Afhankelijk van waar je bent in je eigen biowetenschappelijke opleiding, weet je misschien al dat cellen de structurele en functionele basiscomponenten van het leven zijn. U bent zich er misschien ook van bewust dat in complexere organismen zoals uzelf en andere dieren, cellen zeer gespecialiseerd zijn, met a verscheidenheid aan fysieke insluitsels die specifieke metabolische en andere functies uitvoeren om de omstandigheden in de cel gastvrij te houden voor leven.
Bepaalde componenten van de cellen van "geavanceerde" organismen genaamd organellen hebben het vermogen om als kleine machines te werken en zijn verantwoordelijk voor het extraheren van energie uit de chemische bindingen in glucose, de ultieme voedingsbron in alle levende cellen. Heb je je ooit afgevraagd welke organellen cellen helpen van energie te voorzien, of welk organel het meest direct betrokken is bij energietransformaties in cellen? Zo ja, ontmoet de mitochondriën en de chloroplast, de belangrijkste evolutionaire prestaties van eukaryote organismen.
Cellen: prokaryoten versus eukaryoten
Organismen in het domein Prokaryota, waaronder bacteriën en de Archaea (vroeger "archaebacteriën" genoemd), zijn bijna volledig eencellig en moeten, op enkele uitzonderingen na, al hun energie halen uit glycolyse, een proces dat plaatsvindt in het celcytoplasma. De vele meercellige organismen in de Eukaryota domein hebben echter cellen met insluitsels die organellen worden genoemd en die een aantal specifieke metabolische en andere alledaagse functies uitvoeren.
Alle cellen hebben DNA (genetisch materiaal), a celmembraan, cytoplasma (de "goo" die het grootste deel van de celsubstantie vormt) en ribosomen, die eiwitten maken. Prokaryoten hebben meestal weinig meer dan dit, terwijl eukaryote cellen (plannen, dieren en schimmels) de organellen zijn. Hiertoe behoren chloroplasten en mitochondriën, die betrokken zijn bij het voldoen aan de energiebehoeften van hun oudercellen.
Energieverwerkende organellen: mitochondriën en chloroplasten
Als je iets weet over microbiologie en je krijgt een microfoto van een plantencel of een dier cel, is het niet echt moeilijk om te raden welke organellen bij energie betrokken zijn conversie. Zowel chloroplasten als mitochondriën zijn druk uitziende structuren, met een groot totaal membraanoppervlak als resultaat van nauwgezet vouwen, en over het algemeen een "druk" uiterlijk. Met andere woorden, het is in één oogopslag duidelijk dat deze organellen veel meer doen dan alleen ruwe celmaterialen opslaan.
Van beide organellen wordt aangenomen dat ze dezelfde fascinerende evolutionaire geschiedenis delen, zoals blijkt uit het feit dat: ze hebben hun eigen DNA, gescheiden van die in de celkern. Aangenomen wordt dat mitochondriën en chloroplasten oorspronkelijk op zichzelf staande bacteriën waren voordat ze werden opgeslokt, maar niet vernietigd, door grotere prokaryoten (de endosymbiont theorie). Toen deze "opgegeten" bacteriën vitale metabolische functies bleken te hebben voor de grotere organismen en omgekeerd, een heel domein van organismen, Eukaryota, was geboren.
Structuur en functie van chloroplasten
Eukaryoten nemen allemaal deel aan cellulaire ademhaling, waaronder glycolyse en de drie basisstappen van: aërobe ademhaling: de brugreactie, de Krebs-cyclus en de reacties van het elektronentransport ketting. Planten kunnen glucose echter niet rechtstreeks uit de omgeving halen om in glycolyse te worden omgezet, omdat ze niet kunnen "eten"; in plaats daarvan maken ze glucose, een suiker met zes koolstofatomen, uit koolstofdioxidegas, een verbinding met twee koolstofatomen, in organellen die chloroplasten worden genoemd.
Chloroplasten zijn waar het pigment chlorofyl (dat planten hun groene uiterlijk geeft) wordt opgeslagen, in kleine zakjes genaamd thylakoïden. In het tweestapsproces van fotosynthesegebruiken planten lichtenergie om ATP en NADPH te genereren, dit zijn energiedragende moleculen, en gebruiken deze energie vervolgens om glucose, dat vervolgens beschikbaar is voor de rest van de cel en ook wordt opgeslagen in de vorm van stoffen die dieren uiteindelijk kunnen gebruiken eten.
Structuur en functie van mitochondriën
De energieverwerking in planten is uiteindelijk hetzelfde als bij dieren en de meeste schimmels: het ultieme "doel" is om glucose af te breken in kleinere moleculen en daarbij ATP te extraheren. Mitochondriën doen dit door te dienen als de "krachtcentrales" van cellen, omdat ze de plaatsen zijn van aerobe ademhaling.
In de langwerpige, "voetbalvormige" mitochondriën wordt pyruvaat, het belangrijkste product van glycolyse, omgezet in acetyl CoA, gependeld naar het binnenste van het organel voor de Krebs-cyclus en vervolgens naar het mitochondriale membraan voor het elektronentransport electron ketting. In totaal voegen deze reacties 34 tot 36 ATP toe aan de twee ATP die alleen in glycolyse worden gegenereerd uit een enkel glucosemolecuul.