ไมโตคอนเดรีย: ความหมาย โครงสร้าง และหน้าที่ (พร้อมไดอะแกรม)

เซลล์ยูคาริโอตของสิ่งมีชีวิตทำปฏิกิริยาเคมีจำนวนมากอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีชีวิต เติบโต สืบพันธุ์ และต่อสู้กับโรค

กระบวนการทั้งหมดนี้ต้องการพลังงานในระดับเซลล์ แต่ละเซลล์ที่มีส่วนร่วมในกิจกรรมเหล่านี้จะได้รับพลังงานจากไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นออร์แกเนลล์ขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ เอกพจน์ของ mitochondria คือ mitochondrion

ในมนุษย์ เซลล์อย่างเช่น เม็ดเลือดแดงไม่มีออร์แกเนลล์เล็กๆ เหล่านี้ แต่เซลล์อื่นๆ ส่วนใหญ่มีไมโตคอนเดรียจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น เซลล์กล้ามเนื้ออาจมีหลายร้อยหรือหลายพันเซลล์เพื่อตอบสนองความต้องการด้านพลังงาน

สิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิดที่เคลื่อนไหว เติบโต หรือคิดว่ามีไมโตคอนเดรียอยู่เบื้องหลัง ทำให้เกิดพลังงานเคมีที่จำเป็น

Mitochondria เป็นออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนซึ่งล้อมรอบด้วยเมมเบรนสองชั้น

พวกมันมีเยื่อหุ้มชั้นนอกเรียบล้อมรอบออร์แกเนลล์และเยื่อหุ้มชั้นในที่พับ การพับของเยื่อหุ้มชั้นในเรียกว่า cristae ซึ่งเอกพจน์คือ crista และส่วนพับเป็นที่ที่เกิดปฏิกิริยาที่สร้างพลังงานยล

เยื่อหุ้มชั้นในประกอบด้วยของเหลวที่เรียกว่าเมทริกซ์ในขณะที่ช่องว่างระหว่างเมมเบรนที่อยู่ระหว่างเยื่อหุ้มทั้งสองนั้นก็เต็มไปด้วยของเหลวเช่นกัน

เนื่องจากโครงสร้างเซลล์ที่ค่อนข้างง่ายนี้ ไมโตคอนเดรียจึงมีปริมาตรการทำงานแยกกันเพียงสองปริมาตร: เมทริกซ์ภายในเยื่อหุ้มชั้นในและช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ พวกเขาพึ่งพาการถ่ายโอนระหว่างสองเล่มเพื่อการผลิตพลังงาน

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและเพิ่มศักยภาพการสร้างพลังงานสูงสุด เยื่อหุ้มชั้นในจะเจาะลึกเข้าไปในเมทริกซ์

ด้วยเหตุนี้ เมมเบรนชั้นในจึงมีพื้นที่ผิวกว้าง และไม่มีส่วนใดของเมทริกซ์ที่อยู่ห่างไกลจากการพับของเยื่อหุ้มชั้นใน รอยพับและพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ช่วยเรื่องการทำงานของไมโตคอนเดรีย ช่วยเพิ่มอัตราการถ่ายโอนระหว่างเมทริกซ์กับช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มชั้นใน

ในขณะที่เซลล์เดี่ยวในขั้นต้นวิวัฒนาการโดยไม่มีไมโตคอนเดรียหรือออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนอื่น ๆ เซลล์หลายเซลล์ที่ซับซ้อน สิ่งมีชีวิตและสัตว์เลือดอุ่นเช่นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้รับพลังงานจากการหายใจระดับเซลล์ตามไมโตคอนเดรีย ฟังก์ชัน

การทำงานของพลังงานสูงเช่นกล้ามเนื้อหัวใจหรือปีกนกมีไมโตคอนเดรียที่มีความเข้มข้นสูงซึ่งให้พลังงานที่จำเป็น

ด้วยฟังก์ชันการสังเคราะห์ ATP ไมโตคอนเดรียในกล้ามเนื้อและเซลล์อื่นๆ จะสร้างความร้อนในร่างกายเพื่อให้สัตว์เลือดอุ่นมีอุณหภูมิคงที่ ความสามารถในการผลิตพลังงานแบบเข้มข้นของไมโตคอนเดรียที่ทำให้กิจกรรมพลังงานสูงและการผลิตความร้อนในสัตว์สูงขึ้นเป็นไปได้

วัฏจักรการผลิตพลังงานในไมโตคอนเดรียอาศัยห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนร่วมกับกรดซิตริกหรือวงจรเครบส์
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Krebs Cycle

กระบวนการสลายคาร์โบไฮเดรตเช่นกลูโคสเพื่อสร้าง ATP เรียกว่าแคแทบอลิซึม อิเล็กตรอนจากการเกิดออกซิเดชันของกลูโคสจะถูกส่งผ่านไปตามห่วงโซ่ปฏิกิริยาเคมีที่มีวัฏจักรกรดซิตริก

พลังงานจากปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชัน หรือรีดอกซ์ ใช้เพื่อถ่ายโอนโปรตอนออกจากเมทริกซ์ที่เกิดปฏิกิริยา ปฏิกิริยาสุดท้ายในห่วงโซ่การทำงานของไมโตคอนเดรียคือปฏิกิริยาที่ออกซิเจนจากการหายใจของเซลล์ลดลงจนเกิดเป็นน้ำ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาคือน้ำและเอทีพี

เอ็นไซม์สำคัญที่มีหน้าที่ในการผลิตพลังงานไมโตคอนเดรียคือ นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต (NADP), นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (NAD), อะดีโนซีน ไดฟอสเฟต (ADP) และฟลาวิน อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ (แฟชั่น).

พวกมันทำงานร่วมกันเพื่อช่วยถ่ายเทโปรตอนจากโมเลกุลไฮโดรเจนในเมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นใน สิ่งนี้จะสร้างศักย์ทางเคมีและไฟฟ้าข้ามเมมเบรนโดยที่โปรตอนกลับสู่เมทริกซ์ ผ่านเอ็นไซม์ ATP synthase ทำให้เกิดฟอสโฟรีเลชั่นและผลิตอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (เอทีพี).
อ่านเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของ ATP

การสังเคราะห์เอทีพีและโมเลกุลเอทีพีเป็นพาหะสำคัญของพลังงานในเซลล์ และสามารถใช้โดยเซลล์ในการผลิตสารเคมีที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต

•••วิทยาศาสตร์

นอกเหนือจากการเป็นผู้ผลิตพลังงานแล้ว ไมโตคอนเดรียยังสามารถช่วยในการส่งสัญญาณจากเซลล์สู่เซลล์ผ่านการปล่อยแคลเซียม

ไมโตคอนเดรียมีความสามารถในการเก็บแคลเซียมไว้ในเมทริกซ์และสามารถปลดปล่อยแคลเซียมออกมาเมื่อมีเอนไซม์หรือฮอร์โมนบางชนิดอยู่ เป็นผลให้เซลล์ที่ผลิตสารเคมีกระตุ้นดังกล่าวอาจเห็นสัญญาณการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมจากการปลดปล่อยโดยไมโตคอนเดรีย

โดยรวมแล้ว ไมโตคอนเดรียเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเซลล์ที่มีชีวิต ซึ่งช่วยในการโต้ตอบของเซลล์ แจกจ่ายสารเคมีที่ซับซ้อน และผลิต ATP ที่สร้างพลังงานพื้นฐานสำหรับทุกชีวิต

เมมเบรนสองชั้นของไมโตคอนเดรียมีหน้าที่ที่แตกต่างกันสำหรับเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอก และเยื่อหุ้มทั้งสองแบบและประกอบด้วยสารที่แตกต่างกัน

เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นนอกล้อมรอบของเหลวของช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ แต่ต้องยอมให้สารเคมีที่ไมโตคอนเดรียต้องผ่านเข้าไป โมเลกุลที่เก็บพลังงานที่ผลิตโดยไมโตคอนเดรียจะต้องสามารถออกจากออร์แกเนลล์และส่งพลังงานไปยังส่วนอื่นๆ ของเซลล์ได้

เพื่อให้สามารถถ่ายโอนดังกล่าวได้ เยื่อหุ้มชั้นนอกประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดและโครงสร้างโปรตีนที่เรียกว่า porins ที่ทิ้งรูเล็กๆ หรือรูพรุนไว้บนผิวเมมเบรน

ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยของเหลวที่มีองค์ประกอบคล้ายกับของไซโตซอลที่ประกอบขึ้นเป็นของเหลวของเซลล์โดยรอบ

โมเลกุลขนาดเล็ก ไอออน สารอาหาร และโมเลกุล ATP ที่เป็นพาหะพลังงานที่ผลิตโดยกระบวนการสังเคราะห์ ATP ทะลุผ่านเยื่อหุ้มชั้นนอกและการเปลี่ยนแปลงระหว่างของเหลวของช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มและ ไซโตซอล..

เยื่อหุ้มชั้นในมีโครงสร้างที่ซับซ้อนด้วยเอ็นไซม์ โปรตีน และไขมัน ทำให้น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจนเท่านั้นที่จะผ่านเมมเบรนได้อย่างอิสระ

โมเลกุลอื่นๆ รวมทั้งโปรตีนขนาดใหญ่ สามารถทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ แต่เฉพาะผ่านโปรตีนขนส่งพิเศษที่จำกัดทางเดินของพวกมันเท่านั้น พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ของเยื่อหุ้มชั้นในซึ่งเป็นผลมาจากการพับของคริสเต ทำให้มีที่ว่างสำหรับโครงสร้างทางเคมีและโปรตีนที่ซับซ้อนเหล่านี้

จำนวนมากของพวกเขาอนุญาตให้มีกิจกรรมทางเคมีในระดับสูงและการผลิตพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

กระบวนการที่ผลิตพลังงานจากการถ่ายเทสารเคมีผ่านเยื่อหุ้มชั้นในเรียกว่า ออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชั่น.

ในระหว่างกระบวนการนี้ การเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตในไมโตคอนเดรียจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นในจากเมทริกซ์ไปยังช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ความไม่สมดุลในโปรตอนทำให้โปรตอนกระจายกลับผ่านเยื่อหุ้มชั้นในเข้าไปในเมทริกซ์ผ่านเอ็นไซม์คอมเพล็กซ์ซึ่งเป็นรูปแบบสารตั้งต้นของ ATP และเรียกว่า ATP synthase

การไหลของโปรตอนผ่านการสังเคราะห์ ATP เป็นพื้นฐานสำหรับการสังเคราะห์ ATP และผลิตโมเลกุล ATP ซึ่งเป็นกลไกหลักในการจัดเก็บพลังงานในเซลล์

ของเหลวหนืดภายในเยื่อหุ้มชั้นในเรียกว่าเมทริกซ์

มันทำปฏิกิริยากับเยื่อหุ้มชั้นในเพื่อทำหน้าที่หลักในการผลิตพลังงานของไมโตคอนเดรีย ประกอบด้วยเอนไซม์และสารเคมีที่มีส่วนร่วมในวงจร krebs เพื่อผลิต ATP จากกลูโคสและกรดไขมัน

เมทริกซ์เป็นที่ซึ่งพบจีโนมของไมโตคอนเดรียที่ประกอบด้วย DNA แบบวงกลมและตำแหน่งของไรโบโซม การปรากฏตัวของไรโบโซมและ DNA หมายความว่าไมโตคอนเดรียสามารถผลิตโปรตีนของตัวเองและสามารถทำซ้ำได้โดยใช้ DNA ของตัวเองโดยไม่ต้องอาศัยการแบ่งเซลล์

ถ้าไมโตคอนเดรียดูเหมือนจะเป็นเซลล์เล็กๆ ที่สมบูรณ์ด้วยตัวของมันเอง อาจเป็นเพราะพวกมันอาจเป็นเซลล์ที่แยกจากกัน ณ จุดหนึ่งที่เซลล์เดี่ยวยังคงมีการพัฒนา

แบคทีเรียที่มีลักษณะเหมือนไมโตคอนเดรียเข้าสู่เซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าในฐานะปรสิต และได้รับอนุญาตให้อยู่ได้เพราะการจัดเรียงนั้นมีประโยชน์ร่วมกัน

แบคทีเรียสามารถแพร่พันธุ์ในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยและให้พลังงานแก่เซลล์ที่ใหญ่ขึ้น กว่าร้อยล้านปี แบคทีเรียได้รวมเข้ากับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์และพัฒนาเป็นไมโตคอนเดรียในปัจจุบัน

เนื่องจากพวกมันถูกพบในเซลล์สัตว์ในปัจจุบัน พวกมันจึงเป็นส่วนสำคัญของวิวัฒนาการของมนุษย์ในยุคแรกๆ

เนื่องจากไมโตคอนเดรียทวีคูณอย่างอิสระตามจีโนมของไมโตคอนเดรียและไม่มีส่วนร่วมในเซลล์ การแบ่งตัว เซลล์ใหม่เพียงแค่สืบทอดไมโตคอนเดรียที่เกิดขึ้นในส่วนของไซโตซอลเมื่อเซลล์ แบ่ง

หน้าที่นี้มีความสำคัญต่อการสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูง รวมทั้งมนุษย์ เนื่องจากตัวอ่อนพัฒนาจากไข่ที่ปฏิสนธิแล้ว

เซลล์ไข่จากแม่มีขนาดใหญ่และมีไมโตคอนเดรียจำนวนมากในไซโตซอล ในขณะที่เซลล์อสุจิที่ปฏิสนธิจากพ่อแทบไม่มีเลย เป็นผลให้เด็ก ๆ สืบทอดไมโตคอนเดรียและ DNA ของไมโตคอนเดรียจากแม่ของพวกเขา

ผ่านฟังก์ชันการสังเคราะห์เอทีพีในเมทริกซ์และผ่านการหายใจระดับเซลล์ผ่านเยื่อหุ้มคู่ ไมโตคอนเดรียและการทำงานของไมโตคอนเดรียเป็นองค์ประกอบสำคัญของเซลล์สัตว์และช่วยทำให้ชีวิตมีอยู่จริง เป็นไปได้

โครงสร้างเซลล์ที่มีออร์แกเนลล์ที่จับกับเมมเบรนมีส่วนสำคัญในการวิวัฒนาการของมนุษย์ และไมโตคอนเดรียมีส่วนสำคัญ