Еукариотните клетки на живите организми непрекъснато извършват огромен брой химически реакции, за да живеят, растат, размножават се и се борят с болестите.
Всички тези процеси изискват енергия на клетъчно ниво. Всяка клетка, която се занимава с някоя от тези дейности, получава енергията си от митохондриите, малки органели, които действат като двигатели на клетките. Единствено число на митохондриите е митохондрия.
При хората клетки като червените кръвни клетки нямат тези малки органели, но повечето други клетки имат голям брой митохондрии. Мускулните клетки например могат да имат стотици или дори хиляди, за да задоволят своите енергийни нужди.
Почти всяко живо същество, което се движи, расте или мисли, има митохондрии на заден план, произвеждайки необходимата химическа енергия.
Структура на митохондриите
Митохондриите са мембранно свързани органели, затворени от двойна мембрана.
Те имат гладка външна мембрана, затваряща органелата и сгъната вътрешна мембрана. Гънките на вътрешната мембрана се наричат криста, чието единствено число е криста, а гънките са мястото, където протичат реакциите, създаващи митохондриална енергия.
Вътрешната мембрана съдържа течност, наречена матрица, докато междумембранното пространство, разположено между двете мембрани, също е запълнено с течност.
Поради тази относително проста клетъчна структура, митохондриите имат само два отделни оперативни обема: матрикса във вътрешната мембрана и междумембранното пространство. Те разчитат на трансфери между двата обема за производство на енергия.
За да се увеличи ефективността и да се увеличи потенциалът за създаване на енергия, вътрешните мембранни гънки проникват дълбоко в матрицата.
В резултат на това вътрешната мембрана има голяма повърхност и никоя част от матрицата не е далеч от вътрешната мембранна гънка. Гънките и голямата повърхност помагат за митохондриалната функция, увеличавайки потенциалната скорост на трансфер между матрицата и междумембранното пространство през вътрешната мембрана.
Защо са важни митохондриите?
Докато единичните клетки първоначално са еволюирали без митохондрии или други свързани с мембраната органели, сложни многоклетъчни организми и топлокръвни животни като бозайници получават енергията си от клетъчно дишане на базата на митохондриалните функция.
Високоенергийните функции като тези на сърдечните мускули или птичи крила имат високи концентрации на митохондрии, които доставят необходимата енергия.
Чрез своята функция за синтез на АТФ, митохондриите в мускулите и други клетки произвеждат телесната топлина, за да поддържат топлокръвните животни при стабилна температура. Именно тази способност за концентрирано производство на енергия на митохондриите прави възможно високоенергийните дейности и производството на топлина при висшите животни.
Митохондриални функции
Цикълът на производство на енергия в митохондриите разчита на електронната транспортна верига заедно с цикъла на лимонената киселина или Кребс.
Прочетете повече за цикъла на Кребс.
Процесът на разграждане на въглехидрати като глюкоза до получаване на АТФ се нарича катаболизъм. Електроните от окисляването на глюкозата се предават по верига на химична реакция, която включва цикъла на лимонената киселина.
Енергията от редукционно-окислителните или окислително-редукционни реакции се използва за прехвърляне на протони от матрицата, където протичат реакциите. Последната реакция във веригата на митохондриалната функция е тази, при която кислородът от клетъчното дишане претърпява редукция, за да образува вода. Крайните продукти на реакциите са вода и АТФ.
Ключовите ензими, отговорни за производството на митохондриална енергия, са никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP), никотинамид аденин динуклеотид (NAD), аденозин дифосфат (ADP) и флавин аденин динуклеотид (ПРИЩЯВКА).
Те работят заедно, за да подпомогнат преноса на протони от молекулите на водорода в матрицата през вътрешната митохондриална мембрана. Това създава химичен и електрически потенциал в мембраната с протоните, които се връщат в матрицата чрез ензима АТФ синтаза, което води до фосфорилиране и производство на аденозин трифосфат (ATP).
Прочетете за структурата и функцията на АТФ.
Синтезът на АТФ и молекулите на АТФ са основните носители на енергия в клетките и могат да бъдат използвани от клетките за производството на химикали, необходими за живите организми.
•••Наука
В допълнение към това, че са производители на енергия, митохондриите могат да помогнат за сигнализиране от клетка до клетка чрез освобождаването на калций.
Митохондриите имат способността да съхраняват калций в матрицата и могат да го освободят, когато присъстват определени ензими или хормони. В резултат на това клетките, произвеждащи такива задействащи химикали, могат да видят сигнала за повишаване на калция от освобождаването от митохондриите.
Като цяло митохондриите са жизненоважен компонент на живите клетки, помагат при клетъчните взаимодействия, разпространяват сложни химикали и произвеждат АТФ, който формира енергийната основа за целия живот.
Вътрешните и външните митохондриални мембрани
Двойната мембрана на митохондриите има различни функции за вътрешната и външната мембрана и двете мембрани и е изградена от различни вещества.
Външната митохондриална мембрана затваря течността от междумембранното пространство, но трябва да позволява на химикалите, от които митохондриите трябва да преминат през нея. Молекулите за акумулиране на енергия, произведени от митохондриите, трябва да могат да напуснат органелата и да доставят енергия до останалата част от клетката.
За да се позволи такъв трансфер, външната мембрана е изградена от фосфолипиди и наречени протеинови структури порини които оставят малки дупки или пори в повърхността на мембраната.
Междумембранното пространство съдържа течност, която има състав, подобен на този на цитозола, изграждащ течността на околната клетка.
Малки молекули, йони, хранителни вещества и енергоносител АТФ молекула, произведени от синтеза на АТФ могат проникват през външната мембрана и преминават между течността на междумембранното пространство и цитозол..
Вътрешната мембрана има сложна структура с ензими, протеини и мазнини, позволяващи само вода, въглероден диоксид и кислород да преминават свободно през мембраната.
Други молекули, включително големи протеини, могат да проникнат през мембраната, но само чрез специални транспортни протеини, които ограничават тяхното преминаване. Голямата повърхност на вътрешната мембрана, произтичаща от гънките на кристите, осигурява място за всички тези сложни протеинови и химични структури.
Техният голям брой позволява високо ниво на химическа активност и ефективно производство на енергия.
Нарича се процесът, при който енергията се произвежда чрез химически трансфери през вътрешната мембрана окислително фосфорилиране.
По време на този процес окисляването на въглехидратите в митохондриите изпомпва протони през вътрешната мембрана от матрицата в междумембранното пространство. Дисбалансът в протоните кара протоните да се дифузират обратно през вътрешната мембрана в матрицата чрез ензимен комплекс, който е предшественик на АТФ и се нарича АТФ синтаза.
Потокът от протони през АТФ синтазата от своя страна е основата за синтеза на АТФ и той произвежда АТФ молекули, основният механизъм за съхранение на енергия в клетките.
Какво има в матрицата?
Вискозната течност във вътрешната мембрана се нарича матрица.
Той взаимодейства с вътрешната мембрана, за да изпълнява основните функции за производство на енергия на митохондриите. Той съдържа ензимите и химикалите, които участват в цикъла на Кребс, за да произвеждат АТФ от глюкоза и мастни киселини.
Матрицата е мястото, където се намира митохондриалният геном, изграден от кръгова ДНК и където се намират рибозомите. Наличието на рибозоми и ДНК означава, че митохондриите могат да произвеждат свои собствени протеини и могат да се възпроизвеждат, използвайки собствена ДНК, без да разчитат на клетъчното делене.
Ако митохондриите изглеждат малки, пълни клетки сами по себе си, това е така, защото те вероятно са били отделни клетки в един момент, когато единични клетки все още са се развивали.
Подобни на митохондрии бактерии навлизат в по-големи клетки като паразити и им се позволява да останат, тъй като устройството е взаимно полезно.
Бактериите успяха да се размножат в сигурна среда и да доставят енергия на по-голямата клетка. В продължение на стотици милиони години бактериите се интегрираха в многоклетъчни организми и се превърнаха в днешните митохондрии.
Тъй като днес се намират в животинските клетки, те формират ключова част от ранната човешка еволюция.
Тъй като митохондриите се размножават независимо на базата на митохондриалния геном и не участват в клетката разделяне, новите клетки просто наследяват митохондриите, които се намират в тяхната част от цитозола, когато клетката разделя.
Тази функция е важна за размножаването на висшите организми, включително хората, тъй като ембрионите се развиват от оплодено яйце.
Яйчната клетка от майката е голяма и съдържа много митохондрии в своя цитозол, докато оплождащата сперматозоидна клетка от бащата почти няма. В резултат на това децата наследяват своите митохондрии и митохондриалната си ДНК от майка си.
Чрез тяхната функция за синтез на АТФ в матрицата и чрез клетъчно дишане през двойната мембрана, митохондриите и митохондриалната функция са ключов компонент на животинските клетки и помагат да се създаде живот такъв, какъвто съществува възможен.
Клетъчната структура с мембранно свързани органели е изиграла важна роля в човешката еволюция и митохондриите са допринесли съществено.