Для осуществления любых клеточных функций необходимы затраты энергии. Живые организмы получают её, используя или внешние источники, например энергию Солнца, или энергию переноса электронов при окислении различных субстратов. В обоих случаях клетки синтезируют молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), некую разменную «топливную» единицу, обладающую высокоэнергетическими фосфатными связями, при разрушении которых выделяемая энергия может тратиться на любые клеточные функции: на активный транспорт веществ, на синтетические процессы, на механическую работу и т.д. (рис. 197). В клетках животных синтез АТФ осуществляется специальными органеллами — митохондриями; в растительных клетках кроме митохондрий в энергообеспечении огромную роль играют хлоропласты — один из видов пластид. Эти два органоида имеют общий сходный план строения и выполняют сходные энергетические функции. Митохондрии и пластиды - двумембранные органоиды эукариотических клеток.
Общим в их строении является то, что они отделены от цитоплазмы (гиалоплазмы) двумя мембранами — внешней и внутренней. По этому у митохондрий и пластид различают две полости (или два про странства): одну - между внешней и внутренней мембранами (межмембранные), вторую, основную (матрикс), ограниченную внутренней мембраной. Другой общей чертой в их строении является то, что внутренняя мембрана образует складки, мешки, гребни, глубокие впячивания, направленные внутрь матрикса. На таких мембранных гребнях и впячиваниях локализуются активные метаболические центры этих органелл — полиферментные комплексы, определяющие выполнение основных физиологических функций (окислительное фосфорилирование для митохондрий, фотофосфорилирование для хлоропластов). В матриксе и тех, и других располагаются элементы авторепродукции этих клеточных мембранных органелл и локализованы ферменты некоторых метаболических процессов. Система авторепродукции двумембранных органелл представлена ДНК, РНК и рибосомами, которые могут определять часть генетических, автономных свойств этих структур.
Главными функциональными нагрузками пластид и митохондрий являются процессы энергетического характера, приводящие к синтезу специфических молекул аденозинтрифосфата (АТФ), являющихся донорами энергии для любых клеточных процессов.
В митохондриях, хлоропластах, как и в бактериях, АТФ синтезируется одним и тем же способом: с помощью энергии, отдаваемой электронами при продвижении их по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны, происходит перенос, «перекачка» протонов с внутренней стороны мембраны на внешнюю. Вследствие этого возникает электрохимический протонный градиент, энергия которого с помощью других белков используется для синтеза АТФ.
В хлоропластах растений, кроме того, при использовании энергии АТФ, образованной в результате фосфорилирования, осуществляется важнейший биологический процесс — связывание СО2 и синтез углеводов.