МИТОХОНДРИИ ДРОЖЖЕЙ: ТОНКАЯ СТРУКТУРА
Исследование ультратонких срезов митохондрий различных дрожжевых организмов [см. Бирюзова ea 1973 , Lloyd ea 1974 , Stevens ea 1977 , Stevens ea 1981 ] позволяет отметить принципиальное сходство их тонкой структуры с таковой высших организмов ( рис. 1 ). Снаружи дрожжевые митохондрии отграничены от цитоплазмы наружной двуслойной мембраной , оба слоя которой либо непосредственно соприкасаются друг с другом, либо разделены осмиофобным пространством. Изнутри наружную мембрану выстилает внутренняя мембрана . Она образует выступы - тубулы и или настоящие кристы, чаще всего пузырчато-трубчатого строения, достигающие 150-200 А в толщину и состоящие из двух осмиофильных слоев, разделенных пространством в 50-100 А. Кристы могут идти неравномерно во всех направлениях и не обязательно параллельно длинной оси митохондрий, как это сообщалось первыми исследователями. Внутреннее пространство между кристами заполнено матриксом, который, как правило, менее плотен, чем окружающая органоид цитоплазма. Новая информация о некоторых деталях строения митохондриальной структуры была получена при использовании недавно развитой техники негативного контрастирования и скалывания замороженных образцов (freeze- etching), обеспечивающих высокое разрешение и стабильность препаратов. Метод негативного контрастировапия позволяет воссоздать трехмерную пространственную структуру дрожжевых митохондрий. На микрофотографии ( рис. 2 ) отчетливо видна ограничивающая внешняя мембрана и находящиеся под ней складки внутренней мембраны, расходящиеся под разными углами. Кроме того, с помощью метода негативного контрастирования фосфорно- вольфрамовой кислотой была обнаружена новая субструктура дрожжевых митохондрий - регулярно расположенные мелкие грибовидные образования, покрывающие всю свободную поверхность внутренней мембраны и крист, обращенную в матрикс митохондрий (см. рис. 3 ). Детальное рассмотрение ультраструктуры частиц показывает, что каждая состоит из головки сферической формы с d=70-80 А, стебля длиной 45-50 А и шириной 20-40 А и базальной части, представляющей собой сегмент внутренней мембраны митохондрий. Аналогичные структуры найдены в митохондриях из других источников и, по- видимому, характерны для всех мембран, катализирующих окислительное фосфорилирование. Особенно плодотворным для изучения ультратонкой структуры дрожжевых митохондрий оказался метод фиксации клеток замораживанием [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ]. Модификации этого метода, основанные на сверхбыстром замораживании клеток с последующим нанесением реплик на обнаженные поверхности [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ], позволили выявить детали, не распознаваемые с помощью обычных методов фиксации. Так, с помощью этого метода показано, что митохондриальные мембраны содержат глобулярные частицы, упаковка которых носит уникальный характер. Слой внешней мембраны, прилегающий к цитоплазме, имеет характерную шероховатую поверхность и содержит перфорации ("поры") нерегулярного устройства, что предполагает возможность контакта между цитоплазмой и перимитохондриальным пространством. При протравливании препаратов парами платины на этой поверхности обнаруживаются многочисленные более мелкие, чем перфорации, частицы [см. Котельникова ea 1973 ]. Поверхности внешней и внутренней мембраны, разделенные незначительным пространством или примыкающие друг к другу, относительно гладкие и содержат лишь рыхло упакованные частицы. На поверхности внутренней мембраны, обращенной к матриксу, четко выявляются глобулярные, относительно плотно упакованные частицы, сопоставимые по своим размерам с теми, что видны при негативном контрастировании. Новые структурные элементы обнаружены и в матриксе. Они имеют форму непрерывной фиброзной сети с нерегулярными плотно упакованными гранулами и областями с концентрацией полос или борозд, представляющих собой, вероятно, также плотно упакованные частицы [см. Фихше ea 1973 , Фихше ea 1973 ].
Результаты структурного анализа хорошо коррелируют с биохимическими доказательствами локализации в матриксе высокополимерной ДНК и сложно организованных полиферментных комплексов и с данными о различном составе и функциональной нагрузке внешней и внутренней митохондриальных мембран (см. разд. 1.3 ). Как правило, митохондрии дрожжей содержат меньше крист и имеют тенденцию к нерегулярности в очертаниях, устройстве, форме и упаковке их, т. е. характеризуются менее упорядоченной и жесткой структурой, чем более сложные митохондрии высших организмов. Внутренняя митохондриальная мембрана варьирует от настоящих крист до тубулей и обнаруживает удивительную вариабельность в структурных деталях в зависимости от специфики обмена, условий культивирования и фазы роста дрожжевых клеток. Дрожжи с ярко выраженным аэробным типом обмена - облигатные аэробы и слабо бродящие факультативные анаэробы - отличаются развитым мембранным аппаратом и содержат большое число сложно структурированных митохондрий с многочисленными кристами. У бродящих видов дрожжей мембранный аппарат выражен слабо, имеются лишь немногочисленные крупные митохондрии с неправильно ориентированными кристами; у дрожжей низового брожения кристы рудиментируются. Однако следует подчеркнуть, что тонкая структура митохондрий не остается постоянной даже у одного и того же организма (особенно у факультативных анаэробов), а меняется в зависимости от физиологического состояния, фазы роста и условий культивирования. Поэтому перечисленные выше характерные морфологические особенности относятся лишь к вполне "сформировавшимся" митохондриям в клетках, собранных в поздней экспоненциальной или стационарной фазах роста. Те же клетки в экспоненциальной фазе роста или при выращивании на среде с высокой концентрацией глюкозы обладают немногочисленными митохондриями со сравнительно простой внутренней организацией. Нередко полиморфизм митохондрий можно наблюдать даже в пределах одной клетки. Еще большая вариабельность отмечена для формы и размеров митохондрий. И это неудивительно, так как функционирование митохондриального аппарата, как известно еще из прижизненного наблюдения с использованием цейтраферной съемки, происходит в условиях его непрерывной подвижности, сопровождающейся изменением размеров и форы. В процессе движения митохондрии могут собираться в крупные агрегаты или, наоборот, распадаться на более мелкие образования. Характерная ориентация и направленное движение митохондрий, иногда сопровождающиеся агрегацией в специфические формы, происходит при делении и почковании дрожжевых клеток.
Деление дрожжевых митохондрий начинается примерно к 1/5 клеточного цикла после начала ядерного деления и заканчивается за 1/5 до конца цикла [см. Котельникова ea 1973 ]. Такая регулярная периодичность предполагает существование тесной корреляции между ядерным и митохондриальным делениями. До недавнего времени полагали, что движение митохондрий, а также изменение конформации в зависимости от энергетического состояния пассивно регулируется содержанием ионов и воды в матриксе [ Ernster ea 1981 ].
Однако обнаружение актина в митохондриях [ Ethoh ea 1990 ] и подавление антагонистами кальмодулина , зависимого от дыхания набухания митохондрий, дает основание полагать, что некоторые функции подвижности митохондрий могут контролироваться эндогенными (собственными) Са2+ зависимыми системами.
Принято считать, что в дрожжах и дрожжеподобных организмах, собранных в стационарную фазу роста, если возможность глюкозной репрессии минимальна, число митохондрий на одну клетку постоянно и зависит от систематической принадлежности организма. Однако использование серийных ультратонких срезов с последующей реконструкцией хондриома (совокупности всех митохондриальных структур [ Suzuki ea 1976 ]) показало, что в ряде случаев многочисленные отдельные митохондриальные профили, выявляемые на одиночных срезах, представляли собой поперечные сечения одной (или нескольких) ветвящейся трубчатой гигантской митохондрии. Так, в дрожжах Saccharomyces cerevisiae была обнаружена гигантская митохондрия длиной 50-60 мкм и диаметром 0,2-0,6 мкм [ Hoffman ea 1973 ]. Гигантские митохондрии найдены и в Schizosaccharomyces pombe [ Davison ea 1975 , Davison ea 1977 ], Candida utilis [ Davison ea 1975 , Davison ea 1977 , Keyhani ea 1980 ] и других видах дрожжей и дрожжеподобных организмов [см. Keddie ea 1969 ] и, следовательно, число митохондрий на одну клетку, по-видимому, меньше, чем полагали раньше. По данным [ Suzuki ea 1976 ], число митохондрий в клетке зависит от фазы роста и стадии клеточного цикла . Как правило, в экспоненциально растущих клетках число митохондрий меньше, чем в клетках, собранных в стационарной фазе роста. Предполагается, что такой циклический процесс фрагментации и слияния митохондрий облегчает рекомбинацию митохондриальных генов [ Grimes ea 1974 ].
