De eukaryota cellerna i levande organismer utför kontinuerligt ett stort antal kemiska reaktioner för att leva, växa, reproducera och bekämpa sjukdomar.
Alla dessa processer kräver energi på mobilnivå. Varje cell som bedriver någon av dessa aktiviteter får sin energi från mitokondrier, små organeller som fungerar som cellernas kraftverk. Singel av mitokondrier är mitokondri.
Hos människor har celler som röda blodkroppar inte dessa små organeller, men de flesta andra celler har stort antal mitokondrier. Muskelceller kan till exempel ha hundratals eller till och med tusentals för att tillgodose sina energibehov.
Nästan alla levande saker som rör sig, växer eller tänker har mitokondrier i bakgrunden och producerar nödvändig kemisk energi.
Mitokondriernas struktur
Mitokondrier är membranbundna organeller inneslutna av ett dubbelmembran.
De har ett slätt yttre membran som omsluter organellen och ett vikat inre membran. Vikarna på det inre membranet kallas cristae, vars singularis är crista, och veckarna är där reaktionerna som skapar mitokondriell energi äger rum.
Det inre membranet innehåller en vätska som kallas matrisen medan mellanrummet mellan de två membranen också är fyllt med vätska.
På grund av denna relativt enkla cellstruktur har mitokondrier endast två separata arbetsvolymer: matrisen inuti det inre membranet och det intermembrana utrymmet. De är beroende av överföringar mellan de två volymerna för energiproduktion.
För att öka effektiviteten och maximera energiproduktionspotentialen tränger de inre membranvecken djupt in i matrisen.
Som ett resultat har det inre membranet en stor ytarea, och ingen del av matrisen är långt ifrån ett inre membranveck. Vikningarna och den stora ytan hjälper till med mitokondriell funktion, vilket ökar den potentiella överföringshastigheten mellan matrisen och det intermembrana utrymmet över det inre membranet.
Varför är mitokondrier viktiga?
Medan enstaka celler ursprungligen utvecklades utan mitokondrier eller andra membranbundna organeller, komplexa flercelliga organismer och varmblodiga djur som däggdjur får sin energi från cellulär andning baserat på mitokondrierna fungera.
Högenergifunktioner som hjärtmuskeln eller fågelvingarna har höga koncentrationer av mitokondrier som levererar den energi som behövs.
Genom sin ATP-syntesfunktion producerar mitokondrier i muskler och andra celler kroppsvärmen för att hålla varmblodiga djur vid en jämn temperatur. Det är denna koncentrerade energiproduktionsförmåga hos mitokondrier som möjliggör högenergiaktiviteter och produktion av värme hos högre djur.
Mitokondriella funktioner
Energiproduktionscykeln i mitokondrier är beroende av en elektrontransportkedja tillsammans med citronsyra- eller Krebs-cykeln.
Läs mer om Krebs Cycle.
Processen med att bryta ner kolhydrater som glukos för att göra ATP kallas katabolism. Elektronerna från glukosoxidation passeras längs en kemisk reaktionskedja som inkluderar citronsyracykeln.
Energi från reduktionsoxidations- eller redoxreaktionerna används för att överföra protoner från matrisen där reaktionerna äger rum. Den slutliga reaktionen i den mitokondriella funktionskedjan är en där syre från cellulär andning genomgår minskning för att bilda vatten. Slutprodukterna av reaktionerna är vatten och ATP.
De viktigaste enzymerna som är ansvariga för mitokondriell energiproduktion är nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADP), nikotinamidadenindinukleotid (NAD), adenosindifosfat (ADP) och flavinadenindinukleotid (FLUGA).
De arbetar tillsammans för att överföra protoner från vätemolekyler i matrisen över det inre mitokondriella membranet. Detta skapar en kemisk och elektrisk potential över membranet med protonerna som återvänder till matrisen genom enzymet ATP-syntas, vilket resulterar i fosforylering och produktion av adenosintrifosfat (ATP).
Läs om strukturen och funktionen hos ATP.
ATP-syntes och ATP-molekylerna är de främsta bärarna av energi i celler och kan användas av cellerna för produktion av kemikalier som är nödvändiga för levande organismer.
•••Sciencing
Förutom att vara energiproducenter kan mitokondrier hjälpa till med cell-till-cell-signalering genom frisättning av kalcium.
Mitokondrier har förmågan att lagra kalcium i matrisen och kan frigöra det när vissa enzymer eller hormoner är närvarande. Som ett resultat kan celler som producerar sådana utlösande kemikalier se signalen om stigande kalcium från frigöringen av mitokondrier.
Sammantaget är mitokondrier en viktig komponent i levande celler, som hjälper till med cellinteraktioner, distribuerar komplexa kemikalier och producerar ATP som utgör energibasen för hela livet.
De inre och yttre mitokondriella membranen
Det mitokondriella dubbla membranet har olika funktioner för det inre och yttre membranet och de två membranen och består av olika ämnen.
Det yttre mitokondriella membranet omsluter vätskan i det intermembrana utrymmet, men det måste tillåta kemikalier som mitokondrier behöver passera genom det. Energilagringsmolekyler som produceras av mitokondrierna måste kunna lämna organellen och leverera energi till resten av cellen.
För att möjliggöra sådana överföringar består det yttre membranet av fosfolipider och proteinstrukturer som kallas porins som lämnar små hål eller porer i membranytan.
Intermembranutrymmet innehåller vätska som har en sammansättning som liknar den hos cytosolen som utgör vätskan i den omgivande cellen.
Små molekyler, joner, näringsämnen och den energibärande ATP-molekylen som produceras av ATP-syntes kan tränger igenom det yttre membranet och övergången mellan vätskan i det intermembrana utrymmet och cytosol ..
Det inre membranet har en komplex struktur med enzymer, proteiner och fetter som gör att endast vatten, koldioxid och syre kan passera fritt genom membranet.
Andra molekyler, inklusive stora proteiner, kan tränga igenom membranet men endast genom speciella transportproteiner som begränsar deras passage. Den stora ytan på det inre membranet, som härrör från cristae-veck, ger plats för alla dessa komplexa protein- och kemiska strukturer.
Deras stora antal möjliggör en hög kemisk aktivitet och en effektiv produktion av energi.
Processen genom vilken energi produceras genom kemiska överföringar över det inre membranet kallas oxidativ fosforylering.
Under denna process pumpar oxidationen av kolhydrater i mitokondrierna protoner över det inre membranet från matrisen till det intermembrana utrymmet. Obalansen i protoner får protonerna att diffundera tillbaka över det inre membranet in i matrisen genom ett enzymkomplex som är en föregångare av ATP och kallas ATP-syntas.
Flödet av protoner genom ATP-syntas är i sin tur grunden för ATP-syntes och det producerar ATP-molekyler, den viktigaste energilagringsmekanismen i celler.
Vad finns i matrisen?
Den viskösa vätskan inuti det inre membranet kallas matris.
Det interagerar med det inre membranet för att utföra mitokondriernas viktigaste energiproducerande funktioner. Den innehåller enzymer och kemikalier som deltar i krebscykeln för att producera ATP från glukos och fettsyror.
Matrisen är där det mitokondriella genomet som består av cirkulärt DNA finns och där ribosomerna finns. Närvaron av ribosomer och DNA innebär att mitokondrierna kan producera sina egna proteiner och kan reproducera med sitt eget DNA utan att förlita sig på celldelning.
Om mitokondrier verkar vara små, kompletta celler på egen hand, beror det på att de förmodligen var separata celler vid en tidpunkt när enskilda celler fortfarande utvecklades.
Mitokondrionliknande bakterier kom in i större celler som parasiter och fick kvar eftersom arrangemanget var ömsesidigt fördelaktigt.
Bakterierna kunde reproducera sig i en säker miljö och tillförde energi till den större cellen. Under hundratals miljoner år integrerades bakterierna i flercelliga organismer och utvecklades till dagens mitokondrier.
Eftersom de finns i djurceller idag utgör de en viktig del av den tidiga mänskliga utvecklingen.
Eftersom mitokondrier multiplicerar oberoende baserat på mitokondriellt genom och inte deltar i cell delning, ärva nya celler helt enkelt mitokondrier som råkar vara i deras del av cytosolen när cellen delar upp.
Denna funktion är viktig för reproduktionen av högre organismer, inklusive människor, eftersom embryon utvecklas från ett befruktat ägg.
Äggcellen från modern är stor och innehåller mycket mitokondrier i dess cytosol medan den befruktande spermacellen från fadern knappast har någon. Som ett resultat ärver barn sina mitokondrier och deras mitokondriella DNA från sin mor.
Genom deras ATP-syntesfunktion i matrisen och genom cellulär andning över det dubbla membranet, mitokondrier och mitokondriell funktion är en nyckelkomponent i djurceller och hjälper till att göra livet så som det existerar möjlig.
Cellstruktur med membranbundna organeller har spelat en viktig roll i mänsklig utveckling och mitokondrier har bidragit väsentligt.