الميتوكوندريا: التعريف والبنية والوظيفة (مع رسم بياني)

تقوم الخلايا حقيقية النواة للكائنات الحية باستمرار بعدد كبير من التفاعلات الكيميائية للعيش والنمو والتكاثر ومقاومة الأمراض.

كل هذه العمليات تتطلب طاقة على المستوى الخلوي. تحصل كل خلية تشارك في أي من هذه الأنشطة على طاقتها من الميتوكوندريا ، وهي عضيات صغيرة تعمل كمراكز قوة للخلايا. المفرد في الميتوكوندريا هو الميتوكوندريا.

في البشر ، لا تحتوي خلايا مثل كريات الدم الحمراء على هذه العضيات الدقيقة ، لكن معظم الخلايا الأخرى بها أعداد كبيرة من الميتوكوندريا. على سبيل المثال ، قد تحتوي خلايا العضلات على المئات أو حتى الآلاف لتلبية احتياجاتها من الطاقة.

تقريبا كل كائن حي يتحرك أو ينمو أو يفكر لديه ميتوكوندريا في الخلفية ، مما ينتج الطاقة الكيميائية اللازمة.

الميتوكوندريا هي عضيات مرتبطة بالغشاء محاطة بغشاء مزدوج.

لديهم غشاء خارجي أملس يحيط بالعضية وغشاء داخلي مطوي. طيات الغشاء الداخلي تسمى cristae ، المفرد منها هو crista ، والطيات هي المكان الذي تحدث فيه التفاعلات التي تخلق طاقة الميتوكوندريا.

يحتوي الغشاء الداخلي على سائل يسمى المصفوفة بينما يمتلئ الحيز بين الغشاء الموجود بين الغشاءين بالسائل.

بسبب هذا الهيكل الخلوي البسيط نسبيًا ، فإن الميتوكوندريا لها وحدتا تخزين منفصلتان فقط: المصفوفة داخل الغشاء الداخلي والفضاء بين الغشاء. يعتمدون على عمليات النقل بين المجلدين لتوليد الطاقة.

لزيادة الكفاءة وتعظيم إمكانات توليد الطاقة ، تخترق طيات الغشاء الداخلي عمق المصفوفة.

نتيجة لذلك ، يحتوي الغشاء الداخلي على مساحة سطح كبيرة ، ولا يوجد أي جزء من المصفوفة بعيدًا عن طية الغشاء الداخلي. تساعد الطيات ومساحة السطح الكبيرة في وظيفة الميتوكوندريا ، مما يزيد من معدل النقل المحتمل بين المصفوفة والفضاء بين الغشاء عبر الغشاء الداخلي.

بينما تطورت الخلايا المفردة في الأصل بدون الميتوكوندريا أو العضيات الأخرى المرتبطة بالغشاء ، إلا أنها معقدة متعددة الخلايا تحصل الكائنات الحية والحيوانات ذوات الدم الحار مثل الثدييات على طاقتها من التنفس الخلوي بناءً على الميتوكوندريا وظيفة.

تحتوي الوظائف عالية الطاقة مثل تلك الموجودة في عضلات القلب أو أجنحة الطيور على تركيزات عالية من الميتوكوندريا التي توفر الطاقة اللازمة.

من خلال وظيفة تخليق ATP ، تنتج الميتوكوندريا في العضلات والخلايا الأخرى حرارة الجسم لإبقاء الحيوانات ذوات الدم الحار عند درجة حرارة ثابتة. إن قدرة الميتوكوندريا على إنتاج الطاقة المركزة هي التي تجعل الأنشطة عالية الطاقة وإنتاج الحرارة في الحيوانات الأعلى أمرًا ممكنًا.

تعتمد دورة إنتاج الطاقة في الميتوكوندريا على سلسلة نقل الإلكترون جنبًا إلى جنب مع حمض الستريك أو دورة كريبس.
اقرأ المزيد عن دورة كريبس.

تسمى عملية تكسير الكربوهيدرات مثل الجلوكوز لصنع ثلاثي فوسفات الأدينوسين الهدم. يتم تمرير الإلكترونات من أكسدة الجلوكوز على طول سلسلة تفاعل كيميائي تتضمن دورة حمض الستريك.

يتم استخدام الطاقة من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، أو الأكسدة ، لنقل البروتونات خارج المصفوفة حيث تحدث التفاعلات. يكون التفاعل النهائي في سلسلة وظائف الميتوكوندريا هو التفاعل الذي يخضع فيه الأكسجين من التنفس الخلوي للاختزال لتكوين الماء. المنتجات النهائية للتفاعلات هي الماء و ATP.

الإنزيمات الرئيسية المسؤولة عن إنتاج طاقة الميتوكوندريا هي نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات (NADP) ، نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) ، ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وفلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (موضة عابرة).

إنهم يعملون معًا للمساعدة في نقل البروتونات من جزيئات الهيدروجين في المصفوفة عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي. هذا يخلق جهدًا كيميائيًا وكهربائيًا عبر الغشاء مع عودة البروتونات إلى المصفوفة من خلال إنزيم ATP سينسيز ، مما يؤدي إلى الفسفرة وإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
اقرأ عن هيكل ووظيفة ATP.

تخليق ATP وجزيئات ATP هي الناقلات الرئيسية للطاقة في الخلايا ويمكن أن تستخدمها الخلايا لإنتاج المواد الكيميائية اللازمة للكائنات الحية.

•••علم

بالإضافة إلى كونها منتجة للطاقة ، يمكن للميتوكوندريا أن تساعد في إرسال الإشارات من خلية إلى أخرى من خلال إطلاق الكالسيوم.

تمتلك الميتوكوندريا القدرة على تخزين الكالسيوم في المصفوفة ويمكنها إطلاقه عند وجود إنزيمات أو هرمونات معينة. نتيجة لذلك ، قد ترى الخلايا التي تنتج مثل هذه المواد الكيميائية المحفزة إشارة ارتفاع الكالسيوم من إطلاق الميتوكوندريا.

بشكل عام ، تعد الميتوكوندريا مكونًا حيويًا للخلايا الحية ، حيث تساعد في تفاعلات الخلايا ، وتوزيع المواد الكيميائية المعقدة وإنتاج ATP الذي يشكل أساس الطاقة لجميع أشكال الحياة.

الغشاء المزدوج للميتوكوندريا له وظائف مختلفة للغشاء الداخلي والخارجي والغشاءين ويتكون من مواد مختلفة.

يحيط غشاء الميتوكوندريا الخارجي بسائل الفضاء بين الغشاء ، ولكن يجب أن يسمح للمواد الكيميائية التي تحتاجها الميتوكوندريا بالمرور عبره. يجب أن تكون جزيئات تخزين الطاقة التي تنتجها الميتوكوندريا قادرة على ترك العضية وتوصيل الطاقة إلى بقية الخلية.

للسماح بمثل هذه التحويلات ، يتكون الغشاء الخارجي من الدهون الفوسفورية وتسمى هياكل البروتين بورين التي تترك ثقوبًا صغيرة أو مسامًا في سطح الغشاء.

يحتوي الفضاء بين الغشاء على سائل له تركيبة مماثلة لتكوين العصارة الخلوية التي تشكل السائل في الخلية المحيطة.

يمكن للجزيئات الصغيرة والأيونات والمغذيات وجزيء ATP الحامل للطاقة الناتج عن تخليق ATP تخترق الغشاء الخارجي والانتقال بين سائل الفضاء بين الغشاء و العصارة الخلوية ..

يحتوي الغشاء الداخلي على بنية معقدة تحتوي على إنزيمات وبروتينات ودهون تسمح فقط للماء وثاني أكسيد الكربون والأكسجين بالمرور عبر الغشاء بحرية.

يمكن للجزيئات الأخرى ، بما في ذلك البروتينات الكبيرة ، اختراق الغشاء ولكن فقط من خلال بروتينات نقل خاصة تحد من مرورها. توفر مساحة السطح الكبيرة للغشاء الداخلي ، الناتجة عن طيات cristae ، مساحة لكل هذه الهياكل البروتينية والكيميائية المعقدة.

يسمح عددها الكبير بمستوى عالٍ من النشاط الكيميائي وإنتاج فعال للطاقة.

تسمى العملية التي يتم من خلالها إنتاج الطاقة من خلال عمليات النقل الكيميائية عبر الغشاء الداخلي الفسفرة التأكسدية.

خلال هذه العملية ، تقوم أكسدة الكربوهيدرات في الميتوكوندريا بضخ البروتونات عبر الغشاء الداخلي من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء. يؤدي عدم التوازن في البروتونات إلى انتشار البروتونات مرة أخرى عبر الغشاء الداخلي إلى المصفوفة من خلال مركب إنزيمي يُعد أحد أشكال ATP ويسمى سينسيز ATP.

يعد تدفق البروتونات عبر سينسيز ATP بدوره أساس تخليق ATP وينتج جزيئات ATP ، وهي آلية تخزين الطاقة الرئيسية في الخلايا.

يسمى السائل اللزج الموجود داخل الغشاء الداخلي بالمصفوفة.

يتفاعل مع الغشاء الداخلي لأداء وظائف إنتاج الطاقة الرئيسية للميتوكوندريا. يحتوي على الإنزيمات والمواد الكيميائية التي تشارك في دورة كريبس لإنتاج ATP من الجلوكوز والأحماض الدهنية.

المصفوفة هي المكان الذي يوجد فيه جينوم الميتوكوندريا المكون من دنا دائري وحيث توجد الريبوسومات. يعني وجود الريبوسومات والحمض النووي أن الميتوكوندريا يمكنها إنتاج البروتينات الخاصة بها ويمكنها التكاثر باستخدام الحمض النووي الخاص بها ، دون الاعتماد على انقسام الخلايا.

إذا بدت الميتوكوندريا على أنها خلايا صغيرة وكاملة من تلقاء نفسها ، فذلك لأنها كانت على الأرجح خلايا منفصلة في مرحلة ما عندما كانت الخلايا الفردية لا تزال تتطور.

دخلت البكتيريا الشبيهة بالميتوكوندريا إلى خلايا أكبر كطفيليات وسمح لها بالبقاء لأن الترتيب كان مفيدًا للطرفين.

كانت البكتيريا قادرة على التكاثر في بيئة آمنة وتوفير الطاقة للخلية الأكبر. على مدى مئات الملايين من السنين ، اندمجت البكتيريا في كائنات متعددة الخلايا وتطورت إلى الميتوكوندريا اليوم.

نظرًا لوجودها في الخلايا الحيوانية اليوم ، فإنها تشكل جزءًا أساسيًا من التطور البشري المبكر.

نظرًا لأن الميتوكوندريا تتكاثر بشكل مستقل بناءً على جينوم الميتوكوندريا ولا تشارك في الخلية الانقسام ، ترث الخلايا الجديدة ببساطة الميتوكوندريا التي تصادف أن تكون في الجزء الخاص بها من العصارة الخلوية عندما يقسم.

هذه الوظيفة مهمة لتكاثر الكائنات الحية الأعلى ، بما في ذلك البشر ، لأن الأجنة تتطور من بويضة مخصبة.

إن خلية البويضة المأخوذة من الأم كبيرة وتحتوي على الكثير من الميتوكوندريا في العصارة الخلوية الخاصة بها بينما تكاد الخلية المنوية المخصبة من الأب لا تحتوي على أي منها. نتيجة لذلك ، يرث الأطفال الميتوكوندريا وحمضها النووي من أمهاتهم.

من خلال وظيفة تخليق ATP في المصفوفة ومن خلال التنفس الخلوي عبر الغشاء المزدوج ، الميتوكوندريا ووظيفة الميتوكوندريا هي عنصر أساسي في الخلايا الحيوانية وتساعد على جعل الحياة كما هي ممكن.

لعبت بنية الخلية ذات العضيات المرتبطة بالغشاء دورًا مهمًا في التطور البشري وقد قدمت الميتوكوندريا مساهمة أساسية.