Sisältö
- Mitokondrioiden rakenne
- Miksi mitokondriat ovat tärkeitä?
- Mitokondriaaliset toiminnot
- Sisäinen ja ulkoinen mittokondriaalikalvot
- Mitä matriisissa on?
Elävien organismien eukaryoottisolut suorittavat jatkuvasti valtavan määrän kemiallisia reaktioita elämään, kasvamaan, lisääntymään ja torjumaan tauteja.
Kaikki nämä prosessit vaativat energiaa solutasolla. Jokainen solu, joka harjoittaa jotakin näistä toiminnoista, saa energiansa mitokondrioista, pienistä organoleleista, jotka toimivat solujen voimalaitoksina. Mitokondrioiden yksikkö on mitokondrio.
Ihmisillä soluilla, kuten punasoluilla, ei ole näitä pieniä organelleja, mutta useimmissa muissa soluissa on suuri määrä mitokondrioita. Esimerkiksi lihassoluilla voi olla satoja tai jopa tuhansia tyydyttämään energiatarpeensa.
Lähes jokaisella elävällä liikkuvalla, kasvavalla tai ajattelevalla elämällä on taustalla mitokondrioita, jotka tuottavat tarvittavan kemiallisen energian.
Mitokondrioiden rakenne
Mitokondriat ovat kalvoon sitoutuneita organelleja, jotka on suljettu kaksoiskalvolla.
Heillä on sileä ulkokalvo, joka sulkee organelin, ja taitettu sisäkalvo. Sisäisen kalvon taitoksia kutsutaan cristaeiksi, joiden singulaarinen on crista, ja taitetut kohdat tapahtuvat mitokondriaalisen energian muodostavien reaktioiden tapahtuessa.
Sisempi kalvo sisältää nestettä, jota kutsutaan matriisiksi, samalla kun kahden kalvon välissä oleva membraanien välinen tila on myös täytetty nesteellä.
Tämän suhteellisen yksinkertaisen solurakenteen vuoksi mitokondrioilla on vain kaksi erillistä toimintatilavuutta: matriisi sisäkalvon sisällä ja membraanien välinen tila. Ne luottavat siirtoihin kahden määrän välillä energiantuotantoa varten.
Tehokkuuden lisäämiseksi ja energian luomispotentiaalin maksimoimiseksi sisäkalvon taitokset tunkeutuvat syvälle matriisiin.
Seurauksena on, että sisäkalvolla on suuri pinta-ala, eikä mikään matriisin osa ole kaukana sisäkalvon taiteesta. Taitokset ja suuri pinta-ala auttavat mitokondriaalista toimintaa lisäämällä potentiaalista siirtymistä matriisin ja membraanien välisen tilan välillä sisäkalvon läpi.
Miksi mitokondriat ovat tärkeitä?
Vaikka yksittäiset solut kehittyivät alun perin ilman mitokondrioita tai muita kalvoon sitoutuneita organelleja, monimutkaiset monisoluiset organismit ja lämminveriset eläimet, kuten nisäkkäät, saavat energiansa solujen hengityksestä mitokondrioiden toiminnan perusteella.
Suuritehoisissa toiminnoissa, kuten sydänlihasten tai linnunsiipien toiminnoissa, on paljon mitokondrioita, jotka toimittavat tarvittavaa energiaa.
Lihasten ja muiden solujen mitokondriat tuottavat ATP-synteesitoiminnolla kehon lämpöä pitäen lämminveriset eläimet tasaisessa lämpötilassa. Juuri tämä mitokondrioiden keskittynyt energiantuotantokyky tekee korkean energian aktiviteetit ja lämmön tuotannon korkeammilla eläimillä.
Mitokondriaaliset toiminnot
Mitokondrioiden energiantuotantosykli perustuu elektronin kuljetusketjuun sitruunahapon tai Krebs-syklin ohella.
Lue lisää Krebs-syklistä.
Hiilihydraattien, kuten glukoosin, hajottamisprosessia ATP: ksi kutsutaan katabolismiksi. Glukoosin hapettumisesta elektronit kulkevat kemiallista reaktioketjua pitkin, joka sisältää sitruunahapposyklin.
Pelkistys-, hapetus- tai redox-reaktioista saatua energiaa käytetään protonien siirtämiseen matriisista, jossa reaktiot tapahtuvat. Lopullinen reaktio mitokondrioiden toimintaketjussa on sellainen, jossa soluhengityksestä tuleva happea pelkistetään veden muodostamiseksi. Reaktioiden lopputuotteet ovat vesi ja ATP.
Tärkeimmät entsyymit, jotka vastaavat mitokondrioiden energiantuotannosta, ovat nikotiiniamidi-adeniinidinukleotidifosfaatti (NADP), nikotiinamidiadeniinidinukleotidi (NAD), adenosiinidifosfaatti (ADP) ja flaviini-adeniinidinukleotidi (FAD).
Ne toimivat yhdessä auttaakseen siirtämään protoneja vetymolekyyleistä matriisissa sisäisen mitokondriaalikalvon poikki. Tämä luo kemiallisen ja sähköisen potentiaalin membraanin läpi, kun protonit palautuvat matriisiin ATP-syntaasi-entsyymin kautta, mikä johtaa adenosiinitrifosfaatin (ATP) fosforyloitumiseen ja tuotantoon.
Lue ATP: n rakenteesta ja toiminnasta.
ATP-synteesi ja ATP-molekyylit ovat energian kantajia soluissa, ja solut voivat käyttää niitä elävien organismien välttämättömien kemikaalien tuotantoon.
••• TieteellinenSen lisäksi, että mitokondriat ovat energiantuottajia, ne voivat auttaa solujen välisiin signalointiin vapauttamalla kalsiumia.
Mitokondrioilla on kyky varastoida kalsiumia matriisiin ja ne voivat vapauttaa sitä, kun tiettyjä entsyymejä tai hormoneja on läsnä. Seurauksena solut, jotka tuottavat sellaisia laukaisevia kemikaaleja, voivat nähdä signaalin kalsiumin noususta mitokondrioiden vapautumisesta.
Mitokondriat ovat kaiken kaikkiaan tärkeä osa eläviä soluja, auttaen solujen vuorovaikutuksessa, jakamalla monimutkaisia kemikaaleja ja tuottamalla ATP: tä, joka muodostaa energian perustan koko elämälle.
Sisäinen ja ulkoinen mittokondriaalikalvot
Mitokondriaalisella kaksoiskalvolla on erilaiset toiminnot sisä- ja ulkokalvolla ja kahdella kalvolla ja ne koostuvat eri aineista.
Ulompi mitokondriaalikalvo sulkee membraanitilan nesteen, mutta sen on sallittava kemikaalit, jotka mitokondrioiden on kuljettava sen läpi. Mitokondrioiden tuottamien energian varastointimolekyylien on kyettävä poistumaan organellista ja toimittamaan energiaa muuhun soluun.
Sellaisten siirtojen mahdollistamiseksi ulkomembraani koostuu fosfolipideistä ja proteiinirakenteista, joita kutsutaan poriiniproteiinituotannosta jotka jättävät pieniä reikiä tai huokosia kalvon pintaan.
Kalvojen välinen tila sisältää nestettä, jonka koostumus on samanlainen kuin sytosolin, joka muodostaa ympäröivän solun nesteen.
Pienet molekyylit, ionit, ravintoaineet ja ATP-synteesillä tuotetut energiaa kuljettavat ATP-molekyylit voivat tunkeutua ulkokalvoon ja siirtyä membraanien välisen tilan nesteen ja sytosolin välillä.
Sisäkalvolla on monimutkainen rakenne entsyymien, proteiinien ja rasvojen kanssa, mikä sallii vain veden, hiilidioksidin ja hapen pääsyn vapaasti kalvon läpi.
Muut molekyylit, mukaan lukien suuret proteiinit, voivat tunkeutua kalvoon, mutta vain erityisten kuljetusproteiinien kautta, jotka rajoittavat niiden kulkua. Sisemmän membraanin suuri pinta-ala, joka johtuu cristae-taitoksista, tarjoaa tilaa kaikille näille monimutkaisille proteiini- ja kemiallisille rakenteille.
Niiden suuri määrä mahdollistaa korkean kemiallisen aktiivisuuden ja tehokkaan energiantuotannon.
Prosessia, jolla energia tuotetaan kemiallisilla siirtoilla sisäkalvon läpi, kutsutaan oksidatiivinen fosforylaatio.
Tämän prosessin aikana mitokondrioissa olevien hiilihydraattien hapetus pumppaa protoneja sisemmän kalvon läpi matriisista membraanien väliseen tilaan. Protonien epätasapaino saa protonit diffundoitumaan takaisin sisäkalvon läpi matriisiin entsyymikompleksin kautta, joka on ATP: n edeltäjämuoto ja jota kutsutaan ATP-syntaasiksi.
Protonien virtaus ATP-syntaasin läpi puolestaan on ATP-synteesin perusta ja se tuottaa ATP-molekyylejä, solujen pääasiallisen energian varastointimekanismin.
Mitä matriisissa on?
Sisäisen kalvon sisällä olevaa viskoosia nestettä kutsutaan matriisiksi.
Se on vuorovaikutuksessa sisäkalvon kanssa suorittaakseen mitokondrioiden tärkeimmät energiaa tuottavat toiminnot. Se sisältää entsyymejä ja kemikaaleja, jotka osallistuvat krebs-sykliin tuottamaan ATP: tä glukoosista ja rasvahapoista.
Matriisi on se, missä löydetään ympyränmuotoisesta DNA: sta koostuva mitokondriaalinen genomi ja missä sijaitsevat ribosomit. Ribosomien ja DNA: n läsnäolo tarkoittaa, että mitokondriat voivat tuottaa omia proteiinejaan ja voivat lisääntyä käyttämällä omaa DNA: taan luottamatta solunjakoon.
Jos mitokondriat näyttävät olevan pieniä, kokonaisia soluja yksinään, se johtuu siitä, että ne olivat todennäköisesti erillisiä soluja yhdessä vaiheessa, kun yksittäiset solut olivat vielä kehittymässä.
Mitokondrionin kaltaiset bakteerit pääsivät suurempiin soluihin loisina ja niiden annettiin jäädä, koska järjestely oli molemminpuolisesti hyödyllistä.
Bakteerit pystyivät lisääntymään turvallisessa ympäristössä ja toimittivat energiaa suurempiin soluihin. Satojen miljoonien vuosien aikana bakteerit integroituivat monisoluisiin organismeihin ja kehittyivät nykypäivän mitokondrioiksi.
Koska niitä esiintyy eläinsoluissa nykyään, ne muodostavat keskeisen osan ihmisen varhaisessa evoluutiossa.
Koska mitokondriat moninkertaistuvat itsenäisesti mitokondrioiden perimän perusteella eivätkä osallistu solunjakoon, uudet solut perivät yksinkertaisesti mitokondriat, joita tapahtuu heidän osassaan sytosolia solun jakautuessa.
Tämä tehtävä on tärkeä korkeampien organismien, myös ihmisten, lisääntymiselle, koska alkiat kehittyvät hedelmöitetystä munasta.
Äidin munasolu on suuri ja sisältää sytosolissaan paljon mitokondrioita, kun taas isän hedelmöittävällä spermasolulla ei ole juuri mitään. Seurauksena on, että lapset perivät mitokondrionsa ja mitokondriaalisen DNA: nsa äidiltään.
Niiden ATP-synteesitoiminnon avulla matriisissa ja soluhengityksen kautta kaksoiskalvon läpi mitokondriat ja mitokondriaalitoiminnot ovat eläinsolujen avainkomponentti ja auttavat tekemään elämän sellaisena kuin se on mahdollista.
Solukalvolla, jolla on membraaniin sitoutuneet organelit, on ollut tärkeä osa ihmisen evoluutiossa ja mitokondrioilla on ollut merkittävä vaikutus.