V. Митохондрии

Митохондрии представляют собой исключительно важный метаболический аппарат клетки. Они организуют ее энергетические процессы, особенно в окислительно-ферментативной деятельности. В митохондриях обнаружено большое количество ферментов и коферментов. Основной функцией митохондрий любого органа является обеспечение трансформации энергии химических связей различных органических веществ в утилизируемую форму энергии макроэргических связей АТФ или иных соединений в клетке (Грин, 1962; Lehninger, 1962, 1964; Green et al., 1963).

Митохондрии состоят главным образом из липопротеидов, а также содержат РНК, нуклеотиды, низкомолекулярные органические компоненты, неорганические электролиты. Электронно-микроскопические исследования Палада и Шостранда (Palade, 1956b; Sjostrand, 1963), Грина (Green, 1964), Новикова (Novikoff. 1959, 1961; Новиков, 1962), а также Доусон и Уайборна (Dawson, Wyburn, 1955), Хартмана (Hartmann, 1953), Шульца с сотр. (Schultz et al., 1957), В. Ф. Машанского (1962, 1964) в последние годы расширили и позволили выяснить субмикроскопическое строение митохондрий вплоть до макромолекулярных размеров. Они обычно рассеяны по всему перикариону нейрона, а также в аксоне и особенно в дендритах. В нейронах, как и в других клетках, митохондрии резко отграничены двойной мембраной, с общей толщиной 120-220 Å. Каждая из мембран толщиной 60-80 Å состоит из двух плотных слоев, отделенных промежутками меньшей плотности (Sjostrand, 1956, 1958; Low, 1956; De Robertis et al., 1961).

От внутреннего слоя ограничивающей оболочки в полость митохондрий выступают слоистые складки (гребни - кристы). Последние располагаются довольно разнообразно, однако чаще поперечно к длинной оси и реже продольно. Они отделены друг от друга промежутками в 100 Å. Эта внутренняя мембрана толщиной также 60 Å делит митохондрию на 2 камеры: наружную, расположенную между обеими мембранами, и вторую - внутреннюю, ограниченную внутренней мембраной. Внутренняя камера заполнена относительно плотным матриксом митохондрии. Последний обычно однороден, однако иногда он состоит из тонких нитей или небольших гранул с высокой плотностью. Кристы бывают простыми и разветвленными, а иногда сложно переплетенными. Они обычно имеют трубчатые пальцеподобные выступы к центру от внутренней мембраны. По мнению Шостранда, они не связаны с ограничивающей оболочкой.

Иногда внутренние митохондриальные мембраны построены в виде многочисленных тонких трубочек, отходящих от внутреннего слоя ограничивающей мембраны. Аналогичное строение внутренних мембран в виде микротрубочек иногда наблюдается в аксонах периферического нерва (Geren a. Schmitt, 1955; Palade, 1956). Количество внутренних мембранных элементов митохондрий в значительной мере зависит от интенсивности их дыхательной функции. Так, количество крист особенно возрастает в митохондриях мышечной ткани животных, подвергавшихся длительной тренировке (Афар и др., 1964). Это обстоятельство приобретает исключительное значение в жизнедеятельности клетки при различных функциональных состояниях, особенно если учесть, что основным элементом локализации ферментов, участвующих в переносе электронов и окислительном фосфорилировании, являются мембраны митохондрий (Ball a. Joel, 1962; Lehninger, 1962).

Робертсон (Robertson, 1959) дополнил новыми наблюдениями данные по структуре митохондрий о пятислойности их внутренних и наружных мембран. Регуляторная функция митохондрий в нейроне осуществляется благодаря динамическим изменениям проницаемости их мембран, ведущим к усилению или уменьшению переноса через них различных веществ (Нейфах, 1965; Lehninger, 1964).

При исследовании методом негативного окрашивания (Stoeckenius a. Zeiger, 1958; Stoeckenius, 1959, 1963; Fernandez-Moran, 1962; Parsons, 1963) получены весьма важные новейшие Данные о структурных особенностях митохондрий. Обнаружено, что на поверхности их мембран периодически располагаются грибовидные выросты, имеющие ножку толщиной 30-35 Å, длиной 45-50 Å и сферическое тельце диаметром 75-80 Å на свободном конце. Расстояния между выростами составляют от 80 до 100 Å. Наружные мембраны митохондрий не содержат этих грибовидных выростов. На них располагаются цилиндрические образования длиной и диаметром 60 Å, лежащие на расстоянии 80 Å друг от друга. Оказалось, что изолированные и очищенные сферические тельца грибовидных выростов мембран митохондрий имеют молекулярный вес, который соответствует весу, вычисленному для элементарной единицы митохондриальной активности Грина (Green a. Fleischner, 1963). Каждое сферическое тельце содержит полный набор ферментов для окисления сукцината.

По литературным данным, размеры митохондрий составляют от 0.2 до 1 мк в диаметре и до 7 мк в длину у цилиндрических форм. Длина нитевидных митохондрий у некоторых животных в аксонах периферических нервных волокон может быть значительно больше, до 15-20 мк.

Количество митохондрий варьирует в различных тканях и клетках. Имеются данные, что оно находится в соответствии с функцией (Paul a. Sperling, 1952; Винников, Титова, 1961). В регенерирующих тканях по мере нарастания процессов дифференциации клеток число митохондрий возрастает (Allard et al., 1952; Roizin et al., 1956, 1958).

Количество и распределение митохондрий в нейронах различных отделов ц. н. с. неодинаково. В большинстве они концентрируются в наиболее активных участках клетки. В палочках и колбочках световоспринимающих элементов сетчатой оболочки глаза митохондрии собраны почти полностью во внутреннем членике клетки. Наибольшее их количество наблюдается в мотонейронах спинного мозга и клетках спинального ганглия, где в промежутках между веществом Ниссля они густо заполняют почти всю цитоплазму. Представляется, что в ц. н. с. одновременно протекают различные функциональные процессы; естественно, строение митохондрий отражает особенности жизнедеятельности нейронов в различных отделах.

По материалам, полученным в нашей лаборатории как на ультратонких срезах, так и при дифференциальном центрифугировании, митохондрии головного мозга крысы весьма варьируют по своим размерам. По плотности они, хотя в меньшей мере, тоже не являются однородными. Преобладающее их число имеет светлый электроннооптический матрикс. Самые мелкие (с поперечником d = 120 Å) встречаются редко; митохондрии средних размеров (d = 2200 Å) составляют основную массу; более крупные, с d = 3600 ÷ 4900 Å, занимают среднее положение между двумя первыми группами (рис. 17, а). Плотным матриксом снабжено лишь небольшое количество митохондрий; они бывают различными по величине. Все группы имеют отчетливо выраженную внутреннюю организацию, двуконтурное строение крист и оболочки митохондрий. Последние в ц. н. с. имеют форму круглую, вытянуто-овальную и редко нитевидную. Длина митохондрий в головном мозге достигает 710-970 ммк. В нормальном состоянии, помимо наиболее часто встречающегося локального и обратимого набухания митохондрий, иногда этот процесс распространяется на всю ее структуру, вследствие чего происходит раздвигание внутренних мембран. При патологических состояниях набухание может быть значительным и приводить к разрыву и разрушению внутренней структуры митохондрий.

Рис. 17 а, б. Ультратонкие срезы митохондрий головного мозга крысы (фракции а, б) и суслика (ткань) (в). а - норма; б - через сутки после облучения в дозе 700 р; в - длительный физиологический сон (спячка). Заливка в метакрилат и вестопал. а, б - увел. 55000; в - увел. 39000

Рис. 17. Ультратонкие срезы митохондрий головного мозга крысы (фракции а, б) и суслика (ткань) (в). а - норма; б - через сутки после облучения в дозе 700 р; в - длительный физиологический сон (спячка). Заливка в метакрилат и вестопал. а, б - увел. 55000; в - увел. 39000

По данным нашей лаборатории, подобные картины в митохондриях невронов головного мозга наблюдаются через 24 часа после общего рентгеновского облучения в дозе 700 р (рис. 17, б). Представляет интерес, что различные по механизму действия агенты (облучение, кислородное голодание, гипотермия) вызывают однотипные неспецифические изменения в митохондриях (Манина, Кучеренко, 1965). Наиболее резистентным к самым различным повреждающим воздействиям оказался наружный слой ограничивающей мембраны митохондрий. Даже после облучения животных летальными дозами, при которых происходят необратимые изменения митохондрий почти с полным разрушением и исчезновением всех их внутренних структур, ограничивающие мембраны выглядят морфологически непрерывными.

Митохондрии весьма чувствительны к различным функциональным состояниям организма (Novikoff, 1962; Грин, 1962; Машанский, 1962, 1964). Однако структурные особенности митохондрий в ц. н. с. при различных ее физиологических состояниях, а также и воздействиях еще мало изучены. В нашей лаборатории получены новые факты, показывающие, что у сусликов, спящих в течение нескольких месяцев, отмечаются резкие изменения митохондрий, вплоть до исчезновения их внутренних мембран, особенно в нервных волокнах (рис. 17, в). Регенерация крист происходит при бодрствовании. По-видимому, во время физиологического сна, который сопровождается длительным торможением, в ц. н. с. резко снижаются энергетические процессы, а также метаболизм и ресинтез, за которые ответственны митохондрии. Однако есть все основания надеяться, что совместные комплексные цитофункциональные и биохимические исследования митохондрий нервной клетки позволят выяснить многие нерешенные вопросы.