De eukaryote cellen van levende organismen voeren continu een groot aantal chemische reacties uit om te leven, te groeien, zich voort te planten en ziekten te bestrijden.
Al deze processen vereisen energie op cellulair niveau. Elke cel die zich bezighoudt met een van deze activiteiten krijgt zijn energie van de mitochondriën, kleine organellen die fungeren als de krachtcentrales van de cellen. Het enkelvoud van mitochondriën is mitochondrion.
Bij mensen hebben cellen zoals rode bloedlichaampjes deze kleine organellen niet, maar de meeste andere cellen hebben grote aantallen mitochondriën. Spiercellen kunnen bijvoorbeeld honderden of zelfs duizenden hebben om aan hun energiebehoefte te voldoen.
Bijna elk levend wezen dat beweegt, groeit of denkt heeft mitochondriën op de achtergrond, die de nodige chemische energie produceren.
Structuur van de mitochondriën
Mitochondriën zijn membraangebonden organellen omsloten door een dubbel membraan.
Ze hebben een glad buitenmembraan dat het organel omsluit en een gevouwen binnenmembraan. De plooien van het binnenmembraan worden cristae genoemd, waarvan het enkelvoud crista is, en de plooien zijn waar de reacties plaatsvinden die mitochondriale energie creëren.
Het binnenmembraan bevat een vloeistof die de matrix wordt genoemd, terwijl de intermembraanruimte tussen de twee membranen ook gevuld is met vloeistof.
Vanwege deze relatief eenvoudige celstructuur hebben mitochondriën slechts twee afzonderlijke werkvolumes: de matrix in het binnenmembraan en de intermembraanruimte. Ze zijn afhankelijk van overdrachten tussen de twee volumes voor energieopwekking.
Om de efficiëntie te verhogen en het potentieel voor energiecreatie te maximaliseren, dringen de binnenmembraanplooien diep in de matrix door.
Als resultaat heeft het binnenmembraan een groot oppervlak en is geen enkel deel van de matrix ver verwijderd van een binnenmembraanplooi. De plooien en het grote oppervlak helpen bij de mitochondriale functie, waardoor de potentiële overdrachtssnelheid tussen de matrix en de intermembraanruimte over het binnenmembraan wordt verhoogd.
Waarom zijn mitochondriën belangrijk?
Terwijl afzonderlijke cellen oorspronkelijk evolueerden zonder mitochondriën of andere membraangebonden organellen, is complexe meercellige organismen en warmbloedige dieren zoals zoogdieren halen hun energie uit cellulaire ademhaling op basis van de mitochondriale functie.
Hoogenergetische functies zoals die van de hartspier of vogelvleugels hebben hoge concentraties mitochondriën die de benodigde energie leveren.
Door hun ATP-synthesefunctie produceren mitochondriën in spieren en andere cellen de lichaamswarmte om warmbloedige dieren op een constante temperatuur te houden. Het is dit geconcentreerde energieproductievermogen van mitochondriën dat de activiteiten met hoge energie en de productie van warmte bij hogere dieren mogelijk maakt.
Mitochondriale functies
De energieproductiecyclus in mitochondriën is afhankelijk van de elektronentransportketen samen met de citroenzuur- of Krebs-cyclus.
Lees meer over de Krebs-cyclus.
Het proces van het afbreken van koolhydraten zoals glucose om ATP te maken, wordt katabolisme genoemd. De elektronen van glucose-oxidatie worden langs een chemische reactieketen geleid die de citroenzuurcyclus omvat.
Energie van de reductie-oxidatie- of redoxreacties wordt gebruikt om protonen uit de matrix over te brengen waar de reacties plaatsvinden. De laatste reactie in de mitochondriale functieketen is er een waarin zuurstof uit cellulaire ademhaling wordt gereduceerd om water te vormen. De eindproducten van de reacties zijn water en ATP.
De belangrijkste enzymen die verantwoordelijk zijn voor de productie van mitochondriale energie zijn nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat (NADP), nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD), adenosine-difosfaat (ADP) en flavine-adenine-dinucleotide (DIK).
Ze werken samen om protonen van waterstofmoleculen in de matrix over het binnenste mitochondriale membraan te helpen overbrengen. Dit creëert een chemisch en elektrisch potentieel over het membraan waarbij de protonen terugkeren naar de matrix to via het enzym ATP-synthase, wat resulteert in de fosforylering en productie van adenosinetrifosfaat (ATP).
Lees over de structuur en functie van ATP.
ATP-synthese en de ATP-moleculen zijn de belangrijkste dragers van energie in cellen en kunnen door de cellen worden gebruikt voor de productie van de chemicaliën die nodig zijn voor levende organismen.
•••Wetenschap
Naast het feit dat ze energie produceren, kunnen mitochondriën helpen bij cel-naar-cel signalering door het vrijkomen van calcium.
Mitochondriën hebben het vermogen om calcium in de matrix op te slaan en kunnen het vrijgeven wanneer bepaalde enzymen of hormonen aanwezig zijn. Als gevolg hiervan kunnen cellen die dergelijke triggerende chemicaliën produceren het signaal zien van stijgend calcium door de afgifte door de mitochondriën.
Over het algemeen zijn mitochondriën een essentieel onderdeel van levende cellen, ze helpen bij celinteracties, distribueren complexe chemicaliën en produceren de ATP die de energiebasis vormt voor al het leven.
De binnenste en buitenste mitochondriale membranen
Het mitochondriale dubbele membraan heeft verschillende functies voor het binnen- en buitenmembraan en de twee membranen en is opgebouwd uit verschillende stoffen.
Het buitenste mitochondriale membraan omsluit de vloeistof van de intermembrane ruimte, maar het moet chemicaliën doorlaten die de mitochondriën nodig hebben om er doorheen te gaan. Door de mitochondriën geproduceerde energieopslagmoleculen moeten het organel kunnen verlaten en energie aan de rest van de cel kunnen leveren.
Om dergelijke overdrachten mogelijk te maken, bestaat het buitenmembraan uit fosfolipiden en eiwitstructuren die porno's die kleine gaatjes of poriën achterlaten in het oppervlak van het membraan.
De intermembraanruimte bevat vloeistof met een samenstelling die vergelijkbaar is met die van het cytosol dat de vloeistof van de omringende cel vormt.
Kleine moleculen, ionen, voedingsstoffen en het energiedragende ATP-molecuul geproduceerd door ATP-synthese kunnen: penetreren het buitenmembraan en overgang tussen de vloeistof van de intermembrane ruimte en de cytosol..
Het binnenmembraan heeft een complexe structuur met enzymen, eiwitten en vetten waardoor alleen water, kooldioxide en zuurstof vrij door het membraan kunnen stromen.
Andere moleculen, waaronder grote eiwitten, kunnen het membraan binnendringen, maar alleen via speciale transporteiwitten die hun doorgang beperken. Het grote oppervlak van het binnenmembraan, dat ontstaat door de cristae-plooien, biedt ruimte voor al deze complexe eiwit- en chemische structuren.
Hun grote aantal maakt een hoge chemische activiteit en een efficiënte energieproductie mogelijk.
Het proces waarbij energie wordt geproduceerd door chemische overdrachten over het binnenste membraan wordt genoemd oxidatieve fosforylering.
Tijdens dit proces pompt de oxidatie van koolhydraten in de mitochondriën protonen over het binnenmembraan van de matrix naar de intermembraanruimte. De onbalans in protonen zorgt ervoor dat de protonen terug diffunderen over het binnenmembraan in de matrix via een enzymcomplex dat een voorlopervorm van ATP is en ATP-synthase wordt genoemd.
De stroom van protonen door ATP-synthase is op zijn beurt de basis voor ATP-synthese en produceert ATP-moleculen, het belangrijkste energieopslagmechanisme in cellen.
Wat zit er in de Matrix?
De stroperige vloeistof in het binnenste membraan wordt de matrix genoemd.
Het interageert met het binnenmembraan om de belangrijkste energieproducerende functies van de mitochondriën uit te voeren. Het bevat de enzymen en chemicaliën die deelnemen aan de krebs-cyclus om ATP te produceren uit glucose en vetzuren.
De matrix is waar het mitochondriale genoom dat bestaat uit circulair DNA wordt gevonden en waar de ribosomen zich bevinden. Door de aanwezigheid van ribosomen en DNA kunnen de mitochondriën hun eigen eiwitten aanmaken en zich voortplanten met hun eigen DNA, zonder afhankelijk te zijn van celdeling.
Als mitochondriën op zichzelf kleine, complete cellen lijken te zijn, komt dat omdat ze waarschijnlijk afzonderlijke cellen waren op een moment dat afzonderlijke cellen nog in ontwikkeling waren.
Mitochondrion-achtige bacteriën kwamen grotere cellen binnen als parasieten en mochten blijven omdat de regeling voor beide partijen voordelig was.
De bacteriën konden zich in een veilige omgeving voortplanten en leverden energie aan de grotere cel. Gedurende honderden miljoenen jaren werden de bacteriën geïntegreerd in meercellige organismen en evolueerden ze naar de mitochondriën van vandaag.
Omdat ze tegenwoordig in dierlijke cellen worden aangetroffen, vormen ze een belangrijk onderdeel van de vroege menselijke evolutie.
Omdat mitochondriën zich onafhankelijk vermenigvuldigen op basis van het mitochondriale genoom en niet deelnemen aan de cel celdeling, erven nieuwe cellen eenvoudig de mitochondriën die zich in hun deel van het cytosol bevinden wanneer de cel verdeelt.
Deze functie is belangrijk voor de voortplanting van hogere organismen, waaronder de mens, omdat uit een bevruchte eicel embryo's ontstaan.
De eicel van de moeder is groot en bevat veel mitochondriën in zijn cytosol, terwijl de bevruchtende zaadcel van de vader er bijna geen heeft. Als gevolg hiervan erven kinderen hun mitochondriën en hun mitochondriaal DNA van hun moeder.
Door hun ATP-synthesefunctie in de matrix en door cellulaire ademhaling over het dubbele membraan, mitochondriën en de mitochondriale functie zijn een belangrijk onderdeel van dierlijke cellen en helpen het leven te maken zoals het bestaat mogelijk.
Celstructuur met membraangebonden organellen heeft een belangrijke rol gespeeld in de menselijke evolutie en mitochondriën hebben een essentiële bijdrage geleverd.