Gyvų organizmų eukariotinės ląstelės nuolat vykdo daugybę cheminių reakcijų, kad gyventų, augtų, daugintųsi ir kovotų su ligomis.
Visiems šiems procesams reikia energijos ląstelių lygiu. Kiekviena ląstelė, užsiimanti bet kuria iš šių veiklų, energiją gauna iš mitochondrijų - mažų organelių, veikiančių kaip ląstelių jėgainės. Mitochondrijų vienaskaita yra mitochondrija.
Žmonėse tokiose ląstelėse kaip raudonieji kraujo kūneliai nėra šių mažų organelių, tačiau daugumoje kitų ląstelių yra daug mitochondrijų. Pavyzdžiui, raumenų ląstelėse gali būti šimtai ar net tūkstančiai, kad būtų patenkinti jų energijos poreikiai.
Beveik kiekvienas judantis, augantis ar galvojantis gyvis fone turi mitochondrijas, gaminančias reikiamą cheminę energiją.
Mitochondrijų struktūra
Mitochondrijos yra su membrana susiję organeliai, kuriuos uždaro dviguba membrana.
Jie turi lygią išorinę membraną, uždengiančią organelę, ir sulankstytą vidinę membraną. Vidinės membranos klostės vadinamos cristae, kurių vienaskaita yra crista, o klostėse vyksta mitochondrijų energiją kuriančios reakcijos.
Vidinėje membranoje yra skystis, vadinamas matrica, o tarpmembraninė erdvė, esanti tarp dviejų membranų, taip pat užpildyta skysčiu.
Dėl šios gana paprastos ląstelių struktūros mitochondrijos turi tik du atskirus darbinius tūrius: vidinės membranos viduje esančią matricą ir tarpmembraninę erdvę. Jie remiasi energijos perkėlimu tarp dviejų tūrių.
Norint padidinti efektyvumą ir maksimaliai padidinti energijos kūrimo potencialą, vidinės membranos klostės prasiskverbia giliai į matricą.
Dėl to vidinė membrana turi didelį paviršiaus plotą ir nė viena matricos dalis nėra toli nuo vidinės membranos klostės. Klostės ir didelis paviršiaus plotas padeda vykdyti mitochondrijų funkciją, padidindami galimą perdavimo greitį tarp matricos ir tarpmembraninės erdvės vidinėje membranoje.
Kodėl mitochondrijos yra svarbios?
Nors vienos ląstelės iš pradžių vystėsi be mitochondrijų ar kitų su membrana susijusių organelių, sudėtingos daugialąstės organizmai ir šilto kraujo gyvūnai, tokie kaip žinduoliai, energiją gauna iš ląstelių kvėpavimo, pagrįsto mitochondriju funkcija.
Didelės energijos funkcijos, tokios kaip širdies raumenys ar paukščių sparnai, turi didelę mitochondrijų koncentraciją, tiekiančią reikalingą energiją.
Vykdydamos ATP sintezės funkciją, mitochondrijos raumenyse ir kitose ląstelėse sukuria kūno šilumą, kad šiltų kraujo gyvūnai būtų palaikomi pastovioje temperatūroje. Būtent šis koncentruotas mitochondrijų energijos gamybos pajėgumas leidžia atlikti daug energijos reikalaujančią veiklą ir šilumą gaminti aukštesniems gyvūnams.
Mitochondrijų funkcijos
Energijos gamybos ciklas mitochondrijose priklauso nuo elektronų perdavimo grandinės kartu su citrinos rūgšties arba Krebso ciklu.
Skaitykite daugiau apie Krebso ciklą.
Angliavandenių, tokių kaip gliukozė, skaidymas ATP gamybai vadinamas katabolizmu. Gliukozės oksidacijos metu elektronai praeina palei cheminės reakcijos grandinę, apimančią citrinos rūgšties ciklą.
Redukcijos-oksidacijos arba redukcijos reakcijų energija naudojama protonams iš matricos, kurioje vyksta reakcijos, perkelti. Galutinė mitochondrijų funkcijų grandinės reakcija yra ta, kai deguonis, gaunamas iš ląstelių kvėpavimo, redukuojamas ir susidaro vanduo. Galutiniai reakcijų produktai yra vanduo ir ATP.
Pagrindiniai fermentai, atsakingi už mitochondrijų energijos gamybą, yra nikotinamido adenino dinukleotido fosfatas (NADP), nikotinamido adenino dinukleotidas (NAD), adenozino difosfatas (ADP) ir flavino adenino dinukleotidas. (FAD).
Jie kartu padeda pernešti protonus iš vandenilio molekulių matricoje per vidinę mitochondrijų membraną. Tai sukuria cheminį ir elektrinį potencialą per membraną, protonams grįžtant į matricą per fermentą ATP sintazę, todėl fosforilinama ir gaminama adenozino trifosfatas (ATP).
Skaitykite apie ATP struktūrą ir funkciją.
ATP sintezė ir ATP molekulės yra pagrindiniai energijos nešėjai ląstelėse ir ląstelės gali jas naudoti gyviems organizmams reikalingų cheminių medžiagų gamybai.
•••Mokslo
Be to, kad mitochondrijos yra energijos gamintojos, jos gali padėti signalizuoti iš vienos ląstelės į kitą išskiriant kalcį.
Mitochondrijos gali kaupti kalcį matricoje ir gali jį išskirti, kai yra tam tikrų fermentų ar hormonų. Todėl ląstelės, gaminančios tokias sukeliančias chemines medžiagas, gali pamatyti kalcio padidėjimo signalą iš mitochondrijų išsiskyrimo.
Apskritai mitochondrijos yra gyvybiškai svarbi gyvųjų ląstelių sudedamoji dalis, padedanti palaikyti ląstelių sąveiką, platinti sudėtingas chemines medžiagas ir gaminti ATP, kuris sudaro energijos pagrindą visam gyvenimui.
Vidinės ir išorinės mitochondrijų membranos
Mitochondrijų dviguba membrana atlieka skirtingas vidinės ir išorinės membranos bei dviejų membranų funkcijas ir yra sudaryta iš skirtingų medžiagų.
Išorinė mitochondrijų membrana uždaro tarpmembraninės erdvės skystį, tačiau ji turi leisti per ją praeiti mitochondrijoms reikalingoms cheminėms medžiagoms. Mitochondrijų gaminamos energijos kaupiančios molekulės turi sugebėti palikti organelę ir perduoti energiją likusiai ląstelės daliai.
Kad būtų galima atlikti tokius pernešimus, išorinę membraną sudaro fosfolipidai ir baltymų struktūros, vadinamos porai kurios membranos paviršiuje palieka mažas skylutes ar poras.
Tarpmembraninėje erdvėje yra skysčio, kurio sudėtis panaši į citozolio, sudarančio aplinkinės ląstelės skysčio, sudėtį.
Mažos molekulės, jonai, maistinės medžiagos ir energiją nešanti ATP molekulė, pagaminta ATP sintezės būdu, gali prasiskverbti per išorinę membraną ir pereiti tarp tarpmembraninės erdvės skysčio ir citozolis ..
Vidinė membrana turi sudėtingą struktūrą, turinti fermentų, baltymų ir riebalų, leidžiančių laisvai praeiti pro membraną tik vandeniui, anglies dioksidui ir deguoniui.
Kitos molekulės, įskaitant didelius baltymus, gali prasiskverbti į membraną, bet tik per specialius transportinius baltymus, kurie riboja jų praėjimą. Didelis vidinės membranos plotas, atsirandantis dėl cristae klostių, suteikia vietos visiems šiems sudėtingiems baltymų ir cheminiams dariniams.
Jų didelis skaičius leidžia pasiekti aukštą cheminį aktyvumą ir efektyviai gaminti energiją.
Vadinamas procesas, kurio metu energija gaminama chemiškai perduodant vidinę membraną oksidacinis fosforilinimas.
Šio proceso metu angliavandenių oksidacija mitochondrijose pumpuoja protonus per vidinę membraną iš matricos į tarpmembraninę erdvę. Dėl protonų pusiausvyros sutrikimo protonai diferencijuojasi per vidinę membraną į matricą per fermentų kompleksą, kuris yra ATP pirmtako forma ir vadinamas ATP sintaze.
Savo ruožtu protonų srautas per ATP sintazę yra ATP sintezės pagrindas ir jis gamina ATP molekules - pagrindinį energijos kaupimo mechanizmą ląstelėse.
Kas yra Matricoje?
Vidinės membranos viduje esantis klampus skystis vadinamas matrica.
Jis sąveikauja su vidine membrana, kad atliktų pagrindines mitochondrijų energiją gaminančias funkcijas. Jame yra fermentų ir chemikalų, kurie dalyvauja krebso cikle, kad iš gliukozės ir riebalų rūgščių gautų ATP.
Matrica yra vieta, kur randamas mitochondrijų genomas, sudarytas iš žiedinės DNR, ir kur yra ribosomos. Ribosomų ir DNR buvimas reiškia, kad mitochondrijos gali gaminti savo baltymus ir gali daugintis naudodamos savo DNR, nesiremdamos ląstelių dalijimusi.
Jei atrodo, kad mitochondrijos yra mažos, visiškos ląstelės, tai yra todėl, kad jos greičiausiai buvo atskiros ląstelės tuo metu, kai dar vystėsi pavienės ląstelės.
Į mitochondriją panašios bakterijos pateko į didesnes ląsteles kaip parazitai ir joms buvo leista likti, nes susitarimas buvo abipusiai naudingas.
Bakterijos sugebėjo daugintis saugioje aplinkoje ir tiekė energiją didesnei ląstelei. Per šimtus milijonų metų bakterijos integravosi į daugialąsčius organizmus ir išsivystė į šių dienų mitochondrijas.
Kadangi šiandien jų yra gyvūnų ląstelėse, jie yra pagrindinė ankstyvosios žmogaus evoliucijos dalis.
Kadangi mitochondrijos dauginasi nepriklausomai nuo mitochondrijų genomo ir nedalyvauja ląstelėje dalijimosi, naujos ląstelės paprasčiausiai paveldi mitochondrijas, kurios būna jų citozolio dalyje, kai ląstelė dalija.
Ši funkcija yra svarbi aukštesnių organizmų, įskaitant žmones, dauginimuisi, nes embrionai vystosi iš apvaisinto kiaušialąstės.
Motinos kiaušialąstė yra didelė ir citozolyje yra daug mitochondrijų, o tėvo apvaisinanti spermatozoidų ląstelių beveik neturi. Todėl vaikai mitochondrijas ir mitochondrijų DNR paveldi iš motinos.
Dėl jų ATP sintezės funkcijos matricoje ir per ląstelių kvėpavimą per dvigubą membraną, mitochondrijos ir mitochondrijų funkcija yra pagrindinis gyvūnų ląstelių komponentas ir padeda sukurti gyvenimą tokį, koks jis egzistuoja įmanoma.
Ląstelių struktūra su membranomis susietais organeliais suvaidino svarbų vaidmenį žmogaus evoliucijoje, o mitochondrijos padarė esminį indėlį.