Тема 4. Мітохондрії та пластиди: органели цитоплазми енергетичного обміну

Тема 4. Мітохондрії та пластиди: органели цитоплазми енергетичного обміну

І. Актуальність теми:

Вивчення структурно-функціональної організації мітохондрій та пластид дає можливість зрозуміти функції, значення та визначити основні відмінності найважливіших органел еукаріотичних клітин. Знання про принципи перетворення енергії та утворення АТФ у мітохондріях, проходження фаз фотосинтезу у пластидах рослинної клітини необхідні для розуміння процесів живлення клітин - автотрофності та гетеротрофності в цілому та для виявлення функціональних й діагностичних ознак клітини взагалі.

ІІ. Мета. Засвоїти ультраструктуру, функції, значення мітохондрій та пластид. Оволодіти основами гістологічного аналізу щодо визначення діагностичних ознак досліджуваних об’єктів.

Загальні цілі – вміти:

1. Знати найважливіші відмінності будови мітохондрій та пластид.

2. Визначити ультраструктуру мітохондрій та значення органели в цілому.

3. Знати типи та функції пластид.

Конкретні цілі – вміти:

1. Знати структуру, хімічний склад та біологічні властивості мітохондрій.

2. Ознайомитися з основними етапами циклу трикарбонових кислот (цикл Кребса).

3. Знати типи і різновиди пластид за будовою та функціями.

4. Знати фотосинтезувальні структури прокаріотичних та еукаріотичних клітин.

1. Схематично виконувати малюнки досліджених об’єктів.
2. Узагальнювати отримані результати, щодо структурно-функціональної організації мітохондрій, пластид та їх значення.

 

III. Забезпечення початкового рівня знань і практичних навичок.

А. Література.

 

Основна:

1. Медична біологія. За ред. Пішак В.П. та Бажори Ю.І.- Вінниця: Нова книга, 2004.- С. 66-67.

2. Биология. В 2-х кн.: Учебник для мед.вузов/. Ярігин В.Н.,Васильєва В.И.и др./ под редакцией В.Н.Ярігина/--М: Высшая школа, 2004 (1997). – Том1, С. 36-48.

3. Цитогенетические основы жизнедеятельности: Учеб. Пособие для студентов высш. учеб. Заведений/ Г.Ф. Жегунов, Ю.В. Боянович, Г.П. Жегунова. – Харьков: Харківський національний університет, 2002. – С. 55-61.

4. Сербін А.Г., Сіра Л.М., Слободянюк Т.О. Фармацевтична ботаніка. Підручник / Під редакцією Л.М. Сірої. – Вінниця: НОВА КНИГА, 2007. – 20-21 с. Іл.

Додаткова:

1. Конспекти лекцій

2. В.П.Пішак, О.І. Захарчук Навчальний посібник з медичної біології, паразитології та генетики. Чернівці. Медакадемія, 2004. – С.29-33.

3. К.І. Богуцька, Ю.І. Прилуцький. Конспект лекцій з курсу дисципліни спеціалізації «Біофізика мембран» для студентів кафедри біофізики Навчально-наукового центру «Інститут біології». Київський Національний Університет імені Тараса Шевченка, 2011 р. – 93 с.

4. Біологічна хімія / Л.М. Вороніна, В.Ф. Десенко, Н.М. Мадієвська та ін. — Х., 2000.

5. Боєчко Ф.Ф., Боєчко Л.О. Основні біохімічні поняття, визначення і терміни. — К., 1993.

6. Гонський Я.І., Максимчук Т.П. Біохімія людини. — Тернопіль, 2000.

 

Тести вхідного рівня:

1. При мікроскопичному дослідженні рослинної клітини, встановили, що добре розвинута система тилакоїдів характерна для:

1. зовнішньої мембрани хлоропластів

2. внутрішньої мембрани мітохондрій

3. внутрішньої мембрани хлоропластів

4. внутрішньої мембраи про пластид

 

2. Чому мітохондрії називають універсальними органоїдами, а пластиди – ні?

1. пластиди є органоїдами рослинних, а мітохондрії – тваринних клітин

2. мітохондрії є органоїдами рослинних і тваринних клітин

3. мітохондрії є органоїдами як рослинних так і тваринних клітин, а пластиди – лише рослинних

4. мітохондрії мають універсальну будову для всіх клітин, а пластиди можуть мати різну будову

 

3. Завдяки яким особливостям хлоропласти і мітохондрії є напівавтономними органоїдами?

1. синтезуються АТФ і білки

2. мають свій генетичний апарат

3. мають у матриксі власні рибосоми

4. синтезують власні білки

 

4. Які процеси здійснюються в хлоропластах?

1. біосинтез білків і АТФ

2. фотосинтез, синтез білків і АТФ

3. фотосинтез, синтез білка

4. фотосинтез

 

5. Який із наведених описів відповідає мікроскопічній структурі хлоропластів?

1. зовнішня мембрана гладка, внутрішня утворює систему двошарових пластин – тилакоїдів строми і тилакоїдів гран, які оточені стромою

2. внутрішня мембрана утворює особливості структури – грани, які складені наче в стосик

3. органоїд, відмежований від цитоплазми двома мембранами

4. у мембранах гран містяться молекули хлорофілу, ДНК, РНК

 

6. Кулясті органели клітини, що мають різний колір, які їм надають пігменти, це:

1. хлоропласти

2. пластиди

3. лейкопласти

4. амілопласти

 

7. Які органоїди в клітині є енергетичними системами і центром дихання?

1. ядро

2. мітохондрії

3. хлоропласти

4. ЕПР

 

8. Набір гідролітичних ферментів у клітині міститься:

1. у лізосомах

2. у мітохондріях

3. у хлоропластах;

4. у ядрі

 

9. Встановлено, що деякі органоїди клітини здатні до незалежного синтезу білків за допомогою своїх рибосом під контролем власної ДНК, тобто вони володіють напівавтономією. Це -...

1. мітохондрії, пластиди

2. ендоплазматична сітка, лізосоми

3. комплекс Гольджі, мікротрубочки

4.вакуолі, центріолі

 

10. Яка функція мітохондрій дала їм назву дихальний центр клітини?

1. синтез АТФ

2. окислення органічних речовин до CO₂ і H₂O

3. в мітохондріальному матриксі проходить процес кисневого етапу дисиміляції

4. окислення речовин

IV. Орієнтовна схема для самостійної роботи студентів з освітньою літературою

№	Навчальні завдання	Вказівки до завдання	Відповідь
1.	Засвоїти будову та хімічний склад мітохондрій	Вивчіть: 1) наявність оболонок та їх особливість у будові; 2) внутрішній вміст (хімічний склад)
2.	Зрозуміти які процеси відбуваються у мітохондріях. Встановити їх значення	Зрозумійье: 1) як відбувається перетворення енергії та утворення АТФ; 2) цикл Кребса, його біологічна суть
3.	Дати пояснення терміну - матрикс	Знати: 1) яким органелам клітини притаманний; 2) хімічний склад
4.	Дати визначення терміну - цитохром	Знати: 1) яким органела належить; 2) в якому процесі приймає участь	Основний компонент дихального ланцюга мітохондрій
5.	Вивчити цикл трикарбонових кислот	Знати:1) де відбувається; 2) які речовини приймаюь участь у циклі; 3) біологічна суть циклу Кребса	Процес перетворення двох- і трьох-вуглецевих сполук, що утворюються при розпаді вуглеводів, жирів і білків, до CO2. При цьому звільнений водень прямує в ланцюг тканинного дихання, де надалі окислюється до води, беручи безпосередню участь в синтезі універсального джерела енергії - АТФ.
6.	Засвоїти будову та хімічний склад пластид	Вивчити: 1) наявність оболонок та особливості їх будови; 2) внутрішній вміст (хімічний склад)
7.	Зрозуміти, які процеси проходять в структурах хлоропласту	Зрозуміти: 1) які структури відповідають за світлову та темнову фазу фотосинтезу; 2) суть процесу фотосинтезу (цикл Кальвіна)
8.	Засвоїти функції пластид та процеси їх утворення	Вміти пояснити: 1) шляхи утворення та місце локалізації; 2) можливі перетворення пластид у природі
9.	Засвоїти типи пластид	Знати: 1) типи пластид в залежності від їх структури, забарвлення і функцій; 2) пластиди нижчих рослин	2) Хроматофори – притаманні водоростям, мають різноманітну видоспецифічну форму, містять хлорофіли а, b, с, d., пігменти (фікоціани, фікоеритрини).
10.	Пояснити термін – «генетично автономний»	Знати: 1) які органели відносяться до автономних; 2) що спільного між ними; 3) відмінність у будові та у виконуваних функціях

В. Орієнтовна основа дії:

Для досягнення цілей заняття необхідно вивчати відповіді на теоретичні питання до цієї теми і виконати самостійну практичну роботу.

a) Теоретичні питання для позакласного самостійного вивчення та обговорення на занятті:

1. Мітохондрії та пластиди як двомембранні органели еукаріотичних клітин.

2. Вміст мітохондрій у клітинах різних організмів.

3. Форма і розміри мітохондрій, їх локалізація у клітинах.

4. Ультраструктура мітохондрій.

5. Функції мітохондрій, поняття про цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса).

6. Пластиди, їх типи.

7. Будова, хімічний склад і функції хлоропластів.

8. Фотосинтезувальні структури прокаріотичних та нижчих еукаріотичних клітин.

9. Напівавтономність мітохондрій та хлоропластів.

 

Теми рефератів для самостійної роботи (час доповіді 5-7 хв.):

1. Біогенез енергоутворювальних клітинних органел.

2. Біологічний взаємозв’язок пластид, взаємоперетворення пластид.

3. Практичне застосування пігментів пластид у різних галузях життєдіяльності людини.

4. Фотосинтез: хімізм та біологічне значення

б) Алгоритм самостійної навчально-дослідницької роботи:

1. Виконати завдання практичної роботи.

2. Оформити протокол заняття.

 

в) Інструкції до самостійної навчально-дослідницької роботи:

1. Уважно прочитайте індивідуальне завдання, яке ви отримали.

2. Схематично зобразіть мікрооб’єкт, що ви його отримали, позначте елементи його структури

3. Заповніть наведені таблиці.

4. Дайте відповіді на всі запитання, поставлені до кожного із завдань.

5. Оформіть протокол заняття, зробивши схематичне зображення мікрооб’єктів та записавши відповіді на запитання у зошит.

Ультраструктура мітохондрій

Зовнішня мітохондріальна мембрана, що оточує всю органелу, має співвідношення фосфоліпідів до білків подібне до плазматичної мембрани еукаріот (близько 1:1 за вагою). Вона містить численні інтегральні білки - поріни, які мають відносно великий внутрішній канал (близько 2-3 нм), що пропускає всі молекул від 5000 Да та менше. Більші молекули можуть перетнути зовнішню мембрану тільки за допомогою активного транспорту. Зовнішня мембрана також містить ферменти, залучений в такі різноманітні активності як подовження жирних кислот, окислення адреналіну і біодеградація триптофану.

Міжмембранний простір – це простір між зовнішньою та внутрішньою мембраною мітохондрії. Його товщина становить близько 10-20 нм. Оскільки зовнішня мембрана мітохондрії проникна для невеликих молекул та іонів, їх концентрація в периплазматичному просторі мало відрізняється від їхньої концентрації в цитоплазмі. Для транспортування великих білків, навпаки, необхідні специфічні сигнальні пептиди; тому білкові компоненти периплазматичного простору та цитоплазми відрізняються. Одним із білків, що містяться у периплазматичному просторі, є цитохром c - один з компонентів дихального ланцюга мітохондрій.

Внутрішня мітохондріальна мембрана містить білки з чотирма видами функцій:

- білки, що проводять окислювальні реакції респіраторного ланцюжка;

- АТФ синтаза, яка виробляє АТФ;

- специфічні транспортні білки, які регулюють проходження метаболітів між матрицею і цитоплазмою;

- системи імпорту білків.

Внутрішня мембрана містить більш ніж 100 різних поліпептидів і має дуже високе співвідношення фосфоліпідів до білків (більш ніж 3:1 за вагою, тобто приблизно 1 білок на 15 молекул фосфоліпідів). Додатково, внутрішня мембрана багата на незвичайний фосфоліпід кардіоліпін, який є зазвичай характеристикою бактерійних плазматичних мембран. На відміну від зовнішньої мембрани, внутрішня мембрана не містить порінів і тому надзвичайно непроникна; майже всі іони і молекули вимагають спеціальних мембранних транспортних білків для проникнення до та з матриксу. Крім того, через внутрішню мембрану підтримується мембранний потенціал.

Внутрішня мембрана розділяється на численні кристи, які розширюють зовнішню область внутрішньої мітохондріальної мембрани, збільшуючи її здатність виробляти АТФ. У типової мітохондрії печінки, наприклад, зовнішня область, зокрема кристи, приблизно у п'ять разів перевищує площу зовнішньої мембрани. Мітохондрії клітин які мають вищі потреби в АТФ, наприклад, м'язові клітини, містять більше крист, ніж типова мітохондрія печінки.

Матрикс - простір, обмежений внутрішньою мембраною. Матрикс містить надзвичайно сконцентровану суміш сотень ферментів, на додаток до спеціальних мітохондріальних рибосом, тРНК і декількох копій мітохондріальної ДНК. Головні функції ферментів включають окислення пірувата і жирних кислот, та лимонно-кислотний цикл.

Мітохондрії мають свій власний генетичний матеріал і системи для виробництва власної РНК і білків. Ця позаядерна ДНК кодує нечисленні мітохондріальні пептиди (13 у людини), що використовуються у внутрішній мітохондріальній мембрані разом з білками, що кодуються генами клітинного ядра.

Хоча добре відомо, що мітохондрії перетворюють органічні речовини на клітинне «паливо» у формі АТФ, мітохондрії також грають важливу роль в багатьох процесах метаболізму, наприклад:

- апоптоз - запрограмована смерть клітини;

- екзітотоксичне пошкодження нейронів за допомогою глютамату;

- клітинний ріст;

- регулювання клітинного окислювально-відновлювального стану;

- синтез гему;

- синтез стероїдів

 

Деякі мітохондріальні функції виконуються тільки в специфічних видах клітин. Наприклад, мітохондрії в клітинах печінки містять ферменти, які дозволяють їм детоксифікувати аміак, побічний продукт метаболізму білків. Мутація в генах регулюючих будь-яку з цих функцій, може приводити до мітохондріальних хвороб.

Основна роль мітохондрій – синтез АТФ, що відображається великим числом білків у внутрішній мембрані призначених для цього завдання. Це робиться за рахунок окислювання основних продуктів гліколізу: пірувату і NADH, які виробляються в цитозолі. Цей процес клітинного дихання, відомого як аеробне дихання, залежить від присутності кисню. Коли кисень обмежений, гліколітична продукція метаболізується процесом анаеробного дихання, який протікає незалежно від мітохондрій. Виробництво АТФ з глюкози дає приблизно в 15 разів більше енергії при аеробному диханні, ніж при анаеробному.

Функції мітохондрій, поняття про цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса)

Цикл трикарбо́нових кисло́т (ЦТК, цикл Кре́бса, цитра́тний цикл) - центральна частина загального шляху катаболізму, циклічний біохімічний процес аеробних організмів, в ході якого відбувається перетворення двох- і трьохвуглецевих сполук, що утворюються як проміжні продукти в живих організмах при розпаді вуглеводів, жирів і білків, до CO₂. При цьому звільнений водень прямує в ланцюг тканинного дихання, де надалі окислюється до води, беручи безпосередню участь в синтезі універсального джерела енергії - АТФ.

Цикл Кребса - це ключовий етап дихання всіх клітин, що використовують кисень (аеробне дихання), центр перетину безлічі метаболічних шляхів в організмі. Окрім значної енергетичної ролі циклу відводиться також і істотна пластична функція, тобто це важливе джерело молекул-попередників, з яких в ході інших біохімічних перетворень синтезуються такі важливі для життєдіяльності клітки з'єднання як амінокислоти, вуглеводи, жирні кислоти та ін.

Цикл перетворення лимонної кислоти в живих клітинах був відкритий і вивчений німецьким біохіміком Гансом Кребсом, за цю свою роботу він (спільно з Фріцем Ліпманом) був удостоєний Нобелівської премії з фізіології та медицини 1953 року. Значний внесок у вивчення окремих реакцій ЦТК зробили С.Є. Сєвєрін, В.П. Скулачов, Ф. Ліпман та інші вчені. ЦТК відбувається в матриксі мітохондрій.

У еукаріотів всі реакції циклу Кребса протікають усередині мітохондрій, причому ферменти, що їх каталізують, окрім одного, знаходяться у вільному стані в мітохондріальному матриксі, виняток складає сукцинатдегідрогеназа, яка локалізується на внутрішній мітохондріальній мембрані, вбудовуючись в ліпідний бішар. У прокаріотів реакції циклу протікають в цитоплазмі.

Окиснення ацетил-КоА в циклі Кребса здійснюється протягом кількох стадій, які складаються з восьми послідовних реакцій. Каталізатором процесу є щавлево-оцтова кислота, яка включається та вивільняється у ЦТК. Таким чином, одна молекула оксалоацетату може багаторазово використовуватися для окиснення ацетильних залишків. Унаслідок результаті одного повного ЦТК молекула ацетил-КоА «згоряє» до кінцевих продуктів СО2 та Н2О, а молекула оксалоацетату регенерується і може включатися у новий цикл.

Для безперервної роботи циклу необхідне постійне надходження в систему ацетил-КоА та окиснення відновлених форм НАДН(Н+) і ФАД·Н2. Це окиснення здійснюється у зв’язку з процесами фосфорилювання в ланцюгу дихальних ферментів, локалізованому в мембранах мітохондрій. Енергія, що виділяється, акумулюється в макроергічних зв’язках АТФ. Усього за повний ЦТК утворюється три молекули НАДН(Н+) і одна ФАД·Н2. На кожну молекулу НАДН(Н+) при утворенні молекули води в процесі тканинного дихання може синтезуватися 3 молекули АТФ, а на кожну молекулу ФАДН2 - 2 молекули АТФ.

Отже, кожен оборот ЦТК супроводжується синтезом 11 молекул (3·3+2=11) АТФ шляхом окисненого фосфорилювання в дихальному ланцюгу мітохондрій. Крім того, одна молекула АТФ утворюється на рівні субстрату при перетворенні сукциніл-КоА на янтарну кислоту (1 ГТФ=1 АТФ).

Загальний баланс обороту ЦТК становить 11+1=12 молекул АТФ. Молекула оцтової кислоти через свої малі розміри і відносно просту будову відрізняється тим, що її метильна група досить стійка до хімічного окиснення. Для прямого окиснення ацетату до двох молекул СО2 необхідні дуже жорсткі умови, зовсім не схожі на ті, що існують у клітинах. Тому в процесі еволюції живі клітини пристосувалися використовувати хоч і обхідний, але більш легкий шлях, який не вимагає такої високої енергії активації. Клітини набули здатності приєднувати ацетат до іншої сполуки - щавлево-оцтової кислоти (оксалоацетат) і одержувати таким чином продукт - лимонну кислоту (цитрат), яка значно легша, ніж сам ацетат, дегідрується та декарбоксилюється.

Окрім енергетичної функції, ЦТК притаманні інтегративна, амфіболічна і гідрогенгенеруюча функції:

1) інтегративна полягає в тому, що ЦТК є своєрідним метаболічним «колектором», який об’єднує шляхи катаболізму вуглеводів, ліпідів та білків;

2) амфіболічна виконує подвійну функцію: катаболічну, зв’язану з розпадом ацетату, й анаболічну, оскільки субстрати ЦТК використовують і для синтезу інших речовин. Так, щавлево-оцтова кислота (оксалоацетат) необхідна для синтезу аспарагінової кислоти та глюкози, α-кетоглутарова (2‑оксоглутарат) - глутамінової кислоти, бурштинова (сукцинат) - для синтезу гему;

3) гідрогенгенеруюча - коли ЦТК є основним генератором гідрогену для дихального ланцюга, причому процесами, які «живлять» цикл залишками оцтової кислоти та іншими проміжними продуктами поряд з обміном вуглеводів також обмін ліпідів та амінокислот.

 

 

Пластиди, їх типи

Пластиди – відносно великі двомембранні органели, властиві лише рослинним клітинам. Подібно до мітохондрій, вони генетично автономні завдяки наявності ДНК, РНК і рибосоми. Пластиди утворюються із про пластид, здатні до самостійного поділу, розвитку, руху, зміни структури і складу.

Пластиди рослин можуть диференціюється в наступні форми, залежно від потрібної для клітини функції:

- лейкопласти – безбарвні пластиди, як правило виконують функцію запасання речовин. Залежно від природи речовин, що синтезують та накопичують лейкопласти, виділяють такі їх різновиди: амілопласти – синтезують вторинний крохмаль; протопласти – синтезують білки; олеопласти – накопичують жирні олії. Лейкопласти вищих рослин може перетворюватися на хлоропласти або хромопласти.

- хромопласти - пластиди, забарвлені в жовтий, червоний або помаранчевий колір. Забарвлення хромопластів пов'язане з накопиченням в них каротиноїдів. Хромопласти визначають забарвлення осіннього листя, пелюсток квітів, коренеплодів, доспілих плодів. Форма хромопластів різна: куляста, тригранна, колоподібна, місяцеподібна.

- хлоропласти - пластиди, що містять фотосинтезуючі пігменти –хлорофіли а,b, мають зелене забарвлення і складну внутрішню структуру.

Тема 4. Мітохондрії та пластиди: органели цитоплазми енергетичного обміну

І. Актуальність теми:

Вивчення структурно-функціональної організації мітохондрій та пластид дає можливість зрозуміти функції, значення та визначити основні відмінності найважливіших органел еукаріотичних клітин. Знання про принципи перетворення енергії та утворення АТФ у мітохондріях, проходження фаз фотосинтезу у пластидах рослинної клітини необхідні для розуміння процесів живлення клітин - автотрофності та гетеротрофності в цілому та для виявлення функціональних й діагностичних ознак клітини взагалі.

ІІ. Мета. Засвоїти ультраструктуру, функції, значення мітохондрій та пластид. Оволодіти основами гістологічного аналізу щодо визначення діагностичних ознак досліджуваних об’єктів.

Загальні цілі – вміти:

1. Знати найважливіші відмінності будови мітохондрій та пластид.

2. Визначити ультраструктуру мітохондрій та значення органели в цілому.

3. Знати типи та функції пластид.

Конкретні цілі – вміти:

1. Знати структуру, хімічний склад та біологічні властивості мітохондрій.

2. Ознайомитися з основними етапами циклу трикарбонових кислот (цикл Кребса).

3. Знати типи і різновиди пластид за будовою та функціями.

4. Знати фотосинтезувальні структури прокаріотичних та еукаріотичних клітин.

1. Схематично виконувати малюнки досліджених об’єктів.
2. Узагальнювати отримані результати, щодо структурно-функціональної організації мітохондрій, пластид та їх значення.