Митохондрии – особенности строения, функции и характеристика
Митохондрии — органеллы энергообеспечения метаболических процесов в клетке. Размеры их варьируют от 0,5 до 5-7 мкм, количество в клетке составляет от 50 до 1000 и более. В гиалоплазме митохондрии распределены обычно диффузно, однако в специализированных клетках сосредоточены в тех участках, где имеется наибольшая потребность в энергии. Например, в мышечных клетках и симпластах большие количества митохондрий сосредоточены вдоль рабочих элементов — сократительных фибрилл. В клетках, функции которых сопряжены с особо высокими энергозатратами, митохондрии образуют множественные контакты, объединяясь в сеть, или кластеры (кардиомиоциты и симпласты скелетной мышечной ткани).
В клетке митохондрии выполняют функцию дыхания. Клеточное дыхание — это последовательность реакций, с помощью которых клетка использует энергию связей органических молекул для синтеза макроэргических соединений типа АТФ. Образующиеся внутри митохондрии молекулы АТФ переносятся наружу, обмениваясь на молекулы АДФ, находящиеся вне митохондрии. В живой клетке митохондрии могут передвигаться с помощью элементов цитоскелета.
На ультрамикроскопическом уровне стенка митохондрии состоит из двух мембран — наружной и внутренней. Наружная мембрана имеет относительно ровную поверхность, внутренняя — образует направленные в центр складки, или кристы. Между наружной и внутренней мембранами возникает неширокое (около 15 нм) пространство, которое называется наружной камерой митохондрии; внутренняя мембрана ограничивает внутреннюю камеру. Содержимое наружной и внутренней камер митохондрии различно, и так же, как и сами мембраны, существенно отличается не только по рельефу поверхности, но и по ряду биохимических и функциональных признаков. Наружная мембрана по химическому составу и свойствам близка к другим внутриклеточным мембранам и плазмолемме.
Строение митохондрий
Ее характеризует высокая проницаемость, благодаря наличию гидрофильных белковых каналов. Эта мембрана имеет в своем составе рецепторные комплексы, распознающие и связывающие вещества, поступающие в митохондрию. Ферментный спектр наружной мембраны небогат: это ферменты метаболизма жирных кислот, фосфолипидов, липидов и др. Главной функцией наружной мембраны митохондрии является отграничение органеллы от гиалоплазмы и транспорт необходимых для осуществления клеточного дыхания субстратов.
Внутренняя мембрана митохондрий в большинстве клеток тканей различных органов формирует кристы в виде пластин (ламеллярные кристы), что значительно увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны. В последней 20-25 % всех белковых молекул составляют ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. В эндокринных клетках надпочечников и половых желез митохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов. В этих клетках митохондрии имеют кристы в виде трубочек (тубул), упорядоченно расположенных в определенном направлении. Поэтому кристы митохондрий в стероидпродуцирующих клетках названных органов именуются тубулярными.
Матрикс митохондрии, или содержимое внутренней камеры, представляет собой гелеобразную структуру, содержащую около 50 % белков. Осмиофильные тельца, описанные при электронной микроскопии, — это резервы кальция. Матрикс содержит ферменты цикла лимонной кислоты, катализирующие окисление жирных кислот, синтез рибосом, ферменты, участвующие в синтезе РНК и ДНК. Общее число ферментов превышает 40.
Помимо ферментов, матрикс митохондрии содержит митохондриальную ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы. Молекула митДНК имеет кольцевидную форму. Возможности внутримитохондриального белкового синтеза ограничены — здесь синтезируются транспортные белки митохондриальных мембран и некоторые ферментные белки, участвующие в фосфорилировании АДФ. Все остальные белки митохондрии кодируются ядерной ДНК, и их синтез осуществляется в гиалоплазме, и в дальнейшем они транспортируются в митохондрию. Жизненный цикл митохондрий в клетке короткий, поэтому природа наделила их двойственной системой воспроизводства — помимо деления материнской митохондрии, возможно образование нескольких дочерних органелл путем почкования.
Строение и функции митохондрий
Митохондрия в биологии － это органелла двумембранного типа с формой эллипса или сферы. Средний размер внутриклеточного органоида составляет 1 микрометр. Наличие митохондрии свойственно для большинства эукариотических клеток, представленных в структуре растений с функцией фотосинтеза, грибковых колоний и животных организмов.
Органеллы этого типа полностью отсутствуют в клетках микробов и анаэробных энтамеб, ведущих паразитический образ жизни.
Происхождение и характеристика митохондрии
Согласно научной теории симбиогенеза, возникновение митохондрий связано с процессом захвата клетками прокариотического типа простейших бактерий. Клеточные структуры, которые не имели физиологической способности самостоятельно усваивать кислород, использовали для этого другие микроорганизмы, находящиеся в окружающем пространстве.
Симбиоз прокариотов и простейших бактерий привел к формированию энергетически выносливого и эффективного ядра. Эта новая внутриклеточная структура получила новый геном и собственную ДНК. Образовалась более совершенная эукариотическая клетка.
Геном митохондрий обладает способностью шифровать собственные системы по выработке протеиновых соединений и ферментов, обеспечивающих функционирование органеллы.
Расположение в клетке
Впервые внутриклеточное расположение митохондрий было изучено в 1850 г. Группа ученых выделила органеллы в клетках мышечных тканей.
Согласно данным научных исследований, количество митохондрий в тканях живых организмов непостоянно. Наибольшая концентрация органоидов этого типа сосредоточена в клетках, которые больше всего нуждаются в подпитке энергией. Митохондрии под микроскопом имеют форму сферы.
Внутри эукариотической клетки митохондрии встречаются в количестве от 200–300 до 2 тыс. единиц, охватывая до 20% внутриклеточного пространства. Размеры органеллы варьируются в зависимости от потребности клетки в энергии. Средние размеры этого органоида от 1 до 70 мкм. В условиях критических нагрузок на организм животного или человека митохондрии активируют функцию перемещения в цитоплазме, направляясь в зоны энергетического голодания.
Для передвижения органеллы используют структурные элементы цитоскелета. В растительной клетке и в тканях животных одновременно присутствует 3 вида митохондрий, а именно:
- только сформировавшиеся протомитохондрии;
- зрелые органеллы;
- старые постмитохондрии.
Органоиды последнего типа деградируют, превращаясь в липофусциновые гранулы. Вышеперечисленные виды органоидов представлены внутри клеток в одинаковом количестве.
Строение митохондрий
Ниже представлена таблица строения и функций митохондрий.
| Структура органеллы | Функциональное предназначение внутриклеточного элемента |
| Матрикс | Это внутреннее пространство клетки, ограниченное мембранной оболочкой. В матриксе, который имеет второе название － «розовое вещество», содержатся ферментные системы органеллы, работающие по окислительному типу. В этой же структуре находятся биохимические вещества, синтезируемые во время прохождения цикла Кребса. Матрикс защищает митохондриальную ДНК, РНК и собственный аппарат по синтезу кодированных белков. |
| Наружная мембрана | Толщина стенки наружной мембраны органеллы не превышает 7 нм. На поверхности этого элемента митохондрии － отсутствуют складки и признаки выпуклостей. Наружная мембрана занимает 7% площади клеточной органеллы. Основное функциональное предназначение этого структурного элемента — отделение митохондрии от общей цитоплазмы. Мембрана органеллы состоит из жировых соединений с вкраплениями белковых веществ в соотношении 2 к 1. Особое значение имеет порин. Это каналообразующий белок, из которого в наружной мембране формируются специальные отверстия диаметром от 2 до 3 нм. Через эти каналы в органоид проникают молекулы биохимических веществ и ионы минералов с массой до 5 кДа. Соединения с более крупной молекулярной структурой могут проникать сквозь наружную мембрану только с помощью транспортных белков. |
| Внутренняя мембрана | Состав внутренней мембраны －это сложные белковые комплексы в сочетании с липидами. Соотношение этих веществ 3 к 1. Складки внутренней мембраны －кристы имеют гребневидную форму. Отличительной особенностью этой составляющей части органоида является наличие кардиолипина, относящегося к классу фосфолипидов. Это вещество содержит сразу 4 жирных кислоты, повышающие плотность внутренней мембраны, делая ее недоступной для протонов. Данная часть митохондрии представлена транспортными белками и ферментными веществами, формирующими дыхательную цепь. Процесс синтеза АТФ обеспечивается крупными протеиновыми комплексами, которые занимают до 70% структуры внутренней мембраны. |
| Межмембранное пространство | Между внешней и внутренней поверхностью мембраны находится межмембранное пространство размером от 10 до 20 нм. В составе этой части органеллы содержится белок цитохром С, регулирующий проницаемость мембранных стенок для молекул и ионов. |
Внутренняя структура митохондрий заполнена рибосомами и гранулами. Размер органелл зависит от функционального назначения клетки, ее потребности в энергетическом обеспечении во время физических и стрессовых нагрузок.
Ферменты митохондрий
В органоидах находятся ферменты, обеспечивающие реализацию дыхательной функции. Около 70% этих веществ сосредоточено в матриксе. Остальная часть ферментов располагается в мембранных оболочках. В растущих клетках плотность дыхательных ферментов менее плотная.
В процессе активизации данных веществ внутри митохондрии происходит поглощение кислорода с аккумуляцией энергии (АТФ), которая выделяется в процессе дыхания. Реализация свойств ферментов органеллы происходит по принципу биохимической реакции окислительного фосфорилирования.
Деление митохондрий
Митохондрии образуются путем деления. На базе материнской органеллы формируется дочерний органоид. Митохондрия с большим мембранным потенциалом продолжает физиологическое движение по циклу «слияние и деление». Слабая органелла с деполяризованной внешней мембраной, остается внутри клетки в отделенном состоянии до восстановления мембранного потенциала.
Дочерние органоиды, успешно прошедшие стадию дозревания, сливаются с общей митохондриальной сетью. Органеллы, сохранившие слабый потенциал мембраны, утилизируются клеткой по принципу аутофагии.
Слишком быстрое деление митохондрий приводит к накоплению неполноценных органоидов с поврежденной структурой, что повышает риск развития воспалительных процессов в тканях.
Функции митохондрий в клетке
Основная функция митохондрий －это синтез жизненной энергии клетки в форме АТФ. Образование данной молекулы происходит с помощью следующих механизмов:
- Субстратное фосфолирование. Это жидкая фаза расщепления питательных веществ с выделением из них химической энергии АТФ. Например, во время внутриклеточного гликолиза.
- Мембранное фосфолирование. Извлечение энергии происходит путем трансмембранного электрохимического расщепления ионов водорода.
В органоидах обеспечивается реализация мембранного и субстратного фосфолирования в зависимости от условий, в которых находится клетка живого организма. Уровень организации органеллы по преобразованию энергии АТФ разделяют на 4 стадии. Первые 2 этапа протекают в структуре матрикса, а остальные завершаются в митохондриальных кристах.
Частые вопросы
Ниже представлены ответы на наиболее часто задаваемые вопросы, касающиеся функциональной активности митохондрий:
- Как увеличить митохондрии в организме человека?
Для увеличения количества митохондрий в клетках необходимо подвергать организм регулярным физическим нагрузкам, чтобы ткани скелетной мускулатуры и внутренних органов, нуждались в большем объеме энергии.
- В чем проявляется сходство хлоропластов и митохондрий?
Сходство этих органелл заключается в обеспечении клеток жизненно необходимой энергией.
- Почему митохондрии называют энергетическими станциями клеток?
Митохондрии синтезируют молекулы АТФ, которые являются чистой химической энергией.
- Какие вещества можно обнаружить в митохондриях?
Органеллы этого типа на 70% состоят из протеинов и белковых ферментов. Остальные 30% － это липиды и жировые кислоты.
- От чего зависит число митохондрий?
Количество органелл зависит от индивидуальной потребности конкретной клетки в обеспечении энергетическими запасами.
Митохондрии в живом организме выполняют функцию мобильных энергетических станций, которые синтезируют молекулы АТФ путем химической реакции. Органеллы данного типа содержат собственную ДНК, внешнюю и внутреннюю мембрану, а также матрикс. Химический состав органелл включает белковые и жировые соединения с разным функциональным предназначением.
Строение и функции митохондрий. Сходства и различия с хлоропластом
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 CO2 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
- Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
- Депонирование ионов Кальция.
- Участие в обмене воды.
- 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.
| Таблица: строение и функции митохондрий (кратко) | ||
|---|---|---|
| Структурные элементы | Строение | Функции |
| Наружная мембрана | Гладкая оболочка, построена из липидов и белков | Отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы |
| Межмембранное пространство | Находятся ионы водорода, белки, микромолекулы | Создает протонный градиент |
| Внутренняя мембрана | Образует выпячивания – кристы, содержит белковые транспортные системы | Перенос макромолекул, поддержание протонного градиента |
| Матрикс | Место расположения ферментов цикла Кребса, ДНК, РНК, рибосом | Аэробное окисление с высвобождением энергии, превращение пирувата в ацетил-коэнзим А. |
| Рибосомы | Объединённые две субъединицы | Синтез белка |
Сходство митохондрий и хлоропластов
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.
Строение митохондрии
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 327.
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 327.
Важную роль в жизнедеятельности каждой клетки играют особые структуры – митохондрии. Строение митохондрий позволяет работать органелле в полуавтономном режиме.
Общая характеристика
Митохондрии были обнаружены в 1850 году. Однако понять строение и функциональное назначение митохондрий стало возможно только в 1948 году.
За счёт своих довольно крупных размеров органеллы хорошо различимы в световом микроскопе. Максимальная длина – 10 мкм, диаметр не превышает 1 мкм.
Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Это двумембранные органоиды обычно бобовидной формы. Также встречаются митохондрии сферической, нитевидной, спиралевидной формы.
Количество митохондрий может значительно варьировать. Например, в клетках печени их насчитывается около тысячи, а в ооцитах – 300 тысяч. Растительные клетки содержат меньше митохондрий, чем животные.
которые читают вместе с этой
Митохондрии пластичны. Они меняют форму и перемещаются в активные центры клетки. Обычно митохондрий больше в тех клетках и частях цитоплазмы, где выше потребность в АТФ.
Строение
Каждая митохондрия отделена от цитоплазмы двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая. Строение внутренней мембраны более сложное. Она образует многочисленные складки – кристы, которые увеличивают функциональную поверхность. Между двумя мембранами находится пространство в 10-20 нм, заполненное ферментами. Внутри органеллы располагается матрикс – гелеобразное вещество.
Рис. 2. Внутреннее строение митохондрий.
В таблице “Строение и функции митохондрии” подробно описаны компоненты органеллы.
Состав
Описание
Функции
Состоит из липидов. Содержит большое количество белка порина, который образует гидрофильные канальцы. Вся наружная мембрана пронизана порами, через которые в митохондрию попадают молекулы веществ. Также содержит ферменты, участвующие в синтезе липидов
Защищает органеллу, способствует транспорту веществ
Располагаются перпендикулярно оси митохондрии. Могут иметь вид пластинок или трубочек. Количество крист варьирует в зависимости от типа клеток. В клетках сердца их в три раза больше, чем в клетках печени. Содержат фосфолипиды и белки трёх типов:
– катализирующие – участвуют в окислительных процессах;
– ферментативные – участвуют в образовании АТФ;
– транспортные – переносят молекулы из матрикса наружу и обратно
Осуществляет вторую стадию кислородного дыхания с помощью дыхательной цепи. Происходит окисление водорода, образование 34 молекулы АТФ и воды
Состоит из смеси ферментов, жирных кислот, белков, РНК, митохондриальных рибосом. Здесь находится собственная ДНК митохондрий
Осуществляет первую стадию кислородного дыхания – цикл Кребса, в результате которого образуется 2 молекулы АТФ
Главная функция митохондрии – генерация энергии клетки в виде молекул АТФ за счёт реакции окислительного фосфорилирования – клеточного дыхания.
Пластиды
Помимо митохондрий в клетках растений присутствуют дополнительные полуавтономные органеллы – пластиды.
В зависимости от функционального назначения различают три вида пластид:
- хромопласты– накапливают и хранят пигменты (каротины) разных оттенков, придающих окраску цветкам, плодам растений, и обеспечивают окраску осенних листьев;
- лейкопласты– запасают питательные вещества, например, крахмал, в виде зерён и гранул;
- хлоропласты– наиболее важные органеллы, содержащие зелёный пигмент (хлорофилл), придающий окраску растениям, и осуществляющие фотосинтез.
Рис. 3. Пластиды.
Что мы узнали?
Рассмотрели особенности строения митохондрий – двумембранных органелл, осуществляющих клеточное дыхание. Наружная мембрана состоит из белков и липидов и производит транспорт веществ. Внутренняя мембрана образует складки – кристы, на которых происходит окисление водорода. Кристы окружает матрикс – гелеобразное вещество, в котором протекает часть реакций клеточного дыхания. В матриксе находятся митохондриальные ДНК и РНК.
Митохондрии особенности внешнего и внутреннего строения, основные функции, характеристика, значение и число органоидов в клетке
Митохондрия (Митос — нитка, хондрос — зёрно) — органелла эллипсоидной формы, имеющая 2 мембраны. Она входит в состав многих эукариотических клеток автотрофов (растительные) и гетеротрофов (животные) вместе с другими органоидами (хлоропластами, пластидами, рибосомами).
Важнейшими характеристиками органеллы являются окисление органических веществ и синтез АТФ. Следует подробнее рассмотреть особенности строения митохондрии и её функции в таблице.
Устройство органоида
Главными компонентами митохондрии являются внутренняя и внешняя мембрана, межмембранное пространство и матрикс. Диаметр, как правило, около одного микрометра.
Наружная оболочка
Толщина наружной мембраны порядка 7 нанометров. На ней нет рубцов и неровностей, она замыкается на себя. Площадь внешней оболочки составляет почти 7% от общей площади мембран всех органоидов клетки. Её главное назначение — создание границы между цитоплазмой и митохондрией. В состав верхней оболочки входят липиды с белковыми включениями в пропорции 2 к 1.
Отдельную функцию выполняет белковое соединение порин, образующий каналы. Он создаёт в мембране сквозные проходы диаметром от 2 до 3 нанометров. Сквозь них могут свободно проходить ионы и маленькие молекулы массой не более 5 кДа .
Большие молекулы проходят через внешнюю стенку только с помощью активной транспортировки посредством транспортных веществ оболочек органеллы.
Для внешней мембраны типично наличие ферментов:
- ацил-СоА-синтетазы,
- монооксигеназы,
- фосфолипазы А 2.
Она способна к взаимодействию с диафрагмой ретикулума эндоплазмы, что играет немаловажную роль в перемещении ионов кальция и липидов.
Внутренняя мембрана
В состав внутренней оболочки входят комплексы белков в пропорции белок/липид 3 к 1. Она создаёт своеобразный рисунок в виде множественных складок (Кристы), значительно увеличивающих площадь поверхности. В клетках печёнки она занимает почти 1/3 от всей поверхности клеточных мембран. Состав перегородки характеризуется присутствием кардиолипина — специального фосфолипида, который содержит 4 жирные кислоты и делает стенки совершенно непроходимыми для протонов.
Ещё одной отличительной чертой внутренней мембраны органоида является наличие белков, достигающее 70% от массы. Это транспортные соединения, ферменты дыхательной цепочки и большие АТФ-синтетазные комплексы.
В сравнении с наружной, скрытая мембрана не имеет характерных отверстий для перемещения ионов и мельчайших молекул. На обращённой к матриксу поверхности расположены специфические молекулы АТФ-синтазы, которые состоят из основы, стойки и головки. При проходе сквозь них протонов образуется АТФ. В основе частиц находятся составляющие дыхательной цепочки и заполняют всю толщу мембраны.
У обеих перегородок есть точки соприкосновения, в них находится особый рецепторный белок, помогающий передвижению белков митохондрии, получивших кодировку в ядре, к матриксу.
Периплазматическое пространство
Это пространство располагается между внутренней и внешней мембранами. Его размер колеблется от 10 до 20 нанометров.
Количество ионов и малых молекул в межмембранном промежутке небольшое и отличается от концентрации в цитоплазме, так как внешняя оболочка органеллы для них проницаема.
Но более массивным белкам для транспортировки из цитоплазмы в периплазматическую область важно обладать специальными сигнальными пептидами.
По этой причине белковые составляющие цитоплазмы и межмембранной зоны различаются. Одним из белков, содержащийся не только в этой области, но и во внутренней оболочке, является цитохром С.
Матрикс
Эта область ограничена внутренней оболочкой. В светло-красной субстанции или матриксе располагаются аппараты ферментного окисления жирных кислот пирувата, а также ферменты оборота трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Помимо этого, в матриксе присутствуют ДНК и РНК органеллы, а также механизм митохондрии для образования белков.
Генерация энергии
Главная функция митохондрии — синтез АТФ. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный вид химической энергии во всякой живой клетке. Наравне с прокариотом, молекула АТФ зарождается двумя способами:
- при субстратном фосфорилировании в жидкостной стадии (гликолизе);
- мембранным фосфорилированием, которое относится к применению энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов (ион водорода).
Органелла пользуется обоими методами: первый подходит для стартовых процессов окисления субстрата в матриксе, а с помощью второго заканчиваются процессы образования энергии и относится он к Кристам органеллы.
Особенность митохондрии, как энергообразующего органоида эукариотов, определяет второй метод образования АТФ, который в биологии называется «хемиосмотическое сопряжение».
Смысл состоит в постепенном преобразовании химической энергии возрождающих эквивалентов НАДН (Никотинамидадениндинуклеоти́д) в электрохимический протонный градиент ΔμН + с обеих сторон внутренней диафрагмы митохондрии, что активизирует мембранно-связанную АТФ-синтазу и заканчивается появлением макроэргической связи в молекуле АТФ.
Кратко всю схему генерирования энергии в органеллах можно разделить на 4 базовых этапа, первые 2 проходят в матриксе, а остальные 2— на Кристах органеллы:
Наследственность
Дезоксирибонуклеиновая кислота митохондрии почти всегда переходит по линии матери.
Каждая органелла имеет несколько участков нуклеотидов в ДНК, которые имеют абсолютное сходство во всех митохондриях (в клетке множество таких клонов), что очень важно для этих энергетических станций, у которых отсутствует способность восстанавливать молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты от повреждений (замечается большая частота мутаций) .
Весь комплекс наследственных заболеваний человека связан с мутациями в ДНК органеллы.
Число митохондрий в клетке
Основное количество органелл накапливается около тех участков клетки, где появляется потребность в запасах энергии. Например, много органоидов скапливается в месте позиционирования миофибрилл, представляющих собой порцию клеток мускулатуры, заставляющих мышцы сокращаться.
В мужских половых клетках митохондрии размещаются возле оси жгута — существуют догадки, что потребность в АТФ объясняется непрерывным вилянием хвостика гаметы. Таким же образом располагаются митохондрии и у простейших организмов, использующих для движения особо приспособленные реснички.
Энергетические станции локализуются под оболочкой прямо рядом с их основанием. В нервных клетках основная часть митохондрий располагается рядом синапсами, посредством которых происходит передача сигналов нервной системы.
В клетках, образующих белки, органеллы наблюдаются в местах эргастоплазмы — они передают энергию, обеспечивающую этот процесс.
Открытие важного клеточного органоида
Митохондрию открыл немецкий учёный Рихард Альтман в 90—94 гг. XIX в., вместе с этим гистолог и анатом из Германии развёрнуто описал органеллу. Своё название митохондрия получила в 1897—1898 гг. благодаря К. Бренду.
Причастность органелл к процессам дыхания клетки смог подтвердить Отто Вагбург в 1920 г. К концу XX в. стало ясно, что, выпуская сигнализирующие молекулы, митохондрии запускают смерть клетки.
Значение митохондрии для любой живой клетки очень важно. Эта структура выполняет роль силовой станции, которая генерирует молекулы АТФ, позволяя происходить процессам жизнедеятельности.
В основе деятельности митохондрий лежит окислении органических соединений, результатом чего генерируется энергетический потенциал.
Митохондрии
Содержание:
Еще в далеком XIX веке с интересом изучая посредством первых не совершенных еще тогда микроскопов, строение живой клетки, биологи заметили в ней некие продолговатые зигзагоподобные объекты, которые получили название «митохондрии». Сам термин «митохондрия» составлен из двух греческих слов: «митос» – нитка и «хондрос» – зернышко, крупинка.
Определение и роль
Митохондрии представляют собой двумембранный органоид эукариотической клетки, основное задание которого – окисление органических соединений, синтез молекул АТФ, с последующим применением энергии, образованной после их распада. То есть по сути митохондрии это энергетическая база клеток, говоря образным языком, именно митохондрии являются своего рода станциями, которые вырабатывают необходимую для клеток энергию.
Количество митохондрий в клетках может меняться от нескольких штук, до тысяч единиц. И больше их естественно именно в тех клетках, где интенсивно идут процессы синтеза молекул АТФ.
Сами митохондрии также имеют разную форму и размеры, среди них встречаются округлые, вытянутые, спиральные и чашевидные представители. Чаще всего их форма округлая и вытянутая, с диаметром от одного микрометра и до 10 микрометров длинны.
Примерно так выглядит митохондрия.
Также митохондрии могут, как перемещаться по клетке (делают они это благодаря току цитоплазмы), так и неподвижно оставаться на месте. Перемещаются они всегда в те места, где наиболее требуется выработка энергии.
Происхождение
Еще в начале прошлого ХХ века была сформирована так званая гипотеза симбиогенеза, согласно которой митохондрии произошли от аэробных бактерий, внедренных в другую прокариотическую клетку. Бактерии эти стали снабжать клетку молекулами АТФ взамен получая необходимые им питательные вещества. И в процессе эволюции они постепенно потеряли свою автономность, передав часть своей генетической информации в ядро клетки, превратившись в клеточную органеллу.
Строение
Митохондрии состоят из:
- двух мембран, одна из них внутренняя, другая внешняя,
- межмембранного пространства,
- матрикса – внутреннего содержимого митохондрии,
- криста – это часть мембраны, которая выросла в матриксе,
- белок синтезирующей системы: ДНК, рибосом, РНК,
- других белков и их комплексов, среди которых большое число всевозможных ферментов,
- других молекул
Так выглядит строение митохондрии.
Внешняя и внутренняя мембраны митохондрии имеют разные функции, и по этой причине различается их состав. Внешняя мембрана своим строением схожа с мембраной плазменной, которая окружает саму клетку и выполняет в основном защитную барьерную роль. Тем не менее, мелкие молекулы могут проникать через нее, а вот проникновение молекул покрупнее уже избирательно.
На внутренней мембране митохондрии, в том числе на ее выростах – кристах, располагаются ферменты, образуя мультиферментативные системы. По химическому составу тут преобладают белки. Количество крист зависит от интенсивности синтезирующих процессов, к примеру, в митохондриях клеток мышц их очень много.
У митохондрий, как впрочем, и у хлоропластов, имеется своя белоксинтезирующая система – ДНК, РНК и рибосомы. Генетический аппарат имеет вид кольцевой молекулы – нуклеотида, точь в точь как у бактерий. Часть необходимых белков митохондрии синтезируют сами, а часть получают извне, из цитоплазмы, поскольку эти белки кодируются ядерными генами.
Функции
Как мы уже написали выше, основная функция митохондрий – снабжение клетки энергией, которая путем многочисленных ферментативных реакций извлекается из органических соединений. Некоторые подобные реакции идут с участием кислорода, а после других выделяется углекислый газ. И реакции эти происходят, как внутри самой митохондрии, то есть в ее матриксе, так и на кристах.
Если сказать иначе, то роль митохондрии в клетке заключается в активном участии в «клеточном дыхании», к которому относится множество химических реакций окисления органических веществ, переносов протонов водорода с последующим выделением энергии и т. д.
Ферменты
Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют транспортировку АДФ в АТФ. На головках, что состоят из ферментов АТФазы идет синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи. В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кислот
Видео
И в завершение интересное образовательное видео о митохондриях.
Характеристика, роль и строение митохондрий
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.
Устройство органоида
Главными компонентами митохондрии являются внутренняя и внешняя мембрана, межмембранное пространство и матрикс. Диаметр, как правило, около одного микрометра.
Наружная оболочка
Толщина наружной мембраны порядка 7 нанометров. На ней нет рубцов и неровностей, она замыкается на себя. Площадь внешней оболочки составляет почти 7% от общей площади мембран всех органоидов клетки. Её главное назначение — создание границы между цитоплазмой и митохондрией. В состав верхней оболочки входят липиды с белковыми включениями в пропорции 2 к 1.
Отдельную функцию выполняет белковое соединение порин, образующий каналы. Он создаёт в мембране сквозные проходы диаметром от 2 до 3 нанометров. Сквозь них могут свободно проходить ионы и маленькие молекулы массой не более 5 кДа .
Большие молекулы проходят через внешнюю стенку только с помощью активной транспортировки посредством транспортных веществ оболочек органеллы.
Для внешней мембраны типично наличие ферментов:
- ацил-СоА-синтетазы,
- монооксигеназы,
- фосфолипазы А 2.
Она способна к взаимодействию с диафрагмой ретикулума эндоплазмы, что играет немаловажную роль в перемещении ионов кальция и липидов.
Внутренняя мембрана
В состав внутренней оболочки входят комплексы белков в пропорции белок/липид 3 к 1. Она создаёт своеобразный рисунок в виде множественных складок (Кристы), значительно увеличивающих площадь поверхности. В клетках печёнки она занимает почти 1/3 от всей поверхности клеточных мембран. Состав перегородки характеризуется присутствием кардиолипина — специального фосфолипида, который содержит 4 жирные кислоты и делает стенки совершенно непроходимыми для протонов.
Ещё одной отличительной чертой внутренней мембраны органоида является наличие белков, достигающее 70% от массы. Это транспортные соединения, ферменты дыхательной цепочки и большие АТФ-синтетазные комплексы.
В сравнении с наружной, скрытая мембрана не имеет характерных отверстий для перемещения ионов и мельчайших молекул. На обращённой к матриксу поверхности расположены специфические молекулы АТФ-синтазы, которые состоят из основы, стойки и головки. При проходе сквозь них протонов образуется АТФ. В основе частиц находятся составляющие дыхательной цепочки и заполняют всю толщу мембраны.
У обеих перегородок есть точки соприкосновения, в них находится особый рецепторный белок, помогающий передвижению белков митохондрии, получивших кодировку в ядре, к матриксу.
Периплазматическое пространство
Это пространство располагается между внутренней и внешней мембранами. Его размер колеблется от 10 до 20 нанометров.
Количество ионов и малых молекул в межмембранном промежутке небольшое и отличается от концентрации в цитоплазме, так как внешняя оболочка органеллы для них проницаема.
Но более массивным белкам для транспортировки из цитоплазмы в периплазматическую область важно обладать специальными сигнальными пептидами.
По этой причине белковые составляющие цитоплазмы и межмембранной зоны различаются. Одним из белков, содержащийся не только в этой области, но и во внутренней оболочке, является цитохром С.
Матрикс
Эта область ограничена внутренней оболочкой. В светло-красной субстанции или матриксе располагаются аппараты ферментного окисления жирных кислот пирувата, а также ферменты оборота трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Помимо этого, в матриксе присутствуют ДНК и РНК органеллы, а также механизм митохондрии для образования белков.
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 CO2 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.
Что такое митохондрии и их роль
Митохондрии представляют собой двумембранный органоид эукариотической клетки, основное задание которого – окисление органических соединений, синтез молекул АТФ, с последующим применением энергии, образованной после их распада. То есть по сути митохондрии это энергетическая база клеток, говоря образным языком, именно митохондрии являются своего рода станциями, которые вырабатывают необходимую для клеток энергию.
Количество митохондрий в клетках может меняться от нескольких штук, до тысяч единиц. И больше их естественно именно в тех клетках, где интенсивно идут процессы синтеза молекул АТФ.
Сами митохондрии также имеют разную форму и размеры, среди них встречаются округлые, вытянутые, спиральные и чашевидные представители. Чаще всего их форма округлая и вытянутая, с диаметром от одного микрометра и до 10 микрометров длинны.
Примерно так выглядит митохондрия.
Также митохондрии могут, как перемещаться по клетке (делают они это благодаря току цитоплазмы), так и неподвижно оставаться на месте. Перемещаются они всегда в те места, где наиболее требуется выработка энергии.
От чего зависит число митохондрий в клетке
Превалирующее число органоидов скапливается рядом с теми участками клетки, где возникает необходимость в энергетических ресурсах. В частности, большое количество органелл собирается в зоне нахождения миофибрилл, которые являются частью мышечных клеток, обеспечивающих их сокращение.
В мужских половых клетках структуры локализуются вокруг оси жгутика – предполагается, что потребность в АТФ обусловлена постоянным движением хвоста гаметы. Точно так же выглядит расположение митохондрий у простейших, которые для передвижения используют специальные реснички – органеллы скапливаются под мембраной у их основания.
Что касается нервных клеток, то локализация митохондрий наблюдается вблизи синапсов, через которые передаются сигналы нервной системы. В клетках, синтезирующих белки, органеллы скапливаются в зонах эргастоплазмы – они поставляют энергию, которая обеспечивает данный процесс.
Открытие важного клеточного органоида
Митохондрию открыл немецкий учёный Рихард Альтман в 90—94 гг. XIX в., вместе с этим гистолог и анатом из Германии развёрнуто описал органеллу. Своё название митохондрия получила в 1897—1898 гг. благодаря К. Бренду.
Причастность органелл к процессам дыхания клетки смог подтвердить Отто Вагбург в 1920 г. К концу XX в. стало ясно, что, выпуская сигнализирующие молекулы, митохондрии запускают смерть клетки.
Значение митохондрии для любой живой клетки очень важно. Эта структура выполняет роль силовой станции, которая генерирует молекулы АТФ, позволяя происходить процессам жизнедеятельности.
В основе деятельности митохондрий лежит окислении органических соединений, результатом чего генерируется энергетический потенциал.
Функции в клетке
- Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
- Депонирование ионов Кальция.
- Участие в обмене воды.
- 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.
Структурные элементы
Строение
Функции
Митохондрии, видео
И в завершение интересное образовательное видео о митохондриях.
