Органоиды, которые являются источником энергии для клеток, называются митохондриями. Они отвечают за преобразование глюкозы и жиров в различные формы энергии. Их главная функция — производство АТФ. Процесс дыхания митохондрии осуществляется в матриксе и на внутренних мембранах. При дисфункции органоидов развивается онкология.
Происхождение живых организмов
Одноклеточные прокариотические организмы считаются первыми живыми существами, которые появились на Земле. Человек состоит из эакариотических клеток, произошедших от прокариотических наименьших единиц жизни. Общие черты бактерий и митохондрий:
- наличие двойной мембраны, через которую осуществляется синтез АТФ (главного источника энергии для биохимического явления);
- кольцевая ДНК;
- схема митохондриальной ДНК напоминает последовательность ДНК у прокариот;
- самовоспроизведение внутри клетки за счет бинарного деления.
В жизнедеятельности организмов особая роль отводится теории эндосимбиоза. Она предполагает, что прокариотические древние организмы производили энергию с помощью кислорода. Сливаясь с эукариотическими клетками, которые не применяют кислород, два организма получают взаимную выгоду. Таким способом образовывается индивидуальная единица эндосимбионт.
С течением времени клетки преобразовались в эукариотические современные организмы. Митохондрию ученые называют остатком первичных прокариотических организмов. Органоиды применяют кислород с целью производства АТФ при клеточном либо аэробном дыхании. Для протекания реакции понадобятся:
- кислород;
- углекислый газ.
Изучая, от чего зависит число митохондрий в клетке, ученые пришли к выводу, что на этот процесс влияют разные факторы. С учетом энергетических потребностей организма увеличивается число митохондрий, к примеру, в мышцах их количество растет. Это способствует выработке и использованию энергии в самых активных клетках.
За счет уникального строения митохондрии контролируют уровень кальция, обеспечивая сбалансированную энергетическую потребность и свое производство энергии. В митохондриях происходят различные процессы, провоцирующие появление свободных радикалов. Они вызывают окислительный стресс в организме. Это основная причина, почему развиваются возрастные заболевания.
Клеточное дыхание
Дыхание или процесс окисления осуществляется в матриксе и на внутренних складках мембраны. На фоне метаболизма сложные вещества делятся на составные части. Наименьший объект деления называется мономером. Распад крахмала осуществляется до получения глюкозы. Она расщепляется в бескислородной среде до пировиноградного вещества (ПВК). В результате реакции появляются две молекулы АТФ.
При наличии кислорода пировиноградный компонент окисляется до воды и углекислого газа. Таким путем протекает дыхание в митохондриях. Рассматривая, какие структуры участвуют в клеточном дыхании, нужно выделить:
- Матрикс. Появляются две молекулы АТФ, углекислый газ, водород.
- Кристы. При окислении водорода образуются вода и 36 молекул АТФ.
Чтобы дышать на кристах, транспортируются электроны. За процесс отвечает дыхательная цепь, которая является частью образования АТФ. Она состоит из следующих компонентов:
- белковых комплексов, встроенных в мембрану растений, животных, бактерий;
- белковых переносчиков, включая убихинон и цитохром.
Энергетическая станция клетки заключается в образовании 38 молекул АТФ, необходимых для анаболизма.
Этапы процесса
В растительных и животных организмах процесс дыхания осуществляется в несколько этапов: подготовительный, гликолиз, окисление ПВК. При пищеварении в организм поступают вещества. В центре процесса находится расщепление полимеров до мономеров:
- из белков получаются аминокислоты;
- углеводы расщепляются до глюкозы;
- чтобы связать жиры, используются жирные органические и неорганические кислоты, глицерин.
В клетки поступают готовые мономеры. На следующем этапе осуществляется клеточное пищеварение, которое сопровождается синтезом АТФ. В аэробных условиях образуется ПВК, в анаэробных — молочная кислота. Так как в процессе участвуют молекулы фосфорной кислоты, он называется окислительным фосфорилированием.
Подобные превращения осуществляются в цитоплазме. Затем ПВК поступает в митохондрии с целью последующего окисления. Под воздействием кислорода образуется углекислый газ. Предварительно отщепляется углеродный атом ПВК, выделяются углекислый газ с энергией. Следующий этап — цикл Кребса.
Реакция начинается в момент соединения входящей молекулы с другой, которая выполняет функции помощника. За счет такой комбинации возникают новые химические реакции. Чтобы переработать энергию, которая находится в одной молекуле глюкозы, понадобится пройти цикл Кребса дважды.
Гликолиз — процесс, сравнимый с циклом Кребса, так как они оба обеспечивают синтез белка. Промежуточные продукты гликолиза необходимы для синтеза жиров. Гликолиз обеспечивает митохондрии высокой производительностью.
Перечень заболеваний
Раковые клетки нуждаются в питании для роста опухоли. Дополнительно увеличивается количество митохондрий с целью обеспечения потребности в энергии. Злокачественные клетки, в отличие от рибосом, повышают работоспособность органоидов, в которых происходит скопление свободных радикалов. Из-за увеличения окислительного процесса при онкологии повреждаются окружающие ткани. К признакам рака специалисты относят отсутствие смертности клеток.
При нормальных условиях митохондрия провоцирует смерть, когда клетка воспроизводит чрезмерное количество энергии либо осуществляет процесс слишком быстро. В раковых клетках рассматриваемое действие не происходит за счет увеличения разрушения митохондрий. Есть и другие заболевания, возникающие при дисфункции органоидов:
- болезнь Альцгеймера;
- болезнь Паркинсона;
- диабет.
При синдроме Альцгеймера бета-амилоид накапливается вблизи внешней митохондриальной мембраны. При этом уменьшается продукция АТФ, увеличивается оксидативный стресс, что провоцирует смерть клетки. Дисфункция митохондрий приводит к заболеванию Паркинсона. Отличительная черта патологии — накопление альфа-синуклеинового белка, что провоцирует потерю нейронов.
У пациентов, страдающих от синдрома Паркинсона, аккумулируется протеин в органоидах. Увеличивается косидативный стресс, уменьшается производство энергии. Поврежденные митохондрии остаются в клетках, но из-за накопления синуклеинов диагностируется нейродегенерация.
Нарушенная работа органоидов приводит к диабету первого и второго типов. В организме пациентов с такими диагнозами выявляются низкие уровни глюкозы. Митохондрии распадаются на маленькие фрагментированные сети, размещенные по клетке. При диабете второго типа уменьшается выработка АТФ.
Аналогичный признак наблюдается при сердечной недостаточности. Он сопровождается нарастанием окислительного стресса, низкой активностью митохондрий. Это приводит к потере кислорода, накоплению электронов и появлению свободных радикалов. Похожая клиническая картина развивается при синдроме хронической усталости. Дополнительные признаки болезни:
- депрессия;
- тревога;
- мышечная боль;
- мигрень.
Современные ученые считают, что синдром возникает на фоне митохондриальной дисфункции, включающей низкое количество органоидов, нехватку белка, незначительное производство АТФ. Некоторые исследования выявили, что структура митохондрий и их функционирование совпадают у здоровых и больных пациентов. В таких случаях постановка диагноза требует проведения дополнительных исследований.
