Митохондрии Контрольная

Митохондрии - 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.

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.

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

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. 

Митохондрии, или хондриосомы, представляют собой гранулярные или нитевидные органеллы, присутствующие в цитоплазме простейших, растений и животных. Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом. Особенно хорошо митохондрии выявляются на препаратах, окрашенных различными способами после осмиевой фиксации, которая хорошо стабилизирует липиды. Наиболее широко распространен метод окраски по Альтману, который описал эти клеточные органеллы в конце позапрошлого века, называя их «биобластами».

Размеры митохондрий, как и их форма, очень непостоянны у разных видов. Все же у большинства клеток толщина этих структур относительно постоянна (около 0,5 мкм), а длина колеблется, достигая у нитчатых форм до 7—60 мкм. Надо сказать, что изучение величины митохондрий — не простое дело. В световом микроскопе на окрашенных препаратах не всегда можно проследить за реальными размерами митохондрий. 

Изучая митохондрии с помощью электронного микроскопа на ультратонких срезах, трудно решить вопрос об истинной длине митохондрий, так как на срез попадает только незначительный объем данной митохондрии. Более того, на срезе одна извитая митохондрия может быть представлена несколькими сечениями (3—5), и только пространственная трехмерная реконструкция, построенная на изучении серийных срезов, может решить вопрос, имеем ли мы дело с 3—6 отдельными митохондриями или же с одной изогнутой или разветвленной. Выделенные митохондрии обычно повреждаются и фрагментируются, что также ограничивает использование этого метода для решения вопроса о величине и числе митохондрий.

Митохондрии независимо от их величины или формы имеют универсальное строение, их ультраструктура однообразна. Митохондрии ограничены двумя мембранами. Наружняя митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры, не образует впячиваний или складок. На нее приходится около 7% от площади всех клеточных мембран. 

Толщина этой мембраны около 7 нм, она не бывает 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 впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист.

Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. В клетках окисление и выделение энергии, освобождающейся в результате этого процесса, проходят в несколько взаимосвязанных этапов. При этом в качестве начальных субстратов используются различные углеводы, жирные кислоты, аминокислоты. Первые этапы окисления приводят кроме образования АТФ к появлению промежуточных продуктов, конечное окисление которых в митохондриях дает возможность клетке использовать этот процесс для синтеза основного количества АТФ.

Начальные этапы окисления углеводов происходят в гиалоплазме и не требуют участия кислорода. Поэтому они называются анаэробным окислением, или гликолизом. Главным субстратом окисления при анаэробном получении энергии служат гексозы и в первую очередь глюкоза; некоторые бактерии обладают свойством извлекать энергию, окисляяя пентозы, жирные кислоты или аминокислоты. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет около 680 ккал на 1 моль (т.е. на 180 г глюкозы); эта энергия освобождается при полном окислении глюкозы согласно следующей реакции:

С6Н12О6 + 6О2 → 6Н2О + 6СО2 + 680 ккал.

В живой клетке это огромное количество энергии не освобождается одновременно, как при горении в пламени. Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого целым рядом окислительных ферментов, и не связано с переходом энергии химической связи в тепло, как при горении, а с переходом ее в макроэнергетическую связь в молекуле АТФ, которая синтезируется при использовании освобождающейся энергии из АДФ и фосфата.

В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. В результате гликолиза глюкоза распадается до триоз, при этом тратятся 2 молекулы АТФ и синтезируются 4 молекулы АТФ. Так что в конечном результате клетка «зарабатывает» всего 2 молекулы АТФ. В энергетическом отношении этот процесс малоэффективен, поэтому из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля глюкозы, освобождается менее 10% энергии. Несмотря на низкий энергетический выход, анаэробное окисление — гликолиз, широко используется в живой природе. 

У прокариотических клеток, способных к окислительному фосфорилированию, элементы цикла трикарбоновых кислот локализованы прямо в цитоплазме, а ферменты дыхательной цепи и фосфорилирования связаны с клеточной, плазматической мембраной. Вначале это было показано цитохимическими методами. 

Так, фермент сукцинатдегидрогеназа связан с плазматической мембраной и с ее выпячиваниями, выступающими внутрь цитоплазмы, с так называемыми мезосомами. Необходимо отметить, что такие бактериальные мезосомы могут быть связаны не только с процессами аэробного дыхания, но у некоторых видов участвуют в делении клеток, в процессе распределения ДНК по новым клеткам, в образовании клеточной стенки и т.д. 

Как и другие органеллы цитоплазмы, митохондрии могут увеличиваться в числе, что особенно заметно при делении клеток или при увеличении функциональной нагрузки клетки. Более того, митохондрии постоянно обновляются. Так, в печени средняя продолжительность жизни митохондрий составляет около 10 дней. Поэтому закономерно возникает вопрос: каким образом происходит это увеличение числа митохондрий, за счет каких процессов и каких структур образуются новые митохондрии?

Основная масса экспериментальных данных говорит о том, что увеличение числа митохондрий происходит путем роста и деления предшествующих митохондрий. Это предположение было впервые высказано Альтманом (1893), описавшим митохондрии под термином «биобласты». Позднее с помощью цейтраферной киносъемки удалось наблюдать прижизненное деление, фрагментацию длинных митохондрий на более короткие. Особенно отчетливо виден этот процесс при делении клеток некоторых одноклеточных водорослей и низших грибов, у которых деление митохондрий скоординировано с клеточным делением. С помощью электронного микроскопа часто во многих клетках можно видеть деление митохондрий путем образования перетяжки, например в клетках печени (хотя без доказательств динамичности этого процесса такие наблюдения мало убедительны). Внешне все эти картины очень напоминают бинарный способ деления бактерий.

Реальность увеличения числа митохондрий путем деления была доказана при изучении поведения митохондрий в живых клетках культуры ткани. Обнаружено, что в течение клеточного цикла митохондрии могут вырастать до нескольких микрометров, а затем фрагментироваться, делиться на более мелкие тельца.

Исследования последних лет привели к удивительным открытиям: двумембранные органеллы обладают полной системой авторепродукции. Эта система полная в том смысле, что в митохондриях и пластидах открыта ДНК, на которой синтезируются информационные, трансферные и рибосомные РНК и рибосомы, осуществляющие синтез митохондриальных и пластидных белков. Однако, как оказалось, эти системы, хотя и автономны, очень ограничены по своим возможностям.

ДНК в митохондриях представлена циклическими молекулами, не образующими связь с гистонами, в этом отношении они напоминают бактериальные хромосомы. Размер их невелик, около 7 мкм; в одну циклическую молекулу митохондрий животных входит 16—19 т.п.н. ДНК. У человека митохондриальная ДНК содержит 16,5 т.п.н., она полностью расшифрована. Митохондральная ДНК различных объектов очень однородна, отличие их заключается лишь в величине интронов и нетранскрибируемых участков. Все митохондриальные ДНК представлены множественными копиями, собранными в группы, — кластеры. Так, в одной митохондрии печени крысы может содержаться от 1 до 50 циклических молекул ДНК. Общее же количество митохондриальной ДНК на клетку составляет около 1%. Синтез митохондриальных ДНК не связан с синтезом ДНК в ядре.

Как и у бактерий, митохондральная ДНК собрана в отдельную зону — нуклеоид, его размер составляет около 0,4 мкм в диаметре. В длинных митохондриях может быть от 1 до 10 нуклеоидов. При делении длинной митохондрии от нее отделяется участок, содержащий нуклеоид (сходство с бинарным делением бактерий). Количество ДНК в отдельных нуклеоидах митохондрий может колебаться в 10 раз в зависимости от типа клеток.

Прижизненно нуклеоиды митохондрий могут окрашиваться специальными флуорохромами. Оказалось, что в некоторых культурах в клетках от 6 до 60% митохондрий не имеют нуклеоида, что может объясняться тем, что деление этих органелл скорее связано с фрагментацией, а не с распределением нуклеоидов.

Как уже говорилось, митохондрии могут как делиться, так и сливаться друг с другом. В обычной культуре клеток человека HeLa все митохондрии содержат нуклеоиды. Однако одна из мутантных линий этой культуры содержала митохондрии, в которых нуклеоиды с помощью флуорохромов не выявлялись. Но если эти мутантные клетки слить с цитопластами клеток исходного типа, то во всех митохондриях обнаруживались нуклеоиды. Это говорит о том, что при слиянии митохондрий друг с другом может происходить обмен их внутренними компонентами.

Хондриом — это совокупность всех митохондрий в одной клетке. Оказалось, что такая совокупность может быть различной в зависимости от типа клеток. Так, во многих клетках хондриом представлен разрозненными многочисленными митохондриями, разбросанными довольно равномерно по всей цитоплазме, как, например, во многих недифференцированных клетках.

В других случаях отдельные митохондрии локализуются группами в местах интенсивной траты АТФ, как, например, в клетках анализаторов сетчатки. В обоих этих случаях митохондрии функционируют поодиночке, их кооперативная работа, возможно, координируется какими-то сигналами из цитоплазмы. 

Однако существует и совершенно иной тип хондриома, когда вместо мелких одиночных разрозненных митохондрий в клетке располагается одна гигантская разветвленная митохондрия. 

Растительные митохондрии сильно отличаются от митохондрий животных. Они имеют дополнительные пути электронного транспорта, не сопряженные с синтезом АТФ, включая несопряженные окисления НАДН и НАДФН снаружи и изнутри митохондрии, а также несопряженный перенос электронов с убихинона на кислород. Белки, осуществляющие эти реакции (альтернативные НАД(Ф)Н-дегидрогеназы и альтернативная оксидаза, устойчивая к цианиду), кодируются в ядре. Функция этих путей, по-видимому, связана с фотосинтезом и заключается в необходимости быстрого окисления фотосинтетически образуемых субстратов. Митохондрии фотосинтезирующих тканей способны интенсивно окислять глицин, образующийся в листьях в больших количествах и являющийся продуктом фотодыхания.

Форма их при рассматривании в световом микроскопе очень разнообразна и изменчива, они имеют вид зернышек, цилиндриков, палочек или нитей. В электронном микроскопе они обычно имеют округленную или цилиндрическую форму.

Длина митохондрий — несколько микронов, толщина в среднем 0,6—1,0 мк. В световом микроскопе структура их не различается. Их можно прижизненно окрасить в клетке с помощью особой краски (януса зеленого). В зависимости от типа и состояния клетки количество митохондрий варьирует от нескольких десятков до нескольких тысяч, в среднем же их в клетке несколько сотен. 

Митохондрии отличаются от цитоплазмы несколько большей плотностью и вязкостью и химическим составом. Это очень чувствительные образования, легко разрушающиеся или изменяющие свою форму под действием неблагоприятных условиях.

Геном митохондрий растений значительно больше генома животных митохондрий. Например, у арабидопсиса (растения из семейства крестоцветных, основного объекта изучения генома растений) митохондриальный геном содержит 370 тыс. пар нуклеотидов, то есть он в 20 раз больше, чем у человека (у которого он содержит менее 17 тыс. пар нуклеотидов). 

В этом геноме также гораздо больше генов — примерно в 7 раз больше, чем в митохондриях человека. Размер митохондриального генома растений сильно варьирует, даже внутри одного семейства иногда в 5-10 раз. 

Например, в семействе тыквенных у арбуза митохондриальный геном даже меньше, чем у арабидопсиса (330 тыс. пар нуклеотидов), у тыквы он содержит 850 тыс. пар нуклеотидов, а у дыни — 2400 тыс. пар нуклеотидов. Таким образом, митохондрии содержат гораздо большие геномы, чем пластиды (последние обычно содержат 120-160 тыс. пар нуклеотидов), однако в митохондриальном геноме растений гораздо меньше уникальных кодирующих последовательностей.

Ядра, митохондрии и хлоропласты растений, как сообщалось, также синтезируют белок. Ядра, тщательно выделенные из гороха, включают в белок меченый лейцин в присутствии других белковых аминокислот и АТФ. Синтез белка в митохондриях растений показан не очень убедительно, так как не было исключено загрязнение данной фракции рибосомами. Препараты хлоропластов, как обнаружено, также катализируют включение аминокислот в белок.

Доказано, что митохондрии являются автономными структурами в клетке, которые размножаются самостоятельно, реплицируя митохондриальную ДНК и продуцируя свои специфические белковые вещества. В синтезе белков митохондриальных мембран участвуют и нуклеиновые кислоты ядра и рибосомы клетки.

Если говорить о способности клеточных органоидов к биосинтезу белка, то оказывается, что все они в той или иной степени обладают этой способностью. Однако наибольшей активностью в отношении синтеза белка обладают самые маленькие клеточные гранулы — рибосомы. И, очевидно, не случайно то, что рибосомы характеризуются наивысшим содержанием РНК (до 40—50%). По-видимому, вся массовая белковая продукция клетки сосредоточена именно в рибосомах, в то время как в других клеточных гранулах (ядра, митохондрии, пластиды), вероятно, синтезируются только некоторые специализированные белки. 

Хотя митохондрии имеют свою собственную ДНК и аппарат белкового синтеза, большинство их белков кодируется клеточной ДНК и поступает из цитозоля. Митохондриальный геном кодирует несколько собственных рРНК и тРНК, а также некоторые белки дыхательной цепи и АТР-азы . В зависимости от вида организма белков, кодируемых в митохондриях, может быть от 8 до 16. 

Как правило, все эти белки высокогидрофобны и локализованы на внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса. В целом же рост и функционирование митохондрии невозможны без импорта белков, кодируемых ядерным геномом и синтезированных на цитоплазматических рибосомах (так называемых белков-предшественников, в англоязычной литературе «preproteins» или «precursors»). 

Каждый поступивший белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует. И каждый из этих субкомпартментов содержит отличный от других набор белков. Рост митохондрий возможен за счет импорта цитоплазматических белков, включающего последовательный избирательный перенос белков через одну или две мембраны.

В большинстве случаев энергия направленного движения используется в виде АТФ, однако для переноса белков в митохондрии требуется еще наличие электрохимического градиента на внутренней митохондриальной мембране. 

Сложная внутренняя структура митохондрий является отражением их важной физиологической роли в обмене веществ клетки, которая была открыта совсем недавно. 

Оказалось, что каждая митохондрия — это своеобразная внутриклеточная лаборатория, где происходит дыхание, при котором потенциальная энергия, заключенная в питательных веществах, освобождается и направляется на поддержание жизнедеятельности клетки. Поэтому клетки с высокой активностью освобождают большее количество энергии и содержат большое число митохондрий. 

Освобождение и перенос энергии осуществляется с помощью огромного числа ферментов. Предполагают, что эти ферменты сосредоточены в основном на мембранах митохондрий.