Формування мітохондрій под годину процесів розвитку

Формування мітохондрій под годину процесів розвитку

1) оогенез

У ооцитах багатьох тварин накопичується величезна кількість мітохондрій. У зрілих ооцитах жаби в 100 000 разів понад мітохондрій, ніж у соматичній клітині цого виду (щоправда, тут слід враховувати й співвідношення розмірів соматичної клітини та яйцеклітини). Веббом та Смітом Webb, Smith, 1977; цит. за: Айзенштадт, 1984? було б підраховано, що в ооциті в 300 разів понад 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 й 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 годину оогенезу більшості вищих тварин відбувається суттєва зміну ультраструктури мітохондрій. На найбільш ранніх етапах оогенезу ооцити містять дрібні одиничні рівномірно розсіяні в цитоплазмі мітохондрії із невеликою кількістю слаборозвинених кріст. Наприкінці цієї стадії, при переході до малого зростанню, в навколоядерній зоні виникають острівці електронно-густої речовини (міжмітохондріального цементу), навколо якого концентруються мітохондрії. Це утворення локалізоване переважно із одного боці від ядра й носити назву «жовткового ядра» чи «тіла Бальбіані». У нього входять також мембрани комплексу Гольджі, цистерни гладенького ендоплазматичного ретикулуму, мультивезикулярні тільця та ліпідні гранули, проте основним компонентом є усе ж таки мітохондрії. Функція «тіла Бальбіані» багато в чому залишається невідомою. Раніше його пов’язували з утворенням жовтку. Зараз вважають, що «тіло Бальбіані» є центром формування мітохондрій та інших клітинних органел Озернюк, 1978?.

До початку вітелогенезу структура мітохондрій (форма, кількість кріст) близька до тієї, що мають ооцити, котрі уже закінчили ріст. Проте об'єм мітохондрій в процесі вітелогенезу продовжує зростати. Так, від початку малого зростанню до початку відкладення жовтка об'єм мітохондрій збільшується майже на чотири рази, а под годину вітелогенезу ця величина зростає в 3,3 рази Пальмбах, Озернюк, 1975?.

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

Аналіз ультраструктурних особливостей ооцитів різних стадій показавши, що в міру зростанню розмірів мітохондрій й протяжності мембран гранулярного ендоплазматичного ретикулуму між ними встановлюються певні структурні взаємовідношення. При переході до великого зростанню ооцитів їхнього мітохондрії тісно зближуються із мембранами ендоплазматичного ретикулуму. Між мітохондріями та мембраною завжди залишається щілина від 30 до70 нм завширшки. Слід відмітити, що на ділянках мембрани ендоплазматичного ретикулуму, зближених із мітохондріями, кількість рибосом у два — 3 рази більша, ніж на інших ділянках ретикулуму. Озернюк, 1985?.

Паралельно з зростанням розмірів мітохондрій в процесі оогенезу спостерігається збільшення вмісту мітохондріального білка в ооцитах, а також активності маркерного ферменту мітохондрій — цитохромоксидази. Одна з особливостей зростанню мітохондрій в ооцитах полягає до того, що розміри цих органел й їхнього збільшення в різних зонах ооцита різні. На ранніх стадіях оогенезу відмінності малопомітні. При переході до великого зростанню в навколоядерній зоні площа, якої 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 із невеликою кількістю слабко виражених кріст, тоді як на периферії клітини розташовані великі мітохондрії із добро розвиненими кристами Айзенштадт, 1984?..

Формування мітохондрій й їхнього ріст є складним багатостадійним процесом, оскільки окремі компоненти цих органел синтезуються в різних частинах клітини. Для характеристики зростанню мітохондрій под годину оогенезу були вивчені особливості синтезу білків цих органел в ооцитах різних стадій.

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

2)Сперматогенез.

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

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

У хвостатих амфібій сперматозоїди мають складну будову. Мітохондрії вони розташовуються в проксимальній частині джгутика у вигляді комірця навколо випуклої поверхні опорного філамента. У ропухи звичайної Bufo bufo невеликий комірець з 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 із мітохондрій, спірально закручену навколо проміжного відділення. Плазуни, крім цого, мають особливу фіброзну оболонку, котра оточує (принаймні, у деяких змій) осьовий комплекс фібрил й відділяє його від мітохондріальної оболонки. У оболонці мітохондрії зберігають свою індивідуальність, розташовуючись навколо джгутика вздовж довгої осі проміжного відділення. Шийка й проміжний відділ сперматозоїда мають незвичайну будову: у склад проміжного відділення входити ше так звань циліндр шийки — структура, що не має аналогів в сперматозоїдах інших типів тварин. Він представляє собою муфту з щільної речовини, що оточує центріолі та базальну частину джгутика. Циліндр розташований між основою ядра й мітохондріальною оболонкою проміжного відділення й в зрілому сперматозоїді являє собою з'єднувальний сегмент каудальний край циліндра шийки починається коло межі мітохондріальної оболонки. Мітохондрії в оболонці плазунів розташовуються хаотично й мають звивисті конури, утворюючи рихлу спіраль навколо джгутика. У мітохондріальній оболонці змій спостерігаються ще додаткові ультраструктури, відсутні у сперматозоїдах інших тварин, — так звані темні платівки, що вставлені між мітохондріями із нерегулярними інтервалами по довжині джгутика. Мітохондріальна оболонка в сперматозоїдах плазунів розвивається досить пізно, коли уже відбувається конденсація хроматину в ядрі. Всі мітохондрії скупчуються коло шийки й розташовуються радіально, а потім спускаються вздовж проміжного відділення навколо фіброзної оболонки.

У ссавців проміжний відділ також характеризується наявністю мітохондрій, що спірально оточують пучок осьових фібрил. Мітохондрії в оболонці можуть матір сферичну чи циліндричну форму. У оболонці смердоті зберігають індивідуальність, примикаючи дна до одної кінцем до кінця. У летючих мишей мітохондрії розташовуються без особливої впорядкованості вздовж ходу спіралі. У бурої нічниці усі мітохондрії однакові за розмірамиі мають форму півмісяця на поперечних зрізах проміжного відділення. Місце з'єднання двох мітохондрій суворо відповідає лінії, котра проходити за кілька центральних фібрил осьового комплексу. Місця з'єднання пар мітохондрій в кожному повороті спіралі знаходиться на одній лінії, що проходити вздовж джгутика. Такого суворого 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 із інших тканин. Вони каталізують процеси аеробного окислення різних субстратів, включаючи проміжні субстрати циклу Кребса. Бурнашева та інших., 1982?.

3) Ріст та диференціювання окремих тканин й органів.

Під годину зародкового розвитку й диференціювання тканин та органів також відбувається інтенсивний ріст мітохондріальних мембран.

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

Під годину зростанню тканин й органів відбувається кількісна зміну співвідношення різних типів мітохондрій, що ростуть, зокрема зміну співвідношення набухлих й компактних (стиснутих) мітохондрій, котрі, як відомо, відображають певний функціональний стан мітохондрій. Так, при вивченні популяції мітохондрій зародків ранніх стадій шпорцевої жаби було б показано, що набухлий й компактний тип мітохондрій уявлень у рівних кількостях, тоді як у печінці, що розвивається, переважає компактний тип мітохондрій Kistler, Weber, 1974; цит. за: Озернюк, 1978?.

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

У яйцях в’юна не виявлено суттєвої зміни вмісту мітохондріальних білків протягом години розвитку від запліднення до вилуплення із оболонок, що співпадає з спостереженнями про сталість вмісту цитохромів a, b та з й активності цитохромоксидази Абрамова, Васильєва, 1973?. У яйцях шпорцевої жаби кількість мітохондріальних білків не так на різних стадіях ембріогенезу Chase, Dawid, 1972? й починає швидко зростати лише после вилуплення зародків із оболонок. З роботи Абрамової та Васильєвої 1973? видно, що вміст загального білка в зародках від стадії 9 рік. (пізня бластула) до стадії 30 рік. (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 под годину зародкового розвитку риб, але й і значно зменшується.

Дещо інша ситуація складається у ссавців. Морфометрія зародків миші показала, що починаючи з двоклітинної стадії розвитку кількість мітохондрій в зародку безперервно збільшується. У ембріонах щурів із 10-го по 14-ї 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 годину зростанню та диференціювання з’являються нові фактори регуляції метаболізму, зокрема нервові та ендокринні. Крім цого, для представників різних класів тварин характерні свої способи регуляції. У зв’язку із цим дані щодо зміни активності мітохондріальних ферментів сильно різняться.

Під годину розвитку печінки курчати спостерігається зростання активності малатдегідрогенази та цитохромоксидази. Активність цитохромоксидази, сукцинатдегідрогенази, сукцинатцитохром С-редуктази й НАД•Н-цитохром С-редуктази, чутливої до антиміцину На мітохондріях печінки щура, у багато разів зростає протягом 1 місяця после народження. У процесі розвитку печінки щура відбувається збільшення вмісту цитохромів С1, З, У, 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, й 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 годину розвитку печінки курчати із 10-го по 20-ї день інкубації відбувається деяке збільшення активності цитохромоксидази та сукцинатдегідрогенази. Аналогічні дані були отримані для серця щура, що розвивається, при вимірюванні активності сукцинатдегідрогенази, цитохромоксидази, АТФази й НАД•Н-оксидази. Вміст цитохромів С1, З, У, аа3 под годину розвитку печінки також збільшується.

Бюхер з співробітниками на підставі результатів, отриманих при вивченні розвитку літального м’язу сарани, зробив висновок про ті, що ріст внутрішньої мембрани мітохондрій й збільшення активності (та кількості) її функціональних елементів відбувається одночасно. Інший важливий висновок Бюхера — активність більшості ферментів под годину зростанню мітохондрій змінюється координовано.

Висновки, отримані для зростанню мітохондрій м’язів сарани були підтверджені у уже цитованій роботі Кістлера та Вебера. Ці автори, вивчаючи активність мітохондріальних ферментів под годину зростанню печінки шпорцевої жаби, показали сталість активності більшості вивчених ферментів матриксу й мембран мітохондрій, якщо їхнього активності перераховувати на вміст цитохромів аа3. Озернюк, 1978?

Крім цих прикладів координована зміну активності ферментів под годину розвитку було б показано для інших метаболічних систем, зокрема для ферментів гліколізу, гексозомонофосфатного шунта й глюконеогенезу под годину оогенезу й раннього зародкового розвитку в’юна Юровицкий, Мильман, 1971?.