Dzīvo organismu eikariotu šūnas nepārtraukti veic milzīgu skaitu ķīmisko reakciju, lai dzīvotu, augtu, vairotos un cīnītos pret slimībām.
Visi šie procesi prasa enerģiju šūnu līmenī. Katra šūna, kas iesaistās kādā no šīm darbībām, enerģiju iegūst no mitohondrijiem, sīkiem organoīdiem, kas darbojas kā šūnu spēkstacijas. Mitohondriju vienskaitlis ir mitohondrijs.
Cilvēkiem šūnās, piemēram, sarkanajos asinsķermenīšos, nav šo sīko organellu, bet lielākajai daļai citu šūnu ir liels skaits mitohondriju. Piemēram, muskuļu šūnām var būt simtiem vai pat tūkstošiem, lai apmierinātu viņu enerģijas vajadzības.
Gandrīz katrai dzīvai būtnei, kas pārvietojas, aug vai domā, fonā ir mitohondriji, kas rada nepieciešamo ķīmisko enerģiju.
Mitohondriju struktūra
Mitohondriji ir ar membrānu saistīti organelli, kurus norobežo dubultā membrāna.
Viņiem ir gluda ārējā membrāna, kas aptver organelli, un salocīta iekšējā membrāna. Iekšējās membrānas krokas sauc par cristae, kuras vienskaitlis ir crista, un krokas ir vietas, kur notiek mitohondriju enerģiju radošās reakcijas.
Iekšējā membrāna satur šķidrumu, ko sauc par matricu, bet starpmembrānu telpa, kas atrodas starp abām membrānām, arī ir piepildīta ar šķidrumu.
Šīs salīdzinoši vienkāršās šūnu struktūras dēļ mitohondrijiem ir tikai divi atsevišķi darbības tilpumi: matrica iekšējās membrānas iekšpusē un starpmembrānas telpa. Viņi paļaujas uz enerģijas pārsūtīšanu starp diviem apjomiem.
Lai palielinātu efektivitāti un maksimizētu enerģijas radīšanas potenciālu, iekšējās membrānas krokas dziļi iekļūst matricā.
Tā rezultātā iekšējai membrānai ir liels virsmas laukums, un neviena matricas daļa nav tālu no iekšējās membrānas krokas. Krokas un liels virsmas laukums palīdz mitohondriju funkcijai, palielinot potenciālu pārneses ātrumu starp matricu un starpmembrānu telpu visā iekšējā membrānā.
Kāpēc mitohondriji ir svarīgi?
Kamēr atsevišķas šūnas sākotnēji attīstījās bez mitohondriem vai citiem membrānām piesaistītiem organelliem, sarežģītas daudzšūnu organismi un siltasiņu dzīvnieki, piemēram, zīdītāji, enerģiju iegūst no šūnu elpošanas, pamatojoties uz mitohondriju funkciju.
Augstas enerģijas funkcijām, piemēram, sirds muskuļiem vai putnu spārniem, ir augsta mitohondriju koncentrācija, kas nodrošina nepieciešamo enerģiju.
Izmantojot ATP sintēzes funkciju, muskuļos un citās šūnās esošie mitohondriji rada ķermeņa siltumu, lai uzturētu siltasiņu dzīvniekus vienmērīgā temperatūrā. Tieši šī mitohondriju koncentrētā enerģijas ražošanas spēja ir iespējama aktivitātēm ar lielu enerģiju un siltuma ražošanai augstākiem dzīvniekiem.
Mitohondriju funkcijas
Enerģijas ražošanas cikls mitohondrijos balstās uz elektronu transporta ķēdi kopā ar citronskābes vai Krebsa ciklu.
Lasiet vairāk par Krebsa ciklu.
Ogļhidrātu, piemēram, glikozes, sadalīšanas procesu, lai iegūtu ATP, sauc par katabolismu. Glikozes oksidēšanās elektroni tiek nodoti gar ķīmiskās reakcijas ķēdi, kas ietver citronskābes ciklu.
Enerģija, kas rodas no reducēšanās-oksidēšanās jeb redoksreakcijām, tiek izmantota protonu pārvietošanai no matricas, kur notiek reakcijas. Pēdējā reakcija mitohondriju funkciju ķēdē ir tāda, kurā skābeklis no šūnu elpošanas tiek reducēts, veidojot ūdeni. Reakciju galaprodukti ir ūdens un ATP.
Galvenie fermenti, kas ir atbildīgi par mitohondriju enerģijas ražošanu, ir nikotīnamīda adenīna dinukleotīda fosfāts (NADP), nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NAD), adenozīna difosfāts (ADP) un flavīna adenīna dinukleotīds (FAD).
Viņi strādā kopā, lai palīdzētu pārnest protonus no ūdeņraža molekulām matricā pa iekšējo mitohondriju membrānu. Tas rada ķīmisko un elektrisko potenciālu visā membrānā, protoniem atgriežoties matricā caur fermentu ATP sintāzi, kā rezultātā fosforilējas un veidojas adenozīna trifosfāts (ATP).
Lasiet par ATP struktūru un funkciju.
ATP sintēze un ATP molekulas ir galvenie enerģijas nesēji šūnās, un šūnas to var izmantot dzīviem organismiem nepieciešamo ķīmisko vielu ražošanai.
•••Zinātniskā
Papildus tam, ka mitohondriji ir enerģijas ražotāji, tie var palīdzēt veikt signālu pārraidi starp šūnām, atbrīvojot kalciju.
Mitohondrijām ir spēja uzglabāt kalciju matricā un tās var atbrīvot, ja ir noteikti fermenti vai hormoni. Rezultātā šūnas, kas ražo šādas iedarbinošas ķīmiskas vielas, var redzēt signālu par kalcija līmeņa paaugstināšanos no mitohondriju izdalīšanās.
Kopumā mitohondriji ir būtiska dzīvo šūnu sastāvdaļa, kas palīdz šūnu mijiedarbībā, izplata sarežģītas ķīmiskas vielas un ražo ATP, kas veido enerģijas pamatu visai dzīvei.
Iekšējās un ārējās mitohondriju membrānas
Mitohondriju dubultajai membrānai ir dažādas funkcijas iekšējai un ārējai membrānai un abām membrānām, un to veido dažādas vielas.
Ārējā mitohondriju membrāna aptver starpmembrānas telpas šķidrumu, bet tai ir jāļauj ķīmiskajām vielām, kurām mitohondrijām ir jāiet cauri tai. Mitohondriju radītajām enerģijas uzkrāšanas molekulām jāspēj atstāt organelli un piegādāt enerģiju pārējai šūnai.
Lai atļautu šādas pārneses, ārējo membrānu veido fosfolipīdi un olbaltumvielu struktūras, ko sauc poras kas membrānas virsmā atstāj sīkas bedrītes vai poras.
Starpmembrānas telpā ir šķidrums, kura sastāvs ir līdzīgs citosola sastāvam, kas veido apkārtējās šūnas šķidrumu.
Mazas molekulas, joni, barības vielas un ATP sintēzes ceļā ražoto ATP molekulu var iekļūt ārējā membrānā un pāreja starp starpmembrānas telpas šķidrumu un citozols ..
Iekšējai membrānai ir sarežģīta struktūra ar fermentiem, olbaltumvielām un taukiem, ļaujot caur ūdeni brīvi iziet tikai ūdenim, oglekļa dioksīdam un skābeklim.
Citas molekulas, ieskaitot lielus proteīnus, var iekļūt membrānā, bet tikai caur īpašām transporta olbaltumvielām, kas ierobežo to pāreju. Iekšējās membrānas lielais virsmas laukums, kas rodas no cristae krokām, nodrošina vietu visām šīm sarežģītajām olbaltumvielu un ķīmiskajām struktūrām.
To lielais skaits ļauj augstu ķīmisko aktivitāti un efektīvu enerģijas ražošanu.
Tiek saukts process, kurā enerģija tiek ražota, ķīmiski pārvietojoties pa iekšējo membrānu oksidatīvā fosforilēšana.
Šī procesa laikā ogļhidrātu oksidēšanās mitohondrijos pumpē protonus pāri iekšējai membrānai no matricas starpmembrānas telpā. Protonu nelīdzsvarotība izraisa protonu difūziju atpakaļ caur iekšējo membrānu matricā, izmantojot enzīmu kompleksu, kas ir ATP prekursora forma un ko sauc par ATP sintāzi.
Protonu plūsma caur ATP sintāzi savukārt ir ATP sintēzes pamats, un tā ražo ATP molekulas, kas ir galvenais enerģijas uzkrāšanās mehānisms šūnās.
Kas ir matricā?
Iekšējās membrānas iekšpusē esošo viskozo šķidrumu sauc par matricu.
Tas mijiedarbojas ar iekšējo membrānu, lai veiktu mitohondriju galvenās enerģijas ražošanas funkcijas. Tas satur fermentus un ķīmiskās vielas, kas piedalās kreba ciklā, lai no glikozes un taukskābēm ražotu ATP.
Matrica ir vieta, kur tiek atrasts no apļveida DNS veidots mitohondriju genoms un kur atrodas ribosomas. Ribosomu un DNS klātbūtne nozīmē, ka mitohondriji var ražot paši savus proteīnus un var vairoties, izmantojot savu DNS, nepaļaujoties uz šūnu dalīšanos.
Ja šķiet, ka mitohondrijas ir mazas, pilnīgas šūnas, tas ir tāpēc, ka tās, iespējams, vienā brīdī bija atsevišķas šūnas, kad atsevišķas šūnas vēl attīstījās.
Mitohondrijām līdzīgas baktērijas iekļuva lielākās šūnās kā parazīti, un tām ļāva palikt, jo izkārtojums bija abpusēji izdevīgs.
Baktērijas spēja vairoties drošā vidē un piegādāja enerģiju lielākajai šūnai. Simtiem miljonu gadu laikā baktērijas integrējās daudzšūnu organismos un pārtapa mūsdienu mitohondrijos.
Tā kā mūsdienās tie atrodas dzīvnieku šūnās, tie ir galvenā agrīnās cilvēka evolūcijas sastāvdaļa.
Tā kā mitohondriji vairojas neatkarīgi, pamatojoties uz mitohondriju genomu, un nepiedalās šūnā dalīšanās, jaunās šūnas vienkārši pārmanto mitohondrijus, kas šūnā notiek citosola daļā dala.
Šī funkcija ir svarīga augstāku organismu, tostarp cilvēku, reprodukcijai, jo embriji attīstās no apaugļotas olšūnas.
Mātes olšūna ir liela, un citozolā ir daudz mitohondriju, savukārt tēva apaugļojošajai spermas šūnai gandrīz nav. Rezultātā bērni mitohondrijus un mitohondriju DNS pārmanto no mātes.
Pateicoties ATP sintēzes funkcijai matricā un caur šūnu elpošanu caur dubulto membrānu, mitohondriji un mitohondriju funkcija ir galvenā dzīvnieku šūnu sastāvdaļa un palīdz padarīt dzīvi tādu, kāda tā pastāv iespējams.
Šūnu struktūrai ar membrānu saistītām organellām ir bijusi nozīmīga loma cilvēka evolūcijā, un mitohondriji ir devuši būtisku ieguldījumu.
