Еукаріотичні клітини живих організмів постійно здійснюють величезну кількість хімічних реакцій, щоб жити, рости, розмножуватися та боротися з хворобами.
Всі ці процеси вимагають енергії на клітинному рівні. Кожна клітина, яка займається будь-якою з цих видів діяльності, отримує свою енергію з мітохондрій, крихітних органел, які діють як елементи живлення клітин. Одиницею мітохондрій є мітохондрії.
У людей такі клітини, як червоні кров'яні тільця, не мають цих крихітних органел, але більшість інших клітин мають велику кількість мітохондрій. Наприклад, м’язові клітини можуть мати сотні, а то й тисячі, щоб задовольнити свої енергетичні потреби.
Майже у кожної живої істоти, яка рухається, росте або думає, на задньому плані є мітохондрії, що виробляють необхідну хімічну енергію.
Будова мітохондрій
Мітохондрії - це мембранно зв'язані органели, укладені подвійною мембраною.
Вони мають гладку зовнішню мембрану, що охоплює органелу, і складену внутрішню мембрану. Складки внутрішньої мембрани називаються кристами, особливістю яких є криста, і в складках відбуваються реакції, що створюють енергію мітохондрій.
Внутрішня мембрана містить рідину, яка називається матрицею, тоді як міжмембранний простір, розташований між двома мембранами, також заповнений рідиною.
Через цю відносно просту клітинну структуру мітохондрії мають лише два окремі робочі об'єми: матрикс всередині внутрішньої мембрани та міжмембранний простір. Вони покладаються на передачу між двома обсягами виробництва енергії.
Для підвищення ефективності та максимізації потенціалу створення енергії внутрішні мембранні складки проникають глибоко в матрикс.
В результаті внутрішня мембрана має велику площу поверхні, і жодна частина матриці не знаходиться далеко від внутрішньої складки мембрани. Складки та велика площа поверхні допомагають функціонувати мітохондріям, збільшуючи потенційну швидкість передачі між матриксом та міжмембранним простором через внутрішню мембрану.
Чому мітохондрії важливі?
У той час як поодинокі клітини спочатку еволюціонували без мітохондрій та інших органел, пов'язаних з мембраною, складних багатоклітинних організми та теплокровні тварини, такі як ссавці, отримують свою енергію від клітинного дихання на основі мітохондріального функція.
Високоенергетичні функції, такі як серцеві м’язи або крила птахів, мають високі концентрації мітохондрій, що забезпечують необхідну енергію.
Завдяки функції синтезу АТФ, мітохондрії в м’язах та інших клітинах виробляють тепло тіла, щоб підтримувати теплокровних тварин при стабільній температурі. Саме ця концентрована здатність мітохондрій до отримання енергії робить можливим високоенергетичну діяльність та виробництво тепла у вищих тварин.
Мітохондріальні функції
Цикл виробництва енергії в мітохондріях залежить від ланцюга переносу електронів разом із циклом лимонної кислоти або Кребса.
Докладніше про цикл Кребса.
Процес розщеплення таких вуглеводів, як глюкоза, для отримання АТФ називається катаболізмом. Електрони від окислення глюкози проходять по ланцюгу хімічної реакції, що включає цикл лимонної кислоти.
Енергія відновно-окислювальних або окисно-відновних реакцій використовується для перенесення протонів з матриці, де відбуваються реакції. Заключна реакція в ланцюзі функціонування мітохондрій - це така реакція, при якій кисень від клітинного дихання зазнає відновлення, утворюючи воду. Кінцевими продуктами реакцій є вода і АТФ.
Ключовими ферментами, відповідальними за виробництво енергії мітохондрій, є нікотинамід аденіндинуклеотид фосфат (NADP), нікотинамід аденіндинуклеотид (NAD), аденозин дифосфат (ADP) та флавін аденін динуклеотид (FAD).
Вони працюють разом, щоб допомогти перенести протони з молекул водню в матриці через внутрішню мембрану мітохондрій. Це створює хімічний та електричний потенціал через мембрану, коли протони повертаються до матриці через фермент АТФ-синтазу, що призводить до фосфорилювання та вироблення аденозинтрифосфату (АТФ).
Прочитайте про структуру та функції АТФ.
Синтез АТФ і молекули АТФ є основними носіями енергії в клітинах і можуть використовуватися клітинами для виробництва хімічних речовин, необхідних для живих організмів.
•••Наукове
Окрім того, що мітохондрії є виробниками енергії, вони можуть допомогти у передачі сигналів від клітини до клітини завдяки вивільненню кальцію.
Мітохондрії мають здатність зберігати кальцій у матриксі і можуть виділяти його, коли присутні певні ферменти або гормони. Як результат, клітини, що виробляють такі ініціюючі хімікати, можуть бачити сигнал про підвищення кальцію з вивільнення мітохондріями.
Загалом, мітохондрії є життєво важливим компонентом живих клітин, допомагаючи взаємодії клітин, розподіляючи складні хімічні речовини та виробляючи АТФ, який формує енергетичну основу для всього життя.
Внутрішня та зовнішня мітохондріальні мембрани
Подвійна мембрана мітохондрій виконує різні функції для внутрішньої та зовнішньої мембрани та двох мембран і складається з різних речовин.
Зовнішня мітохондріальна мембрана охоплює рідину міжмембранного простору, але вона повинна пропускати через неї хімічні речовини, необхідні мітохондріям. Молекули, що накопичують енергію, вироблені мітохондріями, повинні мати можливість покинути органелу і доставити енергію до решти клітин.
Щоб забезпечити такі переноси, зовнішня мембрана складається з фосфоліпідів і так званих білкових структур порини які залишають крихітні отвори або пори на поверхні мембрани.
Міжмембранний простір містить рідину, яка має склад, подібний до складу цитозолю, що складається з рідини навколишньої клітини.
Невеликі молекули, іони, поживні речовини та енергонесуча молекула АТФ, вироблені синтезом АТФ, можуть проникають у зовнішню мембрану і переходять між рідиною міжмембранного простору і цитозоль ..
Внутрішня мембрана має складну структуру з ферментами, білками та жирами, що дозволяє вільно проходити крізь мембрану лише воді, вуглекислому газу та кисню.
Інші молекули, включаючи великі білки, можуть проникати через мембрану, але лише за допомогою спеціальних транспортних білків, які обмежують їх проходження. Велика площа внутрішньої мембрани, що виникає внаслідок складок крист, забезпечує простір для всіх цих складних білкових та хімічних структур.
Їх велика кількість дозволяє забезпечити високий рівень хімічної активності та ефективне виробництво енергії.
Називається процес, при якому енергія виробляється за допомогою хімічних переносів через внутрішню мембрану окисне фосфорилювання.
Під час цього процесу окислення вуглеводів у мітохондріях перекачує протони через внутрішню мембрану з матриксу в міжмембранний простір. Дисбаланс у протонах змушує протони дифундувати назад через внутрішню мембрану в матрикс через ферментний комплекс, який є формою попередника АТФ і називається АТФ-синтазою.
Потік протонів через АТФ-синтазу, в свою чергу, є основою синтезу АТФ, і він виробляє молекули АТФ, головний механізм накопичення енергії в клітинах.
Що в Матриці?
В'язка рідина всередині внутрішньої мембрани називається матриксом.
Він взаємодіє з внутрішньою мембраною, виконуючи основні енергетичні функції мітохондрій. Він містить ферменти та хімічні речовини, які беруть участь у циклі Кребсів, виробляючи АТФ з глюкози та жирних кислот.
Матриця - це місце, де мітохондріальний геном, що складається з кругової ДНК, і де розташовані рибосоми. Наявність рибосом і ДНК означає, що мітохондрії можуть виробляти власні білки і можуть розмножуватися, використовуючи власну ДНК, не покладаючись на поділ клітин.
Якщо мітохондрії здаються крихітними, повноцінними клітинами самі по собі, це тому, що вони, мабуть, були окремими клітинами в один момент, коли поодинокі клітини все ще розвивалися.
Мітохондріоноподібні бактерії потрапляли у більші клітини як паразити і їм було дозволено залишатися, оскільки влаштування було взаємовигідним.
Бактерії змогли розмножуватися в безпечному середовищі та постачали енергію більшій клітині. За сотні мільйонів років бактерії інтегрувались у багатоклітинні організми та еволюціонували в сучасні мітохондрії.
Оскільки вони сьогодні знаходяться в клітинах тварин, вони становлять ключову частину ранньої еволюції людини.
Оскільки мітохондрії розмножуються незалежно від генома мітохондрій і не беруть участі в клітині поділу, нові клітини просто успадковують мітохондрії, які опиняються в їх частині цитозолю, коли клітина ділить.
Ця функція важлива для розмноження вищих організмів, включаючи людину, оскільки ембріони розвиваються із заплідненої яйцеклітини.
Яйцеклітина від матері велика і містить багато мітохондрій у своєму цитозолі, тоді як у запліднюючої сперматозоїдів батька майже немає. Як результат, діти успадковують свої мітохондрії та свою мітохондріальну ДНК від матері.
Завдяки функції синтезу АТФ у матриксі та клітинному диханню через подвійну мембрану, мітохондрії та мітохондріальна функція є ключовим компонентом клітин тварин і допомагають зробити життя таким, яке воно існує можливо.
Клітинна структура з мембранно зв’язаними органелами відіграла важливу роль в еволюції людини, і мітохондрії зробили важливий внесок.