Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Реkлама: http://vt-company.com.ua: Заправка любых картриджей .
Кардиогенез :: Формирование гетерогенности митохондриального…
 
Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе (монография), Днепропетровск, 1996
Твердохлеб И.В. Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе. Днепропетровск, 1996
с.75
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 2 Формирование гетерогенности митохондриального аппарата кардиомиоцитов

Структурная и функциональная неоднородность митохондрий зрелых кардиомиоцитов является активно изучаемым и обсуждаемым явлением, однако представления о характере этой неоднородности в значительной мере определяются особенностями методического аппарата проводимых исследований и часто остаются мало сопоставимыми.

Рис. 51. Кривая статистического распределения значений абсолютного объема митохондрий
Рис. 51. Кривая статистического распределения значений абсолютного объема митохондрий сократительных кардиомиоцитов левого желудочка в сердце 40-недельных плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

В морфологических экспериментах, проведенных на крысах при воздействии токсических доз адреналина, выявлено три типа митохондрий, резко различающихся по плотности митохондриальных крист (К.С.Митин и др.. 1975). Митохондрии первого типа имели характерные для мышечных клеток миокарда размеры и строение, органеллы второго типа отличались чрезвычайно плотным матриксом и большим количеством крист; митохондрии третьего типа имели под наружной мембраной два отсека различающиеся по плотности матрикса. Авторы полагают что наблюдаемые особенности ультраструктуры органелл отражают их функциональное состояние в условиях токсических воздействий.

Рис. 52. Кривая статистического распределения значений площади поверхности наружной мембраны
Рис. 52. Кривая статистического распределения значений площади поверхности наружной мембраны митохондрий сократительных кардиомиоцитов левого желудочка в сердце 40-недельных плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

При ультраструктурном исследовании миокарда перфузируемого сердца кролика при гипоксии были описаны 3 группы, митохондрий, отчетливо различающихся по площади и количеству крист (Н.Л.Харюкова и др., 1984).

Сходные ультраструктурные и функциональные характеристики позволили выделить митохондрии "мышечного" и "общего" типа в миокарде собак (Л.А.Коптева и др., 1972), органеллы "низкоэнергетического" и "высокоэнергетического" типов в печени крыс (К.С.Митин и др., 1972). По мнению указанных исследователей, существование двух типов митохондрий является способом регулировать свой энергетический баланс и биосинтетическую активность. В миокарде зародышей крыс были описаны ортодоксальная и конденсированная конфигурации митохондрий (А.А.Сосунов, 1987), отражающие существование двух вариантов функционирования митохондриального аппарата.

Рис. 53. Кривая статистического распределения значений плотности крист митохондрий сократительных
Рис. 53. Кривая статистического распределения значений плотности крист митохондрий сократительных кардиомиоцитоа левого желудочка в сердце 40-недельыых плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

В настоящее время в литературе сложилось мнение, что указанные типы митохондрий являются двумя (или тремя) фазами их функционирования. Наряду с этим существует предположение, согласно которому функциональные различия митохондрий обусловлены не только циклическими изменениями, но и их локализацией в сократительном кардиомиоците (И.П.Красинская и др., 1989; Forbes et al., 1982; Coleman et al.. 1987). В исследованиях Matlib с сотрудниками (1981) обнаружены функциональные признаки, существенно различающие субсарколеммальную, межмиофибриллярную и парануклеарную субпопуляции митохондрий. Ультраструктурные исследования кардиомиоцитов крыс позволили также утверждать, что объемная плотность митохондрий существенно выше в тех участках саркоплазмы, которые непосредственно прилежат к обменному сосуду (Rakusan et al., 1986), однако авторы не уточняли, за счет каких органелл происходило наблюдаемое накопление, хотя при этом предположили существование градиента передачи энергии (креатинфосфата) от периферически расположенных митохондрий вглубь сократительной клетки.

Рис. 54. Кривая статистического распределения значений количества митохондриальных крист
Рис. 54. Кривая статистического распределения значений количества митохондриальных крист сократительных кардиомиоцитов левого желудочка в сердце 40-недельных плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

Особая ультраструктура митохондриальных крист была обнаружена в миокарде яков, обитающих в условиях высокогорья (Б.Д.Жакаров и др., 1976). Кристы ряда митохондрий были представлены многогранными волнистыми мембранами или сетчатыми структурами, что способствовало поддержанию энергетического потенциала миокарда и препятствовало развитию его гипоксии.

В исследовании И.П.Красинской с соавторами (1989) было выявлено изменение структурно-функционального состояния митохондрий под влиянием токсичности и температуры раствора, что связывалось с перестройкой полиферментного мембранного комплекса. Авторы предположили, что в митохондриях сохранился фрагмент реликтовой системы регуляции в звене сопряжения дыхания и фасфорилирования.

Рис. 55. Кривая статистического распределения значений площади поверхности внутренней мембраны
Рис. 55. Кривая статистического распределения значений площади поверхности внутренней мембраны митохондрий (включая мембраны крист) сократительных кардиомиодитов левого желудочка в сердце 40-кедельных плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

При количественном морфологическом исследовании влияния радиационного облучения на митохондрии кардиомиоцитов крыс обнаружилась корреляционная зависимость между распределением размеров митохондрий и их биологической активностью (В.В.Сироткин и др., 1989). При этом крупные митохондрии оказались функционально неполноценными, тогда как малые - активны. Эти данные в существенной мере противоречат фактам, установленным при проведении электронной микроскопии интактных митохондрий (В.А.Фролов и др., 1975): полученные результаты свидетельствуют о важной роли физиологического набухания митохондрий в повышении энергетической эффективности митохондриального аппарата.

Рис. 56. Кривая статистического распределения значений степени ориентации крист митохондрий
Рис. 56. Кривая статистического распределения значений степени ориентации крист митохондрий (%) сократительных кардиомиодитов левого желудочка в сердце 40-неделькых плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

При проведении ультраструктурного исследования интактного миокарда кроликов установлены весьма ощутимые суточные (С.М.Чибисов, 1983; В.А.Фролов и др., 1985) и сезонные колебания (В.М.Деревянко, 1976; В.А.Фролов и др., 1989) структуры митохондрий. Этот же вопрос подробно рассмотрен также в миокарде амфибий (А.А.Шмелева, 1976).

Изучение митохондриального аппарата кардиомиоцитов позволило выявить существенную его гетерогенность в различных отделах сердца. Так, в исследовании В.С.Паукова с соавторами (1972) было установлено, что среднее количество митохондриальных крист в одной митохондрии и их численная плотность в левом желудочке крыс в 2,5-3 раза превышает соответствующие показатели правого желудочка. Обнаружено существенное преобладание объемных характеристик митохондрий в межпредсердной перегородке в зрелом сердце крыс и хорьков над соответствующими параметрами кардиомиоцитов предсердий.

Рис. 57. Кривая статистического распределения значений коэффициента сферичности митохондрий
Рис. 57. Кривая статистического распределения значений коэффициента сферичности митохондрий сократительных кардиомиоцитов левого желудочка в сердце 40-недельных плодов человека (А) и зрелых крыс (Б).

Существенный гетерогенитет митохондриального аппарата левых и правых отделов сердца описан в сердечной мышечной ткани птиц, млекопитающих (Л.М.Непомнящих и др.. 1989; Mall et al., 1977; David et al.. 1981; Schaper et al., 1985) и человека (Hasall et al., 1990). Обнаруженные различия авторы объясняли большей рабочей нагрузкой левого желудочка по сравнению с правым (Singh et al., 1981). В то же время, Anversa с сотрудниками (1983) отрицают существование различий между правым и левым желудочками по параметрам митохондрий (авторы оценивали плотность упаковки митохондрий и величину миофибриллярно-митохондриального индекса).

Ряд характерных ультраструктурных особенностей митохондрий желудочковых и предсердных кардиомиоцитов представлен в обзоре П.П.Румянцева (1982), однако приводимые данные затрагивают усредненные показатели митохондриального аппарата и не учитывают существования различных изодинамических форм органелл. Весьма показательными в этом отношении являются сообщения о том, что объемная плотность митохондрий (их относительный объем в саркоплазме) является хорошим непрямым показателем окислительной способности миокарда (Kim et al.. 1994). На наш взгляд, такой "усредняющий" подход мало оправдан из-за пренебрежения тем фактом, что митохондрии сами по себе бывают разными. Указанное пренебрежение приводит даже к таким противоречащим друг другу заключениям, которые можно встретить, например, в публикации В.Г.Леляновой с соавторами (1984). Авторы утверждают, что в процессе развития уровень тканевого дыхания определяется, главным образом, объемом митохондрий, однако обосновывают свои выводы на результатах изучения динамики массы митохондриального белка. Из приводимых авторами заключений трудно понять, допускается ли вообще возможность существования митохондрий с различной плотностью крист и матрикса органелл, не говоря уже о выраженных онтогенетических сдвигах в структурной организации митохондрий.

Рис. 58. Состояние митохондриального аппарата в межмиофибриллярной и субсарколеммальной субпопуляция...
Рис. 58. Состояние митохондриального аппарата в межмиофибриллярной и субсарколеммальной субпопуляциях зрелых желудочковых сократительных кардиомиоцитов крыс в состоянии систолы. Ув.: 18000. Mf - миофибрилла; Mt -митохондрия; S1 - сарколемма. Стрелками указаны элементы Т-системы.

Большой интерес морфологов вызвал феномен сопряжения митохондрий в единую внутриклеточную систему, предполагающую непосредственные контактные взаимодействия между отдельными органеллами. Так, в нормальном миокарде крыс обнаружено существование межмитохондриальных контактов, наиболее выраженных в суб-сарколеммальной зоне сократительных кардиомиоцитов (А.Н.Абдулла и др., 1991). По мнению Л.Е.Бакеевой с сотрудниками (1980), для митохондрий кардиомиоцитов характерно формирование "митохондриального ретикулума", состоящего из органелл округлой и овальной формы и располагающегося между миофибриллами. Длина таких митохондрий, объединенных "межмитохондриальными мостиками", достигала длины двух саркомеров. В публикации С.А.Локтионовой с соавторами (1991) представлены данные об онтогенетической тенденции в формировании межмитохондриальных контактов в миокарде птиц; наибольшее их Количество наблюдалось у новорожденных стрижей.

В цикле работ В.А.Фролова (1974; 1975; 1980) проведен анализ пространственного сопряжения митохондрий с лизосомами. Показано, что тесный контакт между указанными структурами приводил к разрушению митохондриальной мембраны в зоне прилежания органелл, за счет чего лизосомы выступают в роли внутриклеточных стимуляторов высвобождения митохондриальной ДНК с последующим новообразованием митохондрий из гиалоплазмы. С этой точки зрения автор предполагает, что лизосомы являются главным регулятором жизнедеятельности сократительных кардиомиоцитов. Кроме указанного механизма пролиферации митохондрий, были описаны также почкование и отшнуровывание от канальцев саркоплазматического ретикулума в качестве возможных путей размножения митохондрий (В.А.Фролов и др., 1989).

Существенным образом этой позиции противоречат результаты ряда исследователей, которые отвергают новообразование митохондрий de novo из цитоплазматических элементов. Так. по мнению Н.Д.Озернюка (1978), единственным способом пролиферации митохондрий является их деление. Автор описал несколько способов деления митохондрий, однако ни один из них не допускает участия гиалоплазмы в воспроизведении митохондрий. В исследованиях Д.С.Саркисова с соавторами (1973), высвобождение митохондриальной ДНК в составе сердечных миоцитов может обеспечивать ускоренное новообразование митохондрий также путем деления либо копировать белковые компоненты внутренней митохондриальной мембраны. Детальный анализ механизмов регуляции формирования митохондрий в различных мышечных тканях проведен в обзоре В.Н.Лузикова (1980).

Рис. 59.    Конденсированные  и ортодоксальные конфигурации    митохондрий
Рис. 59.    Конденсированные  и ортодоксальные конфигурации    митохондрий в межми-офибриллярном пространстве зрелых сократительных кардиомиоцитов крысы. Ув.: 28000.

В пользу этих заключений свидетельствуют результаты биохимического анализа продуктов митохондриальных генов и механизмов транскрипции ДНК органелл (Borst et al.. 1987), которые отчетливо демонстрируют несовместимость ряда ферментных белков с импортом (следовательно, несовместимость с ядерным синтезом соответствующих мРНК). Роль митохондриальной ДНК в процессе жизнедеятельности органелл и клетки в целом детально проанализирована в обзоре Yaffe с сотрудниками (1987)." Важная особенность митохондриальной ДНК заключается также в том, что в данных органеллах присутствует механизм генетической репрессии метаболитами энергообмена (С.А.Нейфах, 1972), что ранее считалось специфическим свойством микроорганизмов.

Активное участие митохондриального аппарата в патологических процессах (В.С.Пауков и др., 1974; В.В.Хлыстов и др., 1988; Suwa, 1983; Mall et al., 1985) и в процессах старения (Н.А.Левкова и др., 1972; Cortopassi et al., 1990; Biggs et al., 1991) вызвало к необходимости выделение так называемых "митохондриальных болезней" (Lindal et al., 1991). Характерная особенность реакции митохондриального аппарата на различные патологические состояния заключается в том, что отдельные митохондрии проявляют неодинаковый комплекс структурно-функциональных перестроек вплоть до полной декомпенсации: в исследовании В.А.Фролова с соавторами (1986) по данным растровой электронной микроскопии отчетливо определены и описаны разные типы деструкции митохондрий в составе одного сердечного миоцита.

Рис. 60. Митохондрия 2-го типа в парануклеарной зоне зрелого желудочкового кардиомиоцита крысы
Рис. 60. Митохондрия 2-го типа в парануклеарной зоне зрелого желудочкового кардиомиоцита крысы. Ув.: 32000.

Необходимо подчеркнуть, что решение вопроса о формировании гетерогенности митохондриального аппарата предполагает изучение двух важных аспектов: онтогенетического и энергетического. При этом качество проводимых исследований естественным образом зависит от конкретных методических подходов и от умения сочетать морфологический анализ с биохимическим. Анализ литературы показывает, что подобные исследования проводились лишь в единичных случаях и представляли собой, как правило, сопутствующие или случайные наблюдения при анализе физиологических (С.В.Елисеева и др., 1990; Э.А.Касумов и др.. 1991; Clough. 1985) или патологических процессов (В.В.Сироткин и др., 1993).

Рис. 61. Митохондрия 1-го типа в субсарколеммальной зоне
Рис. 61. Митохондрия 1-го типа в субсарколеммальной зоне желудочкового сократительного кардиомиоцита человека на 40-й неделе плодного периода развития. Ув.: 30000.

Анализ литературных данных, представленных в настоящем разделе, позволяет заключить, что полиморфность митохондрий кардиомиоцитов установлена на различных биологических объектах и при разных экспериментальных воздействиях, однако предлагаемые схемы морфолого-биохимических соответствий в функционировании митохондриального аппарата в значительной мере остаются умозрительными. Кроме того, остается нерешенным центральный вопрос о том, являются типы митохондрий генетически детерминированными (структурно-стабильными) или отражают фазы функционирования одной и той же органеллы (структурно-лабильная гетерогенность). В этих условиях закономерна постановка задачи, предусматривающей определение отчетливых количественных критериев различных типов митохондрий (если они существуют), а также хронологии и онтогенетических механизмов развития их гетерогенности в сократительных кардиомиоцитах.

Рис. 62. Тесный контакт соседних высокоэнергетических митохондрий в саркоплазме
Рис. 62. Тесный контакт соседних высокоэнергетических митохондрий в саркоплазме желудочкового сократительного кардиомиоцита человека на 40-й неделе плодного периода развития. Ув.: 45000.

Проведение ультраструктурного исследования показало, что в миокарде 40-недельных плодов человека и в сердце зрелых крыс стабильно обнаруживается выраженный полиморфизм митохондрий в саркоплазме сократительных кардиомиоцитов. В таблицах 3 и 4 представлены средние величины ультраструктурометрических параметров митохондрий, полученные на серийных срезах миокарда левого желудочка человека и крысы. Необходимо отметить, что увеличение количества исследуемых органелл в выборке, широко варьирующих по приведенным в таблицах параметрам, не приводит к заметному снижению вычисляемых стандартных ошибок и коэффициентов вариации по большинству показателей.

 

Таблица 3. Значение ультраструктурных параметров митохондрий в саркоплазме сократительных кардиомиоцитов левого желудочка сердца 40-недельных плодов человека  (x ± sx).

Ультраструктурные параметры
Объем митохондрии мкм2 0.76±0,14
Площадь поверхности наружной мембраны мкм2 5,09±0,73
Плотность крист мкм2 8.84±2,93
Количество крист в митохондрии 12,4±4,83
Площадь поверхности внутренней мембраны мкм2 7,31±2,75
Степень ориентации крист 54,9±11.2
Коэффициент сферичности 0,63±.14

Для анализа причин этого явления графически исследованы статистические распределения полученных значений. В результате этого выяснилось, что величины объемов  митохондрий и абсолютной площади наружной митохондриальной мембраны имеют нормальное (Гауссово) статистическое распределение (Рис.51; 52), тогда как распределения других изученных параметров органелл существенным образом отклоняются от нормального закона (Рис.53-57). Так,    кривая распределения значений площади внутренней митохондриальной мембраны имеет в своем составе 2 отчетливо выраженных пика, которые свидетельствуют не только о широком варьировании величин, но главным образом о существовании двух субпопуляций митохондрий, различающихся по данному параметру. В зрелых желудочковых миоцитах крысы площадь внутренней мембраны митохондрий составляет в среднем 8,43±2.91  мкм2,  однако, как видно из графика (Рис.55-Б), органелл с указанным средним значением или близким к нему в клетке немного, тогда как частота встречаемости органелл со значениями 3-5 мкм2 и 10-12 мкм2 достигает в сумме свыше 60 % от общего количества полученных значений изучаемого параметра.

Рис. 63. Пространственное сопряжение митохондрий 1-го типа с липидной каплей в саркоплазме
Рис. 63. Пространственное сопряжение митохондрий 1-го типа с липидной каплей в саркоплазме желудочкового сократительного кзрдиоми-оцита человека на 40-й неделе плодного периода развития. У в.: 38000.

Таблица 4. Значение ультраструктурных параметров митохондрий в саркоплазме зрелых сократительных кардиомиоцитов левого желудочка сердца крыс (х ± sx).

Ультраструктурные параметры
Объем митохондрии мкм2 0.81±0.19
Площадь поверхности наружной мембраны мкм2 4.73±0.86
Плотность крист мкм2 9.23±3,06
Количество крист в митохондрии 14.1±6.5
Площадь поверхности внутренней мембраны мкм2 8.43±2.91
Степень ориентации крист 61.4±14.8
Коэффициент сферичности 0.59±0.17
 

Принципиально сходный характер статистических распределений получен также для численной плотности, количества, степени ориентации митохондриальных крист (Рис.53; 54; 56) и коэффициента сферичности митохондрий (Рис.57).

Рис. 64. Микромитохондрия в парануклеарной зоне зрелого желудочкового кардиомиоцита
Рис. 64. Микромитохондрия в парануклеарной зоне зрелого желудочкового кардиомиоцита крысы. Ув.: 42000.

Учитывая эти данные, становится очевидной  выраженная гетерогенность митохондриального аппарата зрелых кардиомиоцитов,   которая обусловлена  не просто  широким полиморфизмом митохондрий,  а присутствием определенных, структурно закрепленных типов органелл в саркоплазме сократительных клеток. При этом объем митохондрии и площадь наружной митохондриальной мембраны мало определяют принадлежность той или иной изучаемой органеллы к какому-либо типу (об этом свидетельствует нормальное распределение указанных параметров). Напротив четкое разграничение частотных пиков в кривых статистических распределений других изученных характеристик указывает на ведущую их роль в принадлежности конкретной митохондрии к определенному типу.

Рис. 65.    Статистические   распределения  интегральных параметров     митохондрий
Рис. 65.    Статистические   распределения  интегральных параметров     митохондрий     в развивающемся сердце человека (А) и крысы (Б) на  этапах  кардиогенеза.

При проведении ультраструктурометрии митохондриального аппарата изучаемые параметры далеко не однозначно позволяют определять типовую принадлежность той или иной измеряемой митохондрии; часто наблюдаются такие органеллы, которые по ряду признаков приближались к значениям, характерным для одного типа, по другим - для другого, а по некоторым параметрам занимают промежуточное положение. Исходя из этого, мы провели расчет интегрального параметра каждой из изучаемых органелл, основываясь на принципах политети-ческого кластерного анализа (Bailey, 1985), который позволяет количественно описать определенный объект с учетом комплекса разнообразных критериев и степени значимости каждого из них. Необходимые расчеты проведены по разработанной нами методике (более подробно см.: И.В.Твердохлеб, 1995).

Определение интегральных параметров митохондрий позволяет обнаружить существование трех типов органелл, ультраструктурные характеристики которых представлены в таблицах 5 и 6.

 

Таблица 5. Значения ультраструктурных параметров трех типов митохондрий в сократительных кардиомиоцитах левого желудочка сердца 40-недельных плодов человека (х ± sx).

Ультраструктурные параметры Типы митохондрий
    1 2 3
Объем митgхондрии мкм2 0.88±0,10 0.69±0.14 0.43±0.06
Площадь поверхности наружной мембраны мкм2 4.92±0.51 3.86±0.62 2.38±0.29
Плотность крист мкм2 7.72±1.11 5.40±0.57 14.89±0.86
Количество крист в митохондрии 14.6±2.7 8.5±1.2 15.1±1.9
Площадь поверхности внутренней мембраны мкм2 8.84±1.21 4.06±0.71 8.38±1.49
Степень ориентации крист 67.7±8.4 50.4±9.5 89.3±8.0
Коэффициент сферичности 0.51±0.09 0.83±0.13 0.87±0.ll
 
Рис. 66. Митохондрии 1-го типа в саркоплазме сократительной клетки в миокарде человека на 6-й неделе.
Рис. 66. Митохондрии 1-го типа в саркоплазме сократительной клетки в миокарде человека на 6-й неделе эмбриогенеза. Ув.: 22000.

Митохондрии 1-го типа имеют относительно большой объем и площадь поверхности наружной мембраны обладают хорошо развитым аппаратом крист и продолговатой формой. Органеллы 2-го типа имеют в среднем меньший объем и площадь поверхности наружной мембраны и приближаются к шаровидной форме. Они значительно уступают митохондриям 1-го типа по плотности и количеству крист, а также степени их ориентации; площадь внутренней митохондриальной мембраны более чем в 2 раза меньше. Митохондрии, относящиеся к 3-му типу, имеют шаровидную форму, очень небольшой объем и площадь наружной мембраны, однако при этом количество митохондриальных крист и площадь поверхности внутренней митохондриальной мембраны не уступают показателям, характерным для органелл 1-го типа. За счет этого плотность крист описываемых митохондрий 2-кратно преобладает над параметрами органелл 1-го типа.

 Таблица 6. Значения ультраструктурных параметров трех типов митохондрий в сократительных кардиомиоцитах левого желудочка сердца зрелых крыс (х ± sx).

Ультраструктурные параметры Типы митохондрий
  1 2 3
Объем митохондрии мкм2 0.94±0.11 0.72±0,16 0,47±0,05
Площадь поверхности наружной мембраны мкм2 5,22±63 4,03±0.73 2.61±0,38
Плотность крист мкм 8,14±0.95 5,74±0,73 16.68±1,12
Количество крист в митохондрии 16,3±3.2 10.6±1.8 15.9±2.6
Площадь поверхности внутренней мембраны мкм2 10,26±1,12 4.64±0.63 10.04±1,26
Степень ориентации крист 73,6±6,3 53,6±12.1 94.1±6.1
Коэффициент сферичности 0.47 ±0,06 0,83±0,11 0.94±0,08
 

Важно отметить: рассчитанные величины коэффициентов значимости изученных характеристик митохондрий показывают, что принадлежность конкретной органеллы к тому или иному типу в наибольшей степени определяется площадью поверхности внутренней мембраны (включая мембраны крист), а также плотностью и степенью ориентации митохондриальных крист. Следовательно, функциональный профиль органелл является ведущим фактором, определяющим гетерогенность митохондриального аппарата кардиомиоцитов.

Рис. 67. Гигантская митохондрия в саркоплазме сократительного желудочкового кардиомиоцита в миокарде
Рис. 67. Гигантская митохондрия в саркоплазме сократительного желудочкового кардиомиоцита в миокарде новорожденной крысы. Mf - миофибрилла; G1 - гранулы гликогена. Ув.: 24000.

При изучении зависимости этого профиля от внутриклеточной локализации митохондрий выяснилось, что межмиофибриллярные митохондрии представлены органеллами двух типов (1-го и 3-го), которые по своим морфологическим признакам соответствуют описанным в литературе конденсированной и ортодоксальной конфигурациям митохондрий. Митохондрии 1-го типа с относительно большими размерами, удлиненной формы, с развитыми кристами и умеренно плотным матриксом существенно превалируют по количеству и по объему, занимаемому в пространстве между миофибриллами (Рис. 58). Конденсированные конфигурации митохондрий (3-го типа) отличаются от описанных органелл исключительно плотным матриксом, шаровидной формой и небольшими размерами; кристы плотно упакованы и ориентированы по отношению друг к другу (Рис.59).

Субсарколеммальная и парануклеарная субпопуляции митохондрий представляют собой комбинацию описанных типов органелл (1-го и 3-го) с митохондриями 2-го типа, которые содержат относительно прозрачный матрикс, умеренно развитые, но слабо ориентированные кристы, и имеют шаровидную форму (Рис.60). Размеры указанных митохондрий чрезвычайно варьируют. Наиболее заметным ультраструктурным их отличием является незначительная площадь поверхности внутренней митохондриальной мембраны по сравнению с таковой у межмиофибриллярных митохондрий.

Рис 68. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
Рис 68. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиопитов в интрамуральной зоне стенки левого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

По ультраструктурным характеристикам (в том числе количественным) митохондрии 1-го типа, сосредоточенные в межмиофибриллярных пространствах, существенно превосходят митохондрии 2-го типа по своей функциональной активности. В парануклеарной зоне количественно преобладают именно последние из указанных митохондрий, причем конденсированные конфигурации органелл наблюдаются в единичных случаях. Напротив, большинство из субсарколеммальных органелл представлены ортодоксальными конфигурациями митохондрий (1-го типа) с развитыми кристами, имеющими сравнительно большую площадь поверхности (Рис.61). В ряде случаев "высокоэнергетические" органеллы находятся в тесном пространственном сопряжении друг с другом (Рис.62) или с липидными включениями (Рис.63). Как в межмиофибриллярной субпопуляции, так и в парануклеарной зоне сократительных кардиомиоцитов на серийных срезах стабильно обнаруживается небольшое количество "микромитохондрий", представляющих собой развивающиеся органеллы (Рис.64).

Рис. 69. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
Рис. 69. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиопитов в субэпикардиаль-кой зоне стенки левого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

 

Сложный характер соотношения между типами митохондрий в различных их локализациях отражает распределение их функций: несмотря на устоявшееся мнение о неспецифичности митохондрий мы вынуждены признать их отчетливый функциональный градиент в кардиомиоците. Так, однородность ортодоксальной конфигурации митохондрий в межмиофибриллярной субпопуляции, представленной органеллами 1-го типа, свидетельствует об их исключительной специализации на синтезе креатинфосфата - именно эта транспортная форма АТФ может быть воспринята миофибриллами в качестве субстрата энергии. Ортодоксальные митохондрии в парануклеарной зоне, представленные, в основном, органеллами с ультраструктурными признаками умеренной функциональной активности, обеспечивают общие клеточные функции и специализированы на выработке АТФ для широкого спектра внутриклеточных АТФаз за исключением АТФаз ак-томиозинового комплекса.

 Рис. 70. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
 Рис. 70. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиоцитов в субэндокардиаль-ной зоне стенки левого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

 

 

В субсарколеммальном пространстве такие митохондрии (2-го типа), по-видимому, обеспечивают молекулами АТФ мембранные АТ-Фазы, тогда как высокоактивные органеллы 1-го типа (синтезирующие креатинфосфат) - АТФазы маргинальных саркомеров.

Пространственная сопряженность саркомеров и межмиофибриллярных митохондрий связана, видимо, с их хронологической сопряженностью. Частота выявления конденсированных конфигураций органелл указанной субпопуляции значительно превышает таковую в парануклеар-ном и субсарколеммаль-ном пространствах. Если учесть, что конденсированная и ортодоксальная конфигурации отражают цикличность функционирования одной и той же митохондрии, то несложно сделать предположение о различных режимах работы органелл в составе трех субпопуляций (парануклеарной, межмиофибриллярной и субсарколеммальной).

Рис.71. Накопление низкоэнергетических органелл в парануклеарном пространстве
Рис.71. Накопление низкоэнергетических органелл в парануклеарном пространстве сократительного кардномноцита крысы в субэндокар-днальной зоне левого желудочка на 16-е сутки эмбриогенеза. Ув.: 12000.

 

На наш взгляд, различия могут быть обусловлены двумя причинами. Первая из них - неодинаковая продолжительность циклов в митохондриях указанных субпопуляций. При этом придется допустить, что скорость смены фаз цикла определяется не типом органеллы, а условиями ее функционирования. Вторая причина - цикличность функционирования ортодоксальных митохондрий высокознергетичес-кого типа и отсутствие циклов у низкоэнергетических органелл.

Установление точного механизма и хронологии цикличности функционирования митохондрий в различных внутриклеточных субпопуляциях имеет ряд принципиально важных следствий (в частности, решение вопроса о взаимной трансформации высокой низкоэнергетических органелл), однако эта задача по сложности превосходит возможности морфологического подхода и ожидает своего разрешения в рамках количественного биохимического исследования.

Рис. 72. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
Рис. 72. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиодитов в интрамуральной Зоне стенки правого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

Одним из наиболее отчетливых критериев функциональной способности митохондрий является интенсивность окислительного фосфорилирования, реализуемая полиферментным комплексом в цикле трикарбоновых кислот. Основываясь на неодинаковой плотности обнаруженных типов митохондрий, мы провели дифференциальное центрифугирование безъядерных гомогенатов желудочкового миокарда зрелых крыс и получили 3 фракции натив-ных органелл, морфологически соответствующих выявленным типам. Исследование метаболического профиля митохондрий в полученных фракциях позволило количественно охарактеризовать функциональные особенности каждого из трех типов органелл.

Результаты биохимического анализа показывают, что активность сукцинатдегидрогеназы (центрального фермента цикла Кребса) и изоцитратдегидрогеназы (лимитирующего фермента указанного цикла) не имеет статистически значимых различий в изученных фракциях митохондрий (Табл.7).

 

Таблица 7 Сравнительная метаболическая характеристика трех типов митохондрий в сократительных кардиомиоцитах левого желудочка сердца зрелых крыс (х ± sx).

Биохимические параметры Типы митохондрий
  1 2 3
Активность ИЦДГ нМ/мин/мг 6,38±1.14 5.94±0.73 6,03±1,06
Активность СДГ нМ/мин/мг 2,66±0,35 2.70±0.41 2.94±0,63
Активность ЛДГ нМ/мин/мг - 0.68±0.08 -
Содержание креатин-фосфата, нМ/мг 6.81±0.86 0,32±0.09 -
Содержание АТФ нМ/мг 0,22±0,06 4.18±0.50 -
 

Отсутствие различий в ферментативной активности, выражаемой в наномолях соответствующего субстрата за единицу времени в расчете на 1 мг митохондриального белка, не является неожиданностью. так как известно (Lehninger, 1976), что дыхательные полиферментные ансамбли равномерно распределены по плоскости внутренней митохондриальной мембраны с константной частотой (расстояние между комплексами составляет около 200 ангстрем). С этой точки зрения адекватной мерой функциональной активности митохондрии является абсолютная площадь внутренней митохондриальной мембраны (включая мембраны крист), которая определялась в нашем исследовании с помощью серийной ультраструктурометрии. Таким образом, митохондрии 1-го и 3-го типов являются наиболее активными в отношении энергетического метаболизма по сравнению с органеллами 2-го типа.

Рис. 73. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
Рис. 73. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиодитов в субэпикардиальной зоне стенки правого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

При изучении активности лактатдегидрогеназы и фосфофруктокиназы, являющихся соответственно центральным и лимитирующим ферментами гликолиза, установлено, что митохондрии 2-го типа обладают высокой гли-колитической активностью; органеллы 1-го и 3-го типов практически не обладают способностью накапливать на своих мембранах молекул лактат- и изоцитратдегидрогеназы (Табл.7).

При проведении биохимического анализа обнаруживается весьма интересная метаболическая особенность исследуемых фракций митохондрий, имеющая, на наш взгляд, принципиальный характер. Заключается она в том, что митохондрии 1-го типа содержат большое количество креатинфосфата и весьма низкий уровень АТФ; напротив, митохондрии 2-го типа накапливают умеренное количество молекул АТФ на фоне следовых количеств креатинфосфата; органеллы 3-го типа, несмотря на высокий уровень содержания белковых молекул сукцинат- и изоцитратдегидрогеназы, практически не обладают способностью накапливать макроэргические фосфаты (Табл.7).

 Рис. 74. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра
 Рис. 74. Динамика плотности упаковки митохондрий (верхний ряд) и интегрального параметра гетерогенности (нижний ряд) митохондриального аппарата кардиомиоцитов в субэндокардиальной зоне стенки правого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

Оценивая описанные метаболические особенности, мы считаем возможным интерпретировать их следующим образом: 1) митохондрии 1-го типа проявляют специализацию в отношении интенсивной выработки креатинфосфата в качестве макроэргического субстрата для последующей утилизации АТФазами миофибрилл; 2) митохондрии 2-го типа специализированы на продукции и накоплении АТФ для энергетического обеспечения неспецифических клеточных функций общего профиля; 3) митохондрии 3-го типа, лишенные морфологических и биохимических признаков деструкции, не обладают способностью к продуцированию и накоплению макроэргических фосфатов и находятся в состоянии своеобразного энергетического "резерва", так как содержат чрезвычайно плотно упакованные кристы с функционально валидными полиферментными комплексами; 4) митохондрии 2-го типа, проявляющие выраженную гликолитическую активность, обладают способностью к быстрым адаптивным перестройкам метаболических реакций в условиях дефицита кислорода, тогда как митохондрии 1-го и 3-го типов такой способностью не обладают.

Рис. 75. Низкоэнергетические митохондрии в парануклеарном пространстве кардиомиоцитов в субэндокард...
Рис. 75. Низкоэнергетические митохондрии в парануклеарном пространстве кардиомиоцитов в субэндокардиальной зоне миокарда новорожденной крысы. Ув.: 36000.

Последняя из указанных особенностей свидетельствует о том, что изоформная трансформация "высокоэнергетических" митохондрий 1-го типа в "низкоэнергетические" органеллы 2-го типа (или наоборот) имеет малую вероятность, так как различия между ними имеют не только функциональный характер, но и структурный (выражающийся в неодинаковом наборе ферментных белков в составе полиферментного комплекса). По всей видимости, существование отчетливого гетерогенитета между "высокоэнергетическими" и "низкоэнергетическими" митохондриями в саркоплазме зрелых кардиомиоцитов генетически детерминировано.

Далее — [...иной характер соотношений обнаруживается между митохондриями 1-го и 3-го типов].

Поддержка
 © 2008-2015 Cardiogenes.dp.ua
© обработка Dr. Andy  
Key words: heart, cardiogenesis, cardiac development. Ключевые слова: сердце, кардиогенез, гистогенез миокарда эндокарда эпикарда, ангиогенез, развитие сердечно-сосудистой системы, васкулогенез, эмбриология, теоретическая кардиология, врожденные пороки сердца, струны сердца. Миокард человека и животных, наука, медицина, ветеринария, сердце.
Rambler's Top100 li MyCounter