Elävien organismien eukaryoottisolut suorittavat jatkuvasti valtavan määrän kemiallisia reaktioita elääkseen, kasvaakseen, lisääntyäkseen ja torjuttaakseen sairauksia.
Kaikki nämä prosessit vaativat energiaa solutasolla. Jokainen solu, joka harjoittaa näitä toimintoja, saa energiansa mitokondrioista, pienistä organelleista, jotka toimivat solujen voimalaitoksina. Mitokondrioiden yksikkö on mitokondrio.
Ihmisillä soluilla, kuten punasoluilla, ei ole näitä pieniä organelleja, mutta useimmilla muilla soluilla on suuri määrä mitokondrioita. Esimerkiksi lihassoluilla voi olla satoja tai jopa tuhansia energiantarpeensa tyydyttämiseksi.
Lähes jokaisella liikkuvalla, kasvavalla tai ajattelevalla olennolla on mitokondrioita taustalla, mikä tuottaa tarvittavaa kemiallista energiaa.
Mitokondrioiden rakenne
Mitokondriot ovat membraaniin sitoutuneita organelleja, jotka on suljettu kaksoiskalvolla.
Heillä on sileä ulkokalvo, joka sulkee organellin, ja taitettu sisäkalvo. Sisäkalvon taitoksia kutsutaan cristaeiksi, jonka yksikkö on crista, ja taitoksissa tapahtuu mitokondrioiden energiaa muodostavia reaktioita.
Sisäkalvo sisältää matriisiksi kutsutun nesteen, kun taas kahden kalvon välinen kalvojen välinen tila on myös täytetty nesteellä.
Tämän suhteellisen yksinkertaisen solurakenteen takia mitokondrioilla on vain kaksi erillistä toimintatilavuutta: sisäkalvon sisällä oleva matriisi ja kalvojen välinen tila. Ne luottavat energiantuotantoon kahden tilavuuden välisiin siirtoihin.
Tehokkuuden lisäämiseksi ja energian luomispotentiaalin maksimoimiseksi sisäkalvon taitokset tunkeutuvat syvälle matriisiin.
Tämän seurauksena sisäkalvolla on suuri pinta-ala, eikä mikään matriisin osa ole kaukana sisäkalvon taitoksesta. Taitokset ja suuri pinta-ala auttavat mitokondrioiden toiminnassa, mikä lisää potentiaalista siirtonopeutta matriisin ja sisäkalvon läpi olevan kalvojen välisen tilan välillä.
Miksi mitokondriot ovat tärkeitä?
Vaikka yksittäiset solut kehittyivät alun perin ilman mitokondrioita tai muita kalvoon sitoutuneita organelleja, monimutkaiset monisoluiset organismit ja lämminveriset eläimet, kuten nisäkkäät, saavat energiansa soluhengityksestä mitokondrioon perustuen toiminto.
Suurenergisissä toiminnoissa, kuten sydänlihaksessa tai linnun siipissä, on suuria pitoisuuksia mitokondrioita, jotka toimittavat tarvittavan energian.
ATP-synteesitoimintonsa kautta lihasten ja muiden solujen mitokondriot tuottavat kehon lämpöä pitämään lämpöverisiä eläimiä tasaisessa lämpötilassa. Juuri tämä mitokondrioiden keskitetty energiantuotantokyky tekee mahdolliseksi korkean energiatoiminnan ja lämmöntuotannon korkeammilla eläimillä.
Mitokondrioiden toiminnot
Mitokondrioiden energiantuotantosykli perustuu elektronien siirtoketjuun sitruunahappo- tai Krebs-syklin ohella.
Lue lisää Krebs-syklistä.
Hiilihydraattien, kuten glukoosin, hajoamisprosessia ATP: n muodostamiseksi kutsutaan katabolismiksi. Glukoosihapetuksen elektronit kulkevat pitkin kemiallista reaktioketjua, joka sisältää sitruunahapposyklin.
Pelkistys-hapetus- tai redox-reaktioiden energiaa käytetään protonien siirtämiseen matriisista, jossa reaktiot tapahtuvat. Viimeinen reaktio mitokondrioiden toimintaketjussa on sellainen, jossa soluhengityksestä peräisin oleva happi pelkistyy muodostaen vettä. Reaktioiden lopputuotteita ovat vesi ja ATP.
Mitokondrioiden energiantuotannosta vastaavat keskeiset entsyymit ovat nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti (NADP), nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NAD), adenosiinidifosfaatti (ADP) ja flaviiniadeniinidinukleotidi (VILLITYS).
Ne työskentelevät yhdessä auttaakseen protonien siirtämistä matriisissa olevista vetymolekyyleistä sisäisen mitokondriokalvon läpi. Tämä luo kemiallisen ja sähköisen potentiaalin kalvon yli protonien palatessa matriisiin entsyymin ATP-syntaasin kautta, mikä johtaa fosforylaatioon ja adenosiinitrifosfaatin tuotantoon (ATP).
Lue ATP: n rakenteesta ja toiminnasta.
ATP-synteesi ja ATP-molekyylit ovat tärkeimmät energian kantajat soluissa, ja solut voivat käyttää niitä elävien organismien kannalta välttämättömien kemikaalien tuottamiseen.
•••Tutkiminen
Sen lisäksi, että mitokondriot ovat energiantuottajia, ne voivat auttaa solusta soluun signaloinnissa kalsiumin vapautumisen kautta.
Mitokondriot pystyvät varastoimaan kalsiumia matriisiin ja voivat vapauttaa sitä, kun tiettyjä entsyymejä tai hormoneja on läsnä. Tämän seurauksena solut, jotka tuottavat tällaisia laukaisevia kemikaaleja, voivat nähdä signaalin nousevasta kalsiumista mitokondrioiden vapautumisesta.
Mitokondriot ovat kaiken kaikkiaan elävien solujen tärkeä osa, jotka auttavat solujen vuorovaikutuksessa, jakavat monimutkaisia kemikaaleja ja tuottavat ATP: tä, joka muodostaa energian perustan koko elämään.
Sisäiset ja ulkoiset mitokondrioiden kalvot
Mitokondrioiden kaksoiskalvolla on erilaiset toiminnot sisä- ja ulkokalvolle sekä molemmille kalvoille, ja se koostuu eri aineista.
Ulompi mitokondrioiden kalvo sulkee kalvojen välisen tilan nesteen, mutta sen on sallittava kemikaalien, jotka mitokondrioiden on kuljettava sen läpi. Mitokondrioiden tuottamien energian varastointimolekyylien on kyettävä poistumaan organelleista ja toimittamaan energiaa muuhun soluun.
Tällaisten siirtojen mahdollistamiseksi ulkokalvo koostuu fosfolipideistä ja proteiinirakenteista, joita kutsutaan huokoset jotka jättävät pieniä reikiä tai huokosia kalvon pintaan.
Kalvojen välinen tila sisältää nestettä, jolla on samanlainen koostumus kuin sytosolilla, joka muodostaa ympäröivän solun nesteen.
Pienet molekyylit, ionit, ravintoaineet ja ATP-synteesillä tuotettu energiaa kuljettava ATP-molekyyli voivat tunkeutua ulkokalvoon ja siirtyminen kalvojen välisen tilan nesteen ja sytosoli ..
Sisämembraanilla on monimutkainen rakenne, jossa on entsyymejä, proteiineja ja rasvoja, jotka sallivat vain veden, hiilidioksidin ja hapen kulkevan kalvon läpi vapaasti.
Muut molekyylit, mukaan lukien suuret proteiinit, voivat tunkeutua kalvoon, mutta vain erityisten kuljetusproteiinien kautta, jotka rajoittavat niiden kulkemista. Sisäkalvon suuri pinta-ala, joka johtuu cristae-taitoksista, tarjoaa tilaa kaikille näille monimutkaisille proteiini- ja kemiallisille rakenteille.
Niiden suuri määrä mahdollistaa korkean kemiallisen aktiivisuuden ja tehokkaan energiantuotannon.
Prosessia, jolla energiaa tuotetaan kemiallisten siirtojen avulla sisäkalvon läpi, kutsutaan oksidatiivinen fosforylaatio.
Tämän prosessin aikana hiilihydraattien hapettuminen mitokondrioissa pumppaa protoneja sisämembraanin läpi matriisista kalvojen väliseen tilaan. Protonien epätasapaino saa protonit diffundoitumaan takaisin sisämembraanin läpi matriisiin entsyymikompleksin kautta, joka on ATP: n edeltäjämuoto ja jota kutsutaan ATP-syntaasiksi.
Protonien virtaus ATP-syntaasin läpi puolestaan on ATP-synteesin perusta ja se tuottaa ATP-molekyylejä, jotka ovat solujen tärkein energian varastointimekanismi.
Mitä matriisissa on?
Sisäkalvon sisällä olevaa viskoosia nestettä kutsutaan matriisiksi.
Se on vuorovaikutuksessa sisäkalvon kanssa mitokondrioiden tärkeimpien energiantuotantotoimintojen suorittamiseksi. Se sisältää entsyymejä ja kemikaaleja, jotka osallistuvat krebs-sykliin ATP: n tuottamiseksi glukoosista ja rasvahapoista.
Matriisi on paikka, josta löytyy pyöreästä DNA: sta koostuva mitokondrioiden genomi ja missä ribosomit sijaitsevat. Ribosomien ja DNA: n läsnäolo tarkoittaa, että mitokondriot voivat tuottaa omia proteiinejaan ja voivat lisääntyä omaa DNA: ta käyttäen turvautumatta solujen jakautumiseen.
Jos mitokondriot näyttävät olevan pieniä, täydellisiä soluja yksin, se johtuu siitä, että ne olivat luultavasti erillisiä soluja yhdessä vaiheessa, kun yksittäiset solut olivat vielä kehittymässä.
Mitokondrioiden kaltaiset bakteerit pääsivät suurempiin soluihin loisina ja niiden annettiin jäädä, koska järjestely oli molemminpuolinen hyöty.
Bakteerit pystyivät lisääntymään turvallisessa ympäristössä ja toimittivat energiaa suurempaan soluun. Satojen miljoonien vuosien aikana bakteerit integroituvat monisoluisiin organismeihin ja kehittyvät nykypäivän mitokondrioksi.
Koska niitä löytyy nykyään eläinsoluista, ne muodostavat keskeisen osan ihmisen varhaisesta evoluutiosta.
Koska mitokondriot lisääntyvät itsenäisesti mitokondrioiden genomin perusteella eivätkä osallistu soluun Jako, uudet solut yksinkertaisesti perivät mitokondriot, jotka sattuvat olemaan niiden osassa sytosolia, kun solu jakaa.
Tämä toiminto on tärkeä korkeampien eliöiden, myös ihmisten, lisääntymiselle, koska alkio kehittyy hedelmöitetystä munasolusta.
Äidin munasolu on suuri ja sen sytosolissa on paljon mitokondrioita, kun taas isän hedelmöittävässä siittiösolussa on tuskin mitään. Tämän seurauksena lapset perivät mitokondriot ja mitokondrioiden DNA: n äidiltään.
Matriisin ATP-synteesitoiminnon ja kaksoiskalvon läpi tapahtuvan soluhengityksen kautta mitokondriot ja mitokondrioiden toiminta ovat keskeinen osa eläinsoluja ja auttavat tekemään elämää sellaisenaan mahdollista.
Solurakenteella, jossa on kalvoon sitoutuneita organelleja, on ollut tärkeä osa ihmisen evoluutiossa, ja mitokondriot ovat antaneet oleellisen panoksen.