§17. Митохондрии

Митохондрии есть у всех типов эукариотных клеток (рис. 1). Они имеют вид либо округлых телец, либо палочек, реже - нитей. Их размеры колеблются от 1 до 7 мкм. Число митохондрий в клетке составляет от нескольких сотен до десятков тысяч (у крупных простейших).

Рис . 1. Митохондрии. Вверху - митохондрии (?) в мочевых канальцах, видимые в световом микроскопе. Внизу - трехмерная модель организации митохондрии: 1 - кристы; 2 - внешняя мембрана; 3 - внутренняя мембрана; 4 - матрикс

Митохондрия образована двумя мембранами - внешней и внутренней , между которыми расположено межмембранное пространство . Внутренняя мембрана образует множество впячиваний - крист, представляющих собой либо пластины, либо трубочки. Такая ее организация обеспечивает огромную площадь внутренней мембраны. На ней располагаются ферменты, обеспечивающие преобразование энергии, заключенной в органических веществах (углеводах, липидах), в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки. Следовательно, функция митохондрий - участие в энергетических клеточных процессах. Именно поэтому большое количество митохондрий присуще, например, мышечным клеткам, выполняющим большую работу.

Пластиды . В растительных клетках обнаруживаются особые органоиды - пластиды, имеющие чаще веретеновидную или округлую форму, иногда более сложную. Различают три вида пластид - хлоропласты (рис. 2), хромопласты и лейкопласты.

Хлоропласты отличаются зеленым цветом, который обусловлен пигментом - хлорофиллом , обеспечивающим процесс фотосинтеза , т. е. синтеза органических веществ из воды (Н 2 О) и углекислого газа (СО 2) с использованием энергии солнечного света. Хлоропласты содержатся преимущественно в клетках листьев (у высших растений). Они сформированы двумя параллельно расположенными друг другу мембранами, окружающими содержимое хлоропластов - строму . Внутренняя мембрана образует многочисленные уплощенные мешочки - тилакоиды , которые сложены в стопки (наподобие стопки монет) - граны - и лежат в строме. Именно в тила-коидах и содержится хлорофилл.

Хромопласты определяют желтый, оранжевый и красный цвет многих цветков и плодов, в клетках которых присутствуют в большом количестве. Основными пигментами в их составе являются каротины . Функциональное назначение хромопластов состоит в цветовом привлечении животных, обеспечивающих опыление цветков и распространение семян.

Рис. 2. Пластиды: а - хлоропласты в клетках листа элодеи, видимые в световом микроскопе; б - схема внутреннего строения хлоропласта с гранами, представляющими собой стопки плоских мешочков, расположенных перпендикулярно поверхности хлоропласта; в - более подробная схема, на которой видны анастомозирующие трубочки, соединяющие отдельные камеры гран

Лейкопласты - это бесцветные пластиды, содержащиеся в клетках подземных частей растений (например, в клубнях картофеля), семян и сердцевины стеблей. В лейкопластах, главным образом, происходит образование из глюкозы крахмала и накапливание его в запасающих органах растений.

Пластиды одного вида могут превращаться в другой. Например, при осеннем изменении цвета листьев хлоропласты превращаются в хромопласты.

Митохондрии — это микроскопические мембранные органоиды, которые обеспечивают клетку энергией. Поэтому их называют энергетическими станциями (аккумулятором) клеток.

Митохондрии отсутствуют в клетках простейших организмов, бактерий, энтамеб, которые живут без использования кислорода. Некоторые зеленые водоросли, трипаносомы содержат одну большую митохондрию, а клетки сердечной мышцы, мозга имеют от 100 до 1000 данных органелл.

Особенности строения

Митохондрии относятся к двухмембранным органеллам, имеют внешнюю и внутреннюю оболочки, межмембранное пространство между ними и матрикс.

Внешняя мембрана . Она гладкая, не имеет складок, отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы. Ширина ее равна 7нм, в составе находятся липиды и белки. Важную роль выполняет порин - белок, образующий каналы во внешней мембране. Они обеспечивают ионный и молекулярный обмен.

Межмембранное пространство . Величина межмембранного пространства около 20нм. Вещество, заполняющее его по составу сходно с цитоплазмой, за исключением крупных молекул, которые могут сюда проникнуть только путем активного транспорта.

Внутренняя мембрана . Построена в основном из белка, только треть отводится на липидные вещества. Большое количество белков являются транспортными, так как внутренняя мембрана лишена свободно проходимых пор. Она формирует много выростов – крист, которые выглядят, как приплюснутые гребни. Окисление органических соединений до CO 2 в митохондриях происходит на мембранах крист. Этот процесс кислородзависимый и осуществляется под действием АТФ-синтетазы. Высвобожденная энергия сохраняется в виде молекул АТФ и используется по мере необходимости.

Матрикс – внутренняя среда митохондрий, имеет зернистую однородную структуру. В электронном микроскопе можно увидеть гранулы и нити в клубках, которые свободно лежат между кристами. В матриксе находится полуавтономная система синтеза белка – здесь расположены ДНК, все виды РНК, рибосомы. Но все же большая часть белков поставляется с ядра, поэтому митохондрии называют полуавтономными органеллами.

Расположение в клетке и деление

Хондриом – это группа митохондрий, которые сосредоточены в одной клетке. Они по-разному располагаются в цитоплазме, что зависит от специализации клеток. Размещение в цитоплазме также зависит от окружающих ее органелл и включений. В клетках растений они занимают периферию, так как к оболочке митохондрии отодвигаются центральной вакуолью. В клетках почечного эпителия мембрана образует выпячивания, между которыми находятся митохондрии.

В стволовых клетках, где энергия используется равномерно всеми органоидами, митохондрии размещены хаотично. В специализированных клетках они, в основном, сосредоточены в местах наибольшего потребления энергии. К примеру, в поперечно-полосатой мускулатуре они расположены возле миофибрилл. В сперматозоидах они спирально охватывают ось жгутика, так как для приведения его в движение и перемещения сперматозоида нужно много энергии. Простейшие, которые передвигаются при помощи ресничек, также содержат большое количество митохондрий у их основания.

Деление . Митохондрии способны к самостоятельному размножению, имея собственный геном. Органеллы делятся с помощью перетяжки или перегородок. Формирование новых митохондрий в разных клетках отличается периодичностью, например, в печеночной ткани они сменяются каждые 10 дней.

Функции в клетке

1. Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
2. Депонирование ионов Кальция.
3. Участие в обмене воды.
4. Синтез предшественников стероидных гормонов.

Молекулярная биология – это наука, изучающая роль митохондрий в метаболизме. В них также идет превращение пирувата в ацетил-коэнзим А, бета-окисление жирных кислот.

Сходство митохондрий и хлоропластов

Общие свойства для митохондрий и хлоропластов обусловлены, прежде всего, наличием двойной мембраны.

Признаки сходства также заключаются в способности самостоятельно синтезировать белок. Эти органеллы имеют свое ДНК, РНК, рибосомы.

И митохондрии и хлоропласты могут делиться с помощью перетяжки.

Объединяет их также возможность продуцировать энергию, митохондрии более специализированы в этой функции, но хлоропласты во время фотосинтезирующих процессов тоже образуют молекулы АТФ. Так, растительные клетки имеют меньше митохондрий, чем животные, потому что частично функции за них выполняют хлоропласты.

Опишем кратко сходства и различия:

• Являются двомембранными органеллами;
• внутренняя мембрана образует выпячивания: для митохондрий характерны кристы, для хлоропластов – тиллакоиды;
• обладают собственным геномом;
• способны синтезировать белки и энергию.

Различаются данные органоиды своими функциями: митохондрии предназначены для синтеза энергии, здесь осуществляется клеточное дыхание, хлоропласты нужны растительным клеткам для фотосинтеза.

В клетках живых организмов обнаруживаются митохондрии и хлоропласты. Эти органоиды имеют немало одинаковых черт. Но вместе с тем существует и разница между ними. Произведем сравнение и выясним, чем отличаются митохондрии от хлоропластов.

Общие сведения

Объектом внимания служат органоиды, верхний слой которых представлен двойной мембраной. Немаловажным объединяющим признаком митохондрий и хлоропластов также является их относительно автономное существование в клетке. Оно выражается, во-первых, в том, что и те и другие имеют «персональные» рибосомы и РНК для синтеза белка.

Во-вторых, митохондриям и хлоропластам свойственно не образование из каких-либо клеточных структур, а размножение делением, происходящее в большинстве случаев по самостоятельному сценарию. Вся наследственная информация заключается опять-таки в собственных молекулах ДНК. Однако полностью независимыми обсуждаемые органоиды не являются, и в целом ими управляет главный клеточный аппарат.

Сравнение

Образования первого вида есть в клетках любого происхождения (растительного и животного), имеющих в своей структуре ядро. Так устроены митохондрии :

Строение митохондрии

Хлоропласты – необходимые элементы только растительных клеток. Это пластиды с зеленой окраской, обусловленной содержанием соответствующего пигмента.

Отличие митохондрий от хлоропластов заключается в их назначении. Первым из них отведена роль главных производителей АТФ – незаменимого источника энергии. Процесс синтеза связан с клеточным дыханием, за которое отвечают ферменты митохондрий. Хлоропласты тоже способны к производству энергетического материала. Но в первую очередь они нацелены на фотосинтез, сущность которого сводится к выработке органических веществ при действии света.

Как уже было упомянуто, рассматриваемые компоненты клетки обладают двухслойной мембраной. Но строение этой защитной оболочки у органоидов отличается. В чем разница между митохондриями и хлоропластами в данном отношении? Ее можно увидеть в особенностях организации внутреннего мембранного слоя (наружный в том и другом случае является ровным).

У митохондрий эта часть структуры образует направленные вглубь складки, иначе кристы. Собранный так внутренний слой имеет внушительную площадь поверхности. Это повышает эффективность биохимических процессов, ведь здесь размещено множество различных ферментов.

В свою очередь, у хлоропластов внутренними мембранными образованиями являются тилакоиды. Это дискообразные элементы, которые содержат вещества, ответственные за фотосинтез. Тилакоиды группируются в стопки. Каждый такой блок из нескольких прижатых друг к другу единиц называется граной.

1. Распределите органоиды на три группы: одномембранные, двумембранные и немембранные.

Рибосомы, лизосомы, пластиды, комплекс Гольджи, вакуоли, клеточный центр, митохондрии, эндоплазматическая сеть.

Одномембранные: лизосомы, комплекс Гольджи, вакуоли, эндоплазматическая сеть.

Двумембранные: пластиды, митохондрии.

Немембранные: рибосомы, клеточный центр.

2. Как устроены митохондрии? Какую функцию они выполняют?

Митохондрии могут иметь вид округлых телец, палочек, нитей. Это двумембранные органоиды. Наружная мембрана гладкая, она отделяет содержимое митохондрии от гиалоплазмы и отличается высокой проницаемостью для различных веществ. Внутренняя мембрана менее проницаема, она образует кристы – многочисленные складки, направленные внутрь митохондрий. За счёт крист площадь поверхности внутренней мембраны существенно увеличивается. Внутренняя мембрана митохондрий содержит ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания и обеспечивающие синтез АТФ. Между наружной и внутренней мембранами имеется межмембранное пространство.

Внутреннее пространство митохондрий заполнено гелеобразным матриксом. В нём содержатся различные белки, в том числе ферменты, аминокислоты, кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и другие вещества, а также рибосомы.

Функция митохондрий – синтез АТФ за счёт энергии, высвобождающейся в процессе клеточного дыхания при окислении органических соединений. Начальные этапы окисления веществ в митохондриях происходят в матриксе, а последующие – на внутренней мембране. Таким образом, митохондрии являются «энергетическими станциями» клетки.

3. Какие типы пластид вам известны? Чем они различаются? Почему осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую?

Основные типы пластид – хлоропласты, лейкопласты и хромопласты.

Хлоропласты имеют зелёную окраску т.к. содержат основные фотосинтетические пигменты – хлорофиллы. Также в хлоропластах содержатся оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды. Обычно хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Хорошо развита внутренняя мембранная система, тилакоиды собраны в стопки – граны. Главная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.

Лейкопласты – бесцветные пластиды. Они не имеют гран и не содержат пигментов. В лейкопластах откладываются запасные питательные вещества – крахмал, белки, жиры.

Хромопласты имеют оранжевый, жёлтый или красный цвет, что связано с содержанием в них каротиноидов. Форма хромопластов разнообразная – дисковидная, серповидная, ромбическая, пирамидальная и т.п. В этих пластидах отсутствует внутренняя мембранная система. Хромопласты обусловливают яркую окраску зрелых плодов (например, томатов, рябины, шиповника) и некоторых других органов растений (например, корнеплодов моркови).

При старении листьев растений в хлоропластах происходит разрушение хлорофилла, внутренней мембранной системы, и они превращаются в хромопласты. Поэтому осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую.

4. Охарактеризуйте строение и функции хлоропластов.

Хлоропласты – зелёные пластиды, их цвет обусловлен наличием основных фотосинтетических пигментов – хлорофиллов. Хлоропласты содержат также вспомогательные пигменты – оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды.

Чаще всего хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Это двумембранные органоиды, между наружной и внутренней мембранами есть межмембранное пространство. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует впячивания, которые превращаются в замкнутые дисковидные образования – тилакоиды. Стопки лежащих друг над другом тилакоидов называются гранами.

В мембранах тилакоидов расположены фотосинтетические пигменты, а также ферменты, которые участвуют в преобразовании энергии света. Внутренняя среда хлоропласта – строма. В ней содержатся кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК, рибосомы, запасные вещества (липиды, зёрна крахмала) и различные белки, в том числе ферменты, участвующие в фиксации углекислого газа.

Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза. Кроме того, в них происходит синтез АТФ, некоторых липидов и белков.

5. Клетки летательных мышц насекомых содержат по нескольку тысяч митохондрий. С чем это связано?

Главная функция митохондрий – синтез АТФ, т.е. митохондрии являются "энергетическими станциями" клетки. Для работы летательных мышц необходимо большое количество энергии, поэтому каждая клетка содержит несколько тысяч митохондрий.

6. Сравните хлоропласты и митохондрии. Выявите черты их сходства и различия.

Сходство:

● Двумембранные органоиды. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует многочисленные впячивания, служащие для увеличения площади поверхности. Между мембранами имеется межмембранное пространство.

● Имеют собственные кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и рибосомы.

● Способны к росту и размножению путём деления.

● В них осуществляется синтез АТФ.

Различия:

● Впячивания внутренней мембраны митохондрий (кристы) имеют вид складок или гребней, а впячивания внутренней мембраны хлоропластов образуют замкнутые дисковидные структуры (тилакоиды), собранные в стопки (граны).

● Митохондрии содержат ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания. Внутренняя мембрана хлоропластов содержит фотосинтетические пигменты и ферменты, участвующие в преобразовании энергии света.

● Основная функция митохондрий – синтез АТФ. Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.

И (или) другие существенные признаки.

7. Докажите на конкретных примерах справедливость утверждения: «Клетка представляет собой целостную систему, все компоненты которой находятся в тесной взаимосвязи друг с другом».

Структурные компоненты клетки (ядро, поверхностный аппарат, гиалоплазма, цитоскелет, органоиды) относительно обособлены друг от друга, и каждый из них выполняет специфические функции. Тем не менее, все клеточные компоненты тесно взаимосвязаны, и клетка представляет собой единое целое.

Наследственная информация клетки хранится в ядре, а реализуется на рибосомах в виде конкретных белков. Структурные компоненты рибосом (субъединицы) формируются в ядре. Некоторые рибосомы находятся в свободном состоянии в гиалоплазме, другие же прикрепляются к мембранам ЭПС и ядра. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, поступают для хранения и модификации в комплекс Гольджи. От цистерн комплекса Гольджи отшнуровываются экзоцитозные пузырьки и лизосомы. Из пузыревидных расширений ЭПС и пузырьков комплекса Гольджи формируются вакуоли. Цитоплазматическая мембрана участвует в отборе веществ, необходимых клетке. Некоторые из них могут быть использованы только после предварительного расщепления с помощью лизосом. Часть полученных веществ служит источником энергии для клетки, подвергаясь расщеплению в гиалоплазме, а затем – в митохондриях. Другие вещества используются в качестве материала для синтеза более сложных соединений. Эти процессы протекают в различных частях клетки – в гиалоплазме, ЭПС, комплексе Гольджи, на рибосомах, а энергию, необходимую для всех процессов биосинтеза, поставляют митохондрии (в виде АТФ). Внутриклеточный транспорт частиц и органоидов обеспечивают микротрубочки, сборку которых инициирует клеточный центр. Гиалоплазма объединяет все внутриклеточные структуры, обеспечивая их различные взаимодействия.

И (или) другие примеры, иллюстрирующие взаимосвязь структурных компонентов клетки.

8. В чём заключается относительная автономность митохондрий и хлоропластов в клетке? Чем она обусловлена?

Относительная автономность митохондрий и хлоропластов обусловлена наличием собственного генетического аппарата (молекул ДНК) и системы биосинтеза белка (рибосом и всех типов РНК). Поэтому митохондрии и хлоропласты самостоятельно синтезируют ряд белков (в том числе ферментов), необходимых для их функционирования. В отличие от других органоидов, митохондрии и хлоропласты способны к размножению путём деления. Однако эти органоиды не являются полностью автономными, т.к. в целом их состояние и функционирование контролируется ядром клетки.

9. В чём проявляется взаимосвязь и взаимозависимость митохондрий и рибосом?

С одной стороны, на рибосомах происходит синтез белков из аминокислот, а энергию, необходимую для осуществления этого процесса, поставляют митохондрии в виде АТФ. Кроме того, митохондрии имеют собственные рибосомы, их рРНК кодируется митохондриальной ДНК и сборка субъединиц осуществляется непосредственно в матриксе митохондрий. С другой стороны, все белки, входящие в состав митохондрий и необходимые для функционирования этих органоидов, синтезируются на рибосомах.

Жизнь как биологический процесс едина во всей биосфере, и она существует на основании фундаментальных принципов. А потому разные формы жизни, а также различные структурные компоненты представителей биологических видов, имеют значительные сходства. Отчасти они обеспечиваются общностью происхождения или выполнением похожих функций. В данном контексте следует детально разобрать, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов, хотя с первого взгляда эти клеточные органеллы имеют мало общего.

Митохондрии

Митохондриями называются двухмембранные клеточные структуры, ответственные за энергообеспечение ядра и органелл. Их находят в растений, грибов и животных. Они отвечают за то есть конечное усваивание кислорода, из чего в результате биохимического превращения извлекается энергия для синтеза макроэргов. Достигается это путем передачи заряда через мембрану митохондрий и ферментативное окисление глюкозы.

Хлоропласты

Хлоропластами называются клеточные органеллы растений, некоторых фотосинтезирующих бактерий и протистов. Это клеточные двухмембранные структуры, в которых синтезируется глюкоза благодаря использованию энергии солнечного света. Этот процесс достигается передачей энергии фотона и протеканием ферментативных реакций, связанных с передачей заряда через мембрану. Результатом фотосинтеза является утилизация углекислого газа, синтез глюкозы и высвобождение молекулярного кислорода.

Сходство митохондрий и хлоропластов

Хлоропласты и митохондрии являются клеточными органеллами с двумя мембранами. Первым слоем они ограждаются от цитоплазмы клетки, а второй формирует многочисленные складки, на которых протекают процессы передачи зарядов. Принцип их работы схож, однако направлен в разные стороны. У митохондрий происходит ферментативное с использованием кислорода, а в качестве продуктов реакции выступает углекислый газ. В результате превращения также синтезируется энергия.

В хлоропластах наблюдается обратный процесс — синтез глюкозы и высвобождение кислорода из углекислого газа с расходом энергии света. Это принципиальное различие между данными органеллами, но отличается лишь направление процесса. Его электрохимия практически идентична, хотя для этого используются разные посредники.

Также можно детально рассмотреть, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов. Оно заключается в автономности органелл, так как они имеют даже свою молекулу ДНК, хранящую коды структурных белков и ферментов. В обеих органеллах имеется свой автономный аппарат биосинтеза белка, потому хлоропласты и митохондрии способны самостоятельно обеспечивать себя необходимыми ферментами и восстанавливать свою структуру.

Резюме

Главное сходство митохондрий и хлоропластов — их автономия внутри клетки. Отделившись от цитоплазмы двойной мембраной и имея свой собственный комплекс ферментов биосинтеза, они ни в чем не зависят от клетки. Также они имеют свой собственный набор генов, а потому могут считаться отдельным живым организмом. Существует филогенетическая теория, что на ранних этапах развития одноклеточной жизни митохондрии и хлоропласты были простейшими прокариотами.

Она гласит, что в определенный период произошло их поглощение другой клеткой. Из-за наличия отдельной мембраны они не были расщеплены, став донором энергии для «хозяина». В ходе эволюции за счет обмена генами у доядерных организмов произошло встраивание ДНК хлоропластов и митохондрий в геном клетки-хозяина. С этого момента клетка сама была способна осуществить сборку этих органелл, если они не были переданы ей в ходе митоза.