Az élő szervezetek eukarióta sejtjei folyamatosan rengeteg kémiai reakciót hajtanak végre, hogy éljenek, növekedjenek, szaporodjanak és leküzdjék a betegségeket.
Mindezek a folyamatok sejtszintű energiát igényelnek. Minden sejt, amely részt vesz ezekben a tevékenységekben, energiáját a mitokondriumokból kapja, apró organellákból, amelyek a sejtek erőműveiként működnek. A mitokondriumok egyes száma a mitokondrium.
Emberben az olyan sejtekben, mint a vörösvérsejtek, nincsenek ezek az apró organellák, de a legtöbb más sejtben nagyszámú mitokondrium található. Az izomsejteknek például több száz vagy akár több ezer lehet energiaigényük kielégítésére.
Szinte minden mozgó, növekvő vagy gondolkodó élőlény hátterében mitokondrium található, amely a szükséges kémiai energiát termeli.
A mitokondrium szerkezete
A mitokondriumok membránhoz kötött organellák, amelyeket kettős membrán zár el.
Sima külső membránjuk van, amely befogja az organellát, és hajtogatott belső membránjuk van. A belső membrán redőit crista-nak nevezzük, amelynek egyes száma crista, és a redőkben zajlanak le a mitokondriális energiát létrehozó reakciók.
A belső membrán egy mátrixnak nevezett folyadékot tartalmaz, miközben a két membrán között elhelyezkedő intermembrán tér is folyadékkal van megtöltve.
E viszonylag egyszerű sejtszerkezet miatt a mitokondriumoknak csak két különálló működési térfogata van: a belső membránon belüli mátrix és az intermembrán tér. Az energiatermelés során a két térfogat közötti transzferekre támaszkodnak.
A hatékonyság növelése és az energiatermelési potenciál maximalizálása érdekében a belső membrán redők mélyen behatolnak a mátrixba.
Ennek eredményeként a belső membrán nagy felülettel rendelkezik, és a mátrix egyetlen része sem áll távol a belső membrán hajtásától. A redők és a nagy felület segítik a mitokondriális funkciót, növelve a mátrix és a belső membránon átnyúló intermembrán tér közötti potenciális átviteli sebességet.
Miért fontos a mitokondrium?
Míg az egyes sejtek eredetileg mitokondriumok vagy más membránhoz kötött organellák nélkül fejlődtek, összetett többsejtűek organizmusok és melegvérű állatok, például emlősök a mitokondriális alapú sejtlégzésből nyerik energiájukat funkció.
A nagy energiájú funkciók, például a szívizmok vagy a madárszárnyak magas koncentrációban tartalmazzák a mitokondriumokat, amelyek ellátják a szükséges energiát.
ATP szintézis funkciójuk révén az izmokban és más sejtekben található mitokondriumok termelik a test meleget, hogy a melegvérű állatokat állandó hőmérsékleten tartsák. A mitokondriumoknak ez a koncentrált energiatermelési képessége teszi lehetővé a magas energiájú tevékenységeket és a magasabb termelésű állatok hőtermelését.
Mitokondriális funkciók
Az energiatermelési ciklus a mitokondriumokban az elektrontranszport-láncra támaszkodik, a citromsav- vagy a Krebs-ciklus mellett.
További információ a Krebs-ciklusról.
A szénhidrátok, például a glükóz lebontásának folyamatát az ATP előállítására katabolizmusnak nevezik. A glükóz-oxidáció során keletkező elektronokat egy kémiai reakciólánc mentén vezetik át, amely magában foglalja a citromsav-ciklust.
A redukciós-oxidációs vagy redox-reakciókból származó energiát arra használják, hogy protonokat vigyenek ki a mátrixból, ahol a reakciók zajlanak. A mitokondriális funkciós lánc végső reakciója során a sejtlégzésből származó oxigén redukció útján víz keletkezik. A reakciók végtermékei a víz és az ATP.
A mitokondriális energiatermelésért felelős legfontosabb enzimek a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP), nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD), adenozin-difoszfát (ADP) és flavin-adenin-dinukleotid (HÓBORT).
Együtt dolgoznak, hogy elősegítsék a protonok átadását a mátrix hidrogénmolekuláiról a belső mitokondriális membránon. Ez kémiai és elektromos potenciált hoz létre a membránon, a protonok visszatérnek a mátrixba az ATP-szintáz enzim révén, ami az adenozin-trifoszfát foszforilezését és termelését eredményezi (ATP).
Olvassa el az ATP felépítését és működését.
Az ATP-szintézis és az ATP-molekulák az elsődleges energiahordozók a sejtekben, és a sejtek felhasználhatják azokat az élő szervezetek számára szükséges vegyi anyagok előállításához.
•••Tudományosság
Amellett, hogy energiatermelők, a mitokondriumok a kalcium felszabadulásán keresztül segíthetnek a sejtek közötti jelzésben.
A mitokondriumok képesek tárolni a kalciumot a mátrixban, és felszabadíthatják, ha bizonyos enzimek vagy hormonok vannak jelen. Ennek eredményeként az ilyen kiváltó vegyszereket termelő sejtek láthatják a kalcium emelkedésének jelét a mitokondrium felszabadulásából.
Összességében elmondható, hogy a mitokondriumok az élő sejtek létfontosságú elemei, segítik a sejtek kölcsönhatásait, összetett kémiai anyagokat terjesztenek és előállítják az ATP-t, amely az egész élet energiaalapját képezi.
A belső és külső mitokondriális membránok
A mitokondriális kettős membránnak különböző funkciói vannak a belső és a külső membrán, valamint a két membrán szempontjából, és különböző anyagokból állnak.
A külső mitokondriális membrán bezárja az intermembrán tér folyadékát, de lehetővé kell tennie azokat a vegyi anyagokat, amelyeknek a mitokondriumoknak át kell menniük. A mitokondrium által termelt energiatároló molekuláknak képesnek kell lenniük arra, hogy elhagyják az organellát, és energiát juttassanak a sejt többi részébe.
Az ilyen transzferek lehetővé tétele érdekében a külső membrán foszfolipidekből és az úgynevezett fehérje szerkezetekből áll porin amelyek apró lyukakat vagy pórusokat hagynak a membrán felületén.
Az intermembrán tér olyan folyadékot tartalmaz, amelynek összetétele hasonló a citoszoléval, amely a környező sejt folyadékát alkotja.
Az ATP szintézissel előállított kis molekulák, ionok, tápanyagok és az energiát hordozó ATP molekula képes behatolni a külső membránba és átmenni az intermembrán tér folyadékának és a citoszol ..
A belső membrán összetett szerkezetű, enzimekkel, fehérjékkel és zsírokkal, csak a víz, a szén-dioxid és az oxigén engedik szabadon át a membránt.
Más molekulák, beleértve a nagy fehérjéket is, behatolhatnak a membránba, de csak speciális transzportfehérjék révén, amelyek korlátozzák az átjutásukat. A belső membrán nagy felülete, amely a cristae redőkből adódik, helyet biztosít mindezeknek a komplex fehérje- és kémiai szerkezeteknek.
Nagy számuk magas szintű kémiai aktivitást és hatékony energiatermelést tesz lehetővé.
Azt a folyamatot nevezzük, amelynek során az energia a belső membránon keresztüli kémiai átvitel révén termelődik oxidatív foszforiláció.
E folyamat során a mitokondriumokban található szénhidrátok oxidációja protonokat pumpál a belső membránon a mátrixból az intermembrán térbe. A protonok egyensúlyhiánya miatt a protonok a belső membránon keresztül diffundálnak a mátrixba egy enzim komplexen keresztül, amely az ATP prekurzor formája és az úgynevezett ATP szintáz.
A protonok áramlása az ATP-szintázon keresztül viszont az ATP-szintézis alapja, és ATP-molekulákat termel, amelyek a sejtek fő energiatároló mechanizmusa.
Mi van a Mátrixban?
A belső membránon belüli viszkózus folyadékot mátrixnak nevezzük.
A belső membránnal kölcsönhatásba lépve végrehajtja a mitokondrium fő energiatermelő funkcióit. Ez tartalmazza azokat az enzimeket és vegyi anyagokat, amelyek részt vesznek a krebs ciklusban, hogy glükózból és zsírsavakból ATP-t termeljenek.
A mátrix ott található, ahol a körkörös DNS-ből álló mitokondriális genom található, és ahol a riboszómák találhatók. A riboszómák és a DNS jelenléte azt jelenti, hogy a mitokondriumok képesek saját fehérjék előállítására és saját DNS-sel történő szaporodásra anélkül, hogy a sejtosztódásra hagyatkoznának.
Ha a mitokondriumok önmagukban apró, teljes sejteknek tűnnek, az azért van, mert valószínűleg külön sejtek voltak egy ponton, amikor az egyes sejtek még fejlődtek.
A mitokondriumszerű baktériumok parazitaként léptek be a nagyobb sejtekbe, és hagyták maradni, mert az elrendezés kölcsönösen előnyös volt.
A baktériumok biztonságos környezetben képesek szaporodni, és energiával látták el a nagyobb sejtet. Több száz millió év alatt a baktériumok beépültek a többsejtű organizmusokba, és a mai mitokondriumokká fejlődtek.
Mivel manapság állati sejtekben találhatók meg, az emberi korai evolúció kulcsfontosságú részét képezik.
Mivel a mitokondriumok a mitokondriális genom alapján egymástól függetlenül szaporodnak, és nem vesznek részt a sejtekben osztódás esetén az új sejtek egyszerűen megöröklik a mitokondriumokat, amelyek a sejt során előfordulnak a citoszol részén oszt.
Ez a funkció fontos a magasabb rendű szervezetek, köztük az emberek szaporodása szempontjából, mivel az embriók megtermékenyített petesejtből fejlődnek ki.
Az anya petesejtje nagy, és sok mitokondriumot tartalmaz citoszoljában, míg az apától származó termékeny spermasejt alig van. Ennek eredményeként a gyerekek mitokondriumukat és mitokondriális DNS-ét örökölik anyjuktól.
A mátrixban lévő ATP szintézis funkciójuk révén és a kettős membránon keresztüli sejtlégzés révén a mitokondriumok és a mitokondriális funkció az állati sejtek kulcsfontosságú eleme, és segítenek életet teremteni a létező állapotában lehetséges.
A membránhoz kötött organellákkal rendelkező sejtszerkezet fontos szerepet játszott az emberi evolúcióban, és a mitokondrium lényeges szerepet játszott.