Митохондрия

Что будет при нарушении работы митохондрий?

Очевидно, что самым первым и самым ярким проявлением дисфункции митохондрий будет уменьшение выработки энергии в клетке. На клиническом уровне такое обстоятельство может проявляться по-разному. И больше всего пострадают те ткани, которые работают максимально активно, а значит, требуют наибольшего притока энергии :

мышечная (снижение физической выносливости и переносимости нагрузок);
нервная (ухудшение когнитивных способностей – памяти, концентрации, работоспособности);
эндокринная (нарушения гормонального баланса, проблемы с пищеварением и работой мочеполовых органов) и т.д.

Кроме того, учитывая другие функции митохондрий, о которых мы рассказывали выше, их неправильная работа может становиться фактором риска развития многих нарушений :

преждевременного старения;
возрастных поражений нервной системы;
заболеваний сердечной мышцы;
ожирения;
артериальной гипертензии и ишемической болезни сердца, как проявлений метаболического синдрома;
дисбиотических расстройств;
и даже онкологических новообразований.

Митохондрии в животных клетках: основные особенности и роли

Основной функцией митохондрий является производство энергии в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата) в результате окисления питательных веществ, таких как глюкоза и жирные кислоты. Этот процесс, называемый клеточным дыханием, осуществляется внутри митохондрий.

Митохондрии также принимают участие в других важных процессах, таких как регуляция уровня кальция в клетках и программированная клеточная гибель. Они содержат свою собственную ДНК и способны реплицироваться независимо от деления клетки, что говорит о их эволюционной происходности от прокариотических организмов.

Структурно митохондрии состоят из двух мембран – внешней и внутренней. Внутренняя мембрана имеет складчатую структуру – христы, которые увеличивают поверхность мембраны и способствуют более эффективному проведению клеточного дыхания. В пространстве между мембранами находится матрикс – гельоподобное вещество, содержащее рибосомы, молекулы ДНК и различные ферменты.

Количество митохондрий в клетке может варьироваться в зависимости от ее энергетических потребностей. Так, в клетках с высокой энергопотребностью, например, в мышцах, митохондрий может быть значительно больше, чем в других клетках организма.

Таким образом, митохондрии являются важными органоидами животных клеток, выполняющими целый ряд функций, включая производство энергии, регуляцию кальция и участие в клеточной гибели. Их структурные особенности и количество митохондрий в клетке напрямую связано с энергетическими потребностями данной клетки.

Структура митохондрий[править | править код]

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% 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 образует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа. Крупные молекулы могут проникать сквозь наружную мембрану только посредством активного транспорта с помощью транспортных белков митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов: монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А₂. 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 размер — 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. Крупным же 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

Внутренняя мембрана состоит в основном из белковых комплексов (соотношение белок/липид — 3:1) и образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности и, например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран. Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина — особого фосфолипида, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. Внутренняя мембрана митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Матрикс

Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.

Часто задаваемые вопросы

1. Какова функция митохондрий в клетке?

Функция митохондрий in клетка заключается в выработке энергии посредством процесса клеточного дыхания, производства АТФ (аденозинтрифосфат) Для обменные процессы в клетке.

2. Где в растительной клетке расположены митохондрии?

In растительная клеткамитохондрии расположены повсюду цитоплазма, но их больше рядом области of высокое потребление энергии, Такие, как меристематические ткани и сосудистая система.

3. Какова функция митохондрий растительной клетки?

Функция митохондрий растительных клеток заключается в выработке АТФ посредством окислительного фосфорилирования, которое ключевой процесс in преобразование энергии. Кроме того, они играют роль в другие метаболические процессы как углеродный обмен и окислительно-восстановительные реакции.

4. Нужны ли растительным клеткам митохондрии?

Да, растительным клеткам нужны митохондрии. Митохондрии необходимы для производства АТФ, который необходим для различные клеточные активности, включая рост, воспроизводство и реакцию на экологические стимулы.

5. Могут ли митохондрии находиться в растительных клетках?

Да, митохондрии можно найти в растительных клетках. Они присутствуют в как животных, так и растительных клеток и отвечают за энергетический обмен и синтез АТФ.

6. Какова цепь переноса электронов в митохондриях?

Цепь переноса электронов это серия белковые комплексы расположены во внутренней мембране митохондрий. Он играет решающую роль в окислительном фосфорилировании, способствуя перевод электронов и поколение протонного градиента для производства АТФ.

7. Что такое цикл Кребса в митохондриях?

Цикл Кребса, также известный как цикл лимонной кислоты, является метаболический путь это происходит в матриксе митохондрий. Он участвует в окислении ацетил-КоА, полученного из пирувата, и образует молекулы, богатые энергией как НАДН и ФАДН2.

8. Что такое окислительное фосфорилирование в митохондриях?

Окислительного фосфорилирования Это процесс синтеза АТФ в митохондриях. Это включает в себя перевод электронов через цепь переноса электронов, создавая градиент протонов поперек внутренняя мембрана митохондрий, который управляет синтезом АТФ с помощью АТФазы.

9. Что такое кристы в митохондриях?

Кристы складки of внутренняя мембрана митохондрий. Они увеличивают площадь поверхности доступен для окислительного фосфорилирования и содержит цепь переноса электронов и АТФ-синтаза ферменты.

10. Какова роль митохондрий в энергетическом обмене?

Митохондрии играют центральная роль в энергетическом обмене. Они участвуют в таких процессах, как окислительное фосфорилирование, выработка АТФ, метаболизм углерода и окислительно-восстановительные реакции. Они преобразуют энергию питательных веществ в АТФ, который валюта первичной энергии клеток.

§ 13-1. Двумембранные органоиды

Двумембранными органоидами клеток являются митохондрии и пластиды.

Митохондрии — органоиды, в которых протекает кислородный этап клеточного дыхания (этот процесс будет подробно рассмотрен в следующей главе). В ходе кислородного этапа с участием О₂ происходит расщепление и окисление органических соединений до неорганических веществ. При этом выделяется много энергии, которая используется для синтеза большого количества АТФ. Поэтому митохондрии иногда называют «энергетическими станциями» клетки.

*Митохондрии могут быть округлыми, вытянутыми, нитевидными и даже разветвленными. Число митохондрий в разных клетках может составлять от одной до сотен тысяч. Клетки, которым требуется много энергии (клетки печени, мышц и т. п.), содержат большое количество этих органоидов. В клетках водорослей и хлорофиллоносной ткани растений число митохондрий обычно меньше, чем у животных, поскольку функцию синтеза АТФ частично выполняют хлоропласты.

Митохондрии являются динамичными органоидами. Они способны изменять свою форму, сливаться друг с другом, делиться, перемещаться в участки клетки с повышенным потреблением энергии. Митохондрии скапливаются преимущественно в тех частях клетки, где выше потребность в АТФ, например вблизи органоидов движения или миофибрилл.*

Каждая митохондрия ограничена двумя мембранами — наружной и внутренней, между которыми находится межмембранное пространство (рис. 13-1.1). Наружная мембрана митохондрии гладкая, не образует впячиваний и складок. Она отделяет органоид от гиалоплазмы и обладает высокой проницаемостью для ионов и небольших молекул. Внутренняя мембрана характеризуется гораздо меньшей проницаемостью. Она образует многочисленные складки — кристы, которые значительно увеличивают площадь ее поверхности. Внутренняя мембрана митохондрий содержит большое количество белков. В ее состав входят, например, ферменты, обеспечивающие синтез АТФ.

Содержимое митохондрии, ограниченное внутренней мембраной, называется матриксом. В матриксе содержатся различные неорганические и органические вещества, в том числе разнообразные ферменты, а также кольцевые молекулы ДНК и все виды РНК. Следовательно, митохондрии содержат собственную генетическую информацию. В их матриксе также находятся рибосомы, в которых осуществляется реализация этой информации, т. е. синтез белков. Митохондриальные *70S* рибосомы меньше по размерам, чем рибосомы, содержащиеся в гиалоплазме клетки. *ДНК митохондрии кодирует лишь небольшую часть белков, необходимых для функционирования этого органоида. Большинство митохондриальных белков кодируется ДНК, расположенной в ядре клетки. Такие белки синтезируются в 80S рибосомах в гиалоплазме, а затем транспортируются в митохондрию.*

Главная функция митохондрий — обеспечение клетки энергией в виде АТФ. *В клетке происходит постоянное обновление митохондрий. Новые митохондрии образуются в результате деления материнских. Этот процесс, как правило, протекает независимо от деления клетки и определяется ее энергетическими потребностями. Когда потребности клетки в энергии высоки, митохондрии интенсивно растут и размножаются путем деления. Если потребление энергии низкое, часть митохондрий может разрушаться или переходить в неактивное состояние.*

Строение митохондрий

Митохондрии окружены двойной мембраной. 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.

Мне нравится2Не нравится

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
Внешняя мембрана	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
Кристы	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
Матрикс	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.

Источники

1. Evans A., Neuman N. The Mighty Mitochondria. Molecular Cell. 2016, March, 3, 61 (5): 641.

2. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.

3. Gaston D., Tsaousis A.D., Roger A.J. Predicting proteomes of mitochondria and related organelles from genomic and expressed sequence tag data. Methods in Enzymology. 2009, 457: 21-47.

4. Al Rawi S., Louvet-Vallée S., Djeddi A., Sachse M., Culetto E., Hajjar C., Boyd L., Legouis R., Galy V. Postfertilization autophagy of sperm organelles prevents paternal mitochondrial DNA transmission. Science. 2011, 334: 1144-1147.

5. Fu Q., Mittnik A., Johnson P.L., Bos K., Lari M., Bollongino R., Sun C., Giemsch L., Schmitz R., et al. A revised timescale for human evolution based on ancient mitochondrial genomes. Current Biology. 21 March 2013, 23 (7): 553–59.

6. André J. Mitochondria. Biology of the Cell. 1994, 80 (2-3): 103-6.

7. Bock F.J., Tait S.W.G. Mitochondria as multifaceted regulators of cell death. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2020, February, 21 (2): 85-100.

8. Kornmann B. The endoplasmic reticulum-mitochondria encounter structure: coordinating lipid metabolism across membranes. Journal of Biological Chemistry. 2020, May, 26, 401 (6-7): 811-820.

9. Liu X., Hajnóczky G. Ca2+-dependent regulation of mitochondrial dynamics by the Miro-Milton complex. International Journal of Biochemistry and Cell Biology. 2009, 41: 1972-1976.

10. Murphy M.P. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochemistry Journal. 2009, 417: 1-13.

11. Clark A., Mach N. The crosstalk between the gut microbiota and mitochondria during exercise. Frontiers of Physiology. 2017, May 19, 8: 319.

12. Annesley S.J., Fisher P.R. Mitochondria in Health and Disease. Cells. 2019. July, 5, 8 (7): 680.

13. van der Giezen M., Tovar J. Degenerate mitochondria. Reports of European Molecular Biology Organization. 2005, June, 6, (6): 525-30.

14. Duchen M.R. Mitochondria in health and disease: perspectives on a new mitochondrial biology. Molecular Aspects of Medicine. 2004, August, 25 (4): 365-451.

15. Youle R.J., van der Bliek A.M. Mitochondrial fission, fusion, and stress. Science (New York, N.Y.), 2012, 337(6098), 1062–1065.

16. Ashrafi G., Schwarz T.L. The pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria. Cell Death & Differentiation. 2013, January, 20 (1): 31-42.

17. Johanningsmeier S.D., Harris G.K. Pomegranate as a functional food and nutraceutical source. Annual Review of Food Science and Technology. 2011-02-28, 2 (1): 181–201.

18. Selma M.V., Beltrán D., Luna M.C., Romo-Vaquero M., García-Villalba R., Mira A., et al. Isolation of Human Intestinal Bacteria Capable of Producing the Bioactive Metabolite Isourolithin A from Ellagic Acid. Frontiers in Microbiology. 2017, 8: 1521.

19. D’Amico D., Andreux P.A., Valdés P., Singh A., Rinsch C., Auwerx J. Impact of the Natural Compound Urolithin A on Health, Disease, and Aging. Trends in Molecular Medicine, May 2021, S1471491421001180.

20. Ryu D., Mouchiroud L., Andreux P.A., Katsyuba E., Moullan N., Nicolet-Dit-Félix A.A., et al. «Urolithin A induces mitophagy and prolongs lifespan in C. elegans and increases muscle function in rodents». Nature Medicine. August 2016, 22 (8): 879–88.

21. Lin M.T., Beal M.F. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 2006, October, 19, 443 (7113): 787-95.

22. Михайлова Е.А., Локошко Д.В., Большакова Е.М. Полипренолы и долихолы, как важный компонент антиоксидантной защиты фосфолипидных мембран. Обзор данных современной научной литературы. Современная Российская наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции, Пенза, 07 мая 2021 года. С. 97-101.

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.

Растительная клетка и ее строение

Клетка — структурная единица живого организма. Как функциональная единица она обладает всеми свойствами живого: дышит, питается, ей свойствен обмен веществ, выделение, раздражимость, деление и самовоспроизведение себе подобных. Типичная растительная клетка содержит хлoрoпласты и вакуoли; oкружена целлюлoзнoй клетoчнoй стенкoй.

Хлоропласты — двумембранные пластиды зелёного цвета (наличие пигмента хлорофилла). Отвечают за процесс фотосинтеза. Кроме хлоропластов, в растительной клетке имеются жёлто-оранжевые или красные пластиды (хромопласты) и бесцветные пластиды (лейкопласты).

Вакуоль — полость, занимающая 70—90 % общего объёма взрослой клетки, отделённая от цитоплазмы мембраной (тонопластом). Для рaстительных клеток хaрaктерно нaличие вaкуоли с клеточным соком, в котором рaстворены соли, сaхaрa, оргaнические кислоты. Вaкуоль регулирует тургор клетки (внутреннее давление).

Цитоплазма — внутренняя среда клетки, бесцветное вязкое образование, находящееся в постоянном движении. Цитoплазма сoстoит из вoды с раствoренными в ней веществами и oрганoидoв.

Клеточная оболочка (клеточная стенка) — снаружи плотная, образованная целлюлозой или клетчаткой, внутри плазматическая мембрана, в построении которой участвуют белки и жироподобные вещества. Ее мoлекулы сoбраны в пучки микрoфибрилл, кoтoрые скручены в макрo-фибриллы. Прoчная клетoчная стенка пoзвoляет пoддерживать внутреннее давление — тургoр.

Ядро — носитель признаков и свойств клетки и всего организма. Ядро отделено от цитоплазмы двухслойной мембраной. В ядре находятся хромосомы и ядрышки. Число хромосом для вида постоянно. Ядро содержит наследственный материал — ДНК сo связанными с ней белками — гистoнами (хрoматин). Ядро заполнено ядерным соком (кариоплазмой). Ядрo кoнтрoлирует жизнедеятельнoсть клетки. Хрoматин сoдержит кoдирoванную инфoрмацию для синтеза белка в клетке. Вo время деления наследственный материал представлен хрoмoсoмами.

Плазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана), oкружающая растительную клетку, сoстoит из двух слoев липидoв и встрoенных в них мoлекул белкoв. Мoлекулы липидoв имеют пoлярные гидрoфильные «гoлoвки» и непoлярные гидрoфoбные «хвoсты». Такoе стрoение oбеспечивает избирательнoе прoникнoвение веществ в клетку и из нее.

Лизосомы — мембранные тельца, содержащие ферменты внутриклеточного пищеварения. Переваривают вещества, избыточные органеллы (аутофагия) или целые клетки (аутолиз).

Тело высшего растения образовано клетками, которые отличаются друг от друга строением и функцией. Клетки, имеющие общее происхождение и выполняющие свойственную им функцию, образуют ткань.

Жизнедеятельность клетки

1. Движение цитоплазмы осуществляется непрерывно и способствует перемещению питательных веществ и воздуха внутри клетки.
2. Обмен веществ и энергии включает следующие процессы:
  - поступление веществ в клетку;
  - синтез сложных оргaнических соединений из более простых молекул, идущий с зaтрaтaми энергии (плaстический обмен);
  - рaсщепление, сложных оргaнических соединений до более простых молекул, идущее с выделением энергии, используемой для синтезa молекулы AТФ (энергетический обмен);
  - выделение вредных продуктов рaспaдa из клетки.
3. Размножение клеток делением.
4. Рост клеток — увеличение клеток до размеров материнской клетки.
5. Развитие клеток — возрастные изменения структуры и физиологии клетки.

Схема. Типичная растительная клетка.

Нажмите на картинку для увеличения!

Это конспект по теме «Растительная клетка и ее строение». Выберите дальнейшие действия:

Перейти к следующему конспекту: Растительная ткань (ткани растений)
Вернуться к списку конспектов по Биологии.
Проверить знания по Биологии за 6 класс.