Митохондрии: строение, функции, расположение в клетке

Особенности строения

Митохондрии представляют собой двухмембранные органеллы; у них есть внешняя и внутренняя мембраны, пространство между ними и матрикс.

Внешняя мембрана. Она гладкая, не имеет складок и отделяет внутреннее содержимое от цитоплазмы. Его ширина составляет 7 нм и содержит липиды и белки. Важную роль играет порин — белок, образующий каналы во внешней мембране. Они обеспечивают ионный и молекулярный обмен.

Межмембранное пространство. Размер межмембранного пространства составляет примерно 20 нм. Вещество, его заполняющее, по составу сходно с цитоплазмой, за исключением крупных молекул, которые могут проникнуть сюда только посредством активного транспорта.

Внутренняя мембрана. Он в основном построен из белка, лишь треть отведена липидным веществам. Большое количество белков являются транспортными белками, поскольку внутренняя мембрана не имеет свободно проницаемых пор. Он образует множество выростов — крист, имеющих вид плоских гребней. Окисление органических соединений до СО2 в митохондриях происходит на мембранах крист. Этот процесс кислородзависим и осуществляется под влиянием АТФ-синтетазы. Высвободившаяся энергия сохраняется в виде молекул АТФ и используется по мере необходимости.

Матрикс является внутренней средой митохондрий и имеет зернистую однородную структуру. В электронном микроскопе можно увидеть гранулы и нити в виде сфер, свободно лежащих между кристами. В матриксе находится полуавтономная система синтеза белка – здесь расположены ДНК, все виды РНК и рибосомы. Однако большая часть белков поставляется из ядра, поэтому митохондрии называют полуавтономными органеллами.

Пластиды

Пластиды — самые крупные (после ядра) цитоплазматические органеллы, присущие только клеткам растительных организмов. Они содержатся не только в грибах. Пластиды играют важную роль в обмене веществ. Они отделены от цитоплазмы двухмембранной оболочкой, а некоторые виды имеют хорошо развитую и упорядоченную систему внутренних мембран. Все пластиды имеют одно и то же происхождение.

Хлоропласты — наиболее распространенные и функционально важные пластиды фотоавтотрофных организмов, осуществляющие фотосинтетические процессы, приводящие в конечном итоге к образованию органических веществ и выделению свободного кислорода. Хлоропласты высших растений имеют сложное внутреннее строение.

Структура хлоропласта

Размер хлоропластов у разных растений неодинаков, но в среднем диаметр составляет 4-6 мкм. Хлоропласты способны двигаться под влиянием движения цитоплазмы. Кроме того, под действием освещения наблюдается активное движение хлоропластов амебоидного типа в сторону источника света.

Хлорофилл – основное вещество хлоропластов. Благодаря хлорофиллу зеленые растения способны использовать энергию света.

Лейкопласты (бесцветные пластиды) представляют собой четко очерченные цитоплазматические тельца. Их размеры несколько меньше размеров хлоропластов. Их форма также более однородная, приближающаяся к сферической.

Структура лейкопластов

Встречается в клетках эпидермиса, клубнях и корневищах. При освещении они очень быстро превращаются в хлоропласты с соответствующим изменением их внутренней структуры. Лейкопласты содержат ферменты, с помощью которых из избытка глюкозы, образующейся при фотосинтезе, синтезируется крахмал, основная часть которого откладывается в запасающих тканях или органах (клубнях, корневищах, семенах) в виде крахмальных зерен. У некоторых растений жир откладывается в лейкопластах. Резервная функция лейкопластов иногда проявляется в образовании резервных белков в виде кристаллов или аморфных включений.

Хромопласты в большинстве случаев являются производными хлоропластов, иногда — лейкопластов.

Структура хромопласта

Созревание шиповника, перца и томатов сопровождается превращением хлора или лейкопластов в целлюлозных клетках в каратиноидные пластыри. Последние содержат преимущественно желтые пластидные пигменты — каротиноиды, которые при созревании в них интенсивно синтезируются, образуя окрашенные липидные капли, твердые сферы или кристаллы. При этом хлорофилл разрушается.

Ядро

Ядро является наиболее заметной и обычно самой крупной органеллой в клетке. Впервые его подробно исследовал Роберт Браун в 1831 году. Ядро обеспечивает важнейшие метаболические и генетические функции клетки. По форме он весьма изменчив: может быть шаровидным, овальным, лопастным или чечевицеобразным.

Ядро играет значительную роль в жизни клетки. Клетка, из которой удалено ядро, больше не выделяет мембрану, перестает расти и синтезировать вещества. В нем усиливаются продукты распада и разрушения, в результате чего он быстро погибает. Образование нового ядра из цитоплазмы не происходит. Новые ядра образуются только путем деления или разрушения старого.

Внутренним содержимым ядра является кариолимфа (ядерный сок), заполняющая пространство между структурами ядра. Он содержит одно или несколько ядрышек, а также значительное количество молекул ДНК, связанных со специфическими белками – гистонами.

Основная структура

Что мы узнали?

Мы исследовали особенности строения митохондрий — двухмембранных органелл, осуществляющих клеточное дыхание. Наружная мембрана состоит из белков и липидов и транспортирует вещества. Внутренняя мембрана образует складки — кристы, на которых происходит окисление водорода. Кристы окружены матрицей — гелеобразным веществом, в котором происходят некоторые клеточные дыхательные реакции. Матрикс содержит митохондриальную ДНК и РНК.

Строение и функции органоидов растительной клетки

Органоид	Рисунок	Описание	Функция	Характеристики
Клеточная стенка или плазматическая мембрана		Бесцветный, прозрачный и очень прочный	Направлять вещества в клетку и из нее.	Клеточная мембрана полупроницаема
Цитоплазма		Густое вязкое вещество	В ней расположены все остальные части клетки	Находится в постоянном движении
Ядро (важная часть клетки)		Круглый или овальный	Обеспечивает передачу наследственных признаков дочерним клеткам при делении	Центральная часть клетки
Ядрышко		Сферической или неправильной формы	Принимает участие в синтезе белка
Вакуоль		Резервуар, отделенный от цитоплазмы мембраной. Содержит клеточный сок	Запасные питательные вещества и отходные вещества, которые не нужны клетке, накапливаются.	По мере роста клетки мелкие вакуоли сливаются в большую (центральную) вакуоль
Пластиды		Хлоропласты	Они используют световую энергию солнца и создают органику из неорганики	Форма дисков отграничена от цитоплазмы двойной мембраной
	Хромопласты	Образуется в результате накопления каротиноидов	Желтый, оранжевый или коричневый
	Лейкопласты	Бесцветные пластиды	Содержится в корнях, клубнях, луковицах
Ядерная оболочка		Состоит из двух мембран (внешней и внутренней) с порами	Отделяет ядро ​​от цитоплазмы	Обеспечивает обмен между ядром и цитоплазмой

Живая часть клетки представляет собой мембраносвязанную, упорядоченную, структурированную систему биополимеров и внутренних мембранных структур, участвующих в комплексе метаболических и энергетических процессов, поддерживающих и воспроизводящих всю систему в целом.

Важной характеристикой является то, что клетка не имеет открытых мембран со свободными концами. Клеточные мембраны всегда ограничивают полости или участки, закрывая их со всех сторон.

Современная обобщенная схема растительной клетки

Плазлемма (внешняя клеточная мембрана) представляет собой ультрамикроскопическую пленку толщиной 7,5 нм, состоящую из белков, фосфолипидов и воды. Это очень эластичная пленка, которая хорошо смачивается водой и быстро восстанавливает свою целостность после повреждений. Она имеет универсальную структуру, т.е типичную для всех биологических мембран. В растительных клетках вне клеточной мембраны имеется прочная клеточная стенка, которая создает внешнюю опору и поддерживает форму клетки. В его состав входит клетчатка (целлюлоза) – водонерастворимый полисахарид.

Плазмодесмы растительной клетки представляют собой субмикроскопические канальцы, которые пронизывают мембраны и выстланы плазматической мембраной, таким образом переходя от одной клетки к другой без перерыва. С их помощью происходит межклеточная циркуляция растворов, содержащих органические питательные вещества. Они также передают биопотенциалы и другую информацию.

Поры — это отверстия во вторичной мембране, где клетки разделены только первичной мембраной и срединной пластинкой. Участки первичной мембраны и средней пластинки, разделяющие соседние поры соседних клеток, называются поровой мембраной или закрывающей пленкой поры. Замыкающая пленка поры пронизана плазмодесмальными трубочками, но сквозное отверстие в поре обычно не образуется. Поры облегчают транспорт воды и растворенных веществ от клетки к клетке. Поры образуются в стенках соседних клеток, обычно одна напротив другой.

Клеточная мембрана имеет четко выраженную, относительно толстую оболочку полисахаридной природы. Оболочка растительной клетки – продукт деятельности цитоплазмы. В его формировании активное участие принимают аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть.

Строение клеточной мембраны

Основой цитоплазмы является ее матрикс, или гиалоплазма, сложная бесцветная, оптически прозрачная коллоидная система, способная к обратимым переходам из золя в гель. Важнейшая роль гиалоплазмы – объединить все клеточные структуры в единую систему и обеспечить взаимодействие между ними в процессах клеточного метаболизма.

Гиалоплазма (или цитоплазматический матрикс) составляет внутреннюю среду клетки. Он состоит из воды и различных биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов), основную часть которых составляют белки с различной химической и функциональной специфичностью. Гиалоплазма также содержит аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды и другие низкомолекулярные вещества.

Биополимеры образуют с водой коллоидную среду, которая в зависимости от условий может быть плотной (в виде геля) или более жидкой (в виде золя) как по всей цитоплазме, так и в отдельных ее участках. В гиалоплазме расположены и взаимодействуют между собой и средой гиалоплазмы различные органеллы и включения. При этом их расположение чаще всего специфично для определенных типов клеток. Через билипидную мембрану гиалоплазма взаимодействует с внеклеточной средой. Следовательно, гиалоплазма представляет собой динамическую среду и играет важную роль в функционировании отдельных органелл и клеточной жизни в целом.

Расположение в клетке и деление

Хондриом – это группа митохондрий, сосредоточенных в клетке. В цитоплазме они располагаются по-разному, что зависит от специализации клеток. Расположение в цитоплазме зависит также от окружающих органелл и включений. В растительных клетках они занимают периферию, поскольку митохондрии прижаты к мембране центральной вакуоли. В эпителиальных клетках почки мембрана образует выпячивания, между которыми находятся митохондрии.

В стволовых клетках, где энергия используется одинаково всеми органеллами, митохондрии распределены хаотично. В специализированных ячейках они преимущественно сосредоточены в местах с наибольшим потреблением энергии. Например, в поперечно-полосатых мышцах они расположены близко к миофибриллам. У сперматозоидов они спирально покрывают ось жгутика, так как для приведения его в движение и перемещения сперматозоида необходимо много энергии. Простейшие, передвигающиеся с помощью ресничек, также содержат в основании большое количество митохондрий.

Разделение. Митохондрии способны к независимому размножению и имеют собственный геном. Органеллы разделены перетяжками или перегородками. Частота образования новых митохондрий в разных клетках неодинакова; например, в ткани печени они заменяются каждые 10 дней.

Ядрышко

Ядрышко, как и цитоплазма, содержит преимущественно РНК и специфические белки. Его важнейшая функция заключается в том, что он образует рибосомы, осуществляющие синтез белков в клетке.

Функции митохондрий в растительных клетках

Митохондрии — это важные органеллы, обнаруженные в растительных клетках, которые играют решающую роль в различных клеточных процессах. Давайте посмотрим на некоторые ключевые функции митохондрий в растительных клетках.

Производство энергии

Одной из основных функций митохондрий в растительных клетках является производство энергии. Митохондрии часто называют «электростанцией клетки» из-за их роли в производстве аденозинтрифосфата (АТФ), энергетической валюты клетки. Посредством процесса, называемого клеточным дыханием, митохондрии преобразуют органические молекулы, такие как сахар и жир, в АТФ.

Процесс преобразования энергии происходит в несколько этапов, включая окислительное фосфорилирование, цепь переноса электронов и цикл Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты). Во время аэробного дыхания митохондрии используют кислород для эффективного производства АТФ. Напротив, при аэробном дыхании митохондрии могут генерировать АТФ без кислорода, но с меньшей эффективностью.

Митохондриальная ДНК

В отличие от большинства органелл растительных клеток, митохондрии имеют собственную ДНК, известную как митохондриальная ДНК (мтДНК). Эта уникальная функция позволяет митохондриям синтезировать некоторые собственные белки и копировать их независимо от ядра клетки. Наличие мтДНК означает, что митохондрии могут играть важную роль в клеточных функциях, помимо производства энергии.

Окисление глицина

Митохондрии участвуют в окислении глицина — аминокислоты, которая действует как строительный блок для белков. Посредством серии ферментативных реакций митохондрии превращают глицин в серин, высвобождая при этом энергию. Этот процесс способствует общему метаболизму аминокислот в растительных клетках.

Коэнзимный транспорт и биосинтез

Митохондрии также играют решающую роль в транспорте и биосинтезе коферментов. Коэнзимы, такие как коэнзим Q и цитохром с, необходимы для различных метаболических процессов в клетке. Митохондрии облегчают транспорт этих коферментов между различными клеточными компартментами, обеспечивая их доступность для энергетического метаболизма и других биологических и химических реакций.

Кроме того, митохондрии участвуют в биосинтезе некоторых коферментов, в том числе НАДН и ФАДН2. Эти коферменты участвуют в цепи переноса электронов, ключевом этапе синтеза АТФ.

Стрессоустойчивость растений

Митохондрии способствуют устойчивости растений к стрессу, регулируя клеточные реакции на проблемы окружающей среды. Они играют решающую роль в смягчении последствий окислительного стресса, вызванного активными формами кислорода (АФК), которые являются побочными продуктами клеточного метаболизма. Митохондрии помогают поддерживать окислительно-восстановительный баланс в клетке, предотвращают повреждение клеточных компонентов и обеспечивают оптимальный рост и развитие растений.

Теплопродукция и терморегуляция

У некоторых видов растений митохондрии также играют роль в производстве тепла и терморегуляции. Некоторые специализированные ткани, такие как термогенные цветы семейства ароидных, выделяют тепло посредством митохондриального дыхания. Это производство тепла помогает привлечь опылителей и улучшает репродуктивный успех этих растений.

Реакция патогена

Митохондрии участвуют в защите растений от патогенов. Они участвуют в производстве противомикробных соединений и активных форм кислорода, которые помогают бороться с вторгающимися патогенами. Кроме того, митохондрии играют роль в сигнальных путях, которые активируют иммунные реакции и способствуют способности растения защищаться от инфекций.

Апоптоз

Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток, является критическим процессом в развитии растений и реакциях на стресс. Митохондрии играют центральную роль в регуляции апоптоза, высвобождая специфические белки, которые инициируют путь запрограммированной гибели клеток. Эта контролируемая гибель клеток необходима для поддержания целостности тканей путем устранения поврежденных клеток и формирования развития растений.

Таким образом, митохондрии в растительных клетках выполняют ряд функций, помимо производства энергии. Они способствуют окислению глицина, транспорту и биосинтезу коферментов, устойчивости растений к стрессу, выработке тепла, реакции на патогены и апоптозу. Эти многогранные роли подчеркивают важность митохондрий в поддержании клеточного гомеостаза и обеспечении оптимального роста и выживания растений.
Заключение

В заключение отметим, что митохондрии в растительных клетках играют решающую роль в производстве энергии и различных других важных клеточных процессах. Эти органеллы отвечают за выработку АТФ, основного источника энергии для клетки. Они также участвуют в синтезе важных молекул, таких как аминокислоты и липиды, и помогают регулировать гибель клеток и иммунные реакции. Кроме того, митохондрии способствуют выработке активных форм кислорода, которые могут действовать как сигнальные молекулы в клеточных процессах организма.

В целом функции митохондрий растительных клеток разнообразны и необходимы для правильного функционирования и выживания клетки. Понимание этих функций имеет решающее значение для расширения наших знаний в области биологии растений и разработки стратегий по улучшению урожайности и здоровья растений.

Цитоплазматические образования – органеллы

Органеллы (органеллы) являются структурными компонентами цитоплазмы. Они имеют определенную форму и размеры и являются обязательными цитоплазматическими структурами в клетке. Если они отсутствуют или повреждены, клетка обычно теряет способность продолжать существование. Многие органеллы способны к делению и самовоспроизведению. Их размеры настолько малы, что увидеть их можно только в электронный микроскоп.

Функции в клетке

1. Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
2. Отложение ионов кальция.
3. Участие в водообмене.
4. Синтез предшественников стероидных гормонов.

Молекулярная биология – наука, изучающая роль митохондрий в обмене веществ. Они также преобразуют пируват в ацетил-кофермент А и осуществляют бета-окисление жирных кислот.

Конструктивные элементы	Состав	Функции
Внешняя мембрана	Гладкая оболочка, состоящая из липидов и белков	Отделяет внутреннее содержимое от цитоплазмы
Межмембранное пространство	Есть ионы водорода, белки, микромолекулы	Создает протонный градиент
Внутренняя мембрана	Образует выступы – кристы, содержит белковые транспортные системы	Перенос макромолекул, поддержание протонного градиента
Матрица	Расположение ферментов цикла Кребса, ДНК, РНК, рибосом	Аэробное окисление с выделением энергии, превращением пирувата в ацетилкофермент А.
Рибосомы	Объединение двух субъединиц	Синтез белка

Лизосомы

Лизосомы — это небольшие пузырьки, окруженные мембраной, основная функция которых — осуществление внутриклеточного пищеварения. Использование лизосомального аппарата происходит при прорастании семени растения (гидролиз запасных питательных веществ).

Строение лизосомы

Вакуоль

Вакуоль – важнейший компонент растительных клеток. Это своеобразная полость (резервуар) в массе цитоплазмы, заполненная водным раствором минеральных солей, аминокислот, органических кислот, пигментов, углеводов и отделенная от цитоплазмы вакуолярной мембраной — тонопластом.

Цитоплазма заполняет всю внутреннюю полость только в самых молодых растительных клетках. По мере роста клетки существенно меняется пространственное расположение первоначально сплошной массы цитоплазмы: появляются мелкие вакуоли, заполненные клеточным соком, и вся масса становится губчатой. При дальнейшем росте клетки отдельные вакуоли сливаются, оттесняя слои цитоплазмы к периферии, в результате чего образовавшаяся клетка обычно содержит крупную вакуоль, а цитоплазма со всеми органеллами оказывается близко к мембране.

Водорастворимые органические и минеральные соединения вакуолей определяют соответствующие осмотические свойства живых клеток. Этот раствор определенной концентрации является своего рода осмотическим насосом для контролируемого проникновения в клетку и высвобождения из нее воды, ионов и молекул метаболитов.

В сочетании с цитоплазматическим слоем и его мембранами, характеризующимися полупроницаемыми свойствами, вакуоль образует эффективную осмотическую систему. Осмотически детерминированы такие показатели живых растительных клеток, как осмотический потенциал, всасывающая сила и тургорное давление.

Строение вакуоли

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи — органелла, повсеместно распространенная во всех типах эукариотических клеток. Это многослойная система плоских перепончатых мешочков, утолщающихся по периферии и образующих везикулярные отростки. Чаще всего он располагается вблизи ядра.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи обязательно включает систему мелких пузырьков (пузырей), которые отслояются от утолщенных цистерн (дисков) и располагаются по периферии этой структуры. Эти везикулы играют роль внутриклеточной транспортной системы для специфических секторных гранул и могут служить источником клеточных лизосом.

Функции аппарата Гольджи заключаются также в накоплении, разделении и выделении за пределы клетки посредством везикул продуктов внутриклеточного синтеза, продуктов распада и токсических веществ. Продукты синтетической деятельности клетки, а также различные вещества, поступающие в клетку из окружающей среды по каналам эндоплазматической сети, транспортируются к аппарату Гольджи, накапливаются в этой органелле, а затем поступают в цитоплазму в виде капель или зерна и используются либо самой клеткой, либо секретируются наружу.

В растительных клетках аппарат Гольджи содержит ферменты синтеза полисахаридов и сам полисахаридный материал, который используется для построения клеточной стенки. Считается, что он участвует в образовании вакуолей. Аппарат Гольджи был назван в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые открывшего его в 1897 году.

1. Какова функция митохондрий в клетке?

Функция митохондрий в клетке заключается в выработке энергии посредством процесса клеточного дыхания, выработке АТФ (аденозинтрифосфата) для обменных процессов в клетке.

2. Где в растительной клетке расположены митохондрии?

В растительных клетках митохондрии расположены по всей цитоплазме, но их больше в областях с высоким потреблением энергии, таких как меристематические ткани и сосудистая система.

3. Какова функция митохондрий растительной клетки?

Функция митохондрий растительных клеток заключается в производстве АТФ посредством окислительного фосфорилирования, которое является ключевым процессом преобразования энергии. Кроме того, они играют роль в других метаболических процессах, таких как метаболизм углерода и окислительно-восстановительные реакции.

4. Нужны ли растительным клеткам митохондрии?

Да, растительным клеткам нужны митохондрии. Митохондрии необходимы для производства АТФ, который необходим для различных клеточных процессов, включая рост, размножение и реакцию на раздражители окружающей среды.

5. Могут ли митохондрии находиться в растительных клетках?

Да, митохондрии можно найти в растительных клетках. Они присутствуют как в животных, так и в растительных клетках и отвечают за энергетический обмен и синтез АТФ.

6. Какова цепь переноса электронов в митохондриях?

Цепь переноса электронов представляет собой ряд белковых комплексов, расположенных во внутренней мембране митохондрий. Он играет решающую роль в окислительном фосфорилировании, способствуя переносу электронов и созданию протонного градиента для производства АТФ.

7. Что такое цикл Кребса в митохондриях?

Цикл Кребса, также известный как цикл лимонной кислоты, представляет собой метаболический путь, который происходит в митохондриальном матриксе. Он участвует в окислении ацетил-КоА, полученного из пирувата, и производит богатые энергией молекулы, такие как НАДН и ФАДН2.

8. Что такое окислительное фосфорилирование в митохондриях?

Окислительное фосфорилирование. Это процесс синтеза АТФ в митохондриях. Это включает в себя перенос электронов через цепь переноса электронов, создавая градиент протонов через внутреннюю мембрану митохондрий, который управляет синтезом АТФ с помощью АТФазы.

9. Что такое кристы в митохондриях?

Кристы складки внутренней мембраны митохондрий. Они увеличивают площадь поверхности, доступную для окислительного фосфорилирования, и содержат цепь переноса электронов и ферменты АТФ-синтазы.

Микротрубочки

Микротрубочки представляют собой мембранные супрамолекулярные структуры, состоящие из белковых глобул, расположенных спиралями или прямыми рядами. Микротрубочки выполняют преимущественно механическую (двигательную) функцию, обеспечивая подвижность и сократимость органелл клетки. Расположенные в цитоплазме, они придают клетке определенную форму и обеспечивают стабильность пространственного расположения органелл.

Микротрубочки облегчают перемещение органелл в места, определяемые физиологическими потребностями клетки. Значительное количество этих структур расположено в плазмалемме, вблизи клеточной мембраны, где они участвуют в формировании и ориентации целлюлозных микрофибрилл клеточных стенок растений.

Структура микротрубочек

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть представляет собой сеть каналов, трубочек, пузырьков и цистерн, расположенных внутри цитоплазмы. Открытая в 1945 английским ученым К. Портером, она представляет собой систему мембран ультрамикроскопического строения.

Строение эндоплазматической сети

Вся сеть объединена в единое целое с наружной клеточной мембраной ядерной оболочки. Различают гладкую и шероховатую ЭР, несущую рибосомы. На мембранах гладкого ЭР расположены ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Этот тип мембран преобладает в семенных клетках, богатых запасными веществами (белками, углеводами, маслами); рибосомы прикрепляются к гранулярной мембране ЭПС, и при синтезе белковой молекулы полипептидная цепь вместе с рибосомами погружается в канал ЭПС.

Функции эндоплазматической сети весьма разнообразны: транспорт веществ как внутри клетки, так и между соседними клетками; разделение клетки на отдельные участки, где одновременно протекают различные физиологические процессы и химические реакции.

Читайте также: Характеристика девонского периода (419 — 359 млн лет назад)