Мітохондрія: визначення, структура та функції (з діаграмою)

Еукаріотичні клітини живих організмів постійно проводять величезну кількість хімічних реакцій, щоб жити, рости, розмножуватися та боротися із хворобами.

Усі ці процеси потребують енергії на клітинному рівні. Кожна клітина, яка бере участь у будь-якій з цих активностей, отримує свою енергію від мітохондрій, крихітних органел, які діють як електростанції клітин. Єдиним із мітохондрій є мітохондрія.

У людей клітини, такі як еритроцити, не мають цих крихітних органел, але більшість інших клітин мають велику кількість мітохондрій. Наприклад, м'язові клітини можуть мати сотні чи навіть тисячі, щоб задовольнити свої енергетичні потреби.

Майже кожна жива істота, яка рухається, росте чи думає, має мітохондрії на задньому плані, виробляючи необхідну хімічну енергію.

Будова Мітохондрії

Мітохондрії являють собою мембранозв'язані органели, оточені подвійною мембраною.

Вони мають гладку зовнішню мембрану, що охоплює органеллу та складену внутрішню мембрану. Складки внутрішньої мембрани називаються христами, єдиними з яких є кристи, а складки - це місця, де відбуваються реакції, що створюють мітохондріальну енергію.

Внутрішня мембрана містить рідину, яку називають матрицею, а міжмембранний простір, розташований між двома мембранами, також заповнений рідиною.

Через цю відносно просту клітинну структуру мітохондрії мають лише два окремих робочих об'єми: матриця всередині внутрішньої мембрани та міжмембранний простір. Вони покладаються на переклади між двома обсягами виробництва енергії.

Щоб збільшити ефективність та максимізувати потенціал створення енергії, внутрішні мембранні складки проникають глибоко у матрицю.

В результаті внутрішня мембрана має велику площу поверхні і жодна частина матриці не знаходиться далеко від внутрішньої мембранної складки. Складки та велика площа поверхні допомагають з функцією мітохондрій, збільшуючи потенційну швидкість передачі між матрицею та міжмембранним простором через внутрішню мембрану.

Чому Мітохондрія важлива?

У той час як окремі клітини спочатку розвивалися без мітохондрій або інших мембраносв'язаних органел, складні багатоклітинні організми та теплокровні тварини, такі як ссавці, одержують енергію від клітинного дихання на основі функції мітохондрій.

У високоенергетичних функціях, таких як серцеві м'язи або крила птахів, є високі концентрації мітохондрій, які постачають необхідну енергію.

Завдяки функції синтезу АТФ мітохондрії у м'язах та інших клітинах виробляють тепло тіла, щоб підтримувати теплокровних тварин за постійної температури. Саме ця концентрована здатність мітохондрій виробляти енергію уможливлює високоенергетичні дії та вироблення тепла у вищих тварин.

Мітохондріальні функції

Цикл виробництва енергії в мітохондріях заснований на ланцюзі переносу електронів поряд з циклом лимонної кислоти або Кребса.

Процес розщеплення вуглеводів, таких як глюкоза, щоб зробити АТФ, називається катаболізмом. Електрони від окислення глюкози проходять ланцюжком хімічної реакції, що включає цикл лимонної кислоти.

Енергія реакцій відновлення-окислення або окислювально-відновної взаємодії використовується для перенесення протонів із матриці, де відбуваються реакції.Останньою реакцією в ланцюзі мітохондріальної функції є реакція, коли кисень від клітинного дихання піддається відновленню з утворенням води. Кінцевими продуктами реакцій є вода та АТФ.

Ключовими ферментами, відповідальними за вироблення мітохондріальної енергії, є нікотинамід-аденіндинуклеотидфосфат (NADP), нікотинамід-аденіндинуклеотид (NAD), аденозиндифосфат (ADP) і флавін-аденіндинуклеотид (FAD).

Вони працюють разом, щоб допомогти переносити протони молекул водню в матриці через внутрішню мітохондріальну мембрану. Це створює хімічний та електричний потенціал через мембрану з протонами, що повертаються в матрицю через фермент АТФ-синтазу, що призводить до фосфорилування та вироблення аденозинтрифосфату (АТФ).

Читайте про структуру та функції АТФ.

Синтез АТФ і молекули АТФ є основними носіями енергії у клітинах і можуть використовуватися клітинами для хімічних речовин, необхідні живих організмів.

Крім того, що вони є виробниками енергії, мітохондрії можуть допомогти з міжклітинної передачі сигналів за допомогою вивільнення кальцію.

Мітохондрії мають здатність накопичувати кальцій у матриці і можуть виділяти його за наявності певних ферментів чи гормонів. В результаті клітини, що продукують такі хімічні речовини, що запускають, можуть бачити сигнал росту кальцію від вивільнення мітохондріями.

Загалом, мітохондрії є життєво важливим компонентом живих клітин, допомагаючи взаємодіяти з клітинами, розподіляючи складні хімічні речовини та продукуючи АТФ, що формує енергетичну основу для всього життя.

Внутрішні та зовнішні мітохондріальні мембрани

Мітохондріальна подвійна мембрана виконує різні функції для внутрішньої та зовнішньої мембран та двох мембран і складається з різних речовин.

Зовнішня мітохондріальна мембрана охоплює рідину міжмембранного простору, але повинна дозволяти хімічним речовинам, які мають проходити через неї мітохондрії. Молекули-накопичувачі енергії, що виробляються мітохондріями, повинні бути в змозі залишити органеллу і доставляти енергію до решти клітини.

Для забезпечення такого перенесення зовнішня мембрана складається з фосфоліпідів та білкових структур, які називаються поринами, які залишають крихітні отвори або пори на поверхні мембрани.

Міжмембранний простір містить рідину, яка має склад, аналогічний складу цитозолю, що становить рідину навколишньої клітини.

Невеликі молекули, іони, поживні речовини та несуча енергію молекула АТФ, отримана синтезом АТФ, можуть проникати через зовнішню мембрану і переходити між рідиною міжмембранного простору та цитозолем.

Внутрішня мембрана має складну структуру з ферментами, білками та жирами, що дозволяють лише воді, вуглекислому газу та кисню вільно проходити через мембрану.

Інші молекули, включаючи великі білки, можуть проникати через мембрану, але через спеціальні транспортні білки, які обмежують їх проходження. Велика площа поверхні внутрішньої мембрани, що утворюється із-за складок христ, забезпечує простір для всіх цих складних білкових та хімічних структур.

Їх велика кількість забезпечує високий рівень хімічної активності та ефективне виробництво енергії.

Процес, з якого енергія виробляється у вигляді хімічних переносів через внутрішню мембрану, називається окислювальним фосфорилированием .

Під час цього процесу окислення вуглеводів у мітохондріях прокачує протони через внутрішню мембрану з матриці міжмембранний простір. Дисбаланс у протонах змушує протони дифундувати назад через внутрішню мембрану матрицю через комплекс ферментів, який є попередником форми АТФ і називається АТФ-синтазою.

Потік протонів через АТФ-синтазу, своєю чергою, є основою синтезу АТФ, і він виробляє молекули АТФ, основний механізм накопичення енергії у клітинах.

Що у Матриці?

В'язка рідина всередині внутрішньої мембрани називається матрицею.

Він взаємодіє з внутрішньою мембраною для виконання основних енергетичних функцій мітохондрій. Він містить ферменти та хімічні речовини, які беруть участь у циклі Кребса, щоб зробити АТФ з глюкози та жирних кислот.

Матриця - це місце, де знаходиться мітохондріальний геном, що складається з кільцевої ДНК, і місце, де розташовані рибосоми. Присутність рибосом і ДНК означає, що мітохондрії можуть виробляти власні білки і можуть розмножуватися, використовуючи свою власну ДНК, не покладаючись на поділ клітин.

Якщо мітохондрії здаються крихітними, повними клітинами власними силами, це тому, що вони, мабуть, були окремими клітинами у якийсь момент, коли окремі клітини ще розвивалися.

Мітохондріоноподібні бактерії проникли у більші клітини як паразити, і їм було дозволено залишитися, тому що розташування було взаємовигідним.

Бактерії були здатні розмножуватися у безпечному середовищі та постачали енергією велику клітину. За сотні мільйонів років бактерії інтегрувалися в багатоклітинні організми та перетворилися на сучасні мітохондрії.

Оскільки вони сьогодні в клітинах тварин, вони становлять ключову частину ранньої еволюції людини.

Оскільки мітохондрії розмножуються незалежно одна від одної залежно від мітохондріального геному і не беруть участь у розподілі клітин, нові клітини просто успадковують мітохондрії, які виявляються в їхній частині цитозолю, коли клітина ділиться.

Ця функція важлива для розмноження вищих організмів, включаючи людей, тому що ембріони розвиваються із заплідненої яйцеклітини.

Яйцеклітина від матері велика і містить багато мітохондрій у своєму цитозолі, тоді як сперматозоїд, що запліднює, від батька майже не має. В результаті діти успадковують свої мітохондрії та мітохондріальну ДНК від своєї матері.

Завдяки своїй функції синтезу АТФ у матриці та через клітинне дихання через подвійну мембрану, мітохондрії та функції мітохондрій є ключовим компонентом клітин тварин і допомагають зробити життя таким, яким воно існує.

Клітинна структура з мембранозв'язаними органелами відіграла важливу роль в еволюції людини, і мітохондрії зробили істотний внесок.

Клітинна стінка: визначення, структура та функції (з діаграмою)

Клітинна стінка забезпечує додатковий шар захисту поверх клітинної мембрани. Він міститься в рослинах, водоростях, грибах, прокаріотах та еукаріотах. Клітинна стінка робить рослини жорсткими та менш гнучкими. Він в основному складається з вуглеводів, таких як пектин, целюлоза та геміцелюлоза.

Центросома: визначення, структура та функції (з діаграмою)

Центросома є частиною майже всіх рослинних і тваринних клітин, яка включає пару центріолей, які являють собою структури, що складаються з масиву з дев'яти триплетів мікротрубочок. Ці мікротрубочки відіграють ключову роль як у цілісності клітин (цитоскелеті), так і в розподілі та розмноженні клітин.

Хлоропласт: визначення, структура та функції (з діаграмою)

Хлоропласти в рослинах та водоростях виробляють їжу та поглинають вуглекислий газ у процесі фотосинтезу, який створює вуглеводи, такі як цукри та крохмаль. Активними компонентами хлоропласту є тилакоїди, що містять хлорофіл, та строма, де відбувається вуглецева фіксація.