28. Размеры, форма и ультраструктура митохондрий в связи с выполняемыми функциями. Биогенез митохондрий, их происхождение и эволюция.

Ответ. Митохондрии – округлые, овальные или палочковидные двухмембранные органоиды диаметром около 0,2-1 мкм и длиной до 7-10 мкм. Эти органоиды можно обнаружить с помощью световой микроскопии, поскольку они обладают достаточной величиной и высокой плотностью. Число митохондрий в клетке колеблется от 1 до 100 тыс. и зависит от типа, функциональной активности и возраста клетки. Так в растительных клетках митохондрий меньше, чем в животных; а в молодых клетках больше, чем в старых. Жизненный цикл митохондрий составляет несколько дней. Митохондрии ограничены двумя мембранами, каждая из которых имеет толщину около 7 нм. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10-20 нм. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя образует складки – кристы, увеличивающие ее поверхность. Число крист неодинаково в митохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Особенно много крист в митохондриях активно функционирующих клеток, например, мышечных. В кристах располагаются цепи переноса электронов и сопряженного с ним фосфорилирования АДФ (окислительное фосфорилирование). Внутреннее пространство митохондрий заполнено гомогенным веществом, называемым матриксом. Митохондриальные кристы обычно полностью не перегораживают полость митохондрии. Поэтому матрикс на всем протяжении является непрерывным. В матриксе содержатся кольцевые молекулы ДНК, митохондриальные рибосомы, встречаются отложения солей кальция и магния. На митохондриальной ДНК происходит синтез молекул РНК различных типов, рибосомы участвуют в синтезе ряда митохондриальных белков. Малые размеры ДНК митохондрий не позволяют кодировать синтез всех митохондриальных белков. Поэтому синтез большинства белков митохондрий находится под ядерным контролем и осуществляется в цитоплазме клетки. Без этих белков рост и функционирование митохондрий невозможно. Митохондриальная ДНК кодирует структурные белки, ответственные за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных компонентов. Митохондрии отличаются от прочих органелл тем, содержат собственную ДНК - от 1 до 50 небольших одинаковых циклических молекул. Кроме того, митохондрии содержат собственные рибосомы, которые по размеру несколько меньше цитоплазматических рибосом и видны как мелкие гранулы. Данная система автономного синтеза белков обеспечивает образование примерно 5 % митохондриальных белков. Синтез прочих белков кодируются ядром и синтезируются цитоплазматическими рибосомами. Но структура ДНК и рибосом сближает митохондрии с бактериями. Возможно, в эволюции митохондрии появились как результат симбиоза древних бактерий с эукариотическими клетками. Главная функция митохондрий - завершение окислительного распада питательных веществ и образование за счёт выделяющейся при этом энергии АТФ - временного аккумулятора энергии в клетке. В мышечных волокнах, где потребности в энергии особенно велики, митохондрии содержат очень много плотно расположенных пластинчатых (ламинарных) крист. В клетках печени количество крист в митохондриях значительно меньше. Наконец, в клетках коры надпочечников кристы имеют тубулярную структуру и выглядят на срезе как мелкие везикулы. Процесс, с помощью которого клетки наращивают митохондриальную массу - митохондриальный биогенез. Митохондриальный биогенез активируется множеством различных сигналов во время клеточного стресса или в ответ на раздражители окружающей среды, например, аэробные упражнения. Способность митохондрии к самовоспроизведению уходит корнями в ее эволюционную историю. Принято считать, что митохондрии происходят от клеток, которые сформировали эндосимбиотические отношения с α-протобактериями, у них есть собственный геном для репликации. Однако недавние данные свидетельствуют о том, что митохондрии могли развиваться без симбиоза. Митохондрия является ключевым регулятором метаболической активности клетки, а также важной органеллой как в производстве, так и в деградации свободных радикалов. Предполагается, что более высокое число копий митохондрий (или более высокая митохондриальная масса) защищает клетку. Митохондрии образуются в результате транскрипции и трансляции генов как в ядерном геноме, так и в митохондриальном геноме. Большая часть митохондриального белка происходит из ядерного генома, в то время как митохондриальный геном кодирует части цепи переноса электронов вместе с митохондриальной рРНК и тРНК. Биогенез митохондрий увеличивает метаболические ферменты для гликолиза, окислительного фосфорилирования и, в конечном итоге, увеличивает метаболическую способность митохондрий. Однако в зависимости от доступных энергетических субстратов и РЕДОКС-состояния клетки, клетка может увеличивать или уменьшать количество и размер митохондрий. Важно отметить, что количество и морфология митохондрий различаются в зависимости от типа клетки и контекстно-зависимой потребности, при этом баланс между слиянием / делением митохондрий регулирует распределение, морфологию и функцию митохондрий. Процессы деления и слияния противостоят друг другу и позволяют митохондриальной сети постоянно реконструировать себя. Если стимул вызывает изменение баланса деления и слияния в клетке, он может значительно изменить митохондриальную сеть. Например, увеличение деления митохондрий привело бы к образованию множества фрагментированных митохондрий, что, как было показано, полезно для устранения поврежденных митохондрий и для создания митохондрий меньшего размера для эффективной транспортировки в энергоемкие области. Следовательно, достижение баланса между этими механизмами позволяет клетке иметь правильную организацию своей митохондриальной сети во время биогенеза и может играть важную роль в адаптации мышц к физиологическому стрессу.

29. Пластиды клеток растений, их типы. Функции различных типов пластид, их взаимопревращения. Ультраструктура хлоропластов в связи с выполняемыми функциями. Биогенез пластид, их происхождение и эволюция.

Ответ. Пластиды – это двухмембранные органоиды, характерные для фотосинтезирующих эукариотных организмов. Различают три основных типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Совокупность пластид в клетке называют пластидомом. Пластиды связаны между собой единым происхождением в онтогенезе от пропластид меристематических клеток. Каждый их этих типов при определенных условиях может переходить один в другой. Как и митохондрии, пластиды содержат собственные молекулы ДНК. Поэтому они также способны размножаться независимо от деления клетки. Хлоропласты – это пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Хлоропласты представляют собой органоиды зеленого цвета длиной 5-10 мкм и шириной 2-4 мкм. У зеленых водорослей встречаются гигантские хлоропласты (хроматофоры), достигающие длины 50 мкм. У высших растений хлоропласты имеют двояковыпуклую или эллипсоидную форму. Количество хлоропластов в клетке может варьировать от одного (некоторые зеленые водоросли) до тысячи (махорка). В клетке высших растений в среднем находится 15-50 хлоропластов. Обычно хлоропласты равномерно распределены по цитоплазме клетки, но иногда они группируются около ядра или клеточной оболочки. По-видимому, это зависит от внешних воздействий (интенсивность освещения). От цитоплазмы хлоропласты отделены двумя мембранами, каждая из которых имеет толщину около 7 нм. Между мембранами находится межмембранное пространство диаметром около 20-30 нм. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет складчатую структуру. Между складками располагаются тилакоиды, имеющие вид дисков. Тилакоиды образуют стопки наподобие столбика монет, называемые гранами. Между собой граны соединены другими тилакоидами (ламелы, фреты). Число тилакоидов в одной гране варьирует от нескольких штук до 50 и более. В свою очередь в хлоропласте высших растений находится около 50 гран (40-60), расположенных в шахматном порядке. Такое расположение обеспечивает максимальную освещенность каждой граны. В центре граны находится хлорофилл, окруженный слоем белка; затем располагается слой липоидов, снова белок и хлорофилл. Хлорофилл имеет сложное химическое строение и существует в нескольких модификациях (a, b, c, d). У высших растений и водорослей в качестве основного пигмента содержится хлорофилл а с формулой С₅₅Н₇₂О₅N₄Мg. В качестве дополнительных содержатся хлорофилл b (высшие растения, зеленые водоросли), хлорофилл с (бурые и диатомовые водоросли), хлорофилл d (красные водоросли). Образование хлорофилла происходит только при наличии света и железа, играющего роль катализатора. Матрикс хлоропласта представляет собой бесцветное гомогенное вещество, заполняющее пространство между тилакоидами. В матриксе находятся ферменты "темновой фазы" фотосинтеза, ДНК, РНК, рибосомы. Кроме этого, в матриксе происходит первичное отложение крахмала в виде крахмальных зерен. Свойства хлоропластов: полуавтономность (имеют собственный белоксинтезирующий аппарат, однако большая часть генетической информации находится в ядре); способность к самостоятельному движению (уходят от прямых солнечных лучей); способность к самостоятельному размножению. Хлоропласты развиваются из пропластид, которые способны реплицироваться путем деления. У высших растений также встречается деление зрелых хлоропластов, но крайне редко. При старении листьев и стеблей, созревании плодов хлоропласты утрачивают зеленую окраску, превращаясь в хромопласты. Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Кроме фотосинтеза хлоропласты осуществляют синтез АТФ из АДФ (фосфорилирование), синтез липидов, крахмала, белков. В хлоропластах также синтезируются ферменты, обеспечивающие световую фазу фотосинтеза. Хромопласты – это окрашенные пластиды. Цвет их обусловлен наличием следующих пигментов: каротина (оранжево-желтый), ликопина (красный) и ксантофилла (желтый). Хромопластов особенно много в клетках лепестков цветков и оболочек плодов. Больше всего хромопластов в плодах и увядающих цветках и листьях. Хромопласты могут развиваться из хлоропластов, которые при этом теряют хлорофилл и накапливают каротиноиды. Это происходит при созревании многих фруктов: налившись спелым соком, они желтеют, розовеют или краснеют. Основная функция хромопластов заключается в обеспечении окраски цветов, плодов, семян. В отличие от лейкопластов и особенно хлоропластов внутренняя мембрана хлоропластов не образует тилакоидов (или образует одиночные). Хромопласты – это конечный итог развития пластид (в хромопласты превращаются хлоропласты и пластиды). Лейкопласты - это бесцветные пластиды округлой, яйцевидной, веретенообразной формы. Находятся в подземных частях растений, семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Особенно богаты лейкопластами клубни картофеля. Внутренняя оболочка образует немногочисленные тилакоиды. На свету из хлоропластов образуются хлоропласты. Лейкопласты, в которых синтезируется и накапливается вторичный крахмал называют амилопластами, масла – эйлалопластами, белки – протеопластами. Основная функция лейкопластов – это аккумуляция питательных веществ. Согласно теории прямой филиации пластиды образовались путем компартизации самой клетки. Фотосинтезирующие эукариоты произошли от фотосинтезирующих прокариот. В некоторых отношениях митохондрии и хлоропласты ведут себя как автономные организмы. Например, эти структуры образуются только из исходных митохондрий и хлоропластов. Это было продемонстрировано в опытах на растительных клетках, у которых образование хлоропластов подавляли антибиотиком стрептомицином, и на клетках дрожжей, где образование митохондрий подавляли другими препаратами. После таких воздействий клетки уже никогда не восстанавливали отсутствующие органеллы. Причина в том, что хлоропласты содержат определенное количество собственного генетического материала (ДНК), который кодирует часть их структуры. Если эта ДНК утрачивается, что и происходит при подавлении образования органелл, то структура не может быть воссоздана. Оба типа органелл имеют свою собственную белок-синтезирующую систему (рибосомы и транспортные РНК), которая несколько отличается от основной белоксинтезирующей системы клетки; известно, например, что белоксинтезирующая система органелл может быть подавлена с помощью антибиотиков, тогда как на основную систему они не действуют. ДНК органелл ответственна за основную часть внехромосомной, или цитоплазматической, наследственности. Внехромосомная наследственность не подчиняется менделевским законам, так как при делении клетки ДНК органелл передается дочерним клеткам иным путем, нежели хромосомы. Изучение мутаций, которые происходят в ДНК органелл и ДНК хромосом, показало, что ДНК органелл отвечает лишь за малую часть структуры органелл; большинство их белков закодированы в генах, расположенных в хромосомах. Относительная автономия митохондрий и пластид рассматривается как одно из доказательств их симбиотического происхождения.