Τα ευκαρυωτικά κύτταρα ζωντανών οργανισμών εκτελούν συνεχώς έναν τεράστιο αριθμό χημικών αντιδράσεων για να ζήσουν, να αναπτυχθούν, να αναπαραχθούν και να καταπολεμήσουν τις ασθένειες.
Όλες αυτές οι διαδικασίες απαιτούν ενέργεια σε κυτταρικό επίπεδο. Κάθε κύτταρο που ασχολείται με οποιαδήποτε από αυτές τις δραστηριότητες παίρνει την ενέργειά του από τα μιτοχόνδρια, μικροσκοπικά οργανίδια που δρουν ως δυναμικά των κυττάρων. Το μοναδικό των μιτοχονδρίων είναι το μιτοχόνδριο.
Στους ανθρώπους, κύτταρα όπως τα ερυθρά αιμοσφαίρια δεν έχουν αυτά τα μικροσκοπικά οργανίδια, αλλά τα περισσότερα άλλα κύτταρα έχουν μεγάλο αριθμό μιτοχονδρίων. Τα μυϊκά κύτταρα, για παράδειγμα, μπορεί να έχουν εκατοντάδες ή και χιλιάδες για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές τους ανάγκες.
Σχεδόν κάθε ζωντανό πράγμα που κινείται, μεγαλώνει ή σκέφτεται έχει μιτοχόνδρια στο παρασκήνιο, παράγοντας την απαραίτητη χημική ενέργεια.
Δομή των μιτοχονδρίων
Τα μιτοχόνδρια είναι οργανικά συνδεδεμένα με μεμβράνη που περικλείονται από διπλή μεμβράνη.
Έχουν μια λεία εξωτερική μεμβράνη που περικλείει το οργανίδιο και μια διπλωμένη εσωτερική μεμβράνη. Οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης ονομάζονται cristae, η μοναδική της οποίας είναι crista, και οι πτυχές είναι όπου πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις που δημιουργούν μιτοχονδριακή ενέργεια.
Η εσωτερική μεμβράνη περιέχει ένα υγρό που ονομάζεται μήτρα, ενώ ο διαμεμβρανικός χώρος που βρίσκεται μεταξύ των δύο μεμβρανών είναι επίσης γεμάτος με υγρό.
Λόγω αυτής της σχετικά απλής δομής των κυττάρων, τα μιτοχόνδρια έχουν μόνο δύο ξεχωριστούς όγκους λειτουργίας: τη μήτρα μέσα στην εσωτερική μεμβράνη και τον διαμεμβρανικό χώρο. Βασίζονται σε μεταφορές μεταξύ των δύο τόμων για την παραγωγή ενέργειας.
Για την αύξηση της απόδοσης και τη μεγιστοποίηση του δυναμικού δημιουργίας ενέργειας, οι εσωτερικές πτυχές της μεμβράνης διεισδύουν βαθιά μέσα στη μήτρα.
Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική μεμβράνη έχει μεγάλο εμβαδόν επιφανείας, και κανένα μέρος της μήτρας δεν απέχει πολύ από την εσωτερική πτυχή της μεμβράνης. Οι πτυχές και η μεγάλη επιφάνεια βοηθούν στη λειτουργία των μιτοχονδρίων, αυξάνοντας τον πιθανό ρυθμό μεταφοράς μεταξύ της μήτρας και του διαμεμβρανικού χώρου κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης.
Γιατί είναι σημαντικά τα μιτοχόνδρια;
Ενώ τα μεμονωμένα κύτταρα εξελίχθηκαν αρχικά χωρίς μιτοχόνδρια ή άλλα συνδεδεμένα με μεμβράνη οργανίδια, πολύπλοκα πολυκύτταρα οργανισμοί και θερμόαιμα ζώα όπως τα θηλαστικά παίρνουν την ενέργειά τους από την κυτταρική αναπνοή με βάση τα μιτοχονδριακά λειτουργία.
Οι λειτουργίες υψηλής ενέργειας, όπως οι καρδιακοί μύες ή τα φτερά των πουλιών, έχουν υψηλές συγκεντρώσεις μιτοχονδρίων που παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια.
Μέσω της λειτουργίας σύνθεσης ATP, τα μιτοχόνδρια στους μυς και σε άλλα κύτταρα παράγουν θερμότητα στο σώμα για να διατηρούν τα θερμόαιμα ζώα σε σταθερή θερμοκρασία. Αυτή η ικανότητα παραγωγής συγκεντρωμένης ενέργειας των μιτοχονδρίων καθιστά δυνατές τις δραστηριότητες υψηλής ενέργειας και την παραγωγή θερμότητας σε υψηλότερα ζώα.
Μιτοχονδριακές λειτουργίες
Ο κύκλος παραγωγής ενέργειας στα μιτοχόνδρια βασίζεται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων μαζί με τον κύκλο κιτρικού οξέος ή Krebs.
Διαβάστε περισσότερα για τον Κύκλο Krebs.
Η διαδικασία της διάσπασης των υδατανθράκων, όπως η γλυκόζη για την παραγωγή ATP, ονομάζεται καταβολισμός. Τα ηλεκτρόνια από την οξείδωση της γλυκόζης περνούν κατά μήκος μιας αλυσίδας χημικής αντίδρασης που περιλαμβάνει τον κύκλο του κιτρικού οξέος.
Ενέργεια από τη μείωση-οξείδωση ή την οξειδοαναγωγική αντίδραση χρησιμοποιείται για τη μεταφορά πρωτονίων από τη μήτρα όπου πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις. Η τελική αντίδραση στη μιτοχονδριακή αλυσίδα λειτουργίας είναι εκείνη στην οποία το οξυγόνο από την κυτταρική αναπνοή υφίσταται αναγωγή για να σχηματίσει νερό. Τα τελικά προϊόντα των αντιδράσεων είναι νερό και ATP.
Τα βασικά ένζυμα που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή ενέργειας μιτοχονδρίων είναι το φωσφορικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (NADP), δινουκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου αδενίνης (NAD), διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και δινουκλεοτίδιο φλαβίνης αδενίνης (ΦΑΝΤΑΣΙΟΠΛΗΞΙΑ).
Συνεργάζονται για να βοηθήσουν στη μεταφορά πρωτονίων από μόρια υδρογόνου στη μήτρα μέσω της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Αυτό δημιουργεί ένα χημικό και ηλεκτρικό δυναμικό κατά μήκος της μεμβράνης με τα πρωτόνια να επιστρέφουν στη μήτρα μέσω του ενζύμου συνθετάσης ΑΤΡ, με αποτέλεσμα τη φωσφορυλίωση και την παραγωγή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP).
Διαβάστε για τη δομή και τη λειτουργία του ATP.
Η σύνθεση ATP και τα μόρια ATP είναι οι πρωταρχικοί φορείς ενέργειας στα κύτταρα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα κύτταρα για την παραγωγή των χημικών ουσιών που είναι απαραίτητες για τους ζωντανούς οργανισμούς.
•••Επιστήμη
Εκτός από το γεγονός ότι είναι παραγωγοί ενέργειας, τα μιτοχόνδρια μπορούν να βοηθήσουν στην κυτταρική σηματοδότηση μέσω της απελευθέρωσης ασβεστίου.
Τα μιτοχόνδρια έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν ασβέστιο στη μήτρα και μπορούν να το απελευθερώσουν όταν υπάρχουν συγκεκριμένα ένζυμα ή ορμόνες. Ως αποτέλεσμα, τα κύτταρα που παράγουν τέτοια χημικά ενεργοποίησης μπορεί να δουν το σήμα αύξησης του ασβεστίου από την απελευθέρωση από τα μιτοχόνδρια.
Συνολικά, τα μιτοχόνδρια είναι ζωτικής σημασίας συστατικό των ζωντανών κυττάρων, βοηθώντας στις αλληλεπιδράσεις των κυττάρων, διανέμοντας πολύπλοκες χημικές ουσίες και παράγοντας το ATP που αποτελεί την ενεργειακή βάση για όλη τη ζωή.
Οι εσωτερικές και εξωτερικές μιτοχονδριακές μεμβράνες
Η μιτοχονδριακή διπλή μεμβράνη έχει διαφορετικές λειτουργίες για την εσωτερική και εξωτερική μεμβράνη και τις δύο μεμβράνες και αποτελείται από διαφορετικές ουσίες.
Η εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη περικλείει το υγρό του διαμεμβρανικού χώρου, αλλά πρέπει να επιτρέπει σε χημικές ουσίες που τα μιτοχόνδρια πρέπει να περάσουν μέσα από αυτό. Τα μόρια αποθήκευσης ενέργειας που παράγονται από τα μιτοχόνδρια πρέπει να είναι σε θέση να εγκαταλείψουν το οργανίδιο και να παραδώσουν ενέργεια στο υπόλοιπο κύτταρο.
Για να επιτρέπονται τέτοιες μεταφορές, η εξωτερική μεμβράνη αποτελείται από φωσφολιπίδια και πρωτεϊνικές δομές που ονομάζονται πορσελάνες που αφήνουν μικροσκοπικές τρύπες ή πόρους στην επιφάνεια της μεμβράνης.
Ο διαμεμβρανικός χώρος περιέχει υγρό που έχει σύνθεση παρόμοια με εκείνη του κυτοσολίου που αποτελεί το υγρό του περιβάλλοντος κυττάρου.
Μικρά μόρια, ιόντα, θρεπτικά συστατικά και το ενεργειακό μόριο ATP που παράγεται από ATP σύνθεση μπορεί διεισδύει στην εξωτερική μεμβράνη και μετάβαση μεταξύ του υγρού του διαμεμβρανικού χώρου και του κυτοσόλη ..
Η εσωτερική μεμβράνη έχει σύνθετη δομή με ένζυμα, πρωτεΐνες και λίπη που επιτρέπουν μόνο το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο να περνούν ελεύθερα από τη μεμβράνη.
Άλλα μόρια, συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων πρωτεϊνών, μπορούν να διεισδύσουν στη μεμβράνη αλλά μόνο μέσω ειδικών πρωτεϊνών μεταφοράς που περιορίζουν τη διέλευσή τους. Η μεγάλη επιφάνεια της εσωτερικής μεμβράνης, που προκύπτει από τις πτυχές cristae, παρέχει χώρο για όλες αυτές τις σύνθετες πρωτεϊνικές και χημικές δομές.
Ο μεγάλος αριθμός τους επιτρέπει υψηλό επίπεδο χημικής δραστηριότητας και αποτελεσματική παραγωγή ενέργειας.
Η διαδικασία με την οποία παράγεται ενέργεια μέσω χημικών μεταφορών μέσω της εσωτερικής μεμβράνης καλείται οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η οξείδωση των υδατανθράκων στα μιτοχόνδρια αντλεί πρωτόνια κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης από τη μήτρα στον διαμεμβρανικό χώρο. Η ανισορροπία στα πρωτόνια αναγκάζει τα πρωτόνια να διαχέονται πίσω από την εσωτερική μεμβράνη μέσα στη μήτρα μέσω ενός συμπλόκου ενζύμου που είναι μια πρόδρομη μορφή της ΑΤΡ και ονομάζεται συνθετάση ΑΤΡ.
Η ροή των πρωτονίων μέσω της ATP συνθάσης με τη σειρά της είναι η βάση για τη σύνθεση ATP και παράγει ATP μόρια, τον κύριο μηχανισμό αποθήκευσης ενέργειας στα κύτταρα.
Τι υπάρχει στο Matrix;
Το ιξώδες υγρό μέσα στην εσωτερική μεμβράνη ονομάζεται μήτρα.
Αλληλεπιδρά με την εσωτερική μεμβράνη για την εκτέλεση των κύριων λειτουργιών παραγωγής ενέργειας των μιτοχονδρίων. Περιέχει τα ένζυμα και τις χημικές ουσίες που συμμετέχουν στον κύκλο krebs για την παραγωγή ATP από γλυκόζη και λιπαρά οξέα.
Η μήτρα είναι όπου βρίσκεται το μιτοχονδριακό γονιδίωμα που αποτελείται από κυκλικό DNA και όπου βρίσκονται τα ριβοσώματα. Η παρουσία ριβοσωμάτων και DNA σημαίνει ότι τα μιτοχόνδρια μπορούν να παράγουν τις δικές τους πρωτεΐνες και μπορούν να αναπαραχθούν χρησιμοποιώντας το δικό τους DNA, χωρίς να βασίζονται στην κυτταρική διαίρεση.
Εάν τα μιτοχόνδρια φαίνεται να είναι μικροσκοπικά, πλήρη κύτταρα από μόνα τους, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ήταν πιθανώς ξεχωριστά κύτταρα σε ένα σημείο όταν τα μεμονωμένα κύτταρα εξελίχθηκαν ακόμη.
Τα μιτοχόνδρια βακτήρια εισήλθαν σε μεγαλύτερα κύτταρα ως παράσιτα και αφέθηκαν να παραμείνουν επειδή η διάταξη ήταν αμοιβαία επωφελής.
Τα βακτήρια μπόρεσαν να αναπαραχθούν σε ένα ασφαλές περιβάλλον και παρείχαν ενέργεια στο μεγαλύτερο κύτταρο. Πάνω από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, τα βακτήρια ενσωματώθηκαν σε πολυκυτταρικούς οργανισμούς και εξελίχθηκαν στα σημερινά μιτοχόνδρια.
Επειδή βρίσκονται σήμερα σε ζωικά κύτταρα, αποτελούν βασικό μέρος της πρώιμης ανθρώπινης εξέλιξης.
Δεδομένου ότι τα μιτοχόνδρια πολλαπλασιάζονται ανεξάρτητα βάσει του μιτοχονδριακού γονιδιώματος και δεν συμμετέχουν στο κύτταρο διαίρεση, τα νέα κύτταρα κληρονομούν απλώς τα μιτοχόνδρια που τυχαίνει να είναι στο τμήμα τους του κυτοσολίου όταν το κύτταρο χωρίζει.
Αυτή η λειτουργία είναι σημαντική για την αναπαραγωγή ανώτερων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, επειδή τα έμβρυα αναπτύσσονται από ένα γονιμοποιημένο ωάριο.
Το ωάριο από τη μητέρα είναι μεγάλο και περιέχει πολλά μιτοχόνδρια στο κυτοσόλιό του, ενώ το γονιμοποιητικό σπέρμα από τον πατέρα δεν έχει σχεδόν καθόλου. Ως αποτέλεσμα, τα παιδιά κληρονομούν τα μιτοχόνδρια και το μιτοχονδριακό τους DNA από τη μητέρα τους.
Μέσω της λειτουργίας σύνθεσης ATP στη μήτρα και μέσω της κυτταρικής αναπνοής κατά μήκος της διπλής μεμβράνης, Τα μιτοχόνδρια και η μιτοχονδριακή λειτουργία αποτελούν βασικό συστατικό των ζωικών κυττάρων και συμβάλλουν στη ζωή όπως υπάρχει δυνατόν.
Η κυτταρική δομή με οργανικά οργανικά μεμβράνη έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ανθρώπινη εξέλιξη και τα μιτοχόνδρια έχουν συμβάλει ουσιαστικά.