Мітохондрії
Мембранні органели клітини, що відповідають за накопичення енергії та клітинне дихання, називаються мітохондріями. Вони є в еукаріотичних клітинах автотрофів і гетеротрофів. Вперше виявлено 1850 року в м'язових клітинах.
Будова
Мітохондрії – округлі або витягнуті органоїди, розміри яких коливаються від 0,2 до 2 мкм. Органели складаються із двох мембран. Зовнішня мембрана гладка, внутрішня утворює складки - кристи, які відповідають за дихання клітин. Між мембранами знаходиться простір 6-10 нм.
Складки внутрішньої мембрани заповнені рідиною – матриксом, який містить рибосоми, білки, ферменти, ДНК, РНК.
Існує гіпотеза, що мітохондрії мають бактеріальне походження. Прокаріоти захоплювали фагоцитозом бактерії, які могли генерувати енергію. Поступово бактерії проникли в структуру клітини і стали її органелою.
Свою генетичну систему мітохондрії зберегли навіть у складі клітини. Процес біосинтезу білка у клітинах відбувається у рибосомах, розташованих на ЕПР. Однак мітохондрії мають власну ДНК та рибосоми і здатні самостійно виробляти білок.
Дихання
Процес окиснення, тобто. клітинного дихання, відбувається в матриксі та на внутрішніх мембранах мітохондрії. При метаболізмі складні речовини розщеплюються до мономерів. Крохмаль розпадається до глюкози, яка в безкисневому середовищі цитоплазми розщеплюється до піровиноградної кислоти (ПВК). У цьому утворюється дві молекули АТФ. У присутності кисню ПВК окислюється до вуглекислого газу та води, тобто. здійснюється процес дихання у мітохондріях.
які читають разом з цією
Окислення відбувається у два етапи:
- у матриксі – утворюється вуглекислий газ, водень та 2 молекули АТФ (цикл Кребса);
- на кристалах – окислення водню, утворення води та 36 молекул АТФ.
Дихання на кристалах (транспорт електронів) здійснюється за допомогою дихального ланцюга, що є частиною окисного фосфорилювання (утворення АТФ) та що складається з двох компонентів:
- білкових комплексів (I, III та IV), вбудованих у мембрану;
- білкових молекул-переносників (цитохром та убіхінон).
Усього утворюється 38 молекул АТФ, які використовуються в процесах анаболізму. Ось чому мітохондрії називають енергетичними станціями клітин.
2. Схема дихання в мітохондріях.
Число мітохондрій залежить від типу клітини і виконуваних функцій.
Пластиди
Додатковими органелами рослинної клітини, схожими за будовою та функціями з мітохондріями, є пластиди. Вони складаються з двох або чотирьох мембран і бувають. трьох видів:
Лейкопласти – безбарвні органели, які найчастіше знаходяться у коренях рослин (не на світлі). Вони накопичують поживні речовини, наприклад, у вигляді крохмалю.
Хромопласти містять пігменти різних кольорів (червоний, жовтий, фіолетовий).
Хлоропласти містять пігменти (хлорофіл, каротиноїд, ксантофіл), з допомогою яких здійснюється процес фотосинтезу. , схожі на стопки монет. світлову фазу фотосинтезу.Хлоропласти можуть перетворюватися на лейкопласти або хромопласти.
Мал. 3. Внутрішня будова хлоропласту.
Рослинні клітини містять і пластиди, і мітохондрії.
Що ми дізналися?
З уроку 9 класу дізналися про будову та функції мітохондрії. Це відносно автономні органели із власною ДНК, які здійснюють клітинне дихання (окислення) та накопичують енергію (утворюють АТФ). Крім мітохондрій у рослинних клітинах знаходяться пластиди, які бувають трьох видів. Лейкопласти накопичують енергію у вигляді полісахаридів, хлоропласти здійснюють фотосинтез, хромопласти надають яскравого забарвлення.
Будова та функції мітохондрій
Мітохондрія в біології – це органела двомембранного типу з формою еліпса чи сфери. Середній розмір внутрішньоклітинного органоїду становить 1 мікрометр. Наявність мітохондрії властива більшості еукаріотичних клітин, представлених у структурі рослин з функцією фотосинтезу, грибкових колоній та тварин організмів.
Органели цього типу повністю відсутні в клітинах мікробів та анаеробних ентамеб, які ведуть паразитичний спосіб життя.
Походження та характеристика мітохондрії
Відповідно до наукової теорії симбіогенезу, виникнення мітохондрій пов'язане із процесом захоплення клітинами прокаріотичного типу найпростіших бактерій. Клітинні структури, які мали фізіологічної здатності самостійно засвоювати кисень, використовували при цьому інші мікроорганізми, що у навколишньому просторі.
Симбіоз прокаріотів та найпростіших бактерій призвів до формування енергетично витривалого та ефективного ядра. Ця нова внутрішньоклітинна структура отримала новий геном та власну ДНК. Утворилася досконаліша еукаріотична клітина.
Геном мітохондрій має здатність шифрувати власні системи з вироблення протеїнових сполук та ферментів, що забезпечують функціонування органели.
Розташування у клітці
Вперше внутрішньоклітинне розташування мітохондрій було вивчено в 1850 році. Група вчених виділила органели у клітинах м'язових тканин.
Згідно з даними наукових досліджень, кількість мітохондрій у тканинах живих організмів є непостійною. Найбільша концентрація органоїдів цього типу зосереджена в клітинах, які найбільше потребують підживлення енергією. Мітохондрії під мікроскопом мають форму сфери.
Усередині еукаріотичної клітини мітохондрії зустрічаються у кількості від 200-300 до 2 тис. одиниць, охоплюючи до 20% внутрішньоклітинного простору. Розміри органели варіюються залежно від потреби клітини енергії. Середні розміри цього органоїду від 1 до 70 мкм. В умовах критичних навантажень на організм тварини або людини мітохондрії активують функцію переміщення в цитоплазмі, прямуючи до зон енергетичного голодування.
Для пересування органели використовують структурні елементи цитоскелета. У рослинній клітині і в тканинах тварин одночасно присутні 3 види мітохондрій, а саме:
- тільки сформовані протомітохондрії;
- зрілі органели;
- старі постмітохондрії.
Органоїди останнього типу деградують, перетворюючись на ліпофусцинові гранули. Перераховані вище види органоїдів представлені всередині клітин в однаковій кількості.
Будова мітохондрій
Нижче представлена таблиця будови та функцій мітохондрій.
| Структура органели |
Функціональне призначення внутрішньоклітинного елемента |
| Матрікс |
Це внутрішній простір клітини, обмежений мембранною оболонкою.У матриксі, який має другу назву - «рожева речовина», містяться ферментні системи органели, що працюють за окисним типом. У цій структурі знаходяться біохімічні речовини, синтезовані під час проходження циклу Кребса. Матрикс захищає мітохондріальну ДНК, РНК та власний апарат із синтезу кодованих білків. |
| Зовнішня мембрана |
Товщина стінки зовнішньої мембрани органели не перевищує 7 нм. На поверхні цього елемента мітохондрії – відсутні складки та ознаки опуклостей. Зовнішня мембрана займає 7% площі клітинної органели. Основне функціональне призначення цього структурного елемента - відокремлення мітохондрії від загальної цитоплазми. Мембрана органели складається з жирових сполук із вкрапленнями білкових речовин у співвідношенні 2 до 1. Особливе значення має порин. Це каналоутворюючий білок, з якого у зовнішній мембрані формуються спеціальні отвори діаметром від 2 до 3 нм. Через ці канали в органоїд проникають молекули біохімічних речовин та іони мінералів з масою до 5 кДа. З'єднання з більшою молекулярною структурою можуть проникати крізь зовнішню мембрану лише транспортними білками. |
| Внутрішня мембрана |
Склад внутрішньої мембрани це складні білкові комплекси в поєднанні з ліпідами. Співвідношення цих речовин 3 до 1. Складки внутрішньої мембрани -кристи мають гребенеподібну форму. Відмінною особливістю цієї складової органіду є наявність кардіоліпіну, що відноситься до класу фосфоліпідів. Ця речовина містить відразу 4 жирні кислоти, що підвищують щільність внутрішньої мембрани, роблячи її недоступною для протонів. Ця частина мітохондрії представлена транспортними білками та ферментними речовинами, що формують дихальний ланцюг.Процес синтезу АТФ забезпечується великими протеїновими комплексами, що займають до 70% структури внутрішньої мембрани. |
| Міжмембранний простір |
Між зовнішньою та внутрішньою поверхнею мембрани знаходиться міжмембранний простір розміром від 10 до 20 нм. У складі цієї частини органели міститься білок цитохром, регулюючий проникність мембранних стінок для молекул і іонів. |
Внутрішня структура мітохондрій заповнена рибосомами та гранулами. Розмір органел залежить від функціонального призначення клітини, її потреби в енергетичному забезпеченні під час фізичних та стресових навантажень.
Ферменти мітохондрій
В органоїдах знаходяться ферменти, що забезпечують реалізацію дихальної функції. Близько 70% цих речовин зосереджено в матриксі. Решта ферментів розташовується в мембранних оболонках. У клітинах, що ростуть, щільність дихальних ферментів менш щільна.
У процесі активізації даних речовин усередині мітохондрії відбувається поглинання кисню з акумуляцією енергії (АТФ), що виділяється у процесі дихання. Реалізація властивостей ферментів органели відбувається за принципом біохімічної реакції окисного фосфорилювання.
Поділ мітохондрій
Мітохондрії утворюються шляхом розподілу. За підсумками материнської органели формується дочірній органоїд. Мітохондрія з великим мембранним потенціалом продовжує фізіологічний рух за циклом «злиття та поділ». Слабка органела з деполяризованою зовнішньою мембраною залишається всередині клітини у відділеному стані до відновлення мембранного потенціалу.
Дочірні органоїди, які успішно пройшли стадію дозрівання, зливаються із загальною мітохондріальною мережею. Органели, що зберегли слабкий потенціал мембрани, утилізуються за принципом аутофагії.
Занадто швидкий поділ мітохондрій призводить до накопичення неповноцінних органоїдів з пошкодженою структурою, що підвищує ризик розвитку запальних процесів у тканинах.
Функції мітохондрій у клітці
Основна функція мітохондрій - це синтез життєвої енергії клітини у формі АТФ. Утворення цієї молекули відбувається за допомогою наступних механізмів:
- Субстратне фосфолювання. Це рідка фаза розщеплення поживних речовин із виділенням їх хімічної енергії АТФ. Наприклад, під час внутрішньоклітинного гліколізу.
- Мембранне фосфолювання. Вилучення енергії відбувається шляхом трансмембранного електрохімічного розщеплення іонів водню.
В органоїдах забезпечується реалізація мембранного та субстратного фосфолювання залежно від умов, у яких знаходиться клітина живого організму. Рівень організації органели перетворення енергії АТФ поділяють на 4 стадії. Перші 2 етапи протікають у структурі матриксу, інші завершуються в мітохондріальних кристалах.
Часті запитання
Нижче представлені відповіді на питання, що найчастіше ставляться, що стосуються функціональної активності мітохондрій:
Для збільшення кількості мітохондрій у клітинах необхідно піддавати організм регулярним фізичним навантаженням, щоб тканини скелетної мускулатури та внутрішніх органів потребували більшого обсягу енергії.
Подібність цих органел полягає у забезпеченні клітин життєво необхідною енергією.
Мітохондрії синтезують молекули АТФ, які є чистою хімічною енергією.
Органели цього типу на 70% складаються з протеїнів та білкових ферментів. Інші 30% - це ліпіди та жирові кислоти.
Кількість органел залежить від індивідуальної потреби конкретної клітини у забезпеченні енергетичними запасами.
Мітохондрії у живому організмі виконують функцію мобільних енергетичних станцій, які синтезують молекули АТФ шляхом хімічної реакції. Органели даного типу містять власну ДНК, зовнішню та внутрішню мембрану, а також матрикс. Хімічний склад органел включає білкові та жирові сполуки з різним функціональним призначенням.
Функції мітохондрій
Двомембранна органела – мітохондрія – характерна для клітин еукаріотів. Від функцій мітохондрій залежить робота організму загалом.
Матеріал підготовлено спільно з учителем вищої категорії, кандидатом біологічних наук Факторович Лілією Віталіївною.
Будова
Мітохондрії складаються з трьох взаємозалежних компонентів:
Зовнішня гладка мембрана складається з ліпідів, серед яких знаходяться гідрофільні білки, що утворюють канальці. Крізь ці канальці проходять молекули під час транспортування речовин.
Зовнішня та внутрішня мембрани знаходяться на відстані 10-20 нм. Міжмембранний простір заповнений ферментами. На відміну від ферментів лізосом, що у розщепленні речовин, ферменти міжмембранного простору переносять залишки фосфорної кислоти до субстрату з витратою АТФ (процес фосфорилирования).
Внутрішня мембрана упакована під зовнішньою мембраною як численних складок – христ.
Вони утворені:
- ліпідами, проникними лише кисню, вуглекислого газу, води;
- ферментними, транспортними білками, що беруть участь в окисних процесах та транспорті речовин.
Тут рахунок дихального ланцюга відбувається друга стадія клітинного дихання й освіту 36 молекул АТФ.
які читають разом з цією
Між складками знаходиться напіврідка речовина – матрикс.
До складу матриксу входять:
- ферменти (сотні різних видів);
- жирні кислоти;
- білки (67% білків мітохондрій);
- мітохондріальна кільцева ДНК;
- Мітохондріальні рибосоми.
Наявність рибосом та ДНК свідчить про деяку автономність органоїду.
Мал. 1. Будова мітохондрій.
Ферментативні білки матриксу беруть участь в окисленні пірувату – піровиноградної кислоти під час клітинного дихання.
Значення
Основна функція мітохондрій у клітині – синтез АТФ, тобто. генерація енергії. Внаслідок клітинного дихання (окислення) утворюється 38 молекул АТФ. Синтез АТФ відбувається на основі окислення органічних сполук (субстрату) та фосфорилювання АДФ. Субстратом для мітохондрій є жирні кислоти та піруват.
Мал. 2. Утворення пірувату в результаті гліколізу.
Загальний опис процесу дихання наведено в таблиці.
Де відбувається
Речовини
Процеси
В результаті гліколізу розкладається на дві молекули піровиноградної кислоти, які надходять у матрикс.
Відщеплюється ацетильна група, яка приєднується до коферменту А (КоА), утворюючи ацетил-кофермент-А (ацетил-КоА), та виділяється молекула вуглекислого газу. Ацетил-КоА також може формуватися з жирних кислот без синтезу вуглеводів
Входить у цикл Кребса чи цикл лимонної кислоти (цикл трикарбонових кислот). Починається цикл із утворення лимонної кислоти. Далі в результаті семи реакцій утворюється дві молекули вуглекислого газу, НАДН та ФАДН2
Окисляючись, НАДН розкладається на НАД + , два високоенергетичні електрони (е - ) і два протони Н + . Електрони передаються в дихальний ланцюг, що містить три ферментні комплекси, на внутрішній мембрані. Проходження електрона комплексами супроводжується виділенням енергії.Одночасно протони вивільняються у міжмембранний простір. Вільні протони прагнуть повернутися до матриксу, що створює електричний потенціал. При наростанні напруги Н + прямують усередину через АТФ-синтазу – спеціальний білок. Енергія протонів використовується для фосфорилювання АДФ та синтезу АТФ. З'єднуючись із киснем, Н+ утворює воду
Мітохондрії – органели, від яких залежить робота цілого організму. Ознаками порушення функцій мітохондрій є зниження швидкості споживання кисню, збільшення проникності внутрішньої мембрани, набухання мітохондрії. Ці зміни відбуваються внаслідок токсичного отруєння, інфекційного захворювання, гіпоксії.
Що ми дізналися?
З уроку біології дізналися про особливості будови мітохондрій, коротко розглянули функції та процес клітинного дихання. Завдяки роботі мітохондрій піровиноградна кислота, утворена в процесі гліколізу, та жирні кислоти окислюються до вуглекислого газу та води. Внаслідок клітинного дихання вивільняється енергія, що витрачається на життєдіяльність організму.
