Komórki eukariotyczne żywych organizmów nieustannie przeprowadzają ogromną liczbę reakcji chemicznych, aby żyć, rosnąć, rozmnażać się i zwalczać choroby.
Wszystkie te procesy wymagają energii na poziomie komórkowym. Każda komórka, która angażuje się w którąkolwiek z tych czynności, czerpie energię z mitochondriów, maleńkich organelli, które działają jak elektrownie komórkowe. Jednostką mitochondriów jest mitochondrium.
U ludzi komórki takie jak krwinki czerwone nie mają tych maleńkich organelli, ale większość innych komórek ma dużą liczbę mitochondriów. Na przykład komórki mięśniowe mogą mieć setki, a nawet tysiące, aby zaspokoić swoje zapotrzebowanie na energię.
Prawie każda żywa istota, która się porusza, rośnie lub myśli, ma w tle mitochondria, które wytwarzają niezbędną energię chemiczną.
Struktura mitochondriów
Mitochondria to związane z błoną organelle otoczone podwójną błoną.
Mają gładką zewnętrzną błonę otaczającą organelle i złożoną błonę wewnętrzną. Fałdy błony wewnętrznej nazywane są cristae, w liczbie pojedynczej crista, i to w fałdach zachodzą reakcje tworzące energię mitochondrialną.
Wewnętrzna membrana zawiera płyn zwany matrycą, podczas gdy przestrzeń międzybłonowa znajdująca się między dwiema membranami jest również wypełniona płynem.
Ze względu na tę stosunkowo prostą strukturę komórkową mitochondria mają tylko dwie oddzielne objętości operacyjne: macierz wewnątrz błony wewnętrznej i przestrzeń międzybłonową. Polegają na transferach między dwoma tomami w celu wytwarzania energii.
Aby zwiększyć wydajność i zmaksymalizować potencjał wytwarzania energii, fałdy błony wewnętrznej wnikają głęboko w matrycę.
W rezultacie membrana wewnętrzna ma dużą powierzchnię, a żadna część matrycy nie jest daleka od zagięcia membrany wewnętrznej. Fałdy i duża powierzchnia pomagają w funkcjonowaniu mitochondriów, zwiększając potencjalną szybkość transferu między macierzą a przestrzenią międzybłonową przez błonę wewnętrzną.
Dlaczego mitochondria są ważne?
Podczas gdy pojedyncze komórki pierwotnie wyewoluowały bez mitochondriów lub innych organelli związanych z błoną, złożone wielokomórkowe organizmy i zwierzęta stałocieplne, takie jak ssaki, czerpią energię z oddychania komórkowego opartego na mitochondriach funkcjonować.
Funkcje wysokoenergetyczne, takie jak mięśnie serca lub skrzydła ptaka, mają wysokie stężenie mitochondriów, które dostarczają potrzebnej energii.
Poprzez swoją funkcję syntezy ATP, mitochondria w mięśniach i innych komórkach wytwarzają ciepło ciała, aby utrzymać ciepłokrwiste zwierzęta w stałej temperaturze. To właśnie ta skoncentrowana zdolność mitochondriów do produkcji energii umożliwia wykonywanie czynności wysokoenergetycznych i wytwarzanie ciepła u zwierząt wyższych.
Funkcje mitochondrialne
Cykl produkcji energii w mitochondriach opiera się na łańcuchu transportu elektronów wraz z cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem Krebsa.
Przeczytaj więcej o cyklu Krebsa.
Proces rozkładania węglowodanów, takich jak glukoza, w celu wytworzenia ATP, nazywa się katabolizmem. Elektrony z utleniania glukozy przechodzą wzdłuż łańcucha reakcji chemicznych, który obejmuje cykl kwasu cytrynowego.
Energia z reakcji redukcyjno-utleniających lub redoks jest wykorzystywana do przenoszenia protonów z matrycy, w której zachodzą reakcje. Ostateczna reakcja w łańcuchu funkcji mitochondriów to taka, w której tlen z oddychania komórkowego ulega redukcji do wody. Produktami końcowymi reakcji są woda i ATP.
Kluczowymi enzymami odpowiedzialnymi za produkcję energii w mitochondriach są fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP), dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD), difosforan adenozyny (ADP) i dinukleotyd flawinoadeninowy (CHWILOWA MODA).
Pracują razem, aby pomóc w przenoszeniu protonów z cząsteczek wodoru w macierzy przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Tworzy to potencjał chemiczny i elektryczny w całej błonie, a protony wracają do matrycy poprzez enzym syntazę ATP, co powoduje fosforylację i produkcję trifosforanu adenozyny (ATP).
Przeczytaj o strukturze i funkcji ATP.
Synteza ATP i cząsteczki ATP są głównymi nośnikami energii w komórkach i mogą być wykorzystywane przez komórki do produkcji substancji chemicznych niezbędnych organizmom żywym.
•••Nauka
Oprócz tego, że są producentami energii, mitochondria mogą pomagać w przekazywaniu sygnałów między komórkami poprzez uwalnianie wapnia.
Mitochondria mają zdolność magazynowania wapnia w macierzy i mogą go uwalniać, gdy obecne są pewne enzymy lub hormony. W rezultacie komórki wytwarzające takie wyzwalające substancje chemiczne mogą widzieć sygnał wzrostu wapnia z uwalniania przez mitochondria.
Ogólnie rzecz biorąc, mitochondria są istotnym składnikiem żywych komórek, pomagając w interakcjach komórkowych, rozprowadzając złożone chemikalia i wytwarzając ATP, który stanowi podstawę energetyczną wszelkiego życia.
Wewnętrzna i zewnętrzna błona mitochondrialna
Podwójna błona mitochondrialna pełni różne funkcje dla błony wewnętrznej i zewnętrznej oraz dwóch błon i składa się z różnych substancji.
Zewnętrzna błona mitochondrialna otacza płyn przestrzeni międzybłonowej, ale musi przepuszczać przez nią substancje chemiczne, których mitochondria potrzebują. Cząsteczki magazynujące energię wytwarzane przez mitochondria muszą być w stanie opuścić organelle i dostarczać energię reszcie komórki.
Aby umożliwić takie transfery, zewnętrzna błona składa się z fosfolipidów i struktur białkowych zwanych pornosy które pozostawiają małe dziury lub pory na powierzchni membrany.
Przestrzeń międzybłonowa zawiera płyn o składzie podobnym do cytozolu tworzącego płyn otaczającej komórki.
Małe cząsteczki, jony, składniki odżywcze i przenoszące energię molekuły ATP wytwarzane przez syntezę ATP mogą przenikają przez błonę zewnętrzną i przejście między płynem przestrzeni międzybłonowej a cytozol..
Membrana wewnętrzna ma złożoną strukturę z enzymami, białkami i tłuszczami, które umożliwiają swobodne przechodzenie przez membranę jedynie wody, dwutlenku węgla i tlenu.
Inne cząsteczki, w tym duże białka, mogą przenikać przez błonę, ale tylko poprzez specjalne białka transportowe, które ograniczają ich przejście. Duża powierzchnia błony wewnętrznej, wynikająca z fałdów cristae, zapewnia miejsce dla wszystkich tych złożonych struktur białkowych i chemicznych.
Ich duża liczba pozwala na wysoki poziom aktywności chemicznej i wydajną produkcję energii.
Proces, w którym energia jest wytwarzana przez transfery chemiczne przez błonę wewnętrzną, nazywa się fosforylacja oksydacyjna.
Podczas tego procesu utlenianie węglowodanów w mitochondriach pompuje protony przez błonę wewnętrzną z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Brak równowagi w protonach powoduje, że protony dyfundują z powrotem przez błonę wewnętrzną do macierzy poprzez kompleks enzymatyczny, który jest prekursorową formą ATP i nazywa się syntazą ATP.
Z kolei przepływ protonów przez syntazę ATP jest podstawą syntezy ATP i wytwarza cząsteczki ATP, główny mechanizm magazynowania energii w komórkach.
Co jest w Matrixie?
Lepki płyn wewnątrz błony wewnętrznej nazywany jest macierzą.
Współdziała z błoną wewnętrzną, realizując główne funkcje mitochondriów produkujących energię. Zawiera enzymy i substancje chemiczne, które biorą udział w cyklu Krebsa, wytwarzając ATP z glukozy i kwasów tłuszczowych.
Matryca to miejsce, w którym znajduje się genom mitochondrialny złożony z kolistego DNA i gdzie znajdują się rybosomy. Obecność rybosomów i DNA oznacza, że mitochondria mogą wytwarzać własne białka i rozmnażać się przy użyciu własnego DNA, bez polegania na podziale komórek.
Jeśli mitochondria wydają się same w sobie maleńkimi, kompletnymi komórkami, to dlatego, że prawdopodobnie były oddzielnymi komórkami w pewnym momencie, gdy pojedyncze komórki wciąż ewoluowały.
Bakterie podobne do mitochondriów weszły do większych komórek jako pasożyty i pozwolono im pozostać, ponieważ układ był korzystny dla obu stron.
Bakterie były w stanie rozmnażać się w bezpiecznym środowisku i dostarczać energię do większej komórki. W ciągu setek milionów lat bakterie zintegrowały się z organizmami wielokomórkowymi i przekształciły się w dzisiejsze mitochondria.
Ponieważ obecnie znajdują się w komórkach zwierzęcych, stanowią kluczową część wczesnej ewolucji człowieka.
Ponieważ mitochondria mnożą się niezależnie na podstawie genomu mitochondrialnego i nie biorą udziału w komórce podział, nowe komórki po prostu dziedziczą mitochondria, które znajdują się w ich części cytozolu, gdy komórka dzieli.
Ta funkcja jest ważna dla reprodukcji wyższych organizmów, w tym ludzi, ponieważ embriony rozwijają się z zapłodnionego jaja.
Komórka jajowa matki jest duża i zawiera dużo mitochondriów w swoim cytozolu, podczas gdy zapładniający plemnik ojca nie ma ich prawie wcale. W rezultacie dzieci dziedziczą mitochondria i mitochondrialne DNA po matce.
Poprzez ich funkcję syntezy ATP w macierzy i oddychanie komórkowe przez podwójną błonę, mitochondria i funkcja mitochondriów są kluczowym składnikiem komórek zwierzęcych i pomagają stworzyć życie takim, jakim ono istnieje możliwy.
Struktura komórkowa z organellami związanymi z błoną odegrała ważną rolę w ewolucji człowieka, a mitochondria wniosły istotny wkład.