Митохондрии — особые клетки в организме, основной задачей которых является производство энергии. Эти органеллы были обнаружены практически у всех живых организмов. Так как они способны окислять органические вещества и синтезировать АТФ, то их значение для организма сложно переоценить. Следует более подробно рассмотреть устройство и функции митохондрий в клетке.
Происхождение митохондрии
Ученые считают, что часть первых организмов на планете были одноклеточные прокариотическими организмами, напоминающими современные бактерии. Человек является эукариотическим организмом. Говоря проще, люди состоять из эукариотических клеток, которые произошли от прокариотических. Между ними существует несколько отличий:
- У прокариотов отсутствуют внутренние отсеки (органеллы).
- Эукариты имеют линейную ДНК, а у прокариотных клеток она круговая.
- Прокариоритные клетки лишены ядра и ДНК свободно плавает в межклеточной жидкости. В свою очередь, ДНК эукариотов содержится в ядре.
- Прокариориты размножаются с помощью бинарного деления. Говоря проще, они делятся на две одинаковых клетки.
- Эукариты не используют кислород для производства энергии, в отличие от прокариот.
- ДНК эукаритных клеток сложнее в сравнении с прокариоритными.
Во время исследований митохондрий было установлено, что они очень похожи на древние бактерии. Это касается не только строения, но и других особенностей.
Например, митохондрии способны размножаться с помощью бинарного деления и имеют кольцевую ДНК.
Сегодня в научных кругах широко распространена гипотеза, объясняющая эти сходства. Называется она теория эндосимбиоза. Согласно ей, существовавшие в доисторические времена прокариоты случайным образом слились с эукариотами. В результате обе клетки получили выгоду от совместной деятельности в виде единого организма.
Благодаря способности использовать кислород обе клетки смогли выжить. Постепенно клетки-симбионты превратились в эукариотические организмы. Ученые считают митохондрии остатком древних прокариотов.
Строение органеллы
Митохондрии являются двухмембранными органеллами. Они состоят из матрикса, двух оболочек и расположенного между ними межмембранного пространства. Стоит более подробно рассмотреть каково строение этой органеллы.
Внешняя и внутренняя оболочка
Наружная мембрана имеет гладкую поверхность. Она отделяет внутреннее содержимое от цитоплазмы. Ширина внешней оболочки равна 7 нм. В ее состав входят липиды и протеины в соотношении 2 к 1. Наиболее важное значение имеет белок — порин. Именно из этого вещества образованы каналы, обеспечивающие молекулярный и ионный обмен.
В основе внутренней оболочки находятся протеины. В среднем она содержит в три раза больше белков в сравнении с липидами. Большая часть протеинов выполняют транспортную функцию. На поверхности внешней мембраны находится много наростов — крист. Внешне они напоминают приплюснутые гребешки. Именно в кристах происходит окисления органических веществ. Эти процессы возможны при наличии фермента АТФ-синтеназы и кислорода.
Полученная в результате энергия сохраняется в виде молекул АТФ.
Матрикс и периплазматическое пространство
Матрикс представляет собой внутреннюю среду клетки и обладает зернистой структурой. Если посмотреть на митохондрию в электронный микроскоп, то можно различить нити и гранулы, свободно располагаемые между кристами. В матриксе расположена полуавтономная система производства протеинов. Именно здесь находятся все виды РНК, рибосомы и ДНК.
Однако большая часть протеинов доставляется в митохондрию из ядра. Поэтому ее и называют полуавтоматической органеллой.
Межмембранное (периплазматическое) пространство расположено между оболочками. Его размер находится в диапазоне 10−20 нм. Число малых молекул и ионов в межмембранном пространстве невелико и отличается от их количества в цитоплазме. Дело в том, что для них внешняя поверхность клетки проницаема. Однако крупным транспортным протеинам для перехода из цитоплазмы во внутреннее пространство необходимы особые сигнальные пептиды.
Деление и расположение в клетках
Хондриомом называется группа митохондрий, находящихся в одной клетке. Их расположение в цитоплазме зависит от специализации клетки, включений и окружающих органелл. Так в растительных клеточных структура хондриомы находятся в периферийной области. Органоиды стволовых клеток равномерно используют энергию. Благодаря этому митохондрии в них расположены хаотично.
В специализированных клетках группы митохондрий находятся в местах максимального потребления энергии. Например, в волокнах поперечно-полосатой мускулатуре хондриомы расположены рядом с миофибриллами.
У простейших организмов, передвигающихся с помощью ресничек, большая часть органелл находится у их основания.
Митохондрии обладают собственным геномом и могут размножаться. У них процесс деления проходит благодаря перетяжке. Формируются новые органеллы с различной периодичностью. Например, в тканях печени они меняются каждые 10 суток.
Основные функции
Основная функция митохондрий в организме заключается в расщеплении и метаболизации жирных кислот, а также углеводов. Организмы, состоящие из эукариотических клеток, в качестве источника энергии используют аденозинтрифосфат — АТФ. Синтез этого вещества проходит в матриксе органеллы. Однако первый этап глюкозного или углеводного метаболизма протекают вне митохондрий.
Сначала глюкоза конвертируется в пируват, который затем доставляется в матрикс. Жирные кислоты транспортируются в органеллы сразу в неизменном виде. Синтез АТФ можно кратко представить в следующем виде:
- В матриксе находятся особые ферменты, под воздействием которых жирные кислоты и пируват конвертируются в ацетил-КоА.
- Молекулы ацетил-КоА являются исходным материалом для следующей реакции, называемой цикл Кребса (цикл лимонной кислоты). На этом этапе производится большое количество углекислого газа, а также молекулы ФАД и НАДН. Два последних вещества содержат много электронов.
- ФАД и НАДН перемещаются к внутренней оболочке, после чего начинается последняя фаза процесса синтеза АТФ. ФАД и НАДН передают свои элементарные отрицательно заряженные частицы молекулам кислорода. В результате создаются благоприятные условия для производства аденозинтрифосфата.
Именно благодаря способности синтезировать АТФ из органических веществ митохондрии имеют важнейшее значение для организма. Это основная функция органелл, но не единственная. Следует отметить, какую еще функцию выполняют митохондрии:
- Синтеза. Клетки способны производить не только аденозинтрифосфат, но также пурины и гемы.
- Метаболизма кальция и апоптоза.
- Сигнальные. Дифференцировка, ацетилирование и ретроградный сигналинг.
Основная функция митохондрий делает их крайне важными для всего организма. От работы этих клеток зависит деятельность всех систем человека. Среди основных признаков нарушения функций этих органелл выделяются падение скорости потребления кислорода, повышение проницаемости внутренней оболочки и набухание митохондрий. Все эти изменения возможны из-за отравления токсинами, гипоксии, а также во время инфекционных заболеваний.
