Mitokondrier: definisjon, struktur og funksjon (med diagram)

De eukaryote cellene i levende organismer utfører kontinuerlig et stort antall kjemiske reaksjoner for å leve, vokse, reprodusere og bekjempe sykdom.

Alle disse prosessene krever energi på mobilnivå. Hver celle som driver med noen av disse aktivitetene får sin energi fra mitokondriene, små organeller som fungerer som cellens kraftverk. Singular av mitokondrier er mitokondrion.

Hos mennesker har celler som røde blodlegemer ikke disse små organellene, men de fleste andre celler har stort antall mitokondrier. Muskelceller kan for eksempel ha hundrevis eller tusenvis for å tilfredsstille deres energibehov.

Nesten alle levende ting som beveger seg, vokser eller tenker har mitokondrier i bakgrunnen, og produserer den nødvendige kjemiske energien.

Mitokondrier er membranbundne organeller omsluttet av en dobbel membran.

De har en glatt ytre membran som omslutter organellen og en foldet indre membran. Brettene til den indre membranen kalles cristae, hvis entall er crista, og brettene er der reaksjonene som skaper mitokondrieenergi finner sted.

Den indre membranen inneholder en væske som kalles matriksen, mens mellomrommet mellom de to membranene også er fylt med væske.

På grunn av denne relativt enkle cellestrukturen har mitokondrier bare to separate driftsvolum: matrisen inne i den indre membranen og mellomrommet. De er avhengige av overføringer mellom de to volumene for energiproduksjon.

For å øke effektiviteten og maksimere potensialet for energiskaping, trer de indre membranfoldene dypt inn i matrisen.

Som et resultat har den indre membranen et stort overflateareal, og ingen del av matrisen er langt fra en indre membranfold. Brettene og det store overflatearealet hjelper til med mitokondriefunksjonen, og øker potensiell overføringshastighet mellom matrisen og intermembranområdet over den indre membranen.

Mens enkeltceller opprinnelig utviklet seg uten mitokondrier eller andre membranbundne organeller, komplekse flercellede organismer og varmblodige dyr som pattedyr får sin energi fra cellulær respirasjon basert på mitokondrie funksjon.

Høyenergifunksjoner som hjertemuskulaturen eller fuglevingene har høye konsentrasjoner av mitokondrier som leverer den nødvendige energien.

Gjennom deres ATP-syntesefunksjon produserer mitokondrier i muskler og andre celler kroppsvarmen for å holde varmblodede dyr ved en jevn temperatur. Det er denne konsentrerte energiproduksjonsevnen til mitokondrier som gjør høynergiaktivitetene og produksjonen av varme hos høyere dyr mulig.

Energiproduksjonssyklusen i mitokondrier er avhengig av en elektrontransportkjede sammen med sitronsyre- eller Krebs-syklusen.
Les mer om Krebs-syklusen.

Prosessen med å bryte ned karbohydrater som glukose for å lage ATP kalles katabolisme. Elektronene fra glukoseoksidasjon føres langs en kjemisk reaksjonskjede som inkluderer sitronsyresyklusen.

Energi fra reduksjons-oksidasjon, eller redoks, reaksjoner brukes til å overføre protoner ut av matrisen der reaksjonene finner sted. Den siste reaksjonen i den mitokondrielle funksjonskjeden er en der oksygen fra cellulær respirasjon gjennomgår reduksjon for å danne vann. Sluttproduktene av reaksjonene er vann og ATP.

De viktigste enzymene som er ansvarlige for mitokondriell energiproduksjon er nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADP), nikotinamid-adenindinukleotid (NAD), adenosindifosfat (ADP) og flavin-adenindinukleotid (FAD).

De jobber sammen for å overføre protoner fra hydrogenmolekyler i matrisen over den indre mitokondrie-membranen. Dette skaper et kjemisk og elektrisk potensial over membranen med protonene tilbake til matrisen gjennom enzymet ATP-syntase, noe som resulterer i fosforylering og produksjon av adenosintrifosfat (ATP).
Les om strukturen og funksjonen til ATP.

ATP-syntese og ATP-molekylene er de viktigste bærerne av energi i celler og kan brukes av cellene til produksjon av kjemikalier som er nødvendige for levende organismer.

•••Vitenskap

I tillegg til å være energiprodusenter, kan mitokondrier hjelpe med celle-til-celle-signalering gjennom frigjøring av kalsium.

Mitokondrier har muligheten til å lagre kalsium i matrisen og kan frigjøre det når visse enzymer eller hormoner er tilstede. Som et resultat kan celler som produserer slike utløsende kjemikalier se signalet om økende kalsium fra frigjøringen av mitokondriene.

Samlet sett er mitokondrier en viktig komponent i levende celler, som hjelper til med celleinteraksjoner, distribuerer komplekse kjemikalier og produserer ATP som danner energigrunnlaget for hele livet.

Den mitokondrielle dobbeltmembranen har forskjellige funksjoner for den indre og ytre membranen og de to membranene og består av forskjellige stoffer.

Den ytre mitokondrielle membranen omslutter væsken i mellomrommet, men den må tillate kjemikalier som mitokondriene trenger å passere gjennom den. Energilagringsmolekyler produsert av mitokondriene må kunne forlate organellen og levere energi til resten av cellen.

For å tillate slike overføringer består den ytre membranen av fosfolipider og proteinstrukturer som kalles porinser som etterlater små hull eller porer i overflaten av membranen.

Intermembranrommet inneholder væske som har en sammensetning som ligner den av cytosolen som utgjør væsken fra den omkringliggende cellen.

Små molekyler, ioner, næringsstoffer og det energibærende ATP-molekylet produsert av ATP-syntese kan trenge inn i den ytre membranen og overgangen mellom væsken i mellomrommet og cytosol ..

Den indre membranen har en kompleks struktur med enzymer, proteiner og fett som bare tillater vann, karbondioksid og oksygen å passere fritt gjennom membranen.

Andre molekyler, inkludert store proteiner, kan trenge gjennom membranen, men bare gjennom spesielle transportproteiner som begrenser deres passasje. Det store overflatearealet av den indre membranen, som skyldes cristae-brettene, gir rom for alle disse komplekse protein- og kjemiske strukturene.

Deres store antall tillater et høyt nivå av kjemisk aktivitet og en effektiv produksjon av energi.

Prosessen der energien produseres gjennom kjemiske overføringer over den indre membranen kalles oksidativ fosforylering.

I løpet av denne prosessen pumper oksidasjonen av karbohydrater i mitokondriene protoner over den indre membranen fra matrisen inn i mellomrommet. Ubalansen i protoner får protonene til å diffundere tilbake over den indre membranen inn i matrisen gjennom et enzymkompleks som er en forløperform av ATP og kalles ATP-syntase.

Strømmen av protoner gjennom ATP-syntase er i sin tur grunnlaget for ATP-syntese, og det produserer ATP-molekyler, den viktigste energilagringsmekanismen i celler.

Den viskøse væsken inne i den indre membranen kalles matrisen.

Den samhandler med den indre membranen for å utføre de viktigste energiproduserende funksjonene til mitokondriene. Den inneholder enzymer og kjemikalier som deltar i krebs-syklusen for å produsere ATP fra glukose og fettsyrer.

Matrisen er der mitokondriegenomet som består av sirkulært DNA, blir funnet og hvor ribosomene er lokalisert. Tilstedeværelsen av ribosomer og DNA betyr at mitokondriene kan produsere sine egne proteiner og kan reprodusere ved hjelp av sitt eget DNA, uten å stole på celledeling.

Hvis mitokondrier ser ut til å være små, komplette celler alene, er det fordi de sannsynligvis var separate celler på et tidspunkt da enkeltceller fremdeles utviklet seg.

Mitokondrionlignende bakterier kom inn i større celler som parasitter og fikk forbli fordi ordningen var gjensidig gunstig.

Bakteriene klarte å reprodusere seg i et sikkert miljø og tilførte energi til den større cellen. I løpet av hundrevis av millioner av år ble bakteriene integrert i flercellede organismer og utviklet seg til dagens mitokondrier.

Fordi de finnes i dyreceller i dag, utgjør de en viktig del av den tidlige menneskelige evolusjonen.

Siden mitokondrier multipliserer uavhengig basert på mitokondriegenomet og ikke tar del i celle deling, arver nye celler ganske enkelt mitokondriene som tilfeldigvis er i deres del av cytosolen når cellen deler.

Denne funksjonen er viktig for reproduksjon av høyere organismer, inkludert mennesker, fordi embryoer utvikler seg fra et befruktet egg.

Eggcellen fra moren er stor og inneholder mye mitokondrier i cytosolen mens den befruktende sædcellen fra faren knapt har noen. Som et resultat arver barn mitokondriene og mitokondrie-DNA fra moren.

Gjennom deres ATP-syntesefunksjon i matrisen og gjennom cellulær respirasjon over dobbeltmembranen, mitokondrier og mitokondriefunksjonen er en nøkkelkomponent i dyreceller og hjelper til med å lage liv slik det eksisterer mulig.

Cellestruktur med membranbundne organeller har spilt en viktig rolle i menneskelig utvikling og mitokondrier har gitt et viktig bidrag.