Кратко о разных строениях и их смысле
- Мышечные (особенно сердечные и медленно сокращающиеся скелетные) митохондрии: большая доля объёма клетки, плотные и многочисленные кристы, часто организованы в сети между миофибриллами (субсарколеммальные и интерфибриллярные популяции). Это обеспечивает большую мембранную поверхность для дыхательной цепи и быструю локальную поставку АТФ при высоких и регулярных энергетических нагрузках.
- Печёночные митохондрии: более разнообразной формы, меньше плотности крист и больше места для ферментов матрикса, участвуют в синтезе, детоксикации и обмене веществ; способны гибко переключаться между окислением разных субстратов, но по единице объёма обычно имеют меньшую максимальную ОФП-способность, чем мышечные.
Какие параметры отражают эти различия
- Объём митохондрий на единицу объёма клетки (mitochondrial volume fraction).
- Площадь поверхности крист/объём митохондрии.
- Активность ОФК/комплексов дыхательной цепи и содержание белков (цитохром c, комплексы I–V).
- Функциональные параметры: базальное и максимальное потребление O2, ATP‑синтезная способность, респираторный контроль (сопряжённость).
Эксперименты и ожидаемые результаты (кратко, с методикой и ожидаемым отличием)
1) Электронная микроскопия (TEM)
- Что делать: фиксировать ткани, делать ультратонкие срезы, измерять долю объёма, плотность крист (кристы/µm²) и форму.
- Ожидается: у мышечных клеток — большая доля митохондрий и более высокая плотность крист по сравнению с печенью.
2) Флуоресценция и количественная микроскопия (Mitotracker, TOM20) + анализ объёма
- Что делать: красить живые клетки Mitotracker или иммуномаркировка TOM20, конфокальная/суперразрешающая микроскопия, подсчёт митохондриальной площади/объёма.
- Ожидается: большее митохондриальное покрытие в мышечных клетках; более фрагментированная/гетерогенная сеть в печени.
3) Измерение потребления кислорода (Seahorse или Oxygraph)
- Что делать: измерять базальное потребление O2, ATP‑связанное дыхание, максимальную дыхательную способность (при FCCP), запас резерва.
- Ожидается: мышцы — более высокий базальный и максимальный OCR на единицу митохондриальной массы; большая зависимость от ОФФ и меньшая от гликолиза в окислительных волокнах.
4) Изоляция митохондрий и измерение респираторного коэффициента (RCR)
- Что делать: изолировать митохондрии, измерить скорость дыхания в состоянии 3 (ADP‑стимулированная) и 4 (в покое), вычислить $RCR=\frac{\text{State 3}}{\text{State 4}}$.
- Ожидается: у мышечных митохондрий $RCR$ выше, и State 3 выше — лучшее сопряжение и более высокая фосфорилирующая способность.
5) Измерение синтеза ATP и P/O
- Что делать: в изолированных митохондриях или клетках измерить скорость синтеза ATP при подаче субстрата и O2; вычислить относительную эффективность $P/O$.
- Ожидается: мышечные митохондрии демонстрируют высокую ATP‑выработку на единицу O2 при условиях физиологического сопряжения.
6) Биохимические маркёры митохондрий
- Что делать: активность цитратсинтазы (маркер митохондриального контента), активность комплексов I–V (ферментные тесты), Western blot для белков комплексов.
- Ожидается: мышцы — выше активность комплексов и цитохром c на единицу клеточного белка; печень — более выражены ферменты для метаболизма различных субстратов.
7) mtDNA копия и транскрипция
- Что делать: qPCR для копий mtDNA и RT‑qPCR для транскриптов митохондриальных генов.
- Ожидается: в тканях с большим митохондриальным контентом (мышца) — больше копий mtDNA на клетку.
8) Функциональные испытания при нагрузке/стрессe
- Что делать: нагрузить клетки (адреналин/электрическая стимуляция/увеличение Ca2+), измерять изменение OCR, ATP, ROS.
- Ожидается: мышечные митохондрии быстрее и эффективнее увеличивают О2‑потребление и ATP‑продукцию; печень показывает большую метаболическую гибкость (изменение субстратов).
Контроль и нормализация
- Нормализовать результаты по цитратсинтазе, mtDNA или протеину TOM20, чтобы отделить различия в содержании митохондрий от различий в их удельной активности.
Краткие выводы
- Структурные различия (кристы, объём, организация) соответствуют потребности в высоком постоянном ATP у мышц и в метаболической гибкости у печени. Предложенные эксперименты (TEM, Seahorse/Oxygraph, RCR, ферментные тесты, маркёры митохондрий и стимулы) позволяют количественно подтвердить эти различия и их функциональные последствия.