Митохондрии. Пластиды. Органоиды движения

Растение тянется к солнцу; муравей поднимает груз; превышающий его собственный вес; улитка переползает в более защищённое место; енот переплывает реку. Все движется и перемещается благодаря энергии. Но откуда берётся эта энергия?

Кажется, что такое большое количество энергии образуется в каком-то большом органе. Но как не странно энергетическими станциями являются крохотные органоиды − митохондрии, диаметром 0,2–1 мкм и длиной до 7 мкм. Они располагаются практически во всех клетках…растений, животных и грибов. Именно здесь в митохондриях образуется и аккумулируется энергия.

Митохондрии – это органоиды клетки, которые участвуют в процессе клеточного дыхания и запасающие для клетки энергию в виде АТФ. То есть в такой форме, в которой энергия доступна для использования во всех процессах клетки, требующих затрат энергии.

Количество митохондрий в клетках может быть различным, оно зависит от такого какую функцию выполняет клетка. Их больше в тех клетках, которые нуждаются в большем количестве энергии. Например, в клетках способных к движению. Особенно много митохондрий в мышечных клетках и клетках печени.

Различается не только количество митохондрий, но и их форма. Чаще всего митохондрии имеют овальную форму. Но бывают округлые, палочковидные и другие.

Однако несмотря на разнообразие форм, все они имеют единый план строения.

Митохондрии имеют двуслойную мембрану. Наружная гладкая.  

Внутренняя мембрана образует многочисленные складки – кристы. Складки увеличивают поверхность мембраны.

Между наружной и внутренней мембраной - межмембранное пространство.

Ограниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом.

В матриксе митохондрии, находятся ферменты, необходимые для многих биохимических реакций.

На кристах митохондрий с участием ферментов при клеточном дыхании синтезируются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, сокращённо АТФ.

Эти молекулы являются универсальными источниками энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.

АТФ относится к так называемым макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе (разрыве) которых происходит освобождение значительного количества энергии.

Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, что приводит к выделению, по различным данным, от 40 до 60 кДж/моль.

Высвобожденная энергия используется в разнообразных процессах, протекающих с затратом энергии, например, при делении клетки.

В покое человеком расходуется 28 грамм АТФ в минуту, что составляет 1,5 кг в час. При физической нагрузке расход составляет 0,5 кг в минуту. Через транспортные белки наружной мембраны митохондрий проникают крупные молекулы.

На стороне мембраны, обращённой к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы (это группа ферментов). Благодаря АТФ-синтезам происходит синтез АТФ.

Из матрикса в межмембранное пространство выкачиваются ионы водорода.

Между двумя сторонами внутренней мембраны получается разная концентрация этих ионов. Эта разница называется разницей градиента концентрации ионов водорода.

Энергия градиента используется на синтез АТФ из АДФ и фосфата. Это происходит в АТФ-синтазе. АТФ-синтаза работает как вращающаяся машина.

Один протон из межмембранного пространства входит в АТФ-синтазу. А второй покидает ее уходя в матрикс.

Мембранная часть АТФ-синтазы проворачивается, когда приходит новый протон. При прохождении трёх протонов в матрикс, высвобождается достаточно энергии для синтеза 1-й молекулы АТФ.

К АДФ (аденозин дифосфорной кислоте) присоединится фосфат и получится молекула АТФ. (аденозин трифосфорная кислота).

Когда концентрация протонов по обе стороны мембраны становится одинаковая, процесс синтеза АТФ прекращается. Синтезированные молекулы АТФ переносятся в разные части клетки, при помощи белков переносчиков.

Однако в биологических системах градиент концентрации всегда поддерживается. Он создаётся при прохождении электронов по трём мембранным комплексам электронно-транспортной цепи на внутренней мембране митохондрий. Этот процесс мы рассмотрим позже.

Благодаря синтезу АТФ, митохондрии называют энергетическими органоидами клетки. Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (например, жирных кислоты, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Митохондрия функционирует в среднем 10 суток. Обновление митохондрий происходит путём их деления.

Происхождение митохондрий

Митохондрии и хлоропласты предположительно произошли от бактерий, проникших в эукариотическую клетку путём эндоцитоза и начавших участвовать в её окислительных процессах.

В связи с этим митохондрии имеют собственный геном. Как и у прокариот, ДНК митохондрий представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, которая обеспечивает их самовоспроизведение.

Растительные клетки помимо митохондрий содержат пластиды.

Рассмотрим строение и функции пластид.

Пластиды являются основными цитоплазматическими органеллами растительных клеток.

В зависимости от окраски и выполняемой функции выделяют три типа пластид: лейкопласты, хромопласты, хлоропласты.

В пластидах также содержатся пигменты, обусловливающие их цвет.

Итак, лейкопласты представляют собой бесцветные пластиды.

Размеры этих органелл относительно небольшие. Они имеют округлую либо слегка продолговатую форму. Основная функция лейкопластов обычно запасающая. В них содержатся ферменты, с помощью которых из простых веществ образуются сложные. Например, крахмал, жиры, белки, которые сохраняются про запас в клубнях, корнях, семенах и плодах.

В зависимости от того, какие вещества накапливаются в строме, лейкопласты делят на амилопласты, олеопласты, протеинопласты и этиопласты. .

Амилопласты – это пластиды, которые накапливают крахмал.

Олеопласты − накапливают жиры.

Протеинопласты накапливают белки.

А также этиопласты – это лейкопласты, на которые не попал солнечный свет.

Следующий вид лейкопластов хромопласты – это пластиды, окраска которых бывает жёлтого, оранжевого или красного цвета, из-за накопления в них каротиноидов. Каротиноиды – это природные органические пигменты, которые окрашены в жёлтый, оранжевый или красный цвета.

Хромопласты наиболее характерны для клеток околоцветников растений. Яркая окраска цветков привлекает насекомых-опылителей.

А яркая окраска плодов - животных и птиц, благодаря которым распространяются семена.

Как и хлорофилл, хромопласты участвуют в фотосинтезе, однако они улавливают ту часть солнечного спектра, которая осталась вне поля зрения хлорофилла.

Кроме того, пигменты, расположенные в хромопластах, выполняют роль светофильтров, которые защищают чувствительные к свету ферменты от разрушения.

Самые важные пластиды клеток растений — это хлоропласты.

Хлоропласты – это зелёные пластиды высших растений - органоиды фотосинтеза, которые содержат хлорофилл – фотосинтезирующий пигмент.

Обычно в клетках листа содержится до 20-100 штук хлоропластов.

Как и митохондрии, они имеют двумембранное строение. Внутренняя мембрана, врастая в строму, образует систему основных структурных единиц хлоропластов в виде уплощённых мешков стопок — тилакоидов, в которых локализованы пигменты.

Каждая отдельная стопка называется граной. Граны состоят из тилакоидов. Мембрана тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые реакции фотосинтеза. Эти реакции идут при участии фотосинтетических пигментов хлорофиллов, расположенных на мембране тилакода. Так как именно хлорофилл обладает способностью поглощать лучи света.

А реакции использования запасной энергии для синтеза органических веществ (темновая стадия фотосинтеза) протекают в строме пластид.

Строма – это пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами.

Хлоропласты созданы для того, чтобы ловить энергию солнечного света. И если посмотреть под микроскоп на срез листа, то можно увидеть, как в его клетках происходит их движение с током цитоплазмы.

Такое движение необходимо для лучшего улавливания хлорофиллом солнечного света. Так как солнце меняет своё положение в течении суток, меняется также и положение растения относительно солнца.

Все виды пластид имеют общее происхождение и способны переходить из одного вида в другой.

Так, превращение лейкопластов в хлоропласты наблюдается при озеленении картофельных клубней на свету. А в осенний период в хлоропластах зелёных листьев разрушается хлорофилл, и они превращаются в хромопласты, что проявляется пожелтением листьев. Зелёные хлоропласты теряют хлорофилл и превращаться в хромопласты также при созревании плодов.

Органоиды движения

У амёбы движение цитоплазмы вызывает движение всего одноклеточного организма. Выпячивая цитоплазму амёба захватывает пищу.

Амёбоидное движение также свойственно и некоторым клеткам многоклеточных организмов. Например, макрофагам. 

Они способны к активному захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и других чужеродных или токсичных для организма частиц.

Другой тип клеточного движения − жгутиковое. Оно осуществляется при помощи поверхностной структуры- жгутика. Активное участие в данном движении принимают микротрубочки.

На поперечном срезе можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре 2 пары. Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счёт энергии АТФ. Это приводит к тому что пары микротрубочек начинают двигаться относительно дгуг друга. Жгутик изгибается, и клетка начинает движение.

Сходно со жгутиковым ─ ресничное движение. Например, как у инфузории-туфельки. Обычно у одной клетки только один жгутик, а ресничек может быть много.

Реснички идентичны по своему строению жгутику, но более короткие. Жгутики и реснички крепятся к цитоплазме клеток благодаря базальным тельцам.

Рядом с базальным тельцем располагается особая органелла, которая обеспечивает выработку энергии. Все реснички изгибаются согласованно, чем и обеспечивается движение всей клетки.

На поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек. С помощью которых она передвигается со скоростью 3 миллиметра в секунду.

Клетки эпителия дыхательных путей тоже имеют подвижные реснички. Их колебания создают ток жидкости удаляющее твёрдые частицы.