Мітохондрії й хлоропласти – це двомембранні органели еукаріотичної клітини, які забезпечують клітину енергією: мітохондрії добувають її з органічних речовин у процесі клітинного дихання, хлоропласти створюють органічні речовини з вуглекислого газу й води за рахунок енергії світла. Обидві органели мають власну кільцеву ДНК і рибосоми, тому їх називають напівавтономними.
У програмі НМТ тема стоїть у розділі про структуру і функціонування клітин і зачіпає одразу три великі блоки: будову клітини, обмін речовин і фотосинтез. Цю тему розбирають на курсі біології KEVIN.
🔑 Ключові формули
Сумарне рівняння клітинного дихання: \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{енергія}\)
Сумарне рівняння фотосинтезу: \(6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{світло}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2\)
Гліколіз: \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_3\text{H}_4\text{O}_3 + 2\,\text{АТФ}\) – відбувається в цитоплазмі, а не в мітохондрії.
Енергетичний вихід повного розщеплення однієї молекули глюкози: \(38\) молекул АТФ, з них \(2\) дає гліколіз у цитоплазмі, \(36\) – кисневий етап у мітохондрії.
Світлозалежні реакції, мембрани тилакоїдів: \(2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- + \text{O}_2\)
Як розв'язувати — покроковий метод
-
1 Крок 1. Визначте, про який процес і про яке місце питання
Питання тут майже завжди на локалізацію процесу. Безкисневий етап (гліколіз) – цитоплазма, кисневий етап – мітохондрія, фотосинтез – хлоропласт.
-
2 Крок 2. Розведіть «рідке» і «мембранне»
Усе, що рідке, іде в рідину (цикл Кребса в матриксі), усе, що мембранне, іде на мембрану (дихальний ланцюг на кристах). Світло ловить мембрана тилакоїда, цукор збирається в рідині строми.
-
3 Крок 3. У питанні «що спільного» перевіряйте кожен варіант на «чи є це в обох»
Спільне: дві мембрани, кільцева ДНК, власні рибосоми, поділ, напівавтономність. Хлорофіл і тилакоїди є лише в хлоропласті, кристи – лише в мітохондрії.
-
4 Крок 4. У розрахунковій задачі спершу підкресліть «кисневе» чи «безкисневе»
Повне кисневе розщеплення однієї молекули глюкози дає \(38\) АТФ, а «за відсутності кисню» або «шляхом бродіння» – \(2\). Тільки потім множте на кількість молекул.
📝 Розбір реальних завдань НМТ
У якій структурі клітини відбувається безкисневий етап розщеплення глюкози?
А) у матриксі мітохондрії · Б) на кристах мітохондрії · В) у цитоплазмі · Г) у стромі хлоропласта
Крок 1. Визначаємо, про що питання. Безкисневий етап – це гліколіз, розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти: \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_3\text{H}_4\text{O}_3 + 2\,\text{АТФ}\).
Крок 2. Згадуємо ключову річ: гліколіз іде до мітохондрії. Кисень для нього не потрібен, ферменти для нього розчинені в цитоплазмі.
Крок 3. Відкидаємо варіанти. Матрикс і кристи – це вже кисневий етап, туди потрапляє готова піровиноградна кислота. Строма хлоропласта взагалі про фотосинтез.
В.
Ось тут підступ у тому, що слово «глюкоза» тягне думку одразу до мітохондрії. Але глюкоза цілою в мітохондрію не заходить - туди йде вже продукт гліколізу. Хто обрав А, той трошки попався, але нічого страшного, тепер ви це не пропустите.
Що спільного мають мітохондрії й хлоропласти?
А) наявність хлорофілу · Б) одна мембрана · В) власна кільцева ДНК і рибосоми · Г) наявність тилакоїдів
Крок 1. Перевіряємо кожен варіант на «чи є це в обох».
Крок 2. Хлорофіл є лише в хлоропласті, мітохондрія пігментів не має, тому А відпадає. Мембрана в обох не одна, а дві, тому Б хибний. Тилакоїди є тільки в хлоропласті, у мітохондрії відповідну роль виконують кристи, тому Г відпадає.
Крок 3. Лишається В.
В.
І це справді ознака напівавтономності, спільна для обох органел.
Укажіть речовини, які утворюються під час світлозалежних реакцій фотосинтезу.
А) глюкоза і вода · Б) кисень і АТФ · В) вуглекислий газ і вода · Г) глюкоза і кисень
Крок 1. Уточнюємо місце: світлозалежні реакції ідуть у мембранах тилакоїдів.
Крок 2. Пригадуємо, що там відбувається. Хлорофіл поглинає світло, вода розщеплюється: \(2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- + \text{O}_2\). Виділяється кисень і синтезується АТФ.
Крок 3. Глюкоза на цьому етапі ще не утворюється – вона з’явиться у стромі, у світлонезалежних реакціях. Тому варіанти А і Г хибні. Вуглекислий газ і вода – це, навпаки, вихідні речовини всього фотосинтезу, а не продукти світлової фази.
Б.
Скільки молекул АТФ утвориться під час повного кисневого розщеплення \(3\) молекул глюкози?
Крок 1. Пригадуємо енергетичний баланс для однієї молекули глюкози: гліколіз дає \(2\) АТФ, кисневий етап дає \(36\) АТФ, разом \(2 + 36 = 38\) АТФ.
Крок 2. Множимо на кількість молекул: \(38 \cdot 3 = 114\).
\(114\) молекул АТФ.
Якщо в умові сказано «за відсутності кисню» або «шляхом бродіння», то множите вже не на \(38\), а на \(2\). Тому перше, що я раджу зробити в такій задачі, - це підкреслити в умові слово «кисневе» або «безкисневе», і тільки потім рахувати.
⚠️ Типові помилки учнів
Ні, у рослин є і хлоропласти, і мітохондрії. Хлоропласти утворюють глюкозу, а мітохондрії розщеплюють її й дають клітині енергію (АТФ).
- Мітохондрія = кристи (складки) + матрикс (рідина).
- Хлоропласт = тилакоїди/грани (мішечки) + строма (рідина).
Ні, вони напівавтономні: мають власну кільцеву ДНК, дрібні рибосоми (70S) і діляться самостійно.
Мітохондрії вдихають кисень і виділяють вуглекислий газ. Хлоропласти – навпаки: забирають \(\text{CO}_2\) і виділяють \(\text{O}_2\).
Не лякаємось цієї теми – вона насправді дуже вдячна. Питання про мітохондрії й хлоропласти на тесті трапляються не лише в «клітинних» завданнях, а й там, де питають про АТФ, дихання чи автотрофне живлення. Розберемо все по поличках, і ви побачите, що тут майже все тримається на одній логіці: мембран дві, між ними простір, внутрішня мембрана обов’язково збільшує свою площу.
Мій спосіб запам’ятати розподіл: усе, що рідке, іде в рідину (цикл Кребса в матриксі), усе, що мембранне, іде на мембрану (дихальний ланцюг на кристах). Один раз проговорили – і плутанини вже майже не буває.
У хлоропласті спрацьовує та сама підказка, що й з мітохондрією: світло ловить мембрана тилакоїда, цукор збирається в рідині строми. Аналогія повна: криста і тилакоїд роблять одну роботу – збільшують площу мембрани; матрикс і строма роблять одну роботу – вміщують ДНК і ферменти.
На діагностиках я найчастіше бачу, що учні впевнено називають відмінності й губляться на спільному. А на НМТ якраз люблять питання формату «що спільного для мітохондрії й хлоропласта». Тому вивчіть спільне окремим списком – це буквально чотири пункти.
Найефективніше вчити мітохондрію й хлоропласт паралельно, а не по черзі. Візьміть аркуш, поділіть навпіл і заповнюйте обидві колонки одночасно за одними й тими самими пунктами: скільки мембран, як називається внутрішня система мембран, як називається напіврідкий вміст, який процес іде, що входить, що виходить, у кого є.
Далі домалюйте обидві органели від руки й підпишіть кожну структуру. Малюнок від руки працює краще за перечитування, бо змушує згадати назву, а не впізнати її. І наостанок пройдіть тестики на цю тему: питання тут майже завжди на локалізацію процесу, тому щойно ви навчитеся автоматично відповідати «де саме», тема закрита.
Мітохондрії й хлоропласти пов’язані з кількома сусідніми темами, і поодинці їх учити невигідно. Логічне продовження – це Обмін речовин і перетворення енергії, де детально розбираються етапи дихання і фази фотосинтезу, а також Хімічний склад клітини, бо там пояснено роль АТФ і макроергічного зв’язку. Одна тема – це добре, а на НМТ їх десятки, і на курсі ми проходимо всю клітину за такою самою логікою: будова, процес, локалізація, тест.
Мітохондрія. Мітохондрія – це двомембранна органела, у якій відбувається кисневий етап розщеплення органічних речовин і синтезується основна частина АТФ клітини. Її часто називають енергетичною станцією клітини, і саме так вона згадана в програмі НМТ.
Будова мітохондрії. Будова йде зовні всередину. Спочатку зовнішня мембрана: гладенька, добре проникна, обмежує органелу. Далі міжмембранний простір – тонкий проміжок між двома мембранами. Потім внутрішня мембрана, і ось вона вже не гладенька: вона утворює численні складки, які називаються кристами. І нарешті матрикс – напіврідкий вміст усередині.
Навіщо кристи. Навіщо потрібні кристи? Щоб збільшити площу мембрани. На внутрішній мембрані сидять ферменти дихального ланцюга, а фермент, як ви пам’ятаєте, працює тільки там, де для нього є місце. Більше складок означає більше ферментів на одиницю об’єму, а отже, більше АТФ. Тому в клітинах, які багато працюють, крист більше й самих мітохондрій більше. У м’язовій клітині серця мітохондрій значно більше, ніж у клітині жирової тканини, і це логічно: серце працює цілодобово.
Що де відбувається в мітохондрії. У матриксі відбувається цикл Кребса, там же лежать кільцева ДНК мітохондрії, її рибосоми й ферменти. На кристах, тобто на внутрішній мембрані, працює дихальний ланцюг, і саме там утворюється найбільше АТФ.
Хлоропласт та інші пластиди. Хлоропласт – це двомембранна пластида зеленого кольору, у якій відбувається фотосинтез. Крім хлоропластів, у рослинній клітині є ще два типи пластид: лейкопласти – безбарвні, запасають крохмаль та інші речовини, і хромопласти – забарвлені в жовтий, помаранчевий чи червоний, надають колір пелюсткам і плодам.
Будова хлоропласта. Будова хлоропласта повторює ту саму логіку. Зовнішня мембрана гладенька. Внутрішня мембрана теж досить рівна, але всередині хлоропласта є окрема мембранна система – тилакоїди. Це сплющені мішечки, складені стопками. Стопка тилакоїдів називається грана, а мембранні пластини, які з’єднують тилакоїди сусідніх гран, називаються ламели. Проміжок між усім цим заповнює строма – напіврідкий вміст із власною ДНК, рибосомами й ферментами.
Хлорофіл і строма. Хлорофіл, той самий зелений пігмент, сидить у мембранах тилакоїдів. Саме він уловлює світло у світлозалежних реакціях. А ось світлонезалежні реакції, у яких із вуглекислого газу утворюється глюкоза, ідуть у стромі.
Напівавтономність. Напівавтономними їх називають тому, що вони мають власну спадкову інформацію і частково самі себе забезпечують, але повністю без клітини існувати не можуть. У програмі НМТ це прописано окремим пунктом: «Автономія мітохондрій і хлоропластів у клітині», тобто питання про це очікуване.
Ознаки автономії такі:
- Власна ДНК. Вона кільцева, тобто замкнена в кільце, а не лінійна, як хромосоми в ядрі.
- Власні рибосоми. Органели самі синтезують частину своїх білків.
- Розмноження поділом. Нові мітохондрії й хлоропласти утворюються не «з нуля», а поділом уже наявних.
- Дві мембрани. Це також вважають ознакою їхнього особливого походження.
Чому «напів», а не повна автономія? Бо більшість білків для цих органел усе одно кодується ядерною ДНК і синтезується на рибосомах цитоплазми, а потім транспортується всередину. Тобто органела має свій маленький «архів», але левову частку інструкцій отримує з ядра.
Зверніть увагу на кільцеву ДНК окремо. Це саме та деталь, яку люблять питати, бо вона одразу відсилає до прокаріотів: у бактерій ДНК теж кільцева. Якщо ви ще не розбирали будову бактеріальної клітини, зазирніть у тему Будова клітини – там ця паралель стає очевидною.
Чим мітохондрії відрізняються від хлоропластів. Головна відмінність – у напрямку перетворення енергії: мітохондрія енергію хімічних зв’язків вивільняє, хлоропласт енергію світла запасає у хімічних зв’язках. Далі всі інші відмінності випливають із цієї.
- Процес. Мітохондрія: клітинне дихання (кисневий етап). Хлоропласт: фотосинтез.
- Хто має. Мітохондрії є в клітинах рослин, тварин, грибів. Хлоропласти є лише в рослин і водоростей, у тварин і грибів їх немає.
- Внутрішня система мембран. Мітохондрія: кристи, тобто складки внутрішньої мембрани. Хлоропласт: тилакоїди, зібрані в грани, і ламели між ними.
- Напіврідкий вміст. Мітохондрія: матрикс. Хлоропласт: строма.
- Пігмент. Мітохондрія: немає. Хлоропласт: хлорофіл у мембранах тилакоїдів.
- Що поглинає. Мітохондрія: \(\text{O}_2\) і органічні речовини. Хлоропласт: \(\text{CO}_2\), \(\text{H}_2\text{O}\) і світло.
- Що виділяє. Мітохондрія: \(\text{CO}_2\), \(\text{H}_2\text{O}\), АТФ. Хлоропласт: \(\text{O}_2\) і глюкозу.
- Що спільне. Дві мембрани, кільцева ДНК, власні рибосоми, поділ, напівавтономність.
Де відбувається кожен етап дихання і фотосинтезу. Локалізація процесів – це те, за що на НМТ дають бали найчастіше. Розкладемо по місцях.
Клітинне дихання, три етапи:
- Підготовчий етап. Розщеплення біополімерів до мономерів. Відбувається в травній системі або в лізосомах, не в мітохондрії. Енергія розсіюється у вигляді тепла, АТФ не утворюється.
- Безкисневий етап (гліколіз). Відбувається в цитоплазмі. Глюкоза розщеплюється до двох молекул піровиноградної кислоти, виділяється \(2\) молекули АТФ.
- Кисневий етап. Відбувається в мітохондрії: цикл Кребса в матриксі, дихальний ланцюг на кристах. Дає \(36\) молекул АТФ і кінцеві продукти \(\text{CO}_2\) та \(\text{H}_2\text{O}\).
Фотосинтез, дві групи реакцій:
- Світлозалежні реакції (світлова фаза). Відбуваються в мембранах тилакоїдів. Хлорофіл поглинає світло, відбувається фотоліз води \(2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- + \text{O}_2\), виділяється кисень, синтезується АТФ.
- Світлонезалежні реакції (темнова фаза). Відбуваються у стромі. Із \(\text{CO}_2\) за участі АТФ утворюється глюкоза. Світло тут безпосередньо не потрібне, але потрібні продукти світлової фази.
Отже, кисень, який ми з вами вдихаємо, походить не з вуглекислого газу, а з води. Це та деталь, яку в школі часто проговорюють швидко, а на тесті вона стає окремим питанням.
- Мітохондрії й хлоропласти – двомембранні органели. Зовнішня мембрана гладенька, внутрішня утворює вирости.
- Кристи – це складки внутрішньої мембрани мітохондрії. Вони збільшують площу для ферментів дихального ланцюга.
- Матрикс – це напіврідкий вміст мітохондрії всередині внутрішньої мембрани. Тут відбувається цикл Кребса.
- Тилакоїди – це сплющені мембранні мішечки всередині хлоропласта, у їхніх мембранах міститься хлорофіл.
- Ламели – це мембранні пластини, які з’єднують тилакоїди різних гран між собою.
- Строма – це напіврідкий вміст хлоропласта поза тилакоїдами. Тут ідуть світлонезалежні реакції.
- Автономія – обидві органели мають власну кільцеву ДНК, власні рибосоми і розмножуються поділом.
❓ Часті запитання
Чому мітохондрії називають енергетичними станціями клітини
Тому що саме в мітохондріях синтезується основна частина АТФ клітини: \(36\) молекул із \(38\) при повному розщепленні однієї молекули глюкози. АТФ – це універсальний носій енергії, який використовується для всіх процесів у клітині, від скорочення м’яза до біосинтезу білка. Цей термін узятий безпосередньо з програми НМТ, там так і написано: «Мітохондрія як енергетична станція клітини».
Чи є мітохондрії в рослинних клітинах
Так, мітохондрії є у клітинах більшості еукаріотичних клітин: рослинних, тваринних і грибних. Рослина не лише фотосинтезує, а й дихає, причому дихають усі її клітини цілодобово, включно з тими, куди світло не потрапляє. Тому в клітині кореня мітохондрії є, а хлоропластів немає.
Скільки мембран мають мітохондрії й хлоропласти
По дві: зовнішню й внутрішню. Саме тому їх відносять до двомембранних органел, на відміну від одномембранних (ендоплазматична сітка, апарат Гольджі, лізосоми, вакуолі) і немембранних (рибосоми, центріолі). У хлоропласті додатково є третя мембранна система – тилакоїди, але вона лежить усередині й до підрахунку оболонок не входить.
Яка різниця між кристами і тилакоїдами
Кристи – це складки внутрішньої мембрани мітохондрії, тилакоїди – це окремі сплющені мембранні мішечки всередині хлоропласта, зібрані в стопки-грани. Функція в них схожа – збільшити площу мембрани для розміщення ферментів і пігментів, але структури й локалізація різні.
Де відбувається фотосинтез у клітині
У хлоропласті, причому в двох різних його частинах: світлозалежні реакції – в мембранах тилакоїдів, світлонезалежні реакції – у стромі. Хлорофіл, який поглинає світло, розташований саме в мембранах тилакоїдів, тому кисень виділяється там, а глюкоза утворюється у стромі.
Чому мітохондрії й хлоропласти мають власну ДНК
Власна кільцева ДНК і власні рибосоми дозволяють цим органелам синтезувати частину своїх білків самостійно і розмножуватися поділом. Саме тому їх називають напівавтономними. Повна автономія неможлива: більшість білків для мітохондрій і хлоропластів кодується ДНК ядра.