Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 16. Митохондрии — энергетические фабрики клеток

Одноклеточные животные — бактерии и синезеленые водоросли — не имеют выделенных ядер, содержащих генетический материал ДНК. Их называют прокариотами. Не имеют они и выделенных специализированных органелл для усвоения пищи и синтеза АТФ. Это клетки малых размеров. Их энергоснабжение полностью обеспечивается дыхательными ферментами и системами фосфорилирования, локализованными в поверхностной мембране.

Все другие живые организмы — эукариоты (животные, зеленые растения и водоросли, грибы и простейшие) — имеют сравнительно крупные клетки. Так, объем клеток тканей млекопитающих в тысячи раз превышает объем клеток бактерий. В состав таких крупных клеток входит ядро, содержащее молекулы ДНК и РНК, рибосомы, в которых синтезируются белки, и другие органеллы со специальными функциями.

Потребность крупных масс цитоплазмы клеток эукариотов не может быть удовлетворена только за счет молекул АТФ, образующихся в цитоплазматической мембране. Поэтому клетки этих животных содержат специализированные органеллы — митохондрии. Описание строения митохондрий можно найти в монографии [55].

Как показали Кеннеди и Ленинджер в 1949 г., основное назначение митохондрий состоит в снабжении клеток энергией за счет окислительного фосфорилирования пищевых продуктов. Это своеобразные энергетические станции клеток.

Митохондрии представляют собой специально организованные надмолекулярные комплексы, находящиеся в цитоплазме клеток и имеющие в поперечнике размеры порядка 0,2-5 мкм. Форма митохондрий варьирует от эллипсоидальной до вытянутой палочкообразной. Число митохондрий в одних клетках очень мало (несколько штук), в других оно достигает нескольких тысяч и десятков тысяч. В некоторых клетках митохондрии составляют 15— 20% общего объема цитоплазмы.

Рис. 36. Схема строения митохондрии: 1 — внешняя мембрана; 2 — внутренняя мембрана о кристами; 3 — пространство между мембранами; 4 — матрикс; 5 — цитоплазмн клетки.

Митохондрии в клетке могут перемещаться, изменять свои размеры и форму, сливаясь между собой или распадаясь на более мелкие. Обычно они сосредоточены в той части клетки, где обмен веществ наиболее интенсивен.

Каждая митохондрия окружена двумя мембранами (рис. 36). Внешняя сравнительно гладкая мембрана имеет строение, совпадающее со строением внешней цитоплазматической мембраны самой клетки. Внутренняя мембрана представляет собой замкнутый мешок с многочисленными складками и выступами, направленными поперек митохондрий. Такие складки называют кристами. Благодаря кристам значительно увеличивается поверхность внутренней мембраны. Полужидкое внутреннее содержимое, ограниченное внутренней мембраной, называется матриксом. Матрикс не сообщается с пространством между мембранами.

Толщина внутренней мембраны митохондрий порядка 70—90 А. Количество белков, входящих в состав мембраны, превышает количество липидов почти в два раза. Около одной трети белков внутренней мембраны осуществляют функцию переноса электронов (цитохромы, железопротеиды, флавопротеины).

Матрикс и цитоплазма клетки имеют отрицательный потенциал. Жидкость в пространстве между внешней и внутренней митохондриальными мембранами имеет положительный потенциал так же, как и жидкость с внешней стороны плазматической мембраны клеток (см. рис. 36). Именно такое распределение потенциалов в клетке вызывает необходимость окружения основной мембраны митохондрии дополнительной внешней мембраной. Наличие такой мембраны дает возможность иметь на внешней поверхности внутренней мембраны положительный потенциал, а внешняя мембрана митохондрии значительно сокращает объем, в котором синтезируются молекулы АТФ. В пространстве между внешней и внутренней мембранами митохондрии значительно легче соадать нужную концентрацию молекул АДФ и неорганического фосфата,

Рис. 37. Захват (эндоцитов) бактерии клеткой.

необходимых для синтеза молекул АТФ, чем в большом объеме клетки.

У митохондрий обнаружены некоторые свойства, весьма напоминающие свойства бактерий. Это дает основание считать, что митохондрии в клетках произошли от каких-то примитивных организмов, подобных бактериям, которые проникли в клетку, содержащую ядро, и превратились в эндосимбионтов. Митохондрии почти не отличаются от бактерий по размерам. Состав липидов в мембранах бактерий и внутренних мембранах митохондрий почти одинаков.

Митохондрии имеют автономный механизм синтеза белков и нуклеиновых кислот (молекулы ДНК, РНК, рибосомы), позволяющий им синтезировать свои собственные белки. Весьма интересно, что митохондриальная ДНК имеет кольцевое строение, как и ДНК бактерий [54].

Если митохондрии в свое время возникли в клетках эукариотов путем эндоцитоза (захвата клеткой) неболыцих одноклеточных организмов, то легко понять характер распределения электрического потенциала на поверхностях их двух мембран. Внешняя мембрана митохондрии является частью внешней мембраны клетки (рис. 37).

Митохондрии отличаются от остальных внутриклеточных органелл клетки тем, что в зависимости от условий существования они могут находиться как в функционально активной, так и в неактивной форме. Одним из ярких примеров того, насколько резкими могут быть изменения структуры митохондрий и содержания в них ферментов, служат глубокие изменения свойств дрожжей при изменении внешних условий. Дрожжи, выращенные в анаэробных условиях и использующие только брожение как источник энергии, имеют слаборазвитые митохондрии с упрощенной внутренней мембраной, лишенной крист и не содержащей основных компонент дыхательной системы. Если к таким клеткам подвести кислород, то в цитоплазме происходит образование митохондрий, во внутренних мембранах митохондрий начинает осуществляться биосинтез дыхательных ферментов, резко повышается поглощение кислорода.

Окисляя глюкозу при поглощении кислорода до дрожжи получают в 19 раз больше энергии, чем в случае, когда при брожении процесс заканчивается образованием этилового спирта.

Первая стадия извлечения энергии в митохондриях осуществляется ферментами цикла Кребса (см. § 15), находящимися в матриксе митохондрий. Образованные в результате этих реакций восстановленные пиридиннуклеотиды (НАД • Н, НАДФ • Н) и флавины подвергаются дальнейшему окислению при участии нескольких переносчиков электронов, входящих в систему электронного транспорта — дыхательной цепи, находящейся во внутренних мембранах митохондрий.

Итак, восстановленные пиридиннуклеотиды и флавины являются основными промежуточными звеньями, передающими по два атома водорода атому кислорода с образованием воды. Такая передача атомов водорода осуществляется путем переноса электронов по цепи электронного транспорта и заимствования протонов из жидкости в пространстве между внешней и внутренней мембранами митохондрий.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление