Строение и функции ядра растительной клетки.

Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Это место хранения и воспроизведения наследственной информации. Ядро также служит центром управления обменом веществ и почти всех процессов, происходящих в клетке. Чаще всего в клетках имеется лишь одно ядро, редко - два или несколько. Форма его чаще все­го шаровидная или эллипсоидаль­ная. В молодых, особенно меристематических, клетках оно занимает центральное положение, но позднее обычно смещается к оболочке, от­тесняемое растущей вакуолью. Снаружи ядро покрыто двойной мембраной – ядерной оболочкой, пронизанной порами (поры ядра - динамичные образования, они могут открываться и закрываться; таким путем может осуществляться регуляция обмена между ядром и цитоплазмой) на краях которых наружная мембрана переходит во внутреннюю. Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы. Внутренняя мембрана может давать впячивания.

Внутреннее содержимое ядра – кариоплазма с погруженными в нее хроматином и ядрышками, и рибосомами. Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.

Хроматин – это деспирализованная форма существования хромосом. В деспирализованном состоянии хроматин находится в ядре неделящейся клетке. Хроматин и хромосомы взаимно переходят друг в друга. По химической организации как хроматин, так и хромосомы не отличаются. Химическую основу составляет дезоксирибонуклеопротеин – комплекс ДНК с белками. С помощью белков происходит многоуровневая упаковка молекул ДНК, при этом хроматин приобретает компактную форму.

Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК. Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах).

Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Диаметр ядра колеблется от 5 до 20 мкм. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Кроме того, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. (в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831г., в животной – Т.Шванн в 1838г.).

Химический состав ядра представлен, главным образом, нуклеиновыми кислотами и белками.

Строение и функции митохондрий.

Митохондрии или хондриосомы - «силовые» станции клетки, в них локализована большая часть реакций дыхания (аэробная фаза). В митохондриях происходит аккумуляция энергии дыхания в аденозинтрифосфате (АТФ). Энергия, запасаемая в АТФ, служит основным источником для физиологической деятельности клетки. Митохондрии обычно имеют удлиненную палочковидную форму длиной 4-7 мкм и диаметром 0,5-2 мкм. Число митохондрий в клетке может быть различным от 500 до 1000 и зависит от роли данного органа в процессах энергетического обмена.

Химический состав митохондрий несколько колеблется. В основном это белково-липидные органеллы. Содержание белка в них составляет 60-65%, причем структурные и ферментативные белки содержатся примерно в равной пропорции, а также около 30% липидов. Очень важно, что митохондрии содержат нуклеиновые кислоты: РНК - 1 % и ДНК -0,5%. В митохондриях имеется не только ДНК, но и вся система синтеза белка, в том числе рибосомы.

Митохондрии окружены двойной мембраной. Толщина мембран составляет 6-10 нм. Мембраны митохондрий на 70% состоят из белка. Фосфолипиды мембран представлены фосфатидтилхолином, фосфатидилэтаноламином, а также специфическими фосфолипидами, например, кардиолипином. Мембраны митохондрий не пропускают Н+ и служат барьером для их транспорта.

Между мембранами находится заполненное жидкостью перимитохондриальное пространство. Внутреннее пространство митохондрий заполняет матрикс в виде студнеобразной полужидкой массы. В матриксе сосредоточены ферменты цикла Кребса. Внутренняя мембрана дает выросты - кристы в виде пластин и трубочек, они разделяют внутреннее пространство митохондрий на отдельные отсеки. Во внутренней мембране локализована дыхательная цепь (цепь переноса электронов).

Что такое митохондрии? Если ответ на этот вопрос вызывает у вас затруднения, то наша статья как раз для вас. Мы рассмотрим особенности строения этих органелл во взаимосвязи с выполняемыми функциями.

Что такое органеллы

Но для начала давайте вспомним, что такое органеллы. Так называют постоянные клеточные структуры. Митохондрии, рибосомы, пластиды, лизосомы... Все это органеллы. Подобно самой клетке, каждая подобная структура имеет общий план строения. Органеллы состоят из поверхностного аппарата и внутреннего содержимого - матрикса. Каждую из них можно сравнить с органами живых существ. Органеллы также имеют свои характерные черты, обусловливающие их биологическую роль.

Классификация клеточных структур

Органеллы объединяют в группы по признаку строения их поверхностного аппарата. Различают одно-, дву- и немембранные постоянные клеточные структуры. К первой группе относятся лизосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, пероксисомы и различные виды вакуолей. Ядро, митохондрия и пластиды - двумембранные. А рибосомы, клеточный центр и органеллы движения полностью лишены поверхностного аппарата.

Теория симбиогенеза

Что такое митохондрии? Для эволюционного учения это не просто структуры клетки. Согласно симбиотической теории, митохондрии и хлоропласты являются результатом метаморфоз прокариот. Вполне возможно, что митохондрии произошли от аэробных бактерий, а пластиды - от фотосинтезирующих. Доказательством этой теории является тот факт, что данные структуры имеют собственный генетический аппарат, представленный кольцевой молекулой ДНК, двойную мембрану и рибосомы. Существует также предположение, что в дальнейшем от митохондрий произошли животные эукариотические клетки, а от хлоропластов - растительные.

Расположение в клетках

Митохондрии являются составляющей частью клеток преобладающей части растений, животных и грибов. Отсутствуют они только у анаэробных одноклеточных эукариот, обитающих в бескислородной среде.

Строение и биологическая роль митохондрий долгое время оставались загадкой. Впервые при помощи микроскопа их удалось увидеть Рудольфу Келликеру в 1850 году. В мышечных клетках ученый обнаружил многочисленные гранулы, которые на свету были похожи на пух. Понять, какова роль этих удивительных структур, стало возможно благодаря изобретению профессора Пенсильванского университета Бриттона Ченса. Он сконструировал прибор, который позволял видеть сквозь органеллы. Так была определена структура и доказана роль митохондрий в обеспечении энергией клеток и организма в целом.

Форма и размер митохондрий

Общий план строения

Рассмотрим, что такое митохондрии с точки зрения особенностей их строения. Это двумембранные органеллы. Причем наружная - гладкая, а внутренняя имеет выросты. Матрикс митохондрий представлен различными ферментами, рибосомами, мономерами органических веществ, ионами и скоплениями кольцевых молекул ДНК. Такой состав делает возможным протекание важнейших химических реакций: цикла трикарбоновых кислот, мочевины, окислительного фосфорилирования.

Значение кинетопласта

Мембрана митохондрии

Мембраны митохондрий не одинаковы по своему строению. Замкнутая наружная является гладкой. Она образована бислоем липидов с фрагментами белковых молекул. Его общая толщина составляет 7 нм. Данная структура выполняет функции отграничения от цитоплазмы, а также взаимосвязи органеллы с окружающей средой. Последняя возможна благодаря наличию белка порина, который формирует каналы. По ним посредством активного и пассивного транспорта передвигаются молекулы.

Химическую основу внутренней мембраны составляют белки. Она образует внутри органоида многочисленные складки - кристы. Эти структуры в значительной степени увеличивают активную поверхность органеллы. Главной особенностью строения внутренней мембраны является полная непроницаемость для протонов. В ней не образуются каналы для проникновения ионов извне. В отдельных местах наружная и внутренняя соприкасаются. Здесь расположен особый рецепторный белок. Это своеобразный проводник. С его помощью митохондриальные белки, которые закодированы в ядре, проникают внутрь органеллы. Между мембранами находится пространство, толщиной до 20 нм. В нем расположены различные виды белков, которые являются обязательными компонентами дыхательной цепи.

Функции митохондрий

Строение митохондрии напрямую взаимосвязано с выполняемыми функциями. Основная из них заключается в осуществлении синтеза аденозинтрифосфата (АТФ). Это макромолекула, которая случит основным переносчиком энергии в клетке. В ее состав входит азотистое основание аденин, моносахарид рибоза и три остатка фосфорной кислоты. Именно между последними элементами заключено основное количество энергии. При разрыве одной из них максимально ее может выделиться до 60 кДж. В целом прокариотическая клетка содержит 1 млрд молекул АТФ. Эти структуры постоянно находятся в работе: существование каждой из них в неизменном виде не продолжается больше одной минуты. Молекулы АТФ постоянно синтезируются и расщепляются, обеспечивая организм энергией в тот момент, когда это необходимо.

По этой причине митохондрии называют "энергетическими станциями". Именно в них происходит окисление органических веществ под действием ферментов. Энергия, которая при этом образуется, запасается и хранится в виде АТФ. К примеру, при окислении 1 г углеводов образуется 36 макромолекул этого вещества.

Строение митохондрии позволяет им выполнять еще одну функцию. Благодаря своей полуавтономности они являются дополнительным носителем наследственной информации. Ученые установили, что ДНК самих органелл не могут функционировать самостоятельно. Дело в том, что они не содержат всех необходимых для своей работы белков, поэтому заимствуют их в наследственном материале ядерного аппарата.

Итак, в нашей статье мы рассмотрели, что такое митохондрии. Это двумембранные клеточные структуры, в матриксе которых осуществляется ряд сложных химических процессов. Результатом работы митохондрий является синтез АТФ - соединение, которое обеспечивает организм необходимым количеством энергии.

(от греч. mitos - нить, chondrion - зернышко, soma - тельце) представляют собой гранулярные или нитевидные органоиды ( рис. 1, а). Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В таких клетках митохондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом. Особенно хорошо митохондрии выявляются на препаратах, окрашенных различными способами. Размеры митохондрий непостоянны у разных видов, так же изменчива их форма. Все же у большинства клеток толщина этих структур относительно постоянна (около 0,5 мкм), но длина колеблется, достигая у нитчатых форм 7-60 мкм.

Митохондрии независимо от их величины и формы имеют универсальное строение, их ультраструктура однообразна. Митохондрии ограничены двумя мембранами ( рис. 1, б), у них четыре субкомпартмента: митохондриальный матрикс , внутренняя мембрана , мембранное пространство и внешняя мембрана , обращенная к цитозолю. Внешняя мембрана отделяет ее от остальной цитоплазмы. Толщина внешней мембраны около 7 нм, она не связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута сама на себя, так что представляет собой мембранный мешок. Наружную мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10-20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс , или митоплазму . Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные выпячивания (складки) внутрь митохондрий. Такие выпячивания ( кристы , рис. 27) чаще всего имеют вид плоских гребней. Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ.

Митохондрии специализируются на синтезе АТФ путем транспорта электронов и окислительного фосфорилирования. (рис 21-1). Хотя они имеют свою собственную ДНК и аппарат белкового синтеза, большинство их белков кодируется клеточной ДНК и поступает из цитозоля. Более того, каждый поступивший в органеллу белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует.

Митохондрии - это "энергетические станции" эукариотических клеток. В кристы встроены ферменты, участвующие в преобразовании энергии питательных веществ, поступающих в клетку извне, в энергию молекул АТФ. АТФ - "универсальная валюта", которой клетки расплачиваются за все свои энергетические расходы. Складчатость внутренней мембраны увеличивает поверхность, на которой размещаются ферменты, синтезирующие АТФ. Количество крист в митохондрии и количество самих митохондрий в клетке тем больше, чем больше энергетических трат осуществляет данная клетка. В летательных мышцах насекомых каждая клетка содержит несколько тысяч митохондрий. Меняется их количество и в процессе индивидуального развития (онтогенеза): в молодых эмбриональных клетках они более многочисленны, чем в клетках стареющих. Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ, образующейся в митохондриях.

Расстояние между мембранами в кристе составляет около 10-20 нм. У простейших, одноклеточных водорослей в некоторых клетках растений и животных выросты внутренней мембраны имеют вид трубочек диаметром около 50 нм. Это так называемые трубчатые кристы.

Митохондриальный матрикс гомогенен и имеет более плотную консистенцию, чем окружающая митохондрию гиалоплазма. В матриксе выявляются тонкие нити ДНК и РНК, а также митохондриальные рибосомы, на которых синтезируются некоторые митохондриальные белки. С помощью электронного микроскопа на внутренней мембране и кристах со стороны матрикса можно увидеть грибовидные образования - АТФ-сомы. Это ферменты, образующие молекулы АТФ. Их может быть до 400 на 1 мкм.

Немногие белки, которые кодируются собственным геномом митохондрий, расположены в основном во внутренней мембране. Они обычно образуют субъединицы белковых комплексов, другие компоненты которых кодируются ядерными генами и поступают из цитозоля. Образование таких гибридных агрегатов требует сбалансирования синтеза этих двух типов субъединиц; каким образом координируется синтез белка на рибосомах разных типов, разделенных двумя мембранами, остается загадкой.

Обычно митохондрии располагаются в местах, где необходима энергия для любых жизненных процессов. Возник вопрос, каким образом транспортируется в клетке энергия - путем ли диффузии АТФ и нет ли в клетках структур, исполняющих роль электрических проводников, которые могли бы энергетически объединять отдаленные друг от друга участки клетки. Гипотеза заключается в том, что разность потенциалов в определенной области мембраны митохондрий передается вдоль нее и превращается в работу в другой области той же мембраны [ Скулачев В.П., 1989 ].

Как представлялось, подходящими кандидатами на эту же роль могли быть мембраны самих митохондрий. Кроме того, исследователей интересовали взаимодействие в клетке множественных митохондрий друг с другом, работа всего ансамбля митохондрий, всего хондриома - совокупности всех митохондрий.

Митохондрии характерны за малым исключением для всех эукариотических клеток как аутотрофных (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофных (животные, грибы) организмов. Их основная функция связана с окислением органических соединений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии в синтезе молекул АТФ. Поэтому митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Цепь переноса электронов

✪ Нанотурбины в клетках. СУПЕР ТЕХНОЛОГИЯ ПРИРОДЫ - Синтез АТФ.

✪ Цитология. Лекция 11. Ундулиподия. Окштейн И.Л.

✪ Почему убийцы получают кайф. Чакры. Пятибрат.В, Верба.А

✪ Какой же русский не понимает санскрита? Светлана Бурлак. Ученые против мифов 7-11

Субтитры

После гликолиза и цикла Кребса остаётся 10 молекул НАДH и две ФАДH2. Как я говорил, они используются в цепи переноса электронов. Молекулы находятся в матриксе митохондрий, а в цепи переноса электронов синтезируется АТФ. Об этом я расскажу в этом ролике. О цепи переноса электронов. Запишу тему ролика. Цепь переноса электронов. Прекрасно. О ней многое известно, но кое-что исследуется до сих пор. Модели нуждаются в обосновании. Но это явления настолько малого масштаба, что можно лишь наблюдать результат и предполагать, чем он вызван, что произошло. Большинство механизмов установлено точно, но, например, некоторые подробности работы ферментов понятны не до конца. Я хочу, чтобы вы поняли, это передовой рубеж науки. И главное здесь - НАДH. Ну и ФАДH2 тоже. Однако его электроны обладают меньшей энергией, и выход АТФ меньше. Каждая молекула НАДH даёт 3 молекулы АТФ. Итак, каждая молекула НАДH даёт 3 молекулы АТФ. Каждая молекула ФАДH2 в лучшем случае даёт 2 молекулы АТФ. Причина в том, что в цепь переноса электронов с неё передаётся электрон с меньшей энергией, нежели у НАДH. Это происходит опосредованно. Как же всё это устроено? Сначала происходит окисление НАДH. Окисление - это потеря электронов вместе с атомами водорода. Вот полуреакция. Это реакция окисления. Остаётся НАД+, который вновь используется в цикле Кребса и при гликолизе. Кроме НАД+, остаётся протон - положительно заряженный атом водорода. И ещё 2 электрона. Так окисляется НАДH. Подпишу здесь. Он теряет 2 электрона. Он окисляется. Окисление - это всегда потеря электрона или атомов водорода вместе с электронами. Одно из двух. Это первое звено цепи переноса электронов. Электроны отнимаются у НАДH. В последнем звене цепи переноса электронов будут 2 электрона - те же 2 электрона - и также 2 протона. Очевидно, их можно рассматривать в паре: атом водорода - это протон плюс электрон. Добавляется 1 атом кислорода - половина молекулы. 1 атом кислорода. Из атома кислорода и 2-х атомов водорода получается вода. В результате - вода. Таким образом, кислород получает электроны. Восстановление - это получение электронов. Кислород восстанавливается до воды. У НАДH происходит окисление до НАД+. Вот эти электроны отняты у НАДH. У них очень высокая энергия. Эти электроны передаются по цепи, состоящей из молекул, называемых переносчиками электронов. Переносчики электрона расположены по убыванию энергии. Я не хочу вдаваться в подробности. Вот кофермент Q, вот цитохром C. Цитохром С. Здесь всё заканчивается, а кислород восстанавливается до воды. При каждом снижении энергии электрона при движении по цепи переноса электронов выделяется энергия. Происходит высвобождение энергии. Энергия электрона снижается ступенчато. Первое снижение - при переходе с НАДH на кофермент Q. Выделяется энергия. Потом переход на цитохром C. Энергия тратится на перекачку протонов через кристы внутренней мембраны митохондрий. Страшновато звучит, да? Не забывайте, это передовой рубеж науки. Нарисую митохондрию. Она будет совсем небольшой. Для удобства. Вот наружная мембрана, вот внутренняя с кристами. Что-то похожее. Покажу чуть поближе. Вот этот участок. Попробую нарисовать его покрупнее. Вот криста. Вот она - толстая. Большой масштаб. Поэтому криста будет толстой. Закрашу её. Вот так. А вот наружная мембрана. Вот она, здесь. Закрашу её. То, что снаружи, нам не нужно. Вот это - межмембранное пространство. Под внутренней мембраной расположен матрикс. Вот здесь - матрикс. Здесь происходит цикл Кребса. И здесь очень-очень много молекул НАДH. Окисление НАДH до НАД+ и перенос электронов с молекулы на молекулу осуществляется большим белковым комплексом. Не хочу вдаваться в подробности. Вот первый белковый комплекс, где происходит первая реакция окисления и выделяется энергия. А вот второй белковый комплекс, где происходит вторая реакция окисления с выделением энергии. Эту энергию белки тратят на перекачивание протонов в межмембранное пространство. Межмембранное пространство. И здесь нужно внести ясность. Каждая из этих реакций приводит к выкачиванию определённого количества протонов. И вот по цепи переноса электронов идёт, теряя энергию, пара электронов с молекулы НАДH к молекуле воды, а излишки энергии используются для выкачивания протонов из матрикса в межмембранное пространство. Причём единственным побочным продуктом окисления НАДH и восстановления кислорода является совсем не АТФ, а создаваемый градиент протонов между межмембранным пространством и матриксом. Межмембранное пространство закисляется. Не забывайте, что кислотность - это всего лишь концентрация протонов. Вся энергия тратится на выкачивание протонов в межмембранное пространство. Межмембранное пространство закисляется по сравнению с матриксом, который можно считать щелочным. Это положительно заряженные частицы, поэтому между мембранами возникает межмембранный электрический потенциал. Здесь заряд отрицательный, а здесь положительный. Градиент создаётся искусственно. Сами по себе протоны не будут поступать в область высокой концентрации. Градиент создаётся за счёт энергии электронов, идущих по цепи с НАДH к кислороду. Вот что происходит. Протоны выкачиваются из матрикса под мембрану. Протоны стремятся двигаться по градиенту. Они стремятся вернуться в матрикс. Тут-то и образуется АТФ. Для этого тоже нужен белок. Давайте нарисуем. Вот это всё - внутренняя мембрана. Покажем её участок. Вот участок кристы. В мембране находится особый белок, который называется АТФ-синтазой. АТФ-синтаза. Запишу. АТФ-синтаза. Цепь переноса электронов создаёт градиент водородных ионов. То есть протонов. Они стремятся вернуться в матрикс. Вот сюда. Но не могут этого сделать. Криста непроницаема, для ионов есть особый путь. Они движутся сквозь особые белковые комплексы. Возврат в матрикс осуществляется через АТФ-синтазу. При этом происходит кое-что интересное. Исследования в этой области идут до сих пор. Учёные не уверены. Вы можете относиться к этому белку, как к простому механическому устройству. Это живые механизмы микроскопических размеров. Ни протоны, ни эти механизмы не видны человеческому глазу. Согласно текущей модели в молекуле АТФ-синтазы имеется ротор. Вращающаяся часть в составе белкового комплекса. Кроме ротора, есть и другая часть. Кажется невероятным, правда? А ведь всё это происходит на мембранах практически всех живых клеток. И эукариот, и прокариот. У одних - в митохондриях, у других - на клеточной мембране. Почти у всех клеток. Протоны проходят сквозь неё, как вода через турбину, принуждая срединную структуру к механическому вращению. Такова текущая версия. Комплекс имеет неровную форму, даже причудливую. Теперь возьмём молекулу АДФ. Вот аденозин и фосфатные группы. Вот они. В этой части белка. А вот фосфат, в другой части белка. Вот так. АДФ и фосфат. При повороте ротора, при повороте ротора из-за несимметричности молекулы в дело вступают особенности формы и распределения заряда. В силу этих причин при повороте ротора АДФ и фосфат сближаются, соединяясь и образуя АТФ. Согласно текущей модели это происходит сразу в 3-х участках. При каждом повороте АДФ и фосфат оказываются внутри. Внутри. Допустим, так. Я не знаю, что внутри. Эти молекулы захватываются при каждом повороте и соединяются друг с другом. Энергия протонного градиента вращает ротор. Из-за особенностей формы и заряда 2 молекулы соединяются. Если окислить 10 молекул НАДH, мы получим сильный градиент протонов в межмембранном пространстве для работы АТФ-синтазы. Результаты наблюдений показывают, что молекулы НАДH достаточно для синтеза 3-х АТФ. 1 ФАДH2 достаточно для 2-х АТФ. Как уже говорилось, это в идеале. На практике возможна утечка протонов и снижение эффективности. Также могут выпадать некоторые звенья цепи с потерей энергии. Система эффективна не на 100%. Чтобы вы убедились в существовании этого, вот вам картинка. Реальная структура молекулы АТФ-синтазы. Вот она. Это АТФ-синтаза. Сейчас подпишу. Как видите, эта часть служит держателем для, для этой и вот этой. Эта часть неподвижна. Водород проходит здесь. Ротор вращается. Во время поворота АДФ и фосфат внутри субъединицы F1 сближаются. Для их реакции нужна энергия. Их сближает энергия вращения ротора. А ротор использует энергию водорода. Я не знаю точной механики, но простейшей аналогией может служить ветряная мельница или турбина. Думаю, это подойдет в качестве аналогии. У турбины есть лопасти. Не знаю, есть ли такие у белка. То, что попадает на лопасти, вращает вал. Турбина вращается. При желании можно изменить угол вращения и не только. Учёные до сих пор продолжают исследования. Но для начинающих биологов достаточно знать, что в цепи переноса электронов происходят 2 вещи. Электроны с молекул НАДH и ФАДH2 переносятся на кислород, восстанавливая его. При переносе с молекулы на молекулу выделяется энергия. Энергия электрона падает. Излишек протонов расходуется на перекачивание протонов в межмембранное пространство. Создаётся градиент протонов, стремящихся вернуться в матрикс. Энергия градиента используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Я говорил, что одной молекулы НАДH достаточно для синтеза 3-х молекул АТФ. Но не напрямую. Просто создаётся достаточный градиент для синтеза 3-х АТФ. А одной молекулы ФАДH2 хватает для синтеза 2-х АТФ. 10 молекул НАДH в идеале хватает на 30 АТФ. 2-х ФАДH2 - на 4 АТФ. А в процессе гликолиза синтезируется 2 АТФ. В цикле Кребса - ещё 2 АТФ. Итого эти процессы поставляют 4 АТФ, 4 АТФ. А в сумме получается 38 АТФ из 1 молекулы глюкозы. Надеюсь, вы поняли суть клеточного дыхания. Subtitles by the Amara.org community

Происхождение митохондрий

Структура митохондрий

Наружная мембрана

Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм, не образует впячиваний и складок, и замкнута сама на себя. На наружную мембрану приходится около 7 % от площади поверхности всех мембран клеточных органелл. Основная функция - отграничение митохондрии от цитоплазмы . Наружная мембрана митохондрии состоит из липидов с вкраплениями белков (соотношение 2: 1). Особую роль играет порин - каналообразующий белок : он формирует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа . Крупные молекулы могут пересекать наружную мембрану только посредством активного транспорта через транспортные белки митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов : монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А 2 . Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума ; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция .

Межмембранное пространство

Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Его толщина - 10-20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме. Напротив, крупным белкам для транспорта из цитоплазмы в периплазматическое пространство необходимо иметь специфические сигнальные пептиды ; поэтому белковые компоненты периплазматического пространства и цитоплазмы различны. Одним из белков, содержащихся не только во внутренней мембране, но и в периплазматическом пространстве, является цитохром c .

Внутренняя мембрана

Энергетический потенциал (запас энергии) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле НАДН, а разница в подобной энергии временно запасается в виде электрохимического протонного градиента. Последний возникает в результате того, что перенос электронов по простетическим группам комплекса I, ведущий к снижению энергетического потенциала электронов, сопровождается трансмембранным переносом двух протонов из Комплекс III катализирует реакцию окисления двух убихинолов до убихинон ов, восстанавливая две молекулы цитохрома c (гемсодержащий переносчик, находящегося в межмембранном пространстве). Отщепляющиеся при этом от убихинолов четыре протона освобождаются в межмембранное пространство, продолжая формирование электрохимического градиента.

Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c -оксидаза) с молекулярной массой около 200 кДа, состоящим из 10-13 полипептидных цепей и, помимо двух различных гемов, включающим также несколько атомов меди , прочно связанных с белками. При этом электроны, отбираемые у восстановленного цитохрома c , пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды .

Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов , присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.

Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ , осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом с молекулярной массой 500 кДа. Этот комплекс, называемый АТФ-синтазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.

АТФ-синтаза

В структурно-функциональном плане АТФ-синтаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F 1 и F 0 . Первый из них (фактор сопряжения F 1) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц α и стольких же субъединиц β уложены в похожие по строению белковые глобулы , которые вместе образуют гексамер (αβ) 3 , имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы α и β образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица γ, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы γ выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F 0 . Также внутри гексамера находится минорная субъединица ε, связанная с γ. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом δ и расположена на внешней стороне F 1 .

Мембранная часть АТФ-синтазы, называемая фактором сопряжения F 0 , представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода. Всего в состав комплекса F 0 входит одна белковая субъединица типа а , две копии субъединицы b , а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c . Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её α-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану α-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F 1 и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу δ. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных α-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F 1 , а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F 1 в сторону F 0 субъединица γ как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.

Таким образом, в молекуле АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц, которые могут быть уподоблены двум деталям мотора: ротору и статору . «Статор» неподвижен относительно мембраны и включает в себя шарообразный гексамер (αβ) 3 , находящуюся на его поверхности и субъединицу δ, а также субъединицы a и b мембранного комплекса F 0 . Подвижный относительно этой конструкции «ротор» состоит из субъединиц γ и ε, которые, заметно выступая из комплекса (αβ) 3 , соединяются с погружённым в мембрану кольцом из субъединиц c .

Способность синтезировать АТФ - свойство единого комплекса F 0 F 1 , сопряжённого с переносом протонов водорода через F 0 к F 1 , в последнем из которых как раз и расположены каталитические центры, осуществляющие преобразование АДФ и фосфата в молекулу АТФ. Движущей же силой для работы АТФ-синтазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий в результате работы цепи электронного транспорта.

Сила, приводящая в движение «ротор» АТФ-синтазы, возникает при достижении разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны > 220 мВ и обеспечивается потоком протонов, протекающих через специальный канал в F 0 , расположенный на границе между субъединицами a и c . При этом путь переноса протонов включает в себя следующие структурные элементы:

1. Два расположенных несоосно «полуканала», первый из которых обеспечивает поступление протонов из межмембранного пространства к существенно важным функциональным группам F 0 , а другой обеспечивает их выход в матрикс митохондрии;
2. Кольцо из субъединиц c , каждая из которых в своей центральной части содержит протонируемую карбоксильную группу, способную присоединять H + из межмембранного пространства и отдавать их через соответствующие протонные каналы. В результате периодических смещений субъединиц с , обусловленных потоком протонов через протонный канал происходит поворот субъединицы γ, погружённой в кольцо из субъединиц с .

Таким образом, каталитическая активность АТФ-синтазы непосредственно связана с вращением её «ротора», при котором поворот субъединицы γ вызывает одновременное изменение конформации всех трёх каталитических субъединиц β, что в конечном счёте и обеспечивает работу фермента. При этом в случае образования АТФ «ротор» крутится по часовой стрелке со скоростью четыре оборота в секунду, а само подобное вращение происходит дискретными скачками по 120°, каждый из которых сопровождается образованием одной молекулы АТФ.

Непосредственная функция синтеза АТФ локализована на β-субъединицах сопрягающего комплекса F 1 . При этом самым первым актом в цепи событий, приводящих к образованию АТФ, является связывание АДФ и фосфата с активным центром свободной β-субъединицы, находящейся в состоянии 1. За счёт энергии внешнего источника (тока протонов) в комплексе F 1 происходят конформационные изменения, в результате которых АДФ и фосфат становятся прочно связанными с каталитическим центром (состояние 2), где становится возможным образование ковалентной связи между ними, ведущей к образованию АТФ. На данной стадии АТФ-синтазы ферменту практически не требуется энергии, которая будет необходима на следующем этапе для освобождения прочно связанной молекулы АТФ из ферментативного центра. Поэтому следующий этап работы фермента заключается в том, чтобы в результате энергозависимого структурного изменения комплекса F 1 каталитическая β-субъединица, содержащая прочно связанную молекулу АТФ, перешла в состояние 3, в котором связь АТФ с каталитическим центром ослаблена. В результате этого молекула АТФ покидает фермент, а β-субъединица возвращается в исходное состояние 1, благодаря чему обеспечивается цикличность работы фермента.

Работа АТФ-синтазы связана с механическими движениями её отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобно тому, как электрический ток в обмотке электродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтазу вызывает вращение отдельных субъединиц фактора сопряжения F 1 относительно других субъединиц ферментного комплекса, в результате чего это уникальное энергообразующее устройство совершает химическую работу - синтезирует молекулы АТФ. В дальнейшем АТФ поступает в цитоплазму клетки, где расходуется на самые разнообразные энергозависимые процессы. Подобный перенос осуществляется специальным встроенным в мембрану митохондрий ферментом АТФ/АДФ-транслоказой, который обменивает вновь синтезированную АТФ на цитоплазматическую АДФ, что гарантирует сохранность фонда адениловых нуклеотидов внутри митохондрий.

Митохондрии являются «электростанциями» эукариот, производящие энергию для деятельности клеток. Эти генерируют энергию путем ее преобразования в формы, которые могут быть использованы клеткой. Находящиеся в , митохондрии служат "базой" для клеточного дыхания. - процесс, генерирующий энергию для деятельности клетки. Митохондрии также участвуют в других клеточных процессах, таких как , рост и .

Отличительные характеристики

Митохондрии имеют характерную продолговатую или овальную форму и покрыты двойной мембраной. Они встречаются как в , так и в . Количество митохондрий внутри клетки изменяется в зависимости от типа и функции клетки. Некоторые клетки, такие как зрелые эритроциты, вообще не содержат митохондрий. Отсутствие митохондрий и других органелл оставляет место для миллионов молекул гемоглобина, необходимых для транспортировки кислорода по всему телу. С другой стороны, клетки мышц могут содержать тысячи митохондрий, генерирующих энергию, необходимую для мышечной активности. Митохондрии также обильны в жировых клетках и клетках печени.

Митохондриальная ДНК

Митохондрии имеют собственную ДНК (мтДНК), и могут синтезировать свои собственные белки. мтДНК кодирует белки, участвующие в переносе электронов и окислительном фосфорилировании, которые происходят при клеточном дыхании. При окислительном фосфорилировании в матрице митохондрий генерируется энергия в виде АТФ. Протеины, синтезированные из мтДНК, также кодируются для продуцирования молекул РНК, передающих РНК и рибосомную РНК.

Митохондриальная ДНК отличается от ДНК, обнаруженной в , тем, что она не обладает механизмами восстановления ДНК, которые помогают предотвратить мутации в ядерной ДНК. В результате мтДНК имеет гораздо более высокую скорость мутаций, чем ядерная ДНК. Воздействие реактивного кислорода, образующегося при окислительном фосфорилировании, также повреждает мтДНК.

Строение митохондрий

Митохондрии окружены двойной . Каждая из этих мембран представляет собой фосфолипидный бислой со встроенными белками. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя мембрана имеет много складок. Эти складки называются кристами. Они повышают «производительность» клеточного дыхания за счет увеличения доступной площади поверхности.

Двойные мембраны делят митохондрию на две различные части: межмембранное пространство и матрицу митохондрий. Межмембранное пространство представляет собой узкую часть между двумя мембранами, в то время как митохондриальная матрица является частью, заключенной внутри мембран.

Митохондриальная матрица содержит мтДНК, рибосомы и ферменты. Некоторые из этапов клеточного дыхания, включая цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, происходят в матрице из-за высокой концентрации ферментов.

Митохондрии полуавтономны, так как лишь частично зависят от клетки, чтобы реплицировать и расти. У них есть свои ДНК, рибосомы, белки и контроль над их синтезированием. Подобно бактериям, митохондрии имеют циркулярную ДНК и реплицируются репродуктивным процессом, называемым бинарным делением. До репликации митохондрии сливаются вместе в процессе, называемом слияние. Это необходимо для поддержания стабильности, так как без него митохондрии будут уменьшаться по мере их деления. Уменьшенные митохондрии не способны продуцировать достаточное количество энергии, необходимой для нормального функционирования клетки.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .