6.8. Сборка митохондрий и хлоропластов

Вопрос о сборке и молекулярной организации внутренней мембраны митохондрий и хлоропластов связан с решением ряда проблем. Как митохондрии, так и хлоропласты произошли, вероятно, из прокариотических организмов, которые на очень ранних этапах эволюции "колонизировали" другие клетки и перешли, таким образом, к эндосимбиотическому существованию. У этих органелл сохранился свой геном (ДНК) и механизм трансляции (различные виды РНК и рибосомы), позволяющие митохондриям и хлоропластам синтезировать свои собственные белки. Митохондрии и хлоропласты отличаются от всех остальных внутриклеточных органелл еще и тем, что в зависимости от условий существования они могут находиться как в функционально активной, так и в неактивной форме. Так, внутренняя митохондриальная мембрана дрожжей, выращенных в аэробных условиях, весьма эффективно катализирует дыхание и окислительное фосфорилирование. Однако дрожжи, выращенные в анаэробных условиях или в присутствии некоторых метаболитов, утрачивают эти виды метаболической активности (гл. 5). Аналогичным образом растения, выращенные на свету, имеют хлоропласты с активно функционирующим фотосинтетическим аппаратом, тогда как растения, выращенные в темноте, приобретают способность катализировать фотосинтетические процессы только после нескольких часов освещения. Эти изменения функциональной активности органелл носят обратимый характер.

Промитохондрии дрожжей, выращенных в анаэробных условиях, имеют упрощенную внутреннюю мембрану, лишенную крист и характеризующуюся низким содержанием большинства белковых компонентов цепи транспорта электронов и цикла трикарбоновых кислот (гл. 5). Эти мембраны, однако, содержат АТФазу системы окислительного фосфорилирования. Липиды внутренней мембраны промитохондрий состоят в основном из остатков насыщенных жирных кислот с короткой углеводородной цепью и очень небольшого количества дифосфа- тидилглицерина. Если в культуральную среду добавить ненасыщенные жирные кислоты (биосинтез которых осуществляется в присутствии кислорода), то эти кислоты включаются в состав мембранных липидов и мембрана приобретает более "митохондриальную" конфигурацию. Этот процесс, однако, не сопровождается появлением функциональной активности.

Трансформация промитохондрий в функционально активные митохондрии после аэрации культуры занимает несколько часов, причем различные виды ферментативной активности возникают асинхронно. Небольшая НАД⋅Н-оксидазная активность, чувствительная к антимицину, появляется, однако, уже в течение первого часа. Это свидетельствует о том, что даже в начальный период аэрации в промитохондриях возникает небольшое число полностью функционально активных цепей транспорта электронов. Развитие промитохондрий в митохондрии подавляется веществами, блокирующими биосинтез белка в цитоплазме или митохондриях. Результаты экспериментов с использованием радиоактивной метки показывают, что в течение первого часа аэрации лишь небольшая часть белковых компонентов мембраны синтезируется на митохондриальных рибосомах (и кодируется митохондриальной ДНК). Эти полипептиды гидрофобны, прочно связаны с внутренней митохондриальной мембраной и выполняют, по-видимому, "организующие" функции в процессе ее сборки. Ферменты цикла трикарбоновых кислот, дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования кодируются в основном ядерной ДНК и синтезируются на цитоплазматических рибосомах. Эти белки затем транспортируются к внутренней мембране митохондрий, где их внедрение в мембрану зависит от присутствия гидрофобных полипептидов, синтезируемых в митохондриях.

Сходным образом протекает дифференцировка хлоропластов, где рудиментарная система внутренней мембраны, состоящая из проламеллярного структурного образования, превращается в очень сложную систему ламелл и гран. Белки, синтезируемые на ранних стадиях развития хлоропластов и играющие существенную роль в молекулярной организации мембраны, поступают из цитоплазмы. Кроме того, некоторые белки, кодируемые ядерной ДНК и транслируемые цитоплазматической мРНК, могут синтезироваться как на цитоплазматических рибосомах, так и на рибосомах хлоропластов.