Elusorganismide eukarüootsed rakud viivad pidevalt läbi tohutu hulga keemilisi reaktsioone, et elada, kasvada, paljuneda ja tõrjuda haigusi.
Kõik need protsessid vajavad rakutasandil energiat. Iga rakk, mis osaleb mis tahes nendes tegevustes, saab energiat mitokondritest, pisikestest organellidest, mis toimivad rakkude jõujaamana. Mitokondrite ainsus on mitokondrion.
Inimestel ei ole sellistel rakkudel nagu punaverelibledel neid pisikesi organelle, kuid enamikul teistel rakkudel on suur hulk mitokondreid. Näiteks võib lihasrakkudel olla energiavajaduse rahuldamiseks sadu või isegi tuhandeid.
Peaaegu iga liikuva, kasvava või mõtleva elusolendi taustal on mitokondrid, mis toodavad vajalikku keemilist energiat.
Mitokondrite struktuur
Mitokondrid on membraaniga seotud organellid, mis on ümbritsetud kahekordse membraaniga.
Neil on organelli ümbritsev sile välimine membraan ja volditud sisemine membraan. Sisemise membraani voldid nimetatakse cristae, mille ainsus on crista, ja voldid on seal, kus toimuvad mitokondriaalse energia tekitavad reaktsioonid.
Sisemine membraan sisaldab vedelikku, mida nimetatakse maatriksiks, samas kui kahe membraani vahel paiknev intermembraanne ruum on samuti täidetud vedelikuga.
Selle suhteliselt lihtsa rakustruktuuri tõttu on mitokondritel ainult kaks eraldi töömahtu: sisemembraani sees olev maatriks ja intermembraanruum. Nad toetuvad energia tootmiseks kahe mahu vahelistele ülekannetele.
Efektiivsuse suurendamiseks ja energia loomise potentsiaali maksimeerimiseks tungivad sisemembraani voldid sügavale maatriksisse.
Selle tulemusena on sisemembraanil suur pind ja maatriksi ükski osa pole kaugel sisemembraani voldist. Voldid ja suur pind aitavad mitokondrite funktsiooni, suurendades sisemise membraani maatriksi ja intermembraanruumi vahelist potentsiaalset ülekandekiirust.
Miks on mitokondrid olulised?
Kui üksikud rakud arenesid algselt ilma mitokondrite või muude membraaniga seotud organellideta, siis komplekssed mitmerakulised organismid ja soojaverelised loomad, nagu imetajad, saavad energiat mitokondril põhineva rakuhingamise teel funktsioon.
Suure energiafunktsioonidega, näiteks südamelihaste või linnutiibade funktsioonides on mitokondrid kõrge kontsentratsiooniga, mis varustavad vajalikku energiat.
ATP sünteesifunktsiooni kaudu tekitavad lihastes ja muudes rakkudes olevad mitokondrid kehasoojust, et hoida soojaverelisi loomi püsival temperatuuril. Just see mitokondrite kontsentreeritud energiatootmise võime võimaldab kõrge energiaga tegevusi ja kõrgematel loomadel soojuse tootmist.
Mitokondriaalsed funktsioonid
Mitokondrite energiatootmise tsükkel sõltub elektronide transpordiahelast koos sidrunhappe või Krebsi tsükliga.
Lisateavet Krebsi tsükli kohta.
Süsivesikute, näiteks glükoosi lagundamise protsessi ATP saamiseks nimetatakse katabolismiks. Glükoosi oksüdeerumisel olevad elektronid viiakse läbi sidrunhappetsüklit hõlmava keemilise reaktsiooni ahela.
Redutseerimis-oksüdeerumise ehk redoksreaktsioonide energiat kasutatakse prootonite ülekandmiseks maatriksist, kus reaktsioonid toimuvad. Lõplik reaktsioon mitokondrite funktsiooniahelas on selline, kus rakuhingamisest saadud hapnik redutseerub, moodustades vett. Reaktsioonide lõppproduktideks on vesi ja ATP.
Mitokondriaalse energia tootmise eest vastutavad peamised ensüümid on nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat (NADP), nikotiinamiidadeniini dinukleotiid (NAD), adenosiindifosfaat (ADP) ja flaviinadeniini dinukleotiid (FAD).
Nad töötavad koos, et aidata maatriksis olevate vesiniku molekulide prootoneid üle sisemise mitokondriaalse membraani. See loob kogu membraani keemilise ja elektrilise potentsiaali koos prootonite naasmisega maatriksisse ensüümi ATP süntaasi kaudu, mille tulemuseks on fosforüülimine ja adenosiinitrifosfaadi tootmine (ATP).
Lugege ATP struktuuri ja funktsiooni kohta.
ATP süntees ja ATP molekulid on rakkudes peamised energia kandjad ning rakud saavad neid kasutada elusorganismidele vajalike kemikaalide tootmiseks.
•••Teadmine
Lisaks energiatootjatele võivad mitokondrid aidata kaltsiumi eraldumise kaudu rakkudelt signaali edastamisel.
Mitokondritel on võime maatriksisse kaltsiumi salvestada ja teatud ensüümide või hormoonide olemasolul võivad nad seda vabastada. Selle tulemusena võivad selliseid vallandavaid kemikaale tootvad rakud näha mitokondrite vabanemisest tulenevat kaltsiumi tõusu signaali.
Üldiselt on mitokondrid elusrakkude oluline komponent, aidates rakkude vastasmõjus, jaotades keerukaid kemikaale ja tootes ATP-d, mis moodustab kogu elu energiaaluse.
Mitokondrite sisemine ja välimine membraan
Mitokondriaalsel topeltmembraanil on sise- ja välismembraani ning kahe membraani jaoks erinevad funktsioonid ja see koosneb erinevatest ainetest.
Väline mitokondriaalne membraan sulgeb intermembraanse ruumi vedeliku, kuid see peab võimaldama kemikaalidel, mida mitokondrid vajavad, selle läbimiseks. Mitokondrite toodetud energiat salvestavad molekulid peavad suutma organellist lahkuda ja viia energia ülejäänud rakku.
Selliste ülekannete võimaldamiseks koosneb välimine membraan fosfolipiididest ja valgu struktuuridest, mida nimetatakse poore mis jätavad membraani pinnale pisikesed augud või poorid.
Membraanidevaheline ruum sisaldab vedelikku, mille koostis sarnaneb tsütosooliga, mis moodustab ümbritseva raku vedeliku.
ATP sünteesil tekkivad väikesed molekulid, ioonid, toitained ja energiat kandev ATP molekul võivad tungida väliskesta ja üleminek membraanidevahelise ruumi vedeliku ja tsütosool ..
Sisemembraanil on keeruline struktuur koos ensüümide, valkude ja rasvadega, mis võimaldavad membraani vabalt läbida ainult vett, süsinikdioksiidi ja hapnikku.
Teised molekulid, sealhulgas suured valgud, võivad tungida membraani, kuid ainult spetsiaalsete transpordivalkude kaudu, mis piiravad nende läbimist. Sisemembraani suur pindala, mis tuleneb ristikuvoltidest, annab ruumi kõigile neile keerukatele valgu- ja keemilistele struktuuridele.
Nende suur arv võimaldab kõrget keemilist aktiivsust ja tõhusat energia tootmist.
Protsessi, mille käigus toodetakse energiat sisemembraani kaudu toimuvate keemiliste ülekannete kaudu oksüdatiivne fosforüülimine.
Selle protsessi käigus pumpab süsivesikute oksüdeerumine mitokondrites prootoneid sisemise membraani kaudu maatriksist intermembraansesse ruumi. Prootonite tasakaalustamatus põhjustab prootonite difusiooni tagasi sisemembraanis maatriksisse ensüümi kompleksi kaudu, mis on ATP eelkäija vorm ja mida nimetatakse ATP süntaasiks.
Prootonite voog läbi ATP süntaasi on omakorda ATP sünteesi alus ja see toodab ATP molekule, mis on rakkudes peamine energia salvestamise mehhanism.
Mis on maatriksis?
Sisemembraani sees olevat viskoosset vedelikku nimetatakse maatriksiks.
See interakteerub sisemise membraaniga, et täita mitokondrite peamisi energiat tootvaid funktsioone. See sisaldab ensüüme ja kemikaale, mis osalevad krebsi tsüklis ATP tootmiseks glükoosist ja rasvhapetest.
Maatriks on see, kus leitakse ümmargusest DNA-st koosnev mitokondriaalne genoom ja kus asuvad ribosoomid. Ribosoomide ja DNA olemasolu tähendab, et mitokondrid võivad ise toota valke ja paljuneda oma DNA abil, tuginedes rakkude jagunemisele.
Kui mitokondrid tunduvad olevat üksikud pisikesed, terviklikud rakud, siis sellepärast, et nad olid tõenäoliselt ühel hetkel eraldi rakud, kui üksikud rakud alles arenesid.
Mitokondrionilaadsed bakterid sisenesid parasiitidena suurematesse rakkudesse ja neil lasti jääda, kuna see korraldus oli vastastikku kasulik.
Bakterid suutsid paljuneda turvalises keskkonnas ja tarnisid energiat suuremale rakule. Sadade miljonite aastate jooksul integreerusid bakterid mitmerakulistesse organismidesse ja arenesid tänasteks mitokondriteks.
Kuna neid leidub tänapäeval loomarakkudes, moodustavad nad inimese varase evolutsiooni võtmeosa.
Kuna mitokondrid paljunevad mitokondrite genoomist sõltumatult ja ei osale rakus jagunemist, pärivad uued rakud lihtsalt mitokondrid, mis raku ajal juhtuvad olema nende tsütosooli osas jagab.
See funktsioon on oluline kõrgemate organismide, sealhulgas inimeste paljunemiseks, kuna embrüod arenevad viljastatud munarakust.
Ema munarakk on suur ja sisaldab selle tsütosoolis palju mitokondreid, samas kui isalt pärineval viljastaval seemnerakul seda peaaegu pole. Seetõttu pärivad lapsed oma emalt oma mitokondrid ja mitokondriaalse DNA.
Nende ATP sünteesi funktsiooni kaudu maatriksis ja rakulise hingamise kaudu läbi topeltmembraani mitokondrid ja mitokondriaalne funktsioon on loomarakkude põhikomponent ja aitavad muuta elu selliseks, nagu see on olemas võimalik.
Membraaniga seotud organellidega rakustruktuuril on olnud oluline osa inimese evolutsioonis ja mitokondrid on andnud olulise panuse.