо стабилизирует липиды. Наиболее широко распространен метод окраски по Альтману, который описал эти клеточные органеллы в конце позапрошлого века, называя их “биобластами”.

Размеры митохондрий очень непостоянны у разных видов, так же как изменчива их форма (рис. 199). Все же у большинства клеток толщина этих структур относительно постоянна (около 0,5 мкм), а длина колеблется, достигая у нитчатых форм до 7-60 мкм. Надо сказать, что изучение величины митохондрий – не простое дело. В световом микроскопе на окрашенных препаратах не всегда можно проследить за реальными размерами митохондрий (рис. 200, 201а). Изучая митохондрии в электронном микроскопе на ультратонких срезах, трудно решить вопрос об истинной длине митохондрий, так как на срез попадает только незначительный объем данной митохондрии. Более того, на срезе одна извитая митохондрия может быть представлена несколькими сечениями (3-5), и только пространственная трехмерная реконструкция, построенная на изучении серийных срезов, может решить вопрос, имеем ли мы дело с 3-6 отдельными митохондриями или же с одной изогнутой или разветвленной. Выделенные митохондрии обычно повреждаются и фрагментируются, что также ограничивает использование этого метода для решения вопроса о величине и числе митохондрий.

В последнее время вопрос о величине и числе митохондрий занимает многих исследователей в связи с тем, что на ряде объектов показано, что размеры и число митохондрий, которые видны на ультратонких срезах, не соответствуют реальности. Так, в клетках дрожжей на срезах выявляется 5-7 сечений митохондрий; можно высчитать, что это число соответствует нескольким десяткам митохондрий. Однако при использовании высоковольтной электронной микроскопии, позволяющей исследовать объекты толщиной до нескольких микрон, было обнаружено, что в клетках дрожжей есть всего лишь несколько (1-3) сильно разветвленных митохондрий (рис. 202). Есть данные, что число митохондрий и для других клеток нужно считать завышенным из-за сложности структуры разветвленных митохондрий. Более того, появились представления о том, что в одноклеточных организмах есть всего одна митохондрия, но сильно разветвленная. Так, у трипанозм в клетке присутствует одна гигантская митохондрия, имеющая сложную разветвленную форму.

Гигиантские одиночные митохондрии были описаны для одноклеточных зеленых водорослей (Polytomella, Engiena, Chlorella) (рис. 203). Длинные ветвящиеся митохондрии были описаны в клетках культуры ткани млекопитающих, в клетках многих растений как в нормальных, так и в анаэробных условиях. В последнее время стал широко применяться для изучения свойств митохондрий флуорохром родамин. Этот краситель обладает способностью люминисцировать в фиолетовом свете, если он связывается с мембранами активных митохондрий. При этом в люминисцентном микроскопе видна единая митохондриальнвя система – митохондриальный ретикулум (рис. 200, 201а).

Обычные же подсчеты показывают, что на печеночную клетку приходится около 200 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 (около 300000) и у гигантской амебы Chaos chaos (до 500000).

В клетках зеленых растений число митохондрий меньше, чем в клетках животных, так как часть их функций могут выполнять хлоропласты.

В спермиях часто присутствуют гигантские митохондрии, спирально закрученные вокруг осевой части жгутика. Отсутствуют митохондрии у кишечных энтамеб, живущих в условиях анаэробиоза, и у некоторых других паразитических простейших.

Локализация митохондрии в клетках может быть различной. Часто их расположение обусловлено топографией цитоплазматических структур и включений. Так, в дифференцированных клетках растений митохондрии большей частью расположены в периферических участках цитоплазмы, отодвинутых к плазматической мембране центральной вакуолью. В мало дифференцированных клетках меристемы растений митохондрии располагаются более или менее равномерно. В клетках эпителия почечных канальцев митохондрии ориентированы вдоль продольной оси клетки. Это связано с тем, что они располагаются между глубокими впячиваниями плазматической мембраны в базальной области клеток (рис. 204).

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ, образующейся в митохондриях. Так, в скелетных мышцах митохондрии находятся вблизи миофибрилл. В сперматозоидах митохондрии 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, митохондрии локализуются непосредственно под клеточной мембраной у основания ресничек, для работы которых необходим АТФ. В аксонах нервных клеток митохондрии располагаются около синапсов, где происходит процесс передачи нервного импульса. В секреторных клетках, которые синтезируют большие количества белков, митохондрии тесно связаны с зонами эргастоплазмы; вероятно, они поставляют АТФ для активации аминокислот и синтеза белка на рибосомах.