Тема 10

ОРГАНЕЛИ ЦИТОПЛАЗМИ. МІТОХОНДРІЇ. ПЕРОКСИСОМИ

МЕТА ЗАНЯТТЯ: Вивчити структурно-функціональну залежність енергетичних станцій клітини – мітохондрій та структури, функції і походження пероксисом.

Питання для самопідготовкИ:

1. Морфологія мітохондрій: розмір, форма, компоненти.

2. Характеристика зовнішньої і внутрішньої мембран, міжмембранного простору, матриксу мітохондрій.

3. Загальна характеристика основних етапів енергетичного обміну: підготовчого, безкисневого, кисневого.

4. Стадії кисневого мітохондріального етапу енергетичного обміну.

5. Дихальний ланцюг і хеміосмотичний синтез АТФ у мітохондрії.

6. Структура, функції і походження пероксисом.

7. Філогенетичні і функціональні порівняльні аспекти пероксисом, мітохондрій і пластид.

8. Біогенез мітохондрій у клітинному циклі.

Навчальні завдання

ЗАВДАННЯ 1. Схема найважливіших потоків метаболітів у мітохондрії.

Використовуючи малюнки таблиць, кодограм, складіть малюнок-схему потоків найважливіших метаболітів, що надходять у мітохондрію і виходять із неї.

Мітохондрії є органелами, у яких відбувається заключний, найбільш енергоємний кисневий етап енергетичного обміну. Утворений при гліколізі піруват (піровиноградна кислота СН₃-СО-СООН) прямо надходить у матрикс мітохондрії. Частина жирних кислот під впливом ферментів, розташованих на зовнішній мембрані мітохондрій, також перетворюється в піруват, інша їх частина надходить без змін у матрикс мітохондрій. Наступним етапом є мобілізація ацетил-коензиму А з пірувату, жирних кислот і, частково, з амінокислот. Ці реакції відбуваються в матриксі мітохондрій за участю ферментів. Активний ацетил-КоА містить високо енергетичний тіоефірний зв’язок, гідроліз якого забезпечує початкову реакцію наступного етапу – циклу трикарбонових кислот, або циклу лимонної кислоти (цикл Кребса). Цикл лимонної кислоти забезпечує окислення ацетогрупи (залишки оцтової кислоти) з утворенням молекули СО_2, що дифундує з мітохондрії і залишає клітину. Енергія, що виділяється, споживається двома способами: менша її частина йде на утворення однієї молекули ГТФ (еквівалента АТФ); більша її частина витрачається на перетворення молекул-носіїв водню з окисленої у відновлену форму. На кожному оберті циклу 3 молекули НАД⁺ перетворюється в НАДН, а одна молекула ФАД (флавінаденіндинуклеотид) – у ФАДН₂. НАДН та ФАДН₂ використовуються в наступному етапі – перенесенні активних електронів по ланцюгу дихальних ферментів і окисному фосфорилюванні. Всі процеси цього етапу відбуваються за участю ферментів, розташованих на внутрішній мітохондріальній мембрані. При цьому багаті енергією відновлені НАД і ФАДН₂ передають свої активні електрони водню через ланцюг дихальних ферментів молекулярному кисню, що надходить у матрикс мітохондрії з цитоплазми. В остаточному підсумку утворюються молекули води.

При проходженні високо енергетичних електронів, доставлених НАДН і ФАДН₂ по електронно-транспортному ланцюзі внутрішньої мітохондріальної мембрани вивільняється енергія, що використовується для переміщення протонів із матриксу в міжмембранний простір і далі за межі мітохондрії. В результаті між двома сторонами внутрішньої мембрани створюється електрохімічний протонний градієнт (ЕПГ). ЕПГ є джерелом протон рушійної сили. Повернення електронів із міжмембранного простору через фермент АТФ-синтетазу сприяє синтезу АТФ із АДФ, що надходить у матрикс мітохондрії. Синтезована АТФ надходить у цитоплазму клітини і використовується в синтетичних реакціях.

ЗАВДАННЯ 2. Схема транспорту електронів по дихальному ланцюгу та утворення електрохімічного градієнта.

Використовуючи малюнки, таблиці і кодограми складіть схему-малюнок перенесення електронів по дихальному ланцюгу до кисню.

Дихальний ланцюг ферментів розташовується на внутрішній мембрані мітохондрії. До її складу входять НАДН-дегідрогеназний комплекс, убіхінон, комплекс в-с, цитохром с, цитохромоксидазний комплекс.

На початку транспорту відбувається розщеплення атомів водню НАДН (ФАДН₂) на електрони і протони. Утворюються окислені НАД⁺ і ФАД. Два електрони надходять на перший носій – НАДН-дегідрогеназний комплекс, а протони надходять у матрикс. Далі електрони передаються на убіхінон і так далі, до кисню. Рушійною силою в дихальному ланцюзі є різниця окисно-відновного потенціалу її компонентів, що виражається в ступені спорідненості до електронів. На початку ланцюга розташовуються компоненти з негативним значенням окисно-відновного потенціалу. У НАДН-дегідрогеназного комплексу він становить – 320 мВ. Отже, цей компонент більше схильний віддавати електрони, ніж приймати. Наприкінці ланцюга кисень має окисно-відновний потенціал 820мВ, що говорить про сильну тенденцію до прийняття електронів. Енергія електронів у ланцюзі витрачається на утворення хімічного й електричного градієнту. Хімічний градієнт утворюється у результаті різниці рН. Вихід протонів з матриксу знижує концентрацію іонів водню до рН 8,0, тоді як у міжмембранному просторі рН=7, як і в цитозолі, внаслідок гарної проникливості зовнішньої мембрани. Електричний градієнт обумовлений різницею потенціалів (мембранним потенціалом) між зовнішньою і внутрішньою мембранами: внутрішня заряджена негативно, зовнішня – позитивно (в результаті виходу назовні позитивно заряджених іонів). Електрохімічний градієнт створює протонрушійну силу, що вимірюється в мВ. Градієнт рН в одну одиницю дорівнює 60 мВ. У ланцюзі електричний мембранний потенціал дорівнює 160мВ. У цілому електрохімічний градієнт становить 220 мВ. Електронрушійна сила сприяє проникненню протонів і інших позитивно заряджених часток, усередину матриксу. На внутрішній мембрані розташовується фермент, що каталізує синтез АТФ – АТФ-синтетаза, що являє собою великий трансмембранний комплекс. Через нього протони з міжмембранного простору проникають усередину матриксу по електрохімічному градієнту. Енергія електронів, що рухаються, витрачається на синтез АТФ із АДФ і неорганічного фосфору.

ЗАВДАННЯ 3. Кінетопласт джгутикових (мікропрепарат).

У джгутиконосців, які відносяться до ряду Kinetoplastida, у основи джгутику окрім кінетосоми (базальне тільце) розташований кінетопласт. За ультрамікроскопічною структурою кінетопласт відповідає мітохондрії, яка містить значну кількість ДНК. Кінетопласт пов’язаний із генерацією енергії для рухів джгутика.

ЗАВДАННЯ 4. Структурно-функціональні ознаки пероксисом і мітохондрій

Заповніть таблицю:

№	Ознаки	Мітохондрії	Пероксисоми
1	Форма
2	Розміри
3	Розташування в клітині
4	Будова мембрани
5	Наявність генетичного матеріалу
6	Наявність білок-синтетичної системи
7	Здатність до розмноження
8	Функції
9	Виникнення в філогенезі

ЗАВДАННЯ 5. Структурно-функціональне порівняння мітохондрій і хлоропластів

Структурно-функціональне порівняння треба робити з позицій синтезу АТФ у цих органоїдах: аналогія крипт мітохондрій і тилакоїдних мембран; наявність електрон-транспортних білків цитохромів та різноманітність; джерела енергії для відновлення переносників водню та їх різноманіття; утворення електрохімічного протонного градієнта; напрямок потоку протонів при синтезі АТФ.

Питання для самоКОНТРОЛЮ:

1. Які структурні особливості зовнішньої і внутрішньої мембран мітохондрій визначають гарну проникливість через першу і дуже вибіркову через другу?

2. Чи відрізняється склад цитоплазматичного матриксу від мітохондріального матриксу? Чим? Чому?

3. Чим визначається потік активних електронів у дихальному ланцюгу?

4. Яке джерело енергії окислювального фосфорилювання?

5. Складові компоненти електрохімічного градієнта та їх енергетичні величини.

6. Які структурні особливості мітохондрій вказують на їх ендосимбіотичне походження?

7. Структурно-функціональна схожість та відмінність мітохондрій і хлоропластів при синтезі АТФ.

8. Як зрозуміти гіпотезу: пероксисоми – органоїди докисневої атмосфери Землі?

9. Метаболічний зв’язок пероксисом і мітохондрій.

10. Які принципові відмінності деяких пероксисом рослинних і тваринних клітин?

11. Які відмінні ознаки киснепоглинальних окислювальних процесів, що відбуваються в пероксисомах та мітохондріях?