Меню

Что происходит в митохондриях растений

Митохондрия

Митохондрия – это двумембранный органоид эукариотической клетки, основная функция которого синтез АТФ – источника энергии для жизнедеятельности клетки.

Количество митохондрий в клетках не постоянно, в среднем от нескольких единиц до нескольких тысяч. Там, где процессы синтеза идут интенсивно, их больше. Также варьирует размер митохондрий и их форма (округлые, вытянутые, спиральные, чашевидные и др.). Чаще имеют округлую вытянутую форму, диаметром до 1 микрометра и длиной до 10 мкм. Могут перемещаться в клетке с током цитоплазмы или оставаться в одном положении. Перемещаются к местам, где больше всего требуется выработка энергии.

Согласно гипотезе симбиогенеза митохондрии произошли от аэробных бактерий, внедрившихся в другую прокариотическую клетку. Эти бактерии начали снабжать клетку дополнительным количеством молекул АТФ, а получать от нее питательные вещества. В процессе эволюции они потеряли автономность, передав часть своих генов в ядро и став таким образом клеточной органеллой.

В клетках новые митохондрии появляются в основном путем деления ранее существующих, т. е. они не синтезируются заново, что напоминает процесс размножения и говорит в пользу симбиогенеза.

Строение и функции митохондрии

Митохондрия состоит из

двух мембран — внешней и внутренней,

межмембранного пространства,

внутреннего содержимого — матрикса,

крист, представляющих собой выросты в матрикс внутренней мембраны,

собственной белок-синтезирующей системы: ДНК, рибосом, РНК,

белков и их комплексов, в том числе большого количества ферментов и коферментов,

других молекул и гранул различных веществ, находящихся в матриксе.

Внешняя и внутренняя мембраны выполняют разные функции, поэтому различается их химический состав. Расстояние между мембранами составляет до 10 нм. Внешняя мембрана митохондрий по строению схожа с плазмалеммой, окружающей клетку, и выполняет в основном барьерную функцию, отграничивая содержимое органоида от цитоплазмы. Через нее проникают мелкие молекулы, транспорт крупных избирателен. В некоторых местах внешняя мембрана соединена с ЭПС, каналы которой открываются в митохондрию.

На внутренней мембране, в основном ее выростах — кристах, располагаются ферменты, образуя мультиферментативные системы. Поэтому по химическому составу здесь преобладают белки, а не липиды. Количество крист варьирует в зависимости от интенсивности процессов. Так в митохондриях мышц их очень много.

В некоторых местах внешняя и внутренняя мембрана соединяются между собой.

У митохондрий, также как у хлоропластов, есть своя белоксинтезирующая система — ДНК, РНК и рибосомы. Генетический аппарат представляет собой кольцевую молекулу – нуклеоид, как у бактерий. Рибосомы митохондрий растений схожи с бактериальными, у животных митохондриальные рибосомы мельче не только цитоплазматических, но и бактериальных. Часть необходимых белков митохондрии синтезируют сами, другую часть получают из цитоплазмы, так как эти белки кодируются ядерными генами.

Главная функция митохондрий — снабжать клетку энергией, которая путем многочисленных ферментативных реакций извлекается из органических соединений и запасается в АТФ. Часть реакций идет с участием кислорода, в других выделяется углекислый газ. Реакции идут как в матриксе (цикл Кребса), так и на кристах (окислительное фосфорилирование).

Следует иметь в виду, что в клетках АТФ синтезируется не только в митохондриях, но и в цитоплазме в процессе гликолиза. Однако эффективность этих реакций невысока. Особенность функции митохондрий в том, что в них протекают реакции не только бескислородного окисления, но и кислородный этап энергетического обмена.

Другими словами, функция митохондрий – активное участие в клеточном дыхании, к которому относят множество реакций окисления органических веществ, переноса протонов водорода и электронов, идущих с выделением энергии, которая аккумулируется в АТФ.

Ферменты митохондрий

Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют активный транспорт АДФ и АТФ.

В структуре крист выделяют элементарные частицы, состоящие из головки, ножки и основания. На головках, состоящих из фермента АТФазы, происходит синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи.

Компоненты дыхательной цепи находятся в основании элементарных частиц в толще мембраны.

В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кислот.

В результате активности электротранспортной дыхательной цепи ионы водорода поступают в нее из матрикса, а высвобождаются на наружной стороне внутренней мембраны. Это осуществляют определенные мембранные ферменты. Разница в концентрации ионов водорода по разные стороны мембраны приводит к возникновению градиента pH.

Энергию для поддержания градиента поставляет перенос электронов по дыхательной цепи. Иначе ионы водорода диффундировали бы обратно.

Энергия градиента pH используется для синтеза АТФ из АДФ:

АДФ + Ф = АТФ + H2O (реакция обратима)

Образующаяся вода ферментативно удаляется. Это, наряду с другими факторами, облегчает протекание реакции слева направо.

Источник

Митохондрии — нечто большее, чем «фабрики энергии»

Митохондрии — это универсальные клеточные органеллы, обнаруживаемые почти у всех эукариот (живые организмы, клетки которых содержат ядро). Они критически важны, потому что производят энергию в форме АТФ, питая различные функции клеток (и организм в целом). По этой причине их часто называют «энергетическими станциями» или «фабриками энергии».

Тем не менее, митохондрии — это нечто большее, чем просто «энергетические станции». Ведь именно их появлению внутри клеток мы обязаны такому огромному биоразнообразию животных и растений, которое мы сейчас наблюдаем. Дело в том, что хотя митохондрии и являются неотъемлемой частью клетки, теория симбиогенеза предполагает, что они произошли от бактерий. Захват примитивными клетками (прокариотами) бактерий мог позволить им использовать кислород для генерации энергии, так необходимой для поддержания большого генетического аппарата (для эволюции). Однако несмотря на миллиарды лет совместной эволюции, митохондрии сохранили многие черты самостоятельных организмов: собственная ДНК, и даже свои рибосомы, в которых тоже происходит синтез белка.

Читайте также:  Аквариум с растениями сколько люмен

Количество митохондрий в клетке широко варьируется в зависимости от вида организма и типа ткани. Отдельная клетка может иметь от одной до нескольких миллионов митохондрий. Например, митохондрии составляют 10% массы человека, однако для некоторых энергоемких тканей и органов эта цифра может достигать 40 процентов.

Не все клетки одинаковые

Клетка может представлять из себя как «кирпичик» многоклеточного организма, так и целый организм. За небольшим исключением, почти все клетки содержат генетический материал (ДНК и РНК), который регулирует метаболизм и синтез белков. Однако не у всех живых организмов клетки организованы одинаково. Поэтому на основании различий в клеточной организации выделяют две группы: эукариоты и прокариоты.

Растения, животные и грибы являются эукариотами и имеют высокоупорядоченные клетки. Их генетический материал упакован в центральное ядро, которое окружено специализированными клеточными компонентами, называемыми органеллами. Органеллы, такие как митохондрии, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, работают как хорошо отлаженный конвейер. Одни производят энергию, другие синтезируют и упаковывают белки, третьи транспортируют их в различные части клетки и за ее пределы. Ядро, как и большинство эукариотических органелл, связано мембранами, которые регулируют вход и выход белков, ферментов и другого клеточного материала в органеллу и из нее.

Прокариоты, с другой стороны, являются одноклеточными организмами, такими как бактерии и археи. Прокариотические клетки менее структурированы, чем эукариотические. У них нет ядра. Вместо этого их генетический материал свободно плавает в клетке. У них нет многих мембраносвязанных органелл, обнаруженных в эукариотических клетках, в том числе нет митохондрий.

«Митос» и «хондрос»

В обзоре истории митохондрий за 1981 год, опубликованном в журнале «Cell Biology», авторы Ларс Эрнстер и Готфрид Шатц отмечают, что первое истинное наблюдение за митохондриями было проведено Ричардом Альтманом в 1890 году. Хотя Альтман назвал их «биобластами», их нынешнее название было дано Карлом Бенда в 1898 году. Оно происходит от двух греческих слов: «митос» и «хондрос», означающих нить и гранула. Дело в том, что митохондрии подстраиваются под количество поступаемой и расходуемой энергии. Добиваются они этого слиянием (образуя цепочки) и делением. При нехватке поступающей энергии они сливаются, а при избытке — делятся и утилизируют ее. Длительная фрагментация, как и длительное слияние, влияют на качество митохондрий в клетках их функциональность.

Здоровые циклы деления и слияния («динамика митохондрий») – залог метаболического здоровья клетки.

Строение митохондрий

Отдельные митохондрии имеют форму капсул с наружной и волнообразной внутренней мембраной, напоминающей выступающие пальцы. Их внутренние мембранные складки называются кристами и служат для увеличения общей площади поверхности. Они окружают матрикс, содержащий ферменты и ДНК. На внутренней мембране также находится система окислительного фосфорилирования, работа которой обеспечивает окисление энергетических субстратов с образованием АТФ.

Митохондрии отличаются от большинства органелл (за исключением хлоропластов растений) тем, что у них есть собственный набор ДНК и генов, которые кодируют белки. По сравнению с кристой внешняя мембрана является более пористой и менее избирательной в отношении того, какие вещества она впускает.

Функции митохондрий

Основная функция митохондрий заключается в том, чтобы метаболизировать и расщеплять углеводы и жирные кислоты для выработки энергии. Эукариотические клетки используют энергию в форме химической молекулы, называемой АТФ (аденозинтрифосфат).

Генерация АТФ происходит в митохондриальном матриксе, но начальные этапы углеводного (глюкозного) метаболизма происходят вне органелл. Согласно второму изданию Джеффри Купера «The Cell: A Molecular Approach», глюкоза сначала превращается в пируват, а затем транспортируется в матрикс. С другой стороны, жирные кислоты попадают в митохондрии как есть.

Если упростить, то можно описать синтез АТФ в три связанных этапа:

  1. Используя ферменты, присутствующие в матриксе, пируват и жирные кислоты превращаются в молекулу, известную как ацетил-КоА;
  2. Ацетил-КоА становится исходным материалом для второй химической реакции, известной как цикл лимонной кислоты или цикл Кребса. Этот шаг производит много углекислого газа и две дополнительные молекулы, НАДН и ФАД, которые богаты электронами;
  3. НАДН и ФАД движутся к внутренней митохондриальной мембране и начинают третий этап: окислительное фосфорилирование. В этой последней химической реакции НАДН и ФАД отдают свои электроны кислороду, что приводит к условиям, подходящим для образования АТФ.

Однако роль «электростанции» — не единственная функция митохондрий. Кроме этого они выполняют:

  • Сигнальные функции. Ацетилирование, ретроградный сигналинг, дифферецировка клеток;
  • Функции синтеза. Синтез стероидов, гема и пуринов;
  • Функции апоптоза и метаболизма кальция. Метаболизм кальция важен для передачи нервных импульсов и т.д.
Читайте также:  Индуцированные мутации в селекции растений

Различия в генах митохондрий

В ходе эволюции большая часть генома митохондрий была перенесена в ядро клетки, однако часть мтДНК была сохранена и все еще функциональна. Здесь и обнаруживается основное отличие митохондрии растений и животных, ведь ни смотря на то, что они не различаются по своей базовой структуре, их «остаточные» геномы совершенно разные.

Митохондриальные ДНК растений могут значительно отличаться и достигать 25 миллионов пар оснований, в то время как мтДНК млекопитающих имеют размер приблизительно от 15 000 до 16 000 п. о. (16568 у человека). Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки). Митохондриальный геном растения, хоть и изображен в виде кольца, может принимать альтернативные формы.

У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид.

Мутации митохондрий

Как мы уже выяснили, митохондрии имеют свой генетический материал в виде кольцевой ДНК (может быть одна или несколько). С возрастом в митохондриальной ДНК накапливаются различные повреждения. Могут быть как точечные мутации, так и крупные повреждения (например, «частая» делеция 4977bp). Когда доля мутантных митохондрий в клетке достигает определенного порога возникает их дисфункция.

Есть несколько теорий почему возникают повреждения в мтДНК.

  • Повреждение свободными радикалами;
  • Ошибки репликации, клональная экспансия. Еще на этапе оплодотворения яйцеклетки могут передаваться мутантные митохондрии, количество которых увеличивается с возрастом;
  • «Войны» митохондрий между собой и иммунитетом. Эгоистичная мтДНК. Если митохондриальная ДНК выходит из митохондрии, то она является триггером иммунного воздействия.

Мы не сдаем анализы на «здоровость» своих митохондрий, но это не отменяет того факта, что нарушение их работы ведет к различным проблемам со здоровьем. К ним относятся неврологические проблемы, проблемы с сердцем, диабет, ожирение и, банально, ускоренное старение.

Происхождение митохондрий: теория эндосимбионтов

В своей статье 1967 года «О происхождении митозирующих клеток», опубликованной в «Журнале теоретической биологии», ученая Линн Маргулис предложила теорию, объясняющую, как образовались эукариотические клетки вместе с их органеллами. Она предположила, что митохондрии и хлоропласты растений когда-то были свободноживущими прокариотическими клетками, которые были поглощены примитивной эукариотической клеткой-хозяином.

Гипотеза Маргулиса теперь известна как «теория эндосимбионтов». Деннис Сирси, почетный профессор Массачусетского университета в Амхерсте, объяснил это следующим образом:

«Две клетки начали жить вместе, обмениваясь каким-либо субстратом или метаболитом (продуктом метаболизма, таким как АТФ). Объединение стало обязательным, так что теперь клетка-хозяин не может жить отдельно».

Согласно статье Майкла Грея о эволюции митохондрий, опубликованной в 2012 году в журнале Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, Маргулис основывала свою гипотезу на двух ключевых фактах. Во-первых, митохондрии имеют свою собственную ДНК. Во-вторых, органеллы способны транслировать сообщения, закодированные в их генах, в белки без использования каких-либо ресурсов эукариотической клетки.

Секвенирование генома и анализ митохондриальной ДНК установили, что Маргулис была права относительно происхождения митохондрий. Происхождение органеллы было прослежено до примитивного бактериального предка, известного как альфа-протеобактерии.

Несмотря на подтверждение бактериального наследия митохондрий, теория эндосимбионтов продолжает изучаться. «Один из самых больших вопросов сейчас — «Кто является клеткой-хозяином?». Как отмечает Грей в своей статье, остаются вопросы о том, возникли ли митохондрии после возникновения эукариотической клетки (как это было предположено в теории эндосимбионтов) или же возникли митохондрии и клетки-хозяева одновременно.

Источник

Митохондрии- кто такие? Почему важны для нашего здоровья.

Если вы активный пользователь инстаграмм и других социальных сетей, в меру озабоченный своим здоровьем, то слово митохондрия, должно вызывать легкую дрожь. Оно везде. Они везде. И каждый диетолог, врач, массажист кричит о том, что их срочно надо восстанавливать.

На самом деле они и правда везде. Эти загадочные органеллы (похожие на котлету с прожилками в школьном учебнике по биологии) содержатся практически в каждой клетке. И ко всеобщему удивлению, их там очень много ( от нескольких сотен до 1-2 тысяч). Число митохондрий не постоянно и напрямую зависит от энергетической потребности ( это — важная информация, которую стоит держать в голове всем желающим жить до 100 и не болеть). Также эти удивительные органеллы способны внутри клетки перемещаться, группируясь в областях с повышенным потреблением энергии.

Ученые считают, что они появились очень и очень давно, вследствие захвата примитивными клетками бактерий, которые со временем при симбиотическом ( взаимовыгодном) взаимодействие стали их неотъемлемой частью.

Но вернемся к главному. Зачем они нужны?

Митохондрии — наши энергетические станции. Если максимально упростить сложнейший биохимически каскад реакций, происходящий внутри маленьких клеточных органов, то можно смело сказать- без них нам не жить. Митохондрии вырабатывают АТФ- универсальную форму энергии внутри любой живой клетки.

Читайте также:  Цитоплазматическая мужская стерильность растений это

Никогда не задумывались о нашем дыхание, пользе свежего воздуха и зачем вообще нам нужен кислород? Так вот он нужен не нам, а им, этим клеточным трудоголикам, для полноценной работы дыхательной цепи и выработки энергии.

Это сложно представить, ведь, ведя разговор о дыхание, мы в первую очередь задумываемая о легких, трахеях, может быть крови, которая разносить кислород по организму. Но за пределами органов, выполняющих функции доставки сырья, кроется бесчисленное количество клеток нашего тела, каждая из которых живет свой отдельной жизнью: появляется, делится, работает на общее благо, стареет и погибает. Мы дышим не только чтобы жить, мы живем, потому что мы дышим и вырабатываем энергию при помощи сложных химических преобразований в крошечных клетках.

И теперь о главном. Откуда столько интереса к позабытым со школы органеллам возникло на сегодняшний день?

Виновато во всем огромное количество заболеваний, которые перестали просто ассоциироваться с отказами конкретных органов , а причиной их появления наука рассматривает старение наших клеток и утрату их работоспособности. Синдром хронической усталости,альцгеймер, диабет и многие другие дегенеративные изменения в основе своей имеют одну общую черту — нарушение метаболизма на клеточном уровне. В связи с чем у ученых появляются все новые и новые теории причин старения организма ( о них поговорим в следующих постах) и одной из самых основным является — свободнорадикальная ( или, как некоторые любят объединять, митохондриальная теория старения) .

Наконец-то знакомое слово! О свободных радикалах и антиоксидантах, думаю, слышали все. Так вот, удивлю ли я вас рассказав, что основная масса свободных радикалов накапливается и прорывается наружу именно из стареющих или плохо работающих митохондрий?

Причин попортится у малышей очень много. И враждебные дефекты митохондриалной ДНК( да-да, у них она отдельная от ядерной), которые позволяют дефектным митохондрия накапливаться в клетках с годами и не выполнять свои функции, различные стрессы для организма , включающие токсины из внешней среды, нехватка нутриентов для полноценной работы и …и … можно перечислять бесконечно. Суть остается все той же — без хорошо работающих митохондрий клетка не жилец, как собственно и мы, когда количество таких клеток в органе/организме превысит количество здоровых.

Вернемся к антиэйджу и не желанию стареть.Есть тут такие? Что будем делать?

  • Движение — жизнь. Как мы уже выяснили в начале текста , количество наших энергетических станций напрямую зависит от нашей потребности в энергии, поэтому любителям приклеится к стулу поплотнее это стоит учесть.И теперь , когда вы знаете , кто стоит за всей нашей возможностью движения , не сложно догадаться, что регулярные физические нагрузки приносят невероятную пользу не только суставам и мышцам, а всему организму на клеточном уровне.
  • Свежий воздух. Нет, не просто так родители старой закалки отправляют своих детей бесконечно слоняться по улице. Кислород — активный участник дыхательной цепи, он действительно положительно влияет на наш энергетический потенциал и здоровье клеток. Поэтому активные прогулки на природе набирают все большую популярность среди городских жителей , старающихся вести здоровый образ жизни.
  • Сбалансированное питание. Вы задумывались когда-нибудь, что такое витамины и минералы в контексте клетки? Нет, не комплекс продающийся в аптеке, который мы пьем на всякий случай, когда не менее мифический “ иммунитет” у нас падает. Витамин б1, кто он? Витами б2? Что они делают в нашем организме? Так вот, многие витамины- активные помощники процессов протекающих в наших клетках, включая те ( цикл Кребса, о нем тоже поговорим попозже), которые помогают нам добывать энергию. Именно поэтому зеленый смузи с привкусом травы выигрывает у невероятных сухариков со вкусом бекона. Сбалансированное питание содержит огромное количество тех самых веществ, которые нужны нашей хим лаборатории для ее ежедневной работы.
  • Не переедать. Как ни странно, но принцип “больше — лучше” с нашими энергетическими станциями не работает. Дело в том что , имея избыточное количество “топлива” ( и не имея в большинстве своем нужного уровня расхода энергии в виде физической активности) электронно транспортная цепь внутри митохондрий , говоря языком простым, переполняется электронами , которые в свою очередь страдая без дела, идут в разгул и образуют свободные радикалы, травмирующие не только их самих, но и другие органеллы за пределами мембран.

Вот такой базовый свод простых и доступных всем правил получился.

На самом деле, в одной коротенькой заметке сложно расписать функции того, что формировалось миллиарды лет до нас в процессе эволюции. Помимо энергетической выработки наши маленькие митохондрии играют еще множество полезных ролей, например, запускают процессы контролируемой клеточной гибели( так сказать, самостоятельной чистки организма) , участвуют в метаболизме аминокислот, липидов и углеводов , синтезе белков и воспроизведение себя самих.

Об этом и многом другом поговорим позже… вконце концов нужны же блогу регулярные обновления.

Источник