5. Метаболические аспекты

5.1. Пролиферация мембран и особенности метаболизма

Как отмечалось в гл. 1, отдельные метаболические процессы часто локализованы на мембранах или в органеллах какого-либо одного типа. Следовательно, по степени развития отдельных мембран можно составить четкое представление о характерных особенностях метаболизма той или иной клетки.

Транспорт электронов и окислительное фосфорилирование в конечном счете осуществляются на митохондриальных кристах. Именно поэтому клетки, которые постоянно нуждаются в большом количестве энергии (например, клетки летательной мышцы насекомых, сердечной мышцы млекопитающих или почки), содержат большое число митохондрий с хорошо развитыми кристами (рис. 90, А). Для таких митохондрий характерны повышенное содержание дыхательных ферментов и более высокая интенсивность дыхания по сравнению, например, с митохондриями из клеток печени (рис. 90, Б), функции которых более разнообразны, в связи с чем число крист в них значительно меньше и развиты они слабее.

Рис. 90. Митохондрии из клеток летательной мышцы насекомых (А) и клеток печени млекопитающих (Б)

Взаимосвязь мембран и метаболизма клетки легко прослеживается на примере морфологических изменений, которые сопровождают изменение интенсивности некоторых метаболических процессов. Митохондрии дрожжевых клеток, выращенных в аэробных условиях в присутствии умеренных концентраций глюкозы, обладают высокой дыхательной активностью и высоким содержанием ферментов, осуществляющих транспорт электронов. Наиболее важным источником метаболической энергии у этих дрожжей является окислительное фосфорилирование. При выращивании в анаэробной среде или в среде с повышенной концентрацией глюкозы дрожжевые клетки содержат мало митохондрий и небольшое количество дыхательных ферментов, а энергию получают за счет гликолиза. Однако с помощью особых методов электронной микроскопии (замораживание со скалыванием или специальная фиксация) в цитоплазме анаэробных дрожжей можно обнаружить органеллы, лишенные крист и заполненные электроноплотным материалом. Эти органеллы чрезвычайно хрупки, поэтому их выделение связано с определенными трудностями. Такие органеллы, характеризующиеся исключительно низким содержанием дыхательных ферментов, получили название промитохондрий. Аэрация культуры анаэробных дрожжей приводит к восстановлению дыхательной активности и окислительного фосфорилирования. Органеллы, которые содержатся в это время в дрожжевых клетках, обязательно имеют кристы (рис. 91). Исследования с применением методов радиоактивных изотопов и электронной микроскопии свидетельствуют о том, что эти органеллы образовались из промитохондрий (гл. 6).

Рис. 91. Образование митохондрий из промитохондрий

Многие лекарственные препараты, такие, например, как фенобарбитал и этилморфин, при первом применении эффективны в малых дозах, однако в дальнейшем для поддержания терапевтического уровня препарата в крови и тканях требуются более высокие дозы. Это объясняется тем, что в печени происходит синтез ферментных систем (гидроксилаз, деметилаз и т. д.), а также системы транспорта электронов, содержащей цитохром Р₄₅₀, специфически действующий на вводимые препараты^*. У животных, у которых возникла подобная толерантность, отмечается увеличение печени. На электронных микрофотографиях можно видеть, что цитоплазма печеночных клеток этих животных заполнена мембранами гладкой эндоплазматической сети (рис. 92, Б). При фракционировании гомогената такой печени получают обильную микросомную фракцию, состоящую из пузырьков с гладкой поверхностью, которые содержат высокоактивные ферменты, способные модифицировать (снижать токсичность) лекарственные препараты. Если прекратить введение препарата животному, то в клетках печени восстанавливается нормальный уровень ферментативной активности, что сопровождается инволюцией мембран гладкой эндоплазматической сети.

^* (При стимуляции барбитуратами содержание цитохрома Р₄₅₀ в микросомах печени может возрастать от 20 до 80% общего содержания белков. - Прим. ред.)

Рис. 92. Электронные микрофотографии клеток печени. А - клетка нормальной печени, в которой преобладают мембраны шероховатой эндоплазматической сети. Б - изменения в клетке после того, как животному вводили фенобарбитал; мембраны шероховатой плазматической сети исчезли, а вместо них в клетке содержится большое количество мембран гладкой эндоплазматической сети