Zawartość
- Struktura mitochondriów
- Dlaczego mitochondria są ważne?
- Funkcje mitochondrialne
- Wewnętrzne i zewnętrzne błony mitochondrialne
- Co jest w matrycy?
Komórki eukariotyczne żywych organizmów nieustannie przeprowadzają ogromną liczbę reakcji chemicznych, aby żyć, rosnąć, rozmnażać się i zwalczać choroby.
Wszystkie te procesy wymagają energii na poziomie komórkowym. Każda komórka zaangażowana w którąkolwiek z tych czynności pobiera energię z mitochondriów, maleńkich organelli, które działają jak elektrownie komórkowe. Osiem mitochondriów jest mitochondrium.
U ludzi komórki, takie jak krwinki czerwone, nie mają tych małych organelli, ale większość innych komórek ma dużą liczbę mitochondriów. Na przykład komórki mięśniowe mogą mieć setki, a nawet tysiące, aby zaspokoić swoje zapotrzebowanie na energię.
Prawie każda żywa istota, która się porusza, rośnie lub myśli, ma mitochondria w tle, wytwarzając niezbędną energię chemiczną.
Struktura mitochondriów
Mitochondria to organelle związane z błoną otoczone podwójną błoną.
Mają gładką błonę zewnętrzną otaczającą organellę i złożoną błonę wewnętrzną. Fałdy błony wewnętrznej nazywane są cristae, których osobliwością jest crista, a fałdy są miejscem, w którym zachodzą reakcje wytwarzające energię mitochondrialną.
Membrana wewnętrzna zawiera płyn zwany matrycą, a przestrzeń międzybłonowa zlokalizowana między dwiema membranami jest również wypełniona płynem.
Z powodu tej stosunkowo prostej struktury komórkowej mitochondria mają tylko dwie oddzielne objętości robocze: matrycę w wewnętrznej błonie i przestrzeń międzybłonową. Opierają się na transferach między tymi dwoma wolumenami w zakresie wytwarzania energii.
Aby zwiększyć wydajność i zmaksymalizować potencjał tworzenia energii, fałdy wewnętrznej błony wnikają głęboko w matrycę.
W rezultacie membrana wewnętrzna ma duże pole powierzchni i żadna część matrycy nie jest daleko od fałdu membrany wewnętrznej. Fałdy i duże pole powierzchni pomaga w funkcjonowaniu mitochondriów, zwiększając potencjalną szybkość transferu między matrycą a przestrzenią międzybłonową przez błonę wewnętrzną.
Dlaczego mitochondria są ważne?
Podczas gdy pojedyncze komórki pierwotnie ewoluowały bez mitochondriów lub innych organelli związanych z błoną, złożone organizmy wielokomórkowe i zwierzęta ciepłokrwiste, takie jak ssaki, czerpią energię z oddychania komórkowego w oparciu o funkcję mitochondriów.
Funkcje wysokoenergetyczne, takie jak mięśnie serca lub skrzydła ptaków, mają wysokie stężenie mitochondriów, które dostarczają potrzebną energię.
Dzięki funkcji syntezy ATP mitochondria w mięśniach i innych komórkach wytwarzają ciepło ciała, aby utrzymać ciepłokrwiste zwierzęta w stałej temperaturze. To właśnie ta zdolność mitochondriów do skoncentrowanej produkcji energii umożliwia działania o wysokiej energii i wytwarzanie ciepła u wyższych zwierząt.
Funkcje mitochondrialne
Cykl produkcji energii w mitochondriach zależy od łańcucha transportu elektronów wraz z kwasem cytrynowym lub cyklem Krebsa.
Przeczytaj więcej o cyklu Krebsa.
Proces rozkładania węglowodanów, takich jak glukoza w celu wytworzenia ATP, nazywa się katabolizmem. Elektrony z utleniania glukozy są przekazywane wzdłuż łańcucha reakcji chemicznej, który obejmuje cykl kwasu cytrynowego.
Energia z reakcji redukcyjno-utleniających lub redoks jest wykorzystywana do przenoszenia protonów z matrycy, w której zachodzą reakcje. Końcowa reakcja w mitochondrialnym łańcuchu funkcyjnym to taka, w której tlen z oddychania komórkowego ulega redukcji, tworząc wodę. Produktami końcowymi reakcji są woda i ATP.
Kluczowymi enzymami odpowiedzialnymi za wytwarzanie energii mitochondrialnej są fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADP), dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD), difosforan adenozyny (ADP) i dinukleotyd flawinowo-adeninowy (FAD).
Pracują razem, aby pomóc w przenoszeniu protonów z cząsteczek wodoru w matrycy przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Stwarza to potencjał chemiczny i elektryczny przez błonę, a protony wracają do matrycy przez enzym syntazę ATP, co powoduje fosforylację i produkcję trifosforanu adenozyny (ATP).
Przeczytaj o strukturze i funkcji ATP.
Synteza ATP i cząsteczki ATP są głównymi nośnikami energii w komórkach i mogą być wykorzystywane przez komórki do produkcji chemikaliów niezbędnych dla organizmów żywych.
••• NaukaOprócz tego, że są producentami energii, mitochondria mogą pomóc w przekazywaniu sygnałów między komórkami poprzez uwalnianie wapnia.
Mitochondria mają zdolność magazynowania wapnia w matrycy i mogą uwalniać go, gdy obecne są pewne enzymy lub hormony. W rezultacie komórki wytwarzające takie wyzwalające substancje chemiczne mogą zobaczyć sygnał wzrostu wapnia z uwolnienia przez mitochondria.
Ogólnie mitochondria są istotnym składnikiem żywych komórek, pomagając w interakcjach między komórkami, dystrybuując złożone chemikalia i wytwarzając ATP, który stanowi podstawę energetyczną dla całego życia.
Wewnętrzne i zewnętrzne błony mitochondrialne
Mitochondrialna podwójna membrana pełni różne funkcje dla wewnętrznej i zewnętrznej błony oraz dwóch błon i składa się z różnych substancji.
Zewnętrzna błona mitochondrialna otacza płyn z przestrzeni międzybłonowej, ale musi pozwolić chemikaliom na przejście przez nią mitochondriów. Cząsteczki magazynujące energię wytwarzane przez mitochondria muszą być zdolne do opuszczenia organelli i dostarczenia energii do reszty komórki.
Aby umożliwić takie transfery, błona zewnętrzna składa się z fosfolipidów i struktur białkowych tzw poriny które pozostawiają małe dziury lub pory na powierzchni membrany.
Przestrzeń międzybłonowa zawiera płyn o składzie podobnym do składu cytozolu tworzącego płyn otaczającej komórki.
Małe cząsteczki, jony, składniki odżywcze i przenosząca energię cząsteczka ATP wytwarzane przez syntezę ATP mogą przenikać przez błonę zewnętrzną i przechodzić między płynem przestrzeni międzybłonowej a cytozolem.
Membrana wewnętrzna ma złożoną strukturę z enzymami, białkami i tłuszczami, umożliwiając swobodny przepływ wody, dwutlenku węgla i tlenu.
Inne cząsteczki, w tym duże białka, mogą przenikać przez błonę, ale tylko poprzez specjalne białka transportowe, które ograniczają ich przejście. Duża powierzchnia błony wewnętrznej, wynikająca z fałdów cristae, zapewnia miejsce dla wszystkich tych złożonych struktur białkowych i chemicznych.
Ich duża liczba pozwala na wysoki poziom aktywności chemicznej i wydajną produkcję energii.
Nazywa się to procesem, w którym energia jest wytwarzana przez transfery chemiczne przez błonę wewnętrzną fosforylacja oksydacyjna.
Podczas tego procesu utlenianie węglowodanów w mitochondriach pompuje protony przez błonę wewnętrzną od matrycy do przestrzeni międzybłonowej. Brak równowagi w protonach powoduje, że protony dyfundują z powrotem przez błonę wewnętrzną do matrycy przez kompleks enzymów, który jest formą prekursorową ATP i nazywa się syntazą ATP.
Z kolei przepływ protonów przez syntazę ATP stanowi podstawę syntezy ATP i wytwarza cząsteczki ATP, główny mechanizm magazynowania energii w komórkach.
Co jest w matrycy?
Lepki płyn wewnątrz wewnętrznej membrany nazywa się matrycą.
Oddziałuje z błoną wewnętrzną, wypełniając główne funkcje wytwarzające energię mitochondriów. Zawiera enzymy i chemikalia, które biorą udział w cyklu Krebsa do produkcji ATP z glukozy i kwasów tłuszczowych.
Matryca znajduje się tam, gdzie znajduje się genom mitochondrialny złożony z okrągłego DNA i gdzie znajdują się rybosomy. Obecność rybosomów i DNA oznacza, że mitochondria mogą wytwarzać własne białka i rozmnażać się przy użyciu własnego DNA, bez polegania na podziale komórek.
Jeśli mitochondria wydają się małe, kompletne komórki same w sobie, to dlatego, że prawdopodobnie były oddzielnymi komórkami w pewnym momencie, gdy pojedyncze komórki wciąż ewoluowały.
Bakterie podobne do mitochondrium weszły do większych komórek jako pasożyty i pozwolono im pozostać, ponieważ ich rozmieszczenie było korzystne dla obu stron.
Bakterie były w stanie rozmnażać się w bezpiecznym środowisku i dostarczały energię do większej komórki. Przez setki milionów lat bakterie zintegrowały się z organizmami wielokomórkowymi i przekształciły się w dzisiejsze mitochondria.
Ponieważ znajdują się dzisiaj w komórkach zwierzęcych, stanowią kluczowy element wczesnej ewolucji człowieka.
Ponieważ mitochondria mnożą się niezależnie w oparciu o genom mitochondrialny i nie biorą udziału w podziale komórek, nowe komórki po prostu dziedziczą mitochondria, które zdarzają się w swojej części cytosolu, gdy komórka dzieli się.
Ta funkcja jest ważna dla reprodukcji organizmów wyższych, w tym ludzi, ponieważ zarodki rozwijają się z zapłodnionego jaja.
Komórka jajowa od matki jest duża i zawiera dużo mitochondriów w cytozolu, podczas gdy zapłodniona komórka nasienia od ojca prawie jej nie ma. W rezultacie dzieci dziedziczą mitochondria i mitochondrialne DNA od matki.
Dzięki funkcji syntezy ATP w macierzy i oddychaniu komórkowemu przez podwójną błonę mitochondria i funkcja mitochondriów są kluczowym składnikiem komórek zwierzęcych i pomagają w tworzeniu życia takim, jakie istnieje.
Struktura komórkowa z organellami związanymi z błoną odegrała ważną rolę w ewolucji człowieka, a mitochondria wnieśli istotny wkład.