Pārklāts ar divām membrānām. Ārējā membrāna ir gluda, iekšējai ir iekšējie izaugumi - cristae, tie palielina iekšējās membrānas laukumu, lai uz tās novietotu pēc iespējas vairāk šūnu elpošanas enzīmu.
Mitohondriju iekšējo vidi sauc par matricu. Tas satur apļveida DNS un mazas (70S) ribosomas, kuru dēļ mitohondriji patstāvīgi veido daļu no saviem proteīniem, tāpēc tos sauc par daļēji autonomām organellām. (Simbioģenēzes teorija apgalvo, ka iepriekš mitohondriji un plastidi bija brīvas baktērijas, kuras apņēma liela šūna, bet tās netika sagremotas.)
Funkcija: mitohondriji piedalās šūnu elpošanā (tās ir “šūnas enerģijas stacijas”).
Skābekļa elpošana (vidējas grūtības)
1. Glikolīze
Rodas citoplazmā. Glikoze tiek oksidēta līdz divām pirovīnskābes (PVA) molekulām, atbrīvojot enerģiju, kas tiek uzkrāta 2 ATP un ar enerģiju bagātos elektronu nesējos.
2. PVK oksidēšanās mitohondriju matricā
PVC tiek pilnībā oksidēts līdz oglekļa dioksīdam, atbrīvojot enerģiju, kas tiek glabāta 2 ATP un ar enerģiju bagātos elektronos uz nesējiem.
3. Elpošanas ķēde
Rodas uz mitohondriju iekšējās membrānas. Iepriekšējos posmos iegūtie ar enerģiju bagātie elektroni atdod savu enerģiju, kā rezultātā veidojas 34 ATP.
Mitohondriji ir mikroskopiski ar membrānu saistīti organoīdi, kas nodrošina šūnu ar enerģiju. Tāpēc tās sauc par šūnu enerģijas stacijām (akumulatoriem).
Mitohondriju nav vienkāršu organismu, baktēriju un entamoebas šūnās, kas dzīvo bez skābekļa. Dažas zaļās aļģes, tripanosomas satur vienu lielu mitohondriju, un sirds muskuļa un smadzeņu šūnās ir no 100 līdz 1000 šo organellu.
Strukturālās iezīmes
Mitohondriji ir dubultmembrānas organoīdi; tiem ir ārējā un iekšējā membrāna, starp tām ir starpmembrānu telpa un matrica.
Ārējā membrāna. Tas ir gluds, bez krokām un atdala iekšējo saturu no citoplazmas. Tā platums ir 7 nm un satur lipīdus un olbaltumvielas. Svarīgu lomu spēlē porīns, olbaltumviela, kas veido kanālus ārējā membrānā. Tie nodrošina jonu un molekulāro apmaiņu.
Starpmembrānu telpa. Starpmembrānu telpas izmērs ir aptuveni 20 nm. To aizpildošā viela pēc sastāva ir līdzīga citoplazmai, izņemot lielas molekulas, kas šeit var iekļūt tikai ar aktīvo transportu.
Iekšējā membrāna. Tas ir veidots galvenokārt no olbaltumvielām, tikai trešdaļa tiek atvēlēta lipīdu vielām. Liels skaits olbaltumvielu ir transporta proteīni, jo iekšējā membrānā nav brīvi caurejošu poru. Tas veido daudzus izaugumus - cristae, kas izskatās kā saplacinātas grēdas. Organisko savienojumu oksidēšanās līdz CO 2 mitohondrijās notiek uz kristālu membrānām. Šis process ir atkarīgs no skābekļa un tiek veikts ATP sintetāzes ietekmē. Atbrīvotā enerģija tiek uzkrāta ATP molekulu veidā un tiek izmantota pēc vajadzības.
Matrica– mitohondriju iekšējai videi ir graudaina, viendabīga struktūra. Elektronu mikroskopā var redzēt granulas un pavedienus bumbiņās, kas brīvi atrodas starp kristāliem. Matrica satur daļēji autonomu proteīnu sintēzes sistēmu - šeit atrodas DNS, visu veidu RNS un ribosomas. Tomēr lielākā daļa olbaltumvielu tiek piegādātas no kodola, tāpēc mitohondrijas sauc par daļēji autonomām organellām.
Šūnu atrašanās vieta un dalīšanās
Hondrioma ir mitohondriju grupa, kas koncentrēta vienā šūnā. Tie citoplazmā atrodas atšķirīgi, kas ir atkarīgs no šūnu specializācijas. Izvietojums citoplazmā ir atkarīgs arī no apkārtējiem organelliem un ieslēgumiem. Augu šūnās tie aizņem perifēriju, jo centrālā vakuola mitohondrijus virza uz membrānu. Nieru epitēlija šūnās membrāna veido izvirzījumus, starp kuriem atrodas mitohondriji.
Cilmes šūnās, kur enerģiju vienādi izmanto visi organoīdi, mitohondriji tiek sadalīti haotiski. Specializētajās šūnās tie galvenokārt ir koncentrēti apgabalos ar vislielāko enerģijas patēriņu. Piemēram, šķērssvītrotajos muskuļos tie atrodas netālu no miofibrilām. Spermatozoīdos tie spirāliski pārklāj karogdziedzera asi, jo ir nepieciešams daudz enerģijas, lai to iekustinātu un pārvietotu spermu. Vienšūņi, kas pārvietojas, izmantojot skropstas, satur arī lielu skaitu mitohondriju savā pamatnē.
Divīzija. Mitohondriji spēj patstāvīgi vairoties, un tiem ir savs genoms. Organellus dala ar sašaurinājumiem vai starpsienām. Jaunu mitohondriju veidošanās dažādās šūnās atšķiras pēc biežuma, piemēram, aknu audos tie tiek aizstāti ik pēc 10 dienām.
Funkcijas šūnā
- Mitohondriju galvenā funkcija ir ATP molekulu veidošanās.
- Kalcija jonu nogulsnēšanās.
- Dalība ūdens apmaiņā.
- Steroīdu hormonu prekursoru sintēze.
Molekulārā bioloģija ir zinātne, kas pēta mitohondriju lomu metabolismā. Tie arī pārvērš piruvātu par acetilkoenzīmu A un taukskābju beta oksidāciju.
| Tabula: mitohondriju struktūra un funkcijas (īsi) | ||
|---|---|---|
| Strukturālie elementi | Struktūra | Funkcijas |
| Ārējā membrāna | Gluds apvalks, kas izgatavots no lipīdiem un olbaltumvielām | Atdala iekšējo saturu no citoplazmas |
| Starpmembrānu telpa | Ir ūdeņraža joni, olbaltumvielas, mikromolekulas | Izveido protonu gradientu |
| Iekšējā membrāna | Veido izvirzījumus - cristae, satur olbaltumvielu transportēšanas sistēmas | Makromolekulu pārnese, protonu gradienta uzturēšana |
| Matrica | Krebsa cikla enzīmu, DNS, RNS, ribosomu atrašanās vieta | Aerobā oksidēšana ar enerģijas izdalīšanos, piruvāta pārvēršana par acetilkoenzīmu A. |
| Ribosomas | Apvienotas divas apakšvienības | Olbaltumvielu sintēze |
Līdzības starp mitohondrijiem un hloroplastiem
Mitohondriju un hloroplastu kopīgās īpašības galvenokārt ir saistītas ar dubultās membrānas klātbūtni.
Līdzības pazīmes ietver arī spēju patstāvīgi sintezēt proteīnu. Šīm organellām ir sava DNS, RNS un ribosomas.
Gan mitohondriji, gan hloroplasti var dalīties ar sašaurināšanos.
Viņus vieno arī spēja ražot enerģiju, šajā funkcijā vairāk specializējušies mitohondriji, bet hloroplasti fotosintēzes procesos ražo arī ATP molekulas. Tādējādi augu šūnās ir mazāk mitohondriju nekā dzīvnieku šūnās, jo hloroplasti daļēji pilda tām paredzētās funkcijas.
Īsi aprakstīsim līdzības un atšķirības:
- Tās ir dubultmembrānas organellas;
- iekšējā membrāna veido izvirzījumus: cristae ir raksturīgas mitohondrijiem, un tillacoids ir raksturīgi hloroplastiem;
- ir savs genoms;
- spēj sintezēt olbaltumvielas un enerģiju.
Šīs organellas atšķiras pēc savām funkcijām: mitohondriji ir paredzēti enerģijas sintēzei, šeit notiek šūnu elpošana, hloroplasti ir nepieciešami augu šūnām fotosintēzei.
Kas ir mitohondriji? Ja jums ir grūti atbildēt uz šo jautājumu, mūsu raksts ir paredzēts tieši jums. Mēs apsvērsim šo organellu strukturālās iezīmes saistībā ar to veiktajām funkcijām.
Kas ir organellas
Bet vispirms atcerēsimies, kas ir organellas. Tā sauc pastāvīgās šūnu struktūras. Mitohondriji, ribosomas, plastidi, lizosomas... Tās visas ir organellas. Tāpat kā pašai šūnai, katrai šādai struktūrai ir vispārējs strukturālais plāns. Organelli sastāv no virsmas aparāta un iekšējā satura - matricas. Katru no tiem var salīdzināt ar dzīvo būtņu orgāniem. Organellām ir arī savas raksturīgās pazīmes, kas nosaka to bioloģisko lomu.
Šūnu struktūru klasifikācija
Organellus iedala grupās, pamatojoties uz to virsmas aparāta struktūru. Pastāv vienas, dubultas un bezmembrānas pastāvīgas šūnu struktūras. Pirmajā grupā ietilpst lizosomas, Golgi komplekss, endoplazmatiskais tīkls, peroksisomas un dažāda veida vakuoli. Kodols, mitohondriji un plastidi ir dubultmembrānas. Un ribosomām, šūnu centram un kustības organellām pilnībā nav virsmas aparāta.
Simbioģenēzes teorija
Kas ir mitohondriji? Evolūcijas mācīšanai tās nav tikai šūnu struktūras. Saskaņā ar simbiotisko teoriju mitohondriji un hloroplasti ir prokariotu metamorfozes rezultāts. Iespējams, ka mitohondriji cēlušies no aerobām baktērijām, bet plastidi no fotosintētiskām baktērijām. Šīs teorijas pierādījums ir fakts, ka šīm struktūrām ir savs ģenētiskais aparāts, ko attēlo apļveida DNS molekula, dubultā membrāna un ribosomas. Pastāv arī pieņēmums, ka dzīvnieku eikariotu šūnas vēlāk attīstījās no mitohondrijiem un augu šūnas no hloroplastiem.
Atrašanās vieta šūnās
Mitohondriji ir neatņemama daļa no lielākās daļas augu, dzīvnieku un sēņu šūnu. To nav tikai anaerobos vienšūnu eikariotos, kas dzīvo vidē, kurā nav skābekļa.
Mitohondriju struktūra un bioloģiskā loma ilgu laiku ir palikusi noslēpums. Pirmo reizi tos ar mikroskopu redzēja Rūdolfs Kēlikers 1850. gadā. Muskuļu šūnās zinātnieks atklāja daudzas granulas, kas gaismā izskatījās kā pūkas. Izpratne par šo apbrīnojamo struktūru lomu bija iespējama, pateicoties Pensilvānijas universitātes profesora Brittona Šansa izgudrojumam. Viņš izstrādāja ierīci, kas ļāva viņam redzēt cauri organellām. Tā tika noteikta struktūra un pierādīta mitohondriju loma enerģijas nodrošināšanā šūnām un organismam kopumā.
Mitohondriju forma un izmērs
Ēkas ģenerālplāns
Apsvērsim, kas ir mitohondriji no to strukturālo īpašību viedokļa. Tās ir dubultmembrānas organellas. Turklāt ārējais ir gluds, bet iekšējais ar izaugumiem. Mitohondriju matricu pārstāv dažādi fermenti, ribosomas, organisko vielu monomēri, joni un apļveida DNS molekulu kopas. Šis sastāvs ļauj notikt vissvarīgākajām ķīmiskajām reakcijām: trikarbonskābes cikls, urīnviela un oksidatīvā fosforilēšana.
Kinetoplasta nozīme
Mitohondriju membrāna
Mitohondriju membrānas pēc struktūras nav identiskas. Slēgtais ārējais ir gluds. To veido lipīdu divslānis ar olbaltumvielu molekulu fragmentiem. Tās kopējais biezums ir 7 nm. Šī struktūra veic norobežošanas funkcijas no citoplazmas, kā arī organellas attiecības ar vidi. Pēdējais ir iespējams, pateicoties porīna proteīna klātbūtnei, kas veido kanālus. Molekulas pārvietojas pa tām, izmantojot aktīvo un pasīvo transportu.
Iekšējās membrānas ķīmiskais pamats ir olbaltumvielas. Organoīda iekšpusē tas veido daudzas krokas - kristas. Šīs struktūras ievērojami palielina organellas aktīvo virsmu. Galvenā iekšējās membrānas struktūras iezīme ir pilnīga protonu necaurlaidība. Tas neveido kanālus jonu iekļūšanai no ārpuses. Dažās vietās ārējais un iekšējais kontakts. Šeit atrodas īpašs receptoru proteīns. Tas ir sava veida diriģents. Ar tās palīdzību mitohondriju proteīni, kas ir kodēti kodolā, iekļūst organellā. Starp membrānām ir līdz 20 nm bieza telpa. Tas satur dažāda veida olbaltumvielas, kas ir būtiskas elpošanas ķēdes sastāvdaļas.
Mitohondriju funkcijas
Mitohondriju struktūra ir tieši saistīta ar tā veiktajām funkcijām. Galvenais no tiem ir adenozīna trifosfāta (ATP) sintēze. Šī ir makromolekula, kas ir galvenais enerģijas nesējs šūnā. Tas sastāv no slāpekļa bāzes adenīna, monosaharīda ribozes un trīs fosforskābes atlikumiem. Tieši starp pēdējiem elementiem ir ietverts galvenais enerģijas daudzums. Kad viens no tiem plīst, var izdalīties ne vairāk kā 60 kJ. Kopumā prokariotu šūnā ir 1 miljards ATP molekulu. Šīs struktūras pastāvīgi darbojas: katras no tām pastāvēšana nemainīgā veidā ilgst ne vairāk kā vienu minūti. ATP molekulas tiek nepārtraukti sintezētas un sadalītas, nodrošinot organismu ar enerģiju tajā brīdī, kad tā ir nepieciešama.
Šī iemesla dēļ mitohondrijus sauc par "enerģijas stacijām". Tieši tajos fermentu iedarbībā notiek organisko vielu oksidēšanās. Enerģija, kas tiek ģenerēta šajā gadījumā, tiek uzglabāta un uzglabāta ATP formā. Piemēram, oksidējoties 1 g ogļhidrātu, veidojas 36 šīs vielas makromolekulas.
Mitohondriju struktūra ļauj tiem veikt citu funkciju. Savas daļēji autonomijas dēļ tie ir papildu iedzimtas informācijas nesējs. Zinātnieki ir atklājuši, ka pašu organellu DNS nevar darboties neatkarīgi. Fakts ir tāds, ka tie nesatur visus darbam nepieciešamos proteīnus, tāpēc viņi tos aizņem no kodolaparāta iedzimtības materiāla.
Tātad, mūsu rakstā mēs apskatījām, kas ir mitohondriji. Tās ir dubultmembrānas šūnu struktūras, kuru matricā notiek virkne sarežģītu ķīmisku procesu. Mitohondriju darba rezultāts ir ATP sintēze, savienojums, kas nodrošina organismu ar nepieciešamo enerģijas daudzumu.
Raksturīgs lielākajai daļai šūnu. Galvenā funkcija ir organisko savienojumu oksidēšana un ATP molekulu ražošana no atbrīvotās enerģijas. Mazie mitohondriji ir visa ķermeņa galvenā enerģijas stacija.
Mitohondriju izcelsme
Mūsdienās zinātnieku vidū ir ļoti populārs viedoklis, ka evolūcijas laikā mitohondriji šūnā neparādījās neatkarīgi. Visticamāk, tas notika tāpēc, ka primitīva šūna, kas tajā laikā nebija spējīga patstāvīgi izmantot skābekli, satvēra baktēriju, kas to varēja izdarīt un attiecīgi bija lielisks enerģijas avots. Šāda simbioze izrādījās veiksmīga un nostiprinājās nākamajās paaudzēs. Šo teoriju atbalsta savas DNS klātbūtne mitohondrijās.
Kā mitohondriji ir strukturēti?
Mitohondrijiem ir divas membrānas: ārējā un iekšējā. Ārējās membrānas galvenā funkcija ir atdalīt organellu no šūnas citoplazmas. Tas sastāv no bilipīda slāņa un tajā iekļūstošajiem proteīniem, caur kuriem tiek veikta darbam nepieciešamo molekulu un jonu transportēšana. Kamēr gluda, iekšējā veido daudzas krokas - cristae, kas ievērojami palielina tā laukumu. Iekšējā membrāna lielā mērā sastāv no olbaltumvielām, tostarp elpošanas ķēdes enzīmiem, transporta proteīniem un lieliem ATP sintetāzes kompleksiem. Tieši šajā vietā notiek ATP sintēze. Starp ārējo un iekšējo membrānu ir starpmembrānu telpa ar tai raksturīgajiem fermentiem.
Mitohondriju iekšējo telpu sauc par matricu. Šeit atrodas taukskābju un piruvāta oksidēšanas enzīmu sistēmas, Krebsa cikla enzīmi, kā arī mitohondriju iedzimtais materiāls - DNS, RNS un proteīnu sintezējošais aparāts.
Kam nepieciešami mitohondriji?
Mitohondriju galvenā funkcija ir universālas ķīmiskās enerģijas formas - ATP - sintēze. Viņi arī piedalās trikarbonskābes ciklā, pārvēršot piruvātu un taukskābes par acetil-CoA un pēc tam oksidējot to. Šajā organellā tiek glabāta un mantota mitohondriju DNS, kas kodē tRNS, rRNS un dažu proteīnu reprodukciju, kas nepieciešamas normālai mitohondriju darbībai.
Gēni, kas evolūcijas laikā palikuši “šūnas enerģijas stacijās”, palīdz izvairīties no vadības problēmām: ja kaut kas saplīst mitohondrijās, tas var to salabot pats, negaidot atļauju no “centra”.
Mūsu šūnas saņem enerģiju ar īpašu organellu palīdzību, ko sauc par mitohondrijiem, ko bieži sauc par šūnas enerģijas stacijām. Ārēji tie izskatās kā tvertnes ar dubultu sienu, un iekšējā siena ir ļoti nelīdzena, ar daudziem spēcīgiem iespiedumiem.
Šūna ar kodolu (zilā krāsā) un mitohondrijiem (sarkanā krāsā). (NICHD/Flickr.com fotoattēls)
Sadaļā mitohondriji, iekšējās membrānas izaugumi ir redzami kā gareniskas iekšējās svītras. (Fotoattēla autors: Visuals Unlimited/Corbis.)
Mitohondrijās notiek milzīgs skaits bioķīmisko reakciju, kuru laikā “pārtikas” molekulas pakāpeniski oksidējas un sadalās, un to ķīmisko saišu enerģija tiek uzkrāta šūnai ērtā formā. Bet turklāt šīm “enerģijas stacijām” ir sava DNS ar gēniem, ko apkalpo viņu pašu molekulārās mašīnas, kas nodrošina RNS sintēzi, kam seko proteīnu sintēze.
Tiek uzskatīts, ka mitohondriji ļoti tālā pagātnē bija neatkarīgas baktērijas, kuras ēda dažas citas vienšūnas radības (visticamāk, arhejas). Bet kādu dienu “plēsēji” pēkšņi pārstāja sagremot norītos protomitohondrijus, paturot tos sevī. Sākās ilgstoša simbiontu rīvēšanās savā starpā; rezultātā norītie ievērojami vienkāršoja savu struktūru un kļuva par intracelulārām organellām, un viņu “saimnieki”, pateicoties efektīvākai enerģijai, varēja tālāk attīstīties arvien sarežģītākos dzīvības veidos, līdz pat augiem un dzīvniekiem.
To, ka mitohondriji kādreiz bija neatkarīgi, liecina to ģenētiskā aparāta paliekas. Protams, ja dzīvo iekšā ar visu gatavu, zūd nepieciešamība saturēt savus gēnus: mūsdienu mitohondriju DNS cilvēka šūnās satur tikai 37 gēnus – pret 20-25 tūkstošiem no tiem, kas ietverti kodola DNS. Miljoniem evolūcijas gadu laikā daudzi mitohondriju gēni ir pārcēlušies uz šūnas kodolu: olbaltumvielas, ko tie kodē, tiek sintezētas citoplazmā un pēc tam transportētas uz mitohondrijiem. Tomēr uzreiz rodas jautājums: kāpēc 37 gēni joprojām palika tur, kur tie bija?
Mēs atkārtojam, ka mitohondriji atrodas visos eikariotu organismos, tas ir, dzīvniekos, augos, sēnēs un vienšūņos. Īans Džonstons ( Iains Džonstons) no Birmingemas Universitātes un Bena Viljamsa ( Bens P. Viljamss) no Whitehead institūta analizēja vairāk nekā 2000 mitohondriju genomu, kas ņemti no dažādiem eikariotiem. Izmantojot īpašu matemātisko modeli, pētnieki varēja saprast, kuri gēni, visticamāk, paliks mitohondrijās evolūcijas laikā.