Какие свойства характерны для митохондрий и хлоропластов

Митохондрии

Митохондрии (см. Рис. 1) имеются во всех эукариотических клетках. Они участвуют в процессах клеточного дыхания и запасают энергию в виде макроэргических связей молекулы АТФ, то есть в доступной форме для большинства процессов, связанных с затратой энергии в клетке.

Впервые митохондрии в виде гранул в мышечных клетках наблюдал в 1850 г. Р. Кёлликер (швейцарский эмбриолог и гистолог). Позднее, в 1898 г., Л. Михаэлис (германский биохимик и химик-органик) показал, что они играют важную роль в дыхании.

Рис. 1. Митохондрии

Число митохондрий в клетках не постоянно, оно зависит от вида организма и типа клетки. В клетках, потребность которых в энергии велика, содержится много митохондрий (в одной печеночной клетке их может быть около 1000), в менее активных клетках митохондрий гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируются также размеры и формы митохондрий. Они могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми и разветвленными. Их длина колеблется от 1,5 мкм до 10 мкм, а ширина – от 0,25 до 1 мкм. В более активных клетках митохондрии крупнее.

Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут перемещаться в более активные участки клетки. Такое перемещение способствует накоплению митохондрий в тех местах клетки, где выше потребность в АТФ.

Каждая митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран (см. Рис. 2). Наружную мембрану отделяет от внутренней небольшое расстояние (6-10 нм) – межмембранное пространство. Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны. На кристах происходят процессы клеточного дыхания, необходимые для синтеза АТФ. Митохондрии являются полуавтономными органеллами, содержащими компоненты, которые необходимы для синтеза собственных белков. Внутренняя мембрана окружает жидкий матрикс, в котором находятся белки, ферменты, РНК, кольцевые молекулы ДНК, рибосомы.

Рис. 2. Структура митохондрии

Митохондриальные болезни

Митохондриальные заболевания – это группа наследственных заболеваний, связанных с дефектами функционирования митохондрий, а, следовательно, с нарушениями энергетических функций в клетках эукариот, в частности человека.

Митохондриальные заболевания передаются детям обоих полов по женской линии, поскольку зиготе от сперматозоида передается одна половина ядерного генома, а от яйцеклетки – вторая половина ядерного генома и митохондрии.

Эффекты таких заболеваний очень разнообразны. Из-за различного распределения дефектных митохондрий в разных органах у одного человека это может привести к заболеванию печени, у другого – к заболеванию мозга, причем болезнь может нарастать с течением времени. Небольшое количество дефектных митохондрий в организме может привести  лишь к неспособности человека выдерживать физическую нагрузку, соответствующую его возрасту.

В общем случае митохондриальные заболевания проявляются серьезнее при локализации дефектных митохондрий в мозге, мышцах, клетках печени, так как эти органы требуют большого количества энергии для выполнения своих функций.

В настоящее время лечение митохондриальных заболеваний находится в стадии разработки, но распространенным терапевтическим методом служит симптоматическая профилактика с помощью витаминов.

Пластиды

Пластиды характерны исключительно для растительных клеток. Каждая пластида состоит из оболочки, состоящей из двух мембран. Внутри пластиды можно наблюдать сложную систему мембран и более или менее гомогенное вещество – строму. Пластиды являются полуавтомными органеллами, так как содержат белоксинтезирующий аппарат и могут частично обеспечить себя белком.

Пластиды обычно классифицируют на основании содержащихся в них пигментов. Различают три типа пластид.

1. Хлоропласты (см. Рис. 3) – это пластиды, в которых протекает фотосинтез. Они содержат хлорофилл и каротиноиды. Обычно хлоропласты имеют форму диска диаметром 4-5 мкм. В одной клетке мезофилла (середина листа) может находиться 40-50 хлоропластов, а в квадратном миллиметре листа – около 500 000.

Рис. 3. Хлоропласты

Внутренняя структура хлоропласта сложная (см. Рис. 4). Строма пронизана развитой системой мембран, имеющих форму пузырьков – тилакоидов. Тилакоиды образуют единую систему. Как правило, они собраны в стопки – граны, напоминающие столбики монет. Тилакоиды отдельных гран связаны между собой тилакоидами стромы, или ламеллами. Хлорофиллы и каротиноиды встроены в тилакоидные мембраны. В строме хлоропластов находятся кольцевые молекулы ДНК, РНК, рибосомы, белки, липидные капли. Там же происходят первичные отложения запасного полисахарида – крахмала, в виде крахмальных зерен.

Рис. 4. Структура хлоропласта

Крахмальные зерна – это временные хранилища продуктов фотосинтеза. Они могут исчезнуть из хлоропластов, если поместить растение на 24 часа в темноту. Появятся они снова через 2-3 часа, если вынести растение на свет.

Как известно, фотосинтез делится на две фазы: световую и темновую (см. Рис. 5). Световая фаза происходит на тилакоидах мембраны, а темновая – в строме хлоропласта.

Рис. 5. Фотосинтез

2. Хромопласты – пигментированные пластиды (см. Рис. 6). Они не содержат хлорофилл, но содержат каротиноиды, которые окрашивают плоды, цветки, некоторые корни и старые листья в красные, желтые и оранжевые цвета.

Хромопласты могут образовываться из хлоропластов, которые при этом теряют хлорофилл и внутренние мембранные структуры и начинают синтезировать каротиноиды. Такое происходит при созревании плодов.

Рис. 6. Хромопласты

3. Лейкопласты – непигментированные пластиды (см. Рис. 7). Некоторые из них могут накапливать крахмал, например амилопласты, другие могут синтезировать и накапливать белки или липиды.

На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты. Так, например, происходит с клубнем картофеля, который содержит много лейкопластов, накапливающих крахмал. Если вынести клубень картофеля на свет, он позеленеет.

Рис. 7. Лейкопласт

Каротиноиды. Использование в практической деятельности человека

Каротиноиды – это широко распространенная и многочисленная группа пигментов. К ним относятся вещества, которые окрашивают в желтый, оранжевый и красный цвета. Каротиноиды содержатся в цветках растений, в некоторых корнях, в созревающих плодах.

Каротиноиды синтезируются не только высшими растениями, но и водорослями, некоторыми бактериями, мицелиальными грибами и дрожжами.

Присутствуют каротиноиды в организмах некоторых членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но они не синтезируются внутри организма, а поступают вместе с пищей. Например, розовая окраска фламинго обусловлена поеданием маленьких красных рачков, в которых содержатся каротиноиды.

В течение многих лет каротиноиды используются в практической деятельности человека. Они применяются в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и в медицине. При добавлении бета-каротина в пищевой продукт он не только насыщает продукт определенным цветом (желтым), но и витаминизирует его (насыщает витамином А). В медицине каротин используется для лечения авитаминоза по витамину А.

Гипотеза симбиогенеза

По поводу происхождения эукариотических клеток большинство исследователей придерживается гипотезы симбиогинеза.

Идея о том, что эукариотическая клетка (клетка животных и растений) представляет собой симбиотический комплекс, была предложена Мережковским (русский ботаник, зоолог, философ, писатель), подтверждена Фаминцыным (русский ботаник), а гипотеза в ее современном виде представлена Линн Маргулис (американский биолог). Концепция состоит в том, что органеллы (например, митохондрии и пластиды), которые отличают эукариотическую клетку от прокариотической, изначально были свободноживущими бактериями и захвачены крупной клеткой прокариот, которая их не съела, а превратила в симбионтов. Далее к поверхности клетки-хозяина прикрепилась другая группа симбионтов – жгутикоподобных бактерий, которые резко увеличили подвижность хозяина, а соответственно, шансы на выживание.

Несмотря на то что эта гипотеза выглядит достаточно фантастичной, тем не менее в современном мире есть подтверждение того, что она имеет право на существование: у некоторых инфузорий в качестве симбионтов выступают хлореллы (одноклеточные водоросли), причем инфузории переваривают любую другую одноклеточную водоросль, которая попала в ее организм, кроме хлореллы.

Сходство митохондрий и хлоропластов со свободными прокариотическими клетками (со свободными бактериями)

1. У митохондрий и хлоропластов имеются кольцевые молекулы ДНК, что свойственно бактериальной клетке.

2. Митохондрии и хлоропласты имеют мелкие рибосомы, такие же как в прокариотической клетке.

3. Обладают белоксинтезирующим аппаратом.

Органоиды движения

Многие клетки способны к движению, причем механизмы двигательных реакций могут быть различными.

Различают такие типы движения: амебоидные движения (амеба и лейкоциты), ресничные движения (инфузория туфелька), жгутиковые движения (сперматозоиды), мышечные движения.

Жгутик всех эукариотических клеток имеет длину около 100 мкм. На поперечном срезе (см. Рис. 8) можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре – 2 микротрубочки.

Рис. 8. Поперечный срез жгутика

Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ. Это приводит к тому, что пары микротрубочек начинают двигаться друг относительно друга, жгутик изгибается и клетка начинает движение.

Таков же механизм движения ресничек, длина которых составляет всего 10-15 мкм. Количество ресничек, в отличие от жгутиков, количество которых на поверхности клетки ограничено, может быть очень большим. Например, на поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек, с помощью которых она может передвигаться со скоростью 3 мм/с.

Список литературы

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Biouroki.ru (Источник).
2. Youtube.com (Источник).
3. Humbio.ru (Источник).
4. Beaplanet.ru (Источник).
5. School.xvatit.com (Источник).

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 17 (стр. 71) – Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс (Источник)
2. От чего зависит количество митохондрий в клетке?
3. Докажите, что предки митохондрий когда-то были свободноживущими существами, напоминающими бактерии.

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

1. Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
2. Депонирование ионов Кальция.
3. Участие в обмене воды.
4. 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.

Сходство митохондрий и хлоропластов

Общие свойства для митохондрий и хлоропластов обусловлены, прежде всего, наличием двойной мембраны.

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.