Набухание митохондрий

Весьма важным морфологическим признаком повреждения митохондрий является их набухание. Набухание митохондрий наблюдается, например, в клетках миокарда при недостаточности сердца, а также при многих инфекционных, гипоксических, токсических и других патологических процессах. Набухание митохондрий происходит при помещении клеток в гипотоническую среду, под влиянием ионизирующей радиации, бактериальных токсинов, при действии химических ядов и других патогенных агентов на клетку. Набухание приводит сначала к разрывам наружных мембран митохондрий, а затем – к их полному разрушению. В опытах с изолированными митохондриями показано, что существует два типа набухания: пассивное и активное. В противоположность клеточным мембранам, сравнительно хорошо проницаемым для ионов K+ и Cl-, внутренние мембраны митохондрий непроницаемы для заряженных частиц (ионов), за исключением ионов Ca2+ и, возможно, ионов железа. В изотоническом растворе KCl неповрежденные митохондрии сохраняют свой объем, несмотря на то, что концентрация ионов калия и хлора внутри существенно меньше, чем снаружи: осмотическое давление внутри создается и другими ионами, а также белками матрикса. При одновременном увеличении проницаемости для ионов калия и хлора они начинают диффундировать в митохондрию, что приводит к повышению внутри осмотического давления, входу воды и набуханию органелл, которое называется пассивным, т. к. не зависит от дыхания и энергизации. К агентам, вызывающим пассивное набухание, относятся ионы тяжелых металлов, включая ртуть, серебро, свинец. Таким же действием обладает далеко зашедшее перекисное окисление липидов в мембранах митохондрий. В условиях живой клетки чаще имеет место иной тип набухания - активное набухание (см. рис. 6), связанное с работой цепи переноса электронов. Повреждение митохондрий под действием малых доз тяжелых металлов, активации собственной фосфолипазы в условиях гипоксии, при перекисном окислении липидов - сопровождается, прежде всего, повышением проницаемости внутренней мембраны для катионов. В присутствии источников энергии (субстраты дыхания и кислород, АТФ) на мембранах митохондрий генерируется разность потенциалов величиной около 170-180 мВ со знаком "минус" в матриксе, под действием которой ионы K+ поступают внутрь поврежденных митохондрий. Вместе с калием в матрикс поступает ортофосфат, который переносится в электронейтральной форме через внутреннюю мембрану с помощью специального белкового переносчика. Активное (т.е. связанное с затратой энергии) накопление фосфата калия в матриксе сопровождается набуханием митохондрий. Набухание митохондрий изучают довольно простым методом, измеряя светорассеяние суспензии в режиме турбидиметрии (на пропускание) или нефелометрии (измеряется рассеянный свет). При набухании митохондрий светорассеяние суспензии уменьшается, а пропускание – увеличивается. Пример записи набухания митохондрий приведен на рис. 7. Набухание митохондрий – не только следствие, но и причина их дальнейшего повреждения. Это хорошо видно из данных опыта, где набухание митохондрий и растяжение их мембран вызывали помещением органелл в гипотонические среды (см. рис. 8). Таким образом, само по себе растяжение мембраны, какими бы причинами они ни было вызвано, приводит сначала к повреждению наружной мембраны, а затем – к обратимому нарушению свойств мембраны внутренней.

Рис.6. Активное набухание поврежденных митохондрий

В неповрежденной митохондрии (А) энергизация сопровождается окислительным фосфорилированием (Б). В поврежденных митохондриях часто увеличивается проницаемость внутренней мембраны для катионов, что приводит к переносу катиона внутрь (В) вместе с фосфатом. Митохондрии набухают (Г) и могут лопнуть (Д).

Рис.7. Спонтанное набухание митохондрий (S-swelling).

Набухание (увеличение объёма) митохондрий сопровождается уменьшением светорассеяния суспензии. Оно происходит спонтанно по мере активации фосфолипазы А2, встроенной во внутреннюю мембрану. Ионы Ca2+ активируют фермент, а ионы Mg2+ - его угнетают. По данным работы: Olenev V.I.; Suslova T.B.; Vladimirov Yu.A. Comparative study of different types of swelling of rat liver mitochondria. tudia Biophysica 2:147-161 (1976).

Рис.8. Действие осмотического набухания митохондрий на скорость их дыхания.

При помещении митохондрий в гипотоническую среду их объем увеличивается. При осмотической концентрации ниже 145 мОсм уменьшается скорость дыхания в состоянии 3. Частично это связано с выходом цитохрома с при повреждении целостности наружной мембраны (сравни рис. 6). Добавление цитохрома может частично восстановить работу дыхательной цепи. При дальнейшем разбавлении (ниже 90 мОсм) растяжение внутренней мембраны, "вывалившейся" из разорванной внешней, приводит к нарушению барьерных свойств мембраны (рост дыхания в состоянии 4).

Вопросы для самоконтроля

1. Как изменяется потребление кислорода в разных функциональных состояниях митохондрий при аноксии? Объясните наблюдаемые явления.

2. Как изменяется способность митохондрий аккумулировать ионы кальция при аноксии? Метод и результаты опытов.

3. Какие причины могут вызвать изменение объема митохондрий? Набухание митохондрий при аноксии и реоксигенации, причины этого явления.

4. Влияние набухания митохондрий на их функции.