Celulele eucariote ale organismelor vii efectuează continuu un număr imens de reacții chimice pentru a trăi, a crește, a se reproduce și a combate boala.
Toate aceste procese necesită energie la nivel celular. Fiecare celulă care se angajează în oricare dintre aceste activități își obține energia din mitocondrii, organite minuscule care acționează ca centrale ale celulelor. Singularul mitocondriilor este mitocondria.
La om, celulele precum corpusculii roșii din sânge nu au aceste organite minuscule, dar majoritatea celulelor au un număr mare de mitocondrii. Celulele musculare, de exemplu, pot avea sute sau chiar mii pentru a-și satisface cerințele de energie.
Aproape orice ființă vie care se mișcă, crește sau gândește are mitocondrii în fundal, producând energia chimică necesară.
Structura mitocondriilor
Mitocondriile sunt organite legate de membrană închise de o membrană dublă.
Au o membrană exterioară netedă care închide organitul și o membrană interioară pliată. Pliurile membranei interioare se numesc criste, al căror singular este crista, iar pliurile sunt locul în care au loc reacțiile care creează energie mitocondrială.
Membrana interioară conține un fluid numit matrice, în timp ce spațiul intermembranar situat între cele două membrane este, de asemenea, umplut cu fluid.
Datorită acestei structuri celulare relativ simple, mitocondriile au doar două volume de operare separate: matricea din interiorul membranei interioare și spațiul intermembranar. Se bazează pe transferuri între cele două volume pentru generarea de energie.
Pentru a crește eficiența și a maximiza potențialul de creare a energiei, pliurile membranei interioare pătrund adânc în matrice.
Ca urmare, membrana interioară are o suprafață mare și nicio parte a matricei nu este departe de o pliere a membranei interioare. Pliurile și suprafața mare ajută la funcția mitocondrială, crescând rata potențială de transfer între matrice și spațiul intermembranar de-a lungul membranei interioare.
De ce sunt importante mitocondriile?
În timp ce celulele unice au evoluat inițial fără mitocondrii sau alte organite legate de membrană, complexe multicelulare organismele și animalele cu sânge cald, cum ar fi mamiferele, își obțin energia din respirația celulară pe baza mitocondrială funcţie.
Funcțiile cu energie ridicată, cum ar fi cele ale mușchilor inimii sau ale aripilor păsărilor, au concentrații mari de mitocondrii care furnizează energia necesară.
Prin funcția lor de sinteză a ATP, mitocondriile din mușchi și alte celule produc căldura corpului pentru a menține animalele cu sânge cald la o temperatură constantă. Această capacitate concentrată de producere a energiei a mitocondriilor este cea care face posibilă activitățile cu energie ridicată și producția de căldură la animale mai mari.
Funcții mitocondriale
Ciclul de producere a energiei în mitocondrii se bazează pe un lanț de transport al electronilor împreună cu ciclul acidului citric sau Krebs.
Citiți mai multe despre ciclul Krebs.
Procesul de descompunere a glucidelor precum glucoza pentru a produce ATP se numește catabolism. Electronii din oxidarea glucozei sunt trecuți de-a lungul unui lanț de reacție chimică care include ciclul acidului citric.
Energia din reacțiile de reducere-oxidare sau redox este utilizată pentru a transfera protoni din matricea în care au loc reacțiile. Reacția finală în lanțul funcțional mitocondrial este una în care oxigenul din respirația celulară suferă o reducere pentru a forma apă. Produsele finale ale reacțiilor sunt apa și ATP.
Enzimele cheie responsabile pentru producerea de energie mitocondrială sunt fosfatul de nicotinamidă adenină dinucleotidă (NADP), nicotinamidă adenină dinucleotidă (NAD), adenozin difosfat (ADP) și flavină adenină dinucleotidă (MOFT).
Ei lucrează împreună pentru a ajuta la transferul protonilor din moleculele de hidrogen din matrice prin membrana mitocondrială internă. Acest lucru creează un potențial chimic și electric pe membrană, cu protonii care revin la matrice prin enzima ATP sintază, rezultând fosforilarea și producerea de adenozin trifosfat (ATP).
Citiți despre structura și funcția ATP.
Sinteza ATP și moleculele ATP sunt primii purtători de energie din celule și pot fi utilizate de celule pentru producerea substanțelor chimice necesare organismelor vii.
•••Știința
Pe lângă faptul că sunt producători de energie, mitocondriile pot ajuta la semnalizarea de la celulă la celulă prin eliberarea de calciu.
Mitocondriile au capacitatea de a stoca calciu în matrice și îl pot elibera atunci când sunt prezente anumite enzime sau hormoni. Ca rezultat, celulele care produc astfel de substanțe chimice declanșatoare pot vedea semnalul creșterii calciului din eliberarea de către mitocondrii.
În general, mitocondriile sunt o componentă vitală a celulelor vii, ajutând la interacțiunile celulare, distribuind substanțe chimice complexe și producând ATP care formează baza energetică pentru toată viața.
Membranele mitocondriale interioare și exterioare
Membrana dublă mitocondrială are funcții diferite pentru membrana interioară și exterioară și cele două membrane și sunt alcătuite din substanțe diferite.
Membrana mitocondrială exterioară închide fluidul spațiului intermembranar, dar trebuie să permită substanțelor chimice de care mitocondriile au nevoie să treacă prin ea. Moleculele de stocare a energiei produse de mitocondrii trebuie să poată părăsi organitul și să livreze energie către restul celulei.
Pentru a permite astfel de transferuri, membrana exterioară este formată din fosfolipide și structuri proteice numite porine care lasă găuri mici sau pori în suprafața membranei.
Spațiul intermembranar conține fluid care are o compoziție similară cu cea a citosolului care alcătuiește fluidul celulei înconjurătoare.
Moleculele mici, ionii, substanțele nutritive și molecula ATP purtătoare de energie produse prin sinteza ATP pot pătrund în membrana exterioară și tranziția între fluidul spațiului intermembranar și cel citosol ..
Membrana interioară are o structură complexă cu enzime, proteine și grăsimi permițând doar apei, dioxidului de carbon și oxigenului să treacă liber prin membrană.
Alte molecule, inclusiv proteine mari, pot pătrunde în membrană, dar numai prin proteine de transport speciale care le limitează trecerea. Suprafața mare a membranei interioare, rezultată din pliurile crestelor, oferă loc pentru toate aceste proteine complexe și structuri chimice.
Numărul lor mare permite un nivel ridicat de activitate chimică și o producție eficientă de energie.
Se numește procesul prin care energia este produsă prin transferuri chimice prin membrana interioară fosforilarea oxidativă.
În timpul acestui proces, oxidarea glucidelor din mitocondrii pompează protoni prin membrana interioară de la matrice în spațiul intermembranar. Dezechilibrul din protoni face ca protonii să difuzeze înapoi prin membrana interioară în matrice printr-un complex enzimatic care este o formă precursivă a ATP și se numește ATP sintază.
Fluxul de protoni prin ATP sintază la rândul său este baza pentru sinteza ATP și produce molecule ATP, principalul mecanism de stocare a energiei în celule.
Ce este în Matrix?
Fluidul vâscos din interiorul membranei interioare se numește matrice.
Acesta interacționează cu membrana interioară pentru a îndeplini principalele funcții de producere a energiei ale mitocondriilor. Conține enzime și substanțe chimice care iau parte la ciclul krebs pentru a produce ATP din glucoză și acizi grași.
Matricea este locul unde se găsește genomul mitocondrial format din ADN circular și unde se află ribozomii. Prezența ribozomilor și a ADN-ului înseamnă că mitocondriile își pot produce propriile proteine și se pot reproduce folosind propriul ADN, fără a se baza pe diviziunea celulară.
Dacă mitocondriile par a fi celule mici, complete pe cont propriu, se datorează faptului că erau probabil celule separate la un moment dat când celulele singure erau încă în evoluție.
Bacteriile asemănătoare mitocondriilor au pătruns în celule mai mari ca paraziți și li s-a permis să rămână, deoarece aranjamentul a fost reciproc benefic.
Bacteriile au fost capabile să se reproducă într-un mediu sigur și au furnizat energie celulei mai mari. De-a lungul a sute de milioane de ani, bacteriile s-au integrat în organismele multicelulare și au evoluat în mitocondriile de astăzi.
Deoarece se găsesc astăzi în celulele animale, ele formează o parte esențială a evoluției umane timpurii.
Deoarece mitocondriile se înmulțesc independent pe baza genomului mitocondrial și nu iau parte la celule diviziune, celulele noi moștenesc pur și simplu mitocondriile care se întâmplă să fie în partea lor a citosolului atunci când celula împarte.
Această funcție este importantă pentru reproducerea organismelor superioare, inclusiv a oamenilor, deoarece embrionii se dezvoltă dintr-un ou fertilizat.
Celula ovulă de la mamă este mare și conține o mulțime de mitocondrii în citosolul său, în timp ce celula de spermă fertilizantă de la tată are aproape niciuna. Drept urmare, copiii își moștenesc mitocondriile și ADN-ul mitocondrial de la mama lor.
Prin funcția lor de sinteză ATP în matrice și prin respirația celulară prin membrana dublă, mitocondriile și funcția mitocondrială sunt o componentă cheie a celulelor animale și ajută la realizarea vieții așa cum există posibil.
Structura celulară cu organite legate de membrană a jucat un rol important în evoluția umană, iar mitocondriile au adus o contribuție esențială.