Формування мітохондрій під час процесів розвитку

2. Формування мітохондрій під час процесів розвитку.

1) оогенез

В ооцитах багатьох тварин накопичується величезна кількість мітохондрій. У зрілих ооцитах жаби в 100000 разів більше мітохондрій, ніж у соматичній клітині цього виду (щоправда, тут слід враховувати і співвідношення розмірів соматичної клітини та яйцеклітини). Веббом та Смітом [Webb, Smith, 1977; цит. за: Айзенштадт, 1984] було підраховано, що в ооциті в 300 разів більше мітохондріальної ДНК ніж ядерної, що свідчить про активний ріст кількості мітохондрій в період оогенезу.

У багатьох тварин розмноження мітохондрій відбувається в основному до початку вітелогенезу. Наприклад, у жаби в період вітелогенезу і на ранніх стадіях ембріогенезу мітохондрії практично не діляться, тобто інтенсивне розмноження іде в превітелогенних ооцитах [Айзенштадт, 1984]. Таким чином, активна реплікація мітохондріальної ДНК в превітелогенних ооцитах йде незалежно від ядерної ДНК.

Під час оогенезу більшості вищих тварин відбувається суттєва зміна ультраструктури мітохондрій. На найбільш ранніх етапах оогенезу ооцити містять дрібні одиничні рівномірно розсіяні в цитоплазмі мітохондрії з невеликою кількістю слаборозвинених крист. Наприкінці цієї стадії, при переході до малого росту, в навколоядерній зоні виникають острівці електронно-густої речовини (міжмітохондріального цементу), навколо якого концентруються мітохондрії. Це утворення локалізоване переважно з одного боку від ядра і носить назву “жовткового ядра” або “тіла Бальбіані”. У нього входять також мембрани комплексу Гольджі, цистерни гладенького ендоплазматичного ретикулуму, мультивезикулярні тільця та ліпідні гранули, проте основним компонентом є все ж мітохондрії. Функція “тіла Бальбіані” багато в чому залишається невідомою. Раніше його пов’язували із утворенням жовтку. Зараз вважають, що “тіло Бальбіані” є центром формування мітохондрій та інших клітинних органел [Озернюк, 1978].

До початку вітелогенезу структура мітохондрій (форма, кількість крист) близька до тієї, що мають ооцити, які вже закінчили ріст. Проте об’єм мітохондрій в процесі вітелогенезу продовжує зростати. Так, від початку малого росту до початку відкладення жовтка об’єм мітохондрій збільшується майже в 4 рази, а під час вітелогенезу ця величина зростає в 3,3 рази [Пальмбах, Озернюк, 1975].

Уявлення про кількісну характеристику росту мітохондріальних мембран під час оогенезу дає морфометричний аналіз мітохондрій, проведений на ооцитах в’юна (табл. 2).

Табл. 2. Розміри мітохондрій в ооцитах в’юна, що ростуть [Пальмбах, Озернюк, 1975]

Стадія оогенезу	діаметр	Обєм міто-	Протяжність, ум. од.
	Ооцитів, мм	хондрій, мкм3	зовнішньої мембрани	крист в мітохондрії
Малий ріст
початок	75	0,05±0,006	25,5±2,8	16,2±2,7
кінець	150	0,10±0,003	28,1±1,2	31,7±2,1
Вакуолізація цитоплазми	400	0,11±0,003	33,8±1,3	79,1±4,3
Початок вітелогенезу	400	0,18±0,006	35,4±1,3	83,4±6,4
Кінець великого росту	800	0,65±0,11	-	-

На протязі малого росту ооцитів (у в’юна він триває приблизно 1 рік) об’єм мітохондрій зростає більш ніж вдвічі. Протяжність зовнішньої мембрани мітохондрій за цей період збільшується на 33%, а протяжність крист зростає в 5 разів, тобто темп росту крист значно перевищує темп росту зовнішньої мембрани мітохондрій.

Аналіз ультраструктурних особливостей ооцитів різних стадій показав, що по мірі росту розмірів мітохондрій і протяжності мембран гранулярного ендоплазматичного ретикулуму між ними встановлюються певні структурні взаємовідношення. При переході до великого росту ооцитів їх мітохондрії тісно зближуються з мембранами ендоплазматичного ретикулуму. Між мітохондріями та мембраною завжди залишається щілина від 30 до 70 нм завширшки. Слід відмітити, що на ділянках мембрани ендоплазматичного ретикулуму, зближених з мітохондріями, кількість рибосом в 2 - 3 рази більша, ніж на інших ділянках ретикулуму. [Озернюк, 1985].

Паралельно із зростанням розмірів мітохондрій в процесі оогенезу спостерігається збільшення вмісту мітохондріального білка в ооцитах, а також активності маркерного ферменту мітохондрій - цитохромоксидази. Одна із особливостей росту мітохондрій в ооцитах полягає в тому, що розміри цих органел і їх збільшення в різних зонах ооцита різні. На ранніх стадіях оогенезу відмінності малопомітні. При переході до великого росту в навколоядерній зоні площа, яку займають ці органели, приблизно вдвічі більша, ніж на периферії ооцита. Мітохондрії цих двох зон цитоплазми ооцита відрізняються також за ультраструктурою: навколо ядра локалізовані дрібні органели з невеликою кількістю слабко виражених крист, тоді як на периферії клітини розташовані великі мітохондрії з добре розвиненими кристами [Айзенштадт, 1984]..

Формування мітохондрій і їх ріст є складним багатостадійним процесом, оскільки окремі компоненти цих органел синтезуються в різних частинах клітини. Для характеристики росту мітохондрій під час оогенезу були вивчені особливості синтезу білків цих органел в ооцитах різних стадій. За результатами досліджень синтез мітохондріальних білків під час оогенезу зростає в багато разів (табл. 3)

Табл.3 Включення ¹⁴С-валіну в білки мітохондрій ооцитів в’юна різних стадій оогенезу в дослідах in vivo (Озернюк, 1976)

Стадія оогенезу	Включення 14С-валіну
	імп/хв/100 шт	імп/хв/мг білка
Малий ріст	9342±2720	21173±632
Великий ріст превітелогенез	254440±52210	6359±1380
кінець великого росту	744560±155815	908±190

Найбільш суттєве посилення швидкості включення міченого попередника в білки мітохондрій спостерігається на ранніх стадіях оогенезу. Від стадії малого до початку великого росту ооцитів швидкість синтезу мітохондріальних білків зростає в 27 разів. Посилення синтезу білків мітохондрій призводить до збільшення маси цих органел в ході оогенезу.

Щільність мітохондрій є важливою структурною характеристикою, що, як правило, відображає величину співвідношення білки/фосфоліпіди у мембрані. Озернюк та Котомін [1976] використовували ооцити в’юна ранніх стадій оогенезу, до початку процесу жовткоутворення для визначення щільності мітохондрій. Щільність визначали за розташуванням піка цитохромоксидазної активності після центрифугування мітохондрій у лінійному градієнті густини сахарози (табл.4)

Табл. 4. Щільність мітохондрій ооцитів в’юна (в г/см³) (Озернюк, Котомін, 1976)

Номер досліду	Стадія оогенезу
	малий ріст	початок великого росту
1	1,149	1,162
2	1,147	1,162
3	1,148	1,165
4	-	1,161
5	-	1,166
середнє	1,148±0,0006	1,163±0,0009

При переході від стадії малого росту до початку великого росту ооцитів співвідношення білки/фосфоліпіди зростає більш ніж на 20%. Таким чином, зростання щільності мітохондрій під час оогенезу пов’язане із збільшенням співвідношення білки/фосфоліпіди, тобто із зростанням відносного їх вмісту у мембранах мітохондрій по мірі росту цих органел.

Отже, як бачимо, кількість, розмір, ультраструктура і розташування мітохондрій в оогенезі помітно змінюється, впливаючи тим самим на швидкість поглинання ооцитом кисню, а отже і на ріст ооцита в цілому, що в свою чергу відбивається на процесах запліднення та ембріогенезу.

 

2)Сперматогенез

На даний час роль мітохондрій у структурі сперматозоїда пов’язують із процесом постачання енергії, необхідної для руху джгутиків (щоправда, в сперматозоїдах деяких тварин мітохондрії відсутні, як наприклад, у деяких видів червів). В сперматогенезі більшості тварин мітохондрії зазнають змін ультраструктури та розташування. У найпростішому випадку в кінці сперматогенезу спостерігається злиття мітохондрій, до цього розкиданих по цитоплазмі. При злитті мітохондрії утворюють від 1 до 10 крупних хондріосфер, які розташовуються коло центріолі [Бурнашева и др., 1982].

У деяких видів кісткових риб (Salmo salar, Lebistes reticulatus) мітохондрії формують низький комірець при основі голівки, у інших вонни витягуються і комірець стає високим [Кауфман, 1990]. У карпових риб мітохондрії, як правило, мають вигнуту підковоподібну чи видовжену форму. В середній частині сперміїв гірчака локалізоване лише одне гігантське мітохондріальне тільце, яке займає більшу частину цитоплазми і розташоване навколо каналу незімкнутим кільцем. Мітохондріальний матрикс - середньої електронної щільності, кристи численні [Емельянова, Макееваа, 1985].

У хвостатих амфібій сперматозоїди мають складну будову. Мітохондрії у них розташовуються в проксимальній частині джгутика у вигляді комірця навколо випуклої поверхні опорного філамента. У ропухи звичайної Bufo bufo невеликий комірець із мітохондрій лежить при основі голівки. У жаби Rana temporaria верхня частина джгутика оточена витягнутими мітохондріями, що утворюють навколо неї щільний циліндр [Данилова, 1973].

У плазунів, птахів та ссавців сперматозоїди мають оболонку з мітохондрій, спірально закручену навколо проміжного відділу. Плазуни, крім цього, мають особливу фіброзну оболонку, яка оточує (принаймні, у деяких змій) осьовий комплекс фібрил і відділяє його від мітохондріальної оболонки. В оболонці мітохондрії зберігають свою індивідуальність, розташовуючись навколо джгутика вздовж довгої осі проміжного відділу. Шийка і проміжний відділ сперматозоїда мають незвичайну будову: у склад проміжного відділу входить ше так званий циліндр шийки - структура, що не має аналогів в сперматозоїдах інших типів тварин. Він представляє собою муфту із щільної речовини, що оточує центріолі та базальну частину джгутика. Циліндр розташований між основою ядра і мітохондріальною оболонкою проміжного відділу і в зрілому сперматозоїді являє собою з’єднувальний сегмент каудальний край циліндра шийки починається коло межі мітохондріальної оболонки. Мітохондрії в оболонці плазунів розташовуються хаотично і мають звивисті конури, утворюючи рихлу спіраль навколо джгутика. В мітохондріальній оболонці змій спостерігаються ще додаткові ультраструктури, відсутні у сперматозоїдах інших тварин, - так звані темні пластинки, що вставлені між мітохондріями з нерегулярними інтервалами по довжині джгутика. Мітохондріальна оболонка в сперматозоїдах плазунів розвивається досить пізно, коли вже відбувається конденсація хроматину в ядрі. Всі мітохондрії скупчуються коло шийки і розташовуються радіально, а потім спускаються вздовж проміжного відділу навколо фіброзної оболонки.

У ссавців проміжний відділ також характеризується наявністю мітохондрій, що спірально оточують пучок осьових фібрил. Мітохондрії в оболонці можуть мати сферичну або циліндричну форму. В оболонці вони зберігають індивідуальність, примикаючи дна до одної кінцем до кінця. У летучих мишей мітохондрії розташовуються без особливої впорядкованості вздовж ходу спіралі. У бурої нічниці всі мітохондрії однакові за розмірамиі мають форму півмісяця на поперечних зрізах проміжного відділу. Місце з’єднання двох мітохондрій строго відповідає лінії, яка проходить через пару центральних фібрил осьового комплексу. Місця з’єднання пар мітохондрій в кожному повороті спіралі знаходиться на одній лінії, що проходить вздовж джгутика. Такого строгого порядку у розташуванні мітохондрій не спостерігали у жодного іншого виду. Загальна кількість мітохондрій в проміжному відділі сперматозоїда бурої нічниці становить 114 - 120 [Данилова, 1978].

Мітохондрії сперматозоїдів бика, виділені за допомогою фракціонування шляхом диференційованого центрифугування, мають біохімічні властивості, що дуже нагадують властивості мітохондрій з інших тканин. Вони каталізують процеси аеробного окислення різних субстратів, включаючи проміжні субстрати циклу Кребса. [Бурнашева и др., 1982].

3) Ріст та диференціювання окремих тканин і органів

Під час зародкового розвитку і диференціювання тканин та органів також відбувається інтенсивний ріст мітохондріальних мембран

Одна із перших робіт у цьому напрямку була проведена в 1955р. Боллом та Вебером [Boell, Weber, 1955; цит. за: Озернюк, 1978]. Ці автори, вивчаючи активність цитохромоксидази зародків амфібій, дійшли до висновку, що під час зародкового розвитку відбувається ріст та диференціювання мітохондрій. Пізніше цей висновок був підтверджений електронно-мікроскопічним дослідженням структури мітохондрій на різних стадіях розвитку. Збільшення розмірів мітохондрій і протяжності крист було відмічено на ранніх стадіях зародкового розвитку (бластула, гаструла), а також на більш пізніх етапах розвитку та під час розвитку і диференціювання окремих тканин та органів. Так, збільшення розмірів мітохондрій і протяжності крист було відмічено підчас розвитку серцевого м’яза жаби, щура, печінки курчати і щура. Уявлення про темп росту мітохондрій в цей пріод дає дослідження Стеффенса та Білса [Stephens, Bils, 1967; цит. за: Озернюк, 1978], в якому було показано, що протягом семи днів розвитку курчати розмір мітохонрій збільшується у п’ять разів.

Під час росту тканин і органів відбувається кількісна зміна співвідношення різних типів мітохондрій, що ростуть, зокрема зміна співвідношення набухлих і компактних (стиснутих) мітохондрій, які, як відомо, відображають певний функціональний стан мітохондрій. Так, при вивченні популяції мітохондрій зародків ранніх стадій шпорцевої жаби було показано, що набухлий і компактний тип мітохондрій представлений у рівних кількостях, тоді як у печінці, що розвивається, переважає компактний тип мітохондрій [Kistler, Weber, 1974; цит. за: Озернюк, 1978].

Доповненням до морфологічної картини росту мітохондрій в процесі зародкового розвитку є вимірювання кількості мітохондріального білка в зародках і окремих органах, а також визначення активності мітохондріальних ферментів.

У яйцях в’юна не виявлено суттєвої зміни вмісту мітохондріальних білків за час розвитку від запліднення до вилуплення з оболонок , що співпадає із спостереженнями про сталість вмісту цитохромів a, b та c і активності цитохромоксидази [Абрамова, Васильева, 1973]. В яйцях шпорцевої жаби кількість мітохондріальних білків не змінюється на різних стадіях ембріогенезу [Chase, Dawid, 1972] і починає швидко зростати лише після вилуплення зародків з оболонок. З роботи Абрамової та Васильєвої [1973] видно, що вміст загального білка в зародках від стадії 9 год. (пізня бластула) до стадії 30 год. (стадія 17 пар сомітів) при 21,5°С збільшується втричі, а вміст мітохондріальних білків залишається незмінним. Отже, концентрація мітохондрій в клітинах зародків в’юна на вказаних стадіях зменшується втричі. Звідси випливає, що концентрація мітохондріальних білків не лише не зростає під час зародкового розвитку риб, але й значно зменшується.

Дещо інша ситуація складається у ссавців. Морфометрія зародків миші показала, що починаючи із двоклітинної стадії розвитку кількість мітохондрій в зародку безперервно збільшується. В ембріонах щурів з 10-го по 14-й день розвитку, коли відбуваються основні органогенези, зростає. активність таких мітохондріальних ферментів, як цитохромоксидаза та сукцинатдегідрогеназа [Piko, Chase, 1973, Mackler et al., 1971; цит. за: Зотін, Зотіна, 1993].

Під час росту та диференціювання з’являються нові фактори регуляції метаболізму, зокрема нервові та ендокринні. Крім цього, для представників різних класів тварин характерні свої способи регуляції. У зв’язку з цим дані щодо зміни активності мітохондріальних ферментів сильно різняться.

Під час розвитку печінки курчати спостерігається зростання активності малатдегідрогенази та цитохромоксидази. Активність цитохромоксидази, сукцинатдегідрогенази, сукцинатцитохром С-редуктази і НАД·Н-цитохром С-редуктази, чутливої до антиміцину А в мітохондріях печінки щура, у багато разів зростає протягом 1 місяця після народження. В процесі розвитку печінки щура відбувається збільшення вмісту цитохромів С₁, С, В, аа₃. Більш розрізнені результати були одержані Кістлером та Вебером [Kistler, Weber, 1974; цит. за: Озернюк, 1978] при вивченні розвитку печінки шпорцевої жаби в період, що передує метаморфозу, і на його ранніх стадіях. Було показано, що вміст цитохромів аа₃, активність сукцинатдегідрогенази, 3-оксіацил-КоА-дегідрогенази, гліцерофосфатдегідрогенази практично не змінюється, тоді як активність глутаматдегідрогенази, глутаматпіруваттрансамінази, 3-оксібутиратдегідрогенази за цей період збільшується.

Під час розвитку печінки курчати з 10-го по 20-й день інкубації відбувається деяке збільшення активності цитохромоксидази та сукцинатдегідрогенази. Аналогічні дані були отримані для серця щура, що розвивається, при вимірюванні активності сукцинатдегідрогенази, цитохромоксидази, АТФази і НАД·Н-оксидази. Вміст цитохромів С₁, С, В, аа₃ під час розвитку печінки також збільшується.

Бюхер із співробітниками на підставі результатів, отриманих при вивченні розвитку літального м’язу сарани, зробив висновок про те, що ріст внутрішньої мембрани мітохондрій і збільшення активності (та кількості) її функціональних елементів відбувається синхронно. Другий важливий висновок Бюхера - активність більшості ферментів під час росту мітохондрій змінюється координовано.

Висновки, отримані для росту мітохондрій м’язів сарани були підтверджені у вже цитованій роботі Кістлера та Вебера. Ці автори, вивчаючи активність мітохондріальних ферментів під час росту печінки шпорцевої жаби, показали сталість активності більшості вивчених ферментів матриксу і мембран мітохондрій, якщо їх активності перераховувати на вміст цитохромів аа₃. [Озернюк, 1978]

Крім цих прикладів координована зміна активності ферментів під час розвитку було показано для інших метаболічних систем, зокрема для ферментів гліколізу, гексозомонофосфатного шунта і глюконеогенезу під час оогенезу і раннього зародкового розвитку в’юна [Юровицкий, Мильман, 1971].

На підставі отриманих даних щодо синтезу компонентів дихального ланцюга мітохондрій можна побудувати схему регуляції синтезу конститутивних білків, що належать до певних метаболічних стадій. В основу цієї схеми лягло припущення, що конститутивні білки синтезуються постійно, але зі змінною швидкістю, і тому не потрібно традиційного механізму репресії та депресії генів. Регуляція синтезу білків в даному випадку, на відміну від регуляції синтезу специфічних білків, носить кількісний характер. Друге припущення полягає в тому, що інтенсивність синтезу даного білка визначається його кількістю; останній, в свою чергу, контролюється швидкістю деградації:

швидкість швидкість пул синтезованих міто- мітохон- деградація мітох.

транскрипції трансляції хондріальних білків дрія білків

Таким чином, причиною синхронності синтезу даної групи білків є однакова швидкість їх деградації і координована кількість цих білків у клітині. В основі цього процесу лежить принцип регуляції по типу оберненого зв’язку. Очевидно, синтез білків певними досить великими групами значно спрощує процес регуляції [Зотін, Зотіна, 1993].

Висновки:

1.Біогенез мітохондрії відбувається за участю двох генетичних апаратів - ядерного та мітохондріального. Останній відповідає за синтез невеликої кількості білків, що є компонентами внутрішньої мембрани мітохондрії.

2.Мітохондріальний ДНК-код відрізняється від універсального; тРНК цієї органели здатні зчитувати по 4 кодони, тому для трансляції тут необхідна менша кількість тРНК.

3.Білки мітохондрій, синтезовані у цитоплазмі, транспортуються у мітохондрію за допомогою трьох механізмів, що різняться між собою в залежності від місця їх вбудовування у мембрану органели.

4.В оогенезі хребетних відбуваються значні зміни у структурі та кількості мітохондрій, що відображається на активності поглинання кисню ооцитом.

5.У ембріональному розвитку більшості тварин кількість мітохондрій практично не зростає, тому їх концентрація зменшується. У ссавців спостерігається деяке зростання кількості мітохондрій в ембріогенезі.

6.Регуляція активності мітохондріальних ферментів в ембріогенезі складна і багатоступенева, тому характер зміни цієї активності має дещо неоднозначний характер.

Література

1.Айзенштадт Т.В. Цитология оогенеза - М., Наука, 1993, 364с.

2.Билл Дж., Ноулз Дж. Внеядерная наследственность. М., Мир, 1981, 168с.

3.Бурнашева С.А., Габаева Н.С. и др. Современные проблемы сперматогенеза. М., Наука, 1982, 259с.

4.Гаузе Г.Г. Митохондриальная ДНК. М., Наука, 1977, 286с.

5.Данилова Л.В. Ультраструктурные исследования сперматогенеза. М., Наука, 1978, 206с.

6.Зотин А.И., Зотина Р.С. Феноменологическая теория развития, роста и старения организма. М., Наука, 1993, 364с.

7.Кауфман З.С. Эмбриология рыб. М., Агропромиздат, 1990, 272с.

8.Минченко А.Г., Дударева Н.А. Митохондриальный геном. Новосибирск, Наука, 1990, 194с.

9.Озернюк Н.Д. Рост и воспроизведение митохондрий. М., Наука, 1978, 264с.

10.Озернюк Н.Д. Энергетический обмен в раннем эмбриогенезе рыб. М., Наука, !985, 196с.

11.Сэджер Р. Цитоплазматические гены и органеллы. М., Мир, 1975, 424с.

Джерела

1.Пинус Е.А., Рабинович Я.М. Некоторые особенности синтеза белка в митохондриях / Молекулярная генетика митохондрий. Л., Наука, 1977, 220с.

2.Шугалий Н.Д. и др. Об особенностях структурной организации генома миттохондрий высших животных / Генетические функции органоидов цитоплазмы. Тезисы докладов симпозиума. Ленинград, 27 -29 ноября 1974г. Л.,!974, 107с.

3.Абрамова Н.Б., Васильева М.Н. Некоторые свойства эмбриональных митохондрий вьюна

4.Данилова Л.В. Ультраструктура жгутиков сперматозоидов // Успехи современной биологии - 1973.-Т.76.- №2(5).-С.246-264.

5.Емельянова Н.Г., Макеева А.П. Ультраструктура сперматозоидов некоторых карповых рыб // Вопросы ихтиологии - 1985.-Т.25.-№3.-С.459-468.

6.Минченко А.Г. Биогенез митохондрий // Успехи современной биологии - 1987.-Т.103.-№3.-С.427-443.

7.Пальмбах Л.Р., Озернюк Н.Д. Рост и воспроизведение митохондрий в ооцитах вьюна // Онтогенез - 1975.-Т.6.-№5.-С.442-449.

8.Юровицкий Ю.Г., Мильман Л.С. Координированное изменение активности ферментов гликолитической цепи в оогенезе вьюна // Биохимия - !971.-Т.36.-С.1130-1143.

9.Anderson S, Bankier A.T. et. al. // Nature - 1981.-V.290.-P.457-469.

10.Chase J.W., Dawid I.B. 1972. Biogenesis of mitochondria during Xenopus laevis development //Development Biology - 1972.-V.27.-№4.-P.504-518.