Kaetud kahe membraaniga. Välismembraan on sile, sisemisel on sisemised kasvud - cristae, need suurendavad sisemembraani pindala, et asetada sellele võimalikult palju rakuhingamise ensüüme.
Mitokondrite sisekeskkonda nimetatakse maatriksiks. See sisaldab ringikujulist DNA-d ja väikseid (70S) ribosoome, mille tõttu mitokondrid moodustavad iseseisvalt osa oma valkudest, mistõttu neid nimetatakse poolautonoomseteks organellideks. (Sümbiogeneesi teooria väidab, et varem olid mitokondrid ja plastiidid vabad bakterid, mida neelas suur rakk, kuid mida ei seeditud.)
Funktsioon: mitokondrid osalevad raku hingamises (need on "raku energiajaamad").
Hapniku hingamine (keskmise raskusega)
1. Glükolüüs
Esineb tsütoplasmas. Glükoos oksüdeeritakse kaheks püroviinamarihappe (PVA) molekuliks, vabastades energia, mis salvestub 2 ATP-s ja energiarikkas elektronkandjas.
2. PVK oksüdatsioon mitokondriaalses maatriksis
PVC oksüdeerub täielikult süsinikdioksiidiks, vabastades energia, mis salvestub 2 ATP-s ja energiarikastes elektronides kandjatel.
3. Hingamisteede kett
Esineb mitokondrite sisemembraanil. Eelmistes etappides saadud energiarikkad elektronid loobuvad oma energiast, mille tulemusena tekib 34 ATP.
Mitokondrid on mikroskoopilised membraaniga seotud organellid, mis varustavad rakku energiaga. Seetõttu nimetatakse neid rakkude energiajaamadeks (akudeks).
Mitokondrid puuduvad lihtsate organismide, bakterite ja entamoeba rakkudes, mis elavad ilma hapnikku kasutamata. Mõned rohevetikad, trüpanosoomid sisaldavad ühte suurt mitokondrit ning südamelihase ja aju rakkudes on neid organelle 100–1000.
Struktuursed omadused
Mitokondrid on kahemembraanilised organellid; neil on välimine ja sisemine membraan, nende vahel membraanidevaheline ruum ja maatriks.
Väline membraan. See on sile, ilma voltideta ja eraldab sisemise sisu tsütoplasmast. Selle laius on 7 nm ja sisaldab lipiide ja valke. Olulist rolli mängib poriin, valk, mis moodustab välismembraanis kanaleid. Nad pakuvad ioonide ja molekulide vahetust.
Membraanidevaheline ruum. Membraanidevahelise ruumi suurus on umbes 20 nm. Seda täitev aine on koostiselt sarnane tsütoplasmaga, välja arvatud suured molekulid, mis võivad siia tungida ainult aktiivse transpordi kaudu.
Sisemine membraan. See on ehitatud peamiselt valkudest, ainult kolmandik on eraldatud lipiidainetele. Suur hulk valke on transpordivalgud, kuna sisemembraanil puuduvad vabalt läbitavad poorid. See moodustab palju väljakasvu - ristsid, mis näevad välja nagu lamedad harjad. Orgaaniliste ühendite oksüdatsioon CO 2 -ks mitokondrites toimub kristallide membraanidel. See protsess on hapnikust sõltuv ja toimub ATP süntetaasi toimel. Vabanenud energia salvestatakse ATP molekulide kujul ja seda kasutatakse vastavalt vajadusele.
Maatriks– mitokondrite sisekeskkonnal on teraline homogeenne struktuur. Elektronmikroskoobis näete graanuleid ja filamente pallides, mis asetsevad vabalt kristallide vahel. Maatriks sisaldab poolautonoomset valgusünteesisüsteemi – siin asuvad DNA, kõik RNA tüübid ja ribosoomid. Kuid siiski saadakse enamik valke tuumast, mistõttu mitokondreid nimetatakse poolautonoomseteks organellideks.
Rakkude asukoht ja jagunemine
Hondriom on mitokondrite rühm, mis on koondunud ühte rakku. Need paiknevad tsütoplasmas erinevalt, mis sõltub rakkude spetsialiseerumisest. Tsütoplasmasse paigutamine sõltub ka ümbritsevatest organellidest ja inklusioonidest. Taimerakkudes asuvad nad perifeerias, kuna mitokondrid surutakse membraani poole keskvakuooliga. Neeru epiteelirakkudes moodustab membraan eendid, mille vahel on mitokondrid.
Tüvirakkudes, kus energiat kasutavad kõik organellid võrdselt, jaotuvad mitokondrid kaootiliselt. Spetsialiseeritud rakkudes on need koondunud peamiselt suurima energiatarbimisega piirkondadesse. Näiteks vöötlihastes asuvad need müofibrillide läheduses. Spermatosoidides katavad nad spiraalselt lipu telje, kuna selle liikuma panemiseks ja sperma liigutamiseks on vaja palju energiat. Algloomad, kes liiguvad kasutades ripsmeid, sisaldavad ka oma aluses suurel hulgal mitokondreid.
Jaoskond. Mitokondrid on võimelised iseseisvalt paljunema, omades oma genoomi. Organellid jagunevad kitsenduste või vaheseintega. Uute mitokondrite moodustumine erinevates rakkudes erineb sageduselt, näiteks maksakoes asendatakse need iga 10 päeva järel.
Funktsioonid rakus
- Mitokondrite põhiülesanne on ATP molekulide moodustamine.
- Kaltsiumiioonide ladestumine.
- Osalemine veevahetuses.
- Steroidhormooni prekursorite süntees.
Molekulaarbioloogia on teadus, mis uurib mitokondrite rolli ainevahetuses. Samuti muudavad nad püruvaadi atsetüülkoensüümiks A ja rasvhapete beetaoksüdatsiooniks.
| Tabel: mitokondrite struktuur ja funktsioonid (lühidalt) | ||
|---|---|---|
| Struktuurielemendid | Struktuur | Funktsioonid |
| Väline membraan | Sile kest, valmistatud lipiididest ja valkudest | Eraldab sisemise sisu tsütoplasmast |
| Membraanidevaheline ruum | Seal on vesinikuioonid, valgud, mikromolekulid | Loob prootoni gradiendi |
| Sisemine membraan | Moodustab eendeid - cristae, sisaldab valgu transpordisüsteeme | Makromolekulide ülekanne, prootoni gradiendi säilitamine |
| Maatriks | Krebsi tsükli ensüümide, DNA, RNA, ribosoomide paiknemine | Aeroobne oksüdatsioon koos energia vabanemisega, püruvaadi muundamine atsetüülkoensüümiks A. |
| Ribosoomid | Kombineeritud kaks allüksust | Valkude süntees |
Sarnasused mitokondrite ja kloroplastide vahel
Mitokondrite ja kloroplastide ühised omadused tulenevad eelkõige topeltmembraani olemasolust.
Sarnasusmärgid hõlmavad ka võimet iseseisvalt sünteesida valku. Nendel organellidel on oma DNA, RNA ja ribosoomid.
Nii mitokondrid kui ka kloroplastid võivad ahenemise teel jaguneda.
Neid ühendab ka energiatootmise võime, mitokondrid on sellele funktsioonile rohkem spetsialiseerunud, kuid kloroplastid toodavad fotosünteesiprotsesside käigus ka ATP molekule. Seega on taimerakkudes vähem mitokondreid kui loomarakkudes, sest kloroplastid täidavad osaliselt nende eest ülesandeid.
Kirjeldame lühidalt sarnasusi ja erinevusi:
- Need on kahemembraanilised organellid;
- sisemembraan moodustab eendeid: mitokondritele on iseloomulikud cristae ja kloroplastidele tillakoidid;
- neil on oma genoom;
- võimeline sünteesima valke ja energiat.
Need organellid erinevad oma funktsioonide poolest: mitokondrid on ette nähtud energia sünteesiks, siin toimub rakuhingamine, kloroplaste vajavad taimerakud fotosünteesiks.
Mis on mitokondrid? Kui vastus sellele küsimusele on teile keeruline, on meie artikkel just teile. Vaatleme nende organellide struktuurilisi omadusi seoses nende funktsioonidega.
Mis on organellid
Kuid kõigepealt meenutagem, mis on organellid. Nii nimetatakse püsivaid rakustruktuure. Mitokondrid, ribosoomid, plastiidid, lüsosoomid... Kõik need on organellid. Nagu rakul endal, on igal sellisel struktuuril üldine struktuuriplaan. Organellid koosnevad pinnaseadmest ja sisemisest sisust – maatriksist. Igaüht neist saab võrrelda elusolendite organitega. Organellidel on ka oma iseloomulikud tunnused, mis määravad nende bioloogilise rolli.
Rakustruktuuride klassifikatsioon
Organellid jagunevad rühmadesse, lähtudes nende pinnaaparaadi struktuurist. On ühe-, kahe- ja mittemembraanseid püsivaid rakustruktuure. Esimesse rühma kuuluvad lüsosoomid, Golgi kompleks, endoplasmaatiline retikulum, peroksisoomid ja erinevat tüüpi vakuoolid. Tuum, mitokondrid ja plastiidid on topeltmembraanilised. Ja ribosoomidel, rakukeskusel ja liikumisorganellidel puuduvad täielikult pinnaaparaat.
Sümbiogeneesi teooria
Mis on mitokondrid? Evolutsioonilise õpetuse jaoks pole need ainult rakustruktuurid. Sümbiootilise teooria kohaselt on mitokondrid ja kloroplastid prokarüootide metamorfooside tulemus. Võimalik, et mitokondrid pärinevad aeroobsetest bakteritest ja plastiidid fotosünteetilistest bakteritest. Selle teooria tõestuseks on asjaolu, et neil struktuuridel on oma geneetiline aparaat, mida esindavad ringikujuline DNA molekul, topeltmembraan ja ribosoomid. Samuti on oletatud, et loomade eukarüootsed rakud arenesid hiljem mitokondritest ja taimerakud kloroplastidest.
Asukoht rakkudes
Mitokondrid on enamiku taimede, loomade ja seente rakkude lahutamatu osa. Need puuduvad ainult anaeroobsetes üherakulistes eukarüootides, kes elavad hapnikuvabas keskkonnas.
Mitokondrite struktuur ja bioloogiline roll on pikka aega jäänud saladuseks. Esimest korda nägi neid mikroskoobiga Rudolf Kölliker 1850. aastal. Lihasrakkudest avastas teadlane arvukalt graanuleid, mis nägid valguses välja nagu kohevad. Nende hämmastavate struktuuride rolli mõistmine sai võimalikuks tänu Pennsylvania ülikooli professori Britton Chance'i leiutisele. Ta kavandas seadme, mis võimaldas tal näha läbi organellide. Nii sai kindlaks tehtud struktuur ning tõestatud mitokondrite roll rakkude ja organismi kui terviku energiaga varustamisel.
Mitokondrite kuju ja suurus
Hoone üldplaan
Mõelgem, millised on mitokondrid nende struktuuriliste tunnuste seisukohalt. Need on kahemembraanilised organellid. Pealegi on välimine sile ja sisemisel väljakasvud. Mitokondriaalset maatriksit esindavad erinevad ensüümid, ribosoomid, orgaaniliste ainete monomeerid, ioonid ja ringikujuliste DNA molekulide klastrid. See koostis võimaldab toimuda kõige olulisemad keemilised reaktsioonid: trikarboksüülhappe tsükkel, uurea ja oksüdatiivne fosforüülimine.
Kinetoplasti tähendus
Mitokondrite membraan
Mitokondrite membraanid ei ole struktuurilt identsed. Suletud välimine on sile. Selle moodustab lipiidide kaksikkiht koos valgumolekulide fragmentidega. Selle kogupaksus on 7 nm. See struktuur täidab tsütoplasmast piiritlemise funktsioone, samuti organelli suhet keskkonnaga. Viimane on võimalik tänu kanaleid moodustava poriini valgu olemasolule. Molekulid liiguvad neid mööda aktiivse ja passiivse transpordi kaudu.
Sisemembraani keemiliseks aluseks on valgud. See moodustab organoidi sees arvukalt volte - cristae. Need struktuurid suurendavad oluliselt organelli aktiivset pinda. Sisemembraani struktuuri peamine omadus on prootonite täielik mitteläbilaskvus. See ei moodusta kanaleid ioonide läbitungimiseks väljastpoolt. Mõnes kohas välimine ja sisemine kontakt. Siin asub spetsiaalne retseptorvalk. See on omamoodi dirigent. Tema abiga tungivad mitokondriaalsed valgud, mis on kodeeritud tuumas, organellidesse. Membraanide vahel on kuni 20 nm paksune ruum. See sisaldab erinevat tüüpi valke, mis on hingamisahela olulised komponendid.
Mitokondrite funktsioonid
Mitokondrite struktuur on otseselt seotud funktsioonidega, mida see täidab. Peamine neist on adenosiintrifosfaadi (ATP) süntees. See on makromolekul, mis on rakus peamine energiakandja. See koosneb lämmastikalusest adeniinist, monosahhariidist riboosist ja kolmest fosforhappe jäägist. Peamine energiahulk asub viimaste elementide vahel. Kui üks neist puruneb, võib vabaneda maksimaalselt 60 kJ. Kokku sisaldab prokarüootne rakk 1 miljard ATP molekuli. Need struktuurid töötavad pidevalt: kõigi nende olemasolu muutumatul kujul ei kesta kauem kui üks minut. ATP molekule sünteesitakse ja lagundatakse pidevalt, pakkudes kehale energiat sel hetkel, kui seda vaja on.
Sel põhjusel nimetatakse mitokondreid "energiajaamadeks". Just neis toimub orgaaniliste ainete oksüdatsioon ensüümide toimel. Sel juhul tekkiv energia salvestatakse ja salvestatakse ATP kujul. Näiteks 1 g süsivesikute oksüdeerimisel moodustub sellest ainest 36 makromolekuli.
Mitokondrite struktuur võimaldab neil täita teist funktsiooni. Oma poolautonoomia tõttu on nad täiendavaks päriliku teabe kandjaks. Teadlased on leidnud, et organellide DNA ei saa iseseisvalt toimida. Fakt on see, et need ei sisalda kõiki nende tööks vajalikke valke, mistõttu nad laenavad neid tuumaaparaadi pärilikust materjalist.
Niisiis, meie artiklis vaatasime, mis on mitokondrid. Need on topeltmembraanilised rakustruktuurid, mille maatriksis toimub hulk keerulisi keemilisi protsesse. Mitokondrite töö tulemuseks on ATP süntees, ühend, mis varustab keha vajaliku energiahulgaga.
Iseloomulik enamikule rakkudele. Põhifunktsiooniks on orgaaniliste ühendite oksüdeerimine ja vabanevast energiast ATP molekulide tootmine. Väike mitokondrid on kogu keha peamine energiajaam.
Mitokondrite päritolu
Tänapäeval on teadlaste seas väga populaarne arvamus, et mitokondrid ei tekkinud rakku evolutsiooni käigus iseseisvalt. Tõenäoliselt juhtus see tänu sellele, et primitiivne rakk, mis sel ajal ei olnud võimeline iseseisvalt hapnikku kasutama, püüdis kinni bakteri, mis suutis seda teha ja oli seega suurepärane energiaallikas. Selline sümbioos osutus edukaks ja leidis oma võimu järgmistes põlvkondades. Seda teooriat toetab oma DNA olemasolu mitokondrites.
Kuidas mitokondrid on üles ehitatud?
Mitokondritel on kaks membraani: välimine ja sisemine. Välismembraani põhiülesanne on eraldada organellid raku tsütoplasmast. See koosneb bilipiidkihist ja sellesse tungivatest valkudest, mille kaudu toimub tööks vajalike molekulide ja ioonide transport. Kuigi see on sile, moodustab sisemine arvukalt volte - cristae, mis suurendavad oluliselt selle pindala. Sisemembraan koosneb suures osas valkudest, sealhulgas hingamisahela ensüümidest, transportvalkudest ja suurtest ATP süntetaasi kompleksidest. Just selles kohas toimub ATP süntees. Välise ja sisemise membraani vahel on membraanidevaheline ruum koos omaste ensüümidega.
Mitokondrite siseruumi nimetatakse maatriksiks. Siin asuvad rasvhapete ja püruvaadi oksüdatsiooni ensüümsüsteemid, Krebsi tsükli ensüümid, aga ka mitokondrite pärilik materjal - DNA, RNA ja valkude sünteesiaparaat.
Milleks on mitokondreid vaja?
Mitokondrite põhiülesanne on universaalse keemilise energia vormi - ATP süntees. Nad osalevad ka trikarboksüülhappe tsüklis, muutes püruvaadi ja rasvhapped atsetüül-CoA-ks ning seejärel oksüdeerides selle. Selles organellis hoitakse ja päritakse mitokondriaalset DNA-d, mis kodeerib tRNA, rRNA ja mõnede mitokondrite normaalseks funktsioneerimiseks vajalike valkude paljunemist.
Evolutsiooni käigus “raku energiajaamadesse” jäänud geenid aitavad vältida juhtimisprobleeme: kui mitokondrites midagi puruneb, saab ta selle ise parandada, ootamata “keskuselt” luba.
Meie rakud saavad energiat spetsiaalsete mitokondrite-nimeliste organellide abil, mida sageli nimetatakse raku energiajaamadeks. Väliselt näevad need välja nagu topeltseinaga paagid ning sisemine sein on väga ebatasane, rohkete tugevate süvenditega.
Rakk tuumaga (sinise värviga) ja mitokondritega (punase värviga). (Foto NICHD / Flickr.com)
Läbilõikes mitokondrid, sisemembraani väljakasvud on nähtavad pikisuunaliste sisemiste triipudena. (Foto Visuals Unlimited / Corbis.)
Mitokondrites toimub tohutul hulgal biokeemilisi reaktsioone, mille käigus "toidu" molekulid järk-järgult oksüdeeruvad ja lagunevad ning nende keemiliste sidemete energia talletatakse rakule sobival kujul. Kuid lisaks on neil "energiajaamadel" oma geenidega DNA, mida teenindavad nende enda molekulaarmasinad, mis tagavad RNA sünteesi, millele järgneb valgu süntees.
Arvatakse, et mitokondrid olid väga kauges minevikus iseseisvad bakterid, mida sõid mõned teised üherakulised olendid (tõenäoliselt arhead). Kuid ühel päeval lõpetasid "kiskjad" äkitselt allaneelatud protomitokondrite seedimise, hoides neid enda sees. Algas sümbiontide pikk hõõrumine üksteisega; selle tulemusena lihtsustasid allaneelatud oluliselt oma struktuuri ja muutusid rakusiseseteks organellideks ning nende “peremeestel” oli võimalik tõhusama energia tõttu areneda edasi üha keerulisemateks eluvormideks, kuni taimede ja loomadeni välja.
Asjaolu, et mitokondrid olid kunagi iseseisvad, tõendavad nende geneetilise aparaadi jäänused. Muidugi, kui elad sees kõige valmis, kaob vajadus oma geenide hoidmise järele: tänapäevaste mitokondrite DNA inimrakkudes sisaldab vaid 37 geeni – võrreldes 20-25 tuhande tuuma DNA-s sisalduvaga. Miljonite evolutsiooniaastate jooksul on paljud mitokondriaalsed geenid liikunud raku tuuma: valgud, mida nad kodeerivad, sünteesitakse tsütoplasmas ja transporditakse seejärel mitokondritesse. Kohe tekib aga küsimus: miks jäi 37 geeni ikkagi sinna, kus nad olid?
Kordame, mitokondrid esinevad kõigis eukarüootsetes organismides, see tähendab loomades, taimedes, seentes ja algloomades. Ian Johnston ( Iain Johnston) Birminghami ülikoolist ja Ben Williamsist ( Ben P. Williams) analüüsis Whiteheadi Instituudist enam kui 2000 mitokondriaalset genoomi, mis olid võetud erinevatest eukarüootidest. Spetsiaalse matemaatilise mudeli abil suutsid teadlased aru saada, millised geenid jäid evolutsiooni käigus tõenäolisemalt mitokondritesse.