Mitochondria: Definisjon, struktur og funksjon (med diagram)

Innhold

• Strukturen av Mitokondriene
• Hvorfor er mitokondrier viktige?
• Mitokondriske funksjoner
• De indre og ytre mitokondrielle membraner
• Hva er i matrisen?

De eukaryote celler fra levende organismer utfører kontinuerlig et stort antall kjemiske reaksjoner for å leve, vokse, reprodusere og bekjempe sykdom.

Alle disse prosessene krever energi på cellenivå. Hver celle som driver med noen av disse aktivitetene, får sin energi fra mitokondriene, bittesmå organeller som fungerer som cellens kraftverk. Enkeltformen av mitokondrier er mitokondrion.

Hos mennesker har celler som røde blodlegemer ikke disse bittesmå organellene, men de fleste andre celler har store antall mitokondrier. Muskelceller kan for eksempel ha hundrevis eller tusenvis for å tilfredsstille energibehovet.

Nesten alle levende ting som beveger seg, vokser eller tenker har mitokondrier i bakgrunnen, og produserer den nødvendige kjemiske energien.

Strukturen av Mitokondriene

Mitokondrier er membranbundne organeller innelukket av en dobbel membran.

De har en glatt ytre membran som omslutter organellen og en brettet indre membran. Brettene på den indre membranen kalles cristae, entallet er crista, og foldene er der reaksjonene som skaper mitokondriell energi finner sted.

Den indre membranen inneholder en væske som kalles matrisen, mens intermembranområdet mellom de to membranene også er fylt med væske.

På grunn av denne relativt enkle cellestrukturen har mitokondrier bare to separate driftsvolumer: matrisen inne i den indre membranen og mellommembranområdet. De er avhengige av overføringer mellom de to volumene for energiproduksjon.

For å øke effektiviteten og maksimere energiproduksjonspotensialet, trenger de indre membranfoldene dypt inn i matrisen.

Som et resultat har den indre membranen et stort overflateareal, og ingen del av matrisen er langt fra en indre membranfold. Brettene og det store overflatearealet hjelper til med mitokondriell funksjon, og øker potensiell overføringshastighet mellom matrisen og mellommembranområdet over den indre membranen.

Hvorfor er mitokondrier viktige?

Mens enkeltceller opprinnelig utviklet seg uten mitokondrier eller andre membranbundne organeller, får komplekse flercellede organismer og varmblodige dyr som pattedyr energien sin fra cellulær respirasjon basert på mitokondriell funksjon.

Høyenergifunksjoner som hjertemusklene eller fuglevingene har høye konsentrasjoner av mitokondrier som forsyner den energien som trengs.

Gjennom deres ATP-syntesefunksjon produserer mitokondrier i muskler og andre celler kroppsvarmen for å holde varmblodige dyr på en jevn temperatur. Det er denne konsentrerte energiproduksjonsevnen til mitokondrier som gjør høyenergiaktivitetene og produksjonen av varme hos høyere dyr mulig.

Mitokondriske funksjoner

Energiproduksjonssyklusen i mitokondrier er avhengig av elektrontransportkjeden sammen med sitronsyre- eller Krebs-syklusen.
Les mer om Krebs Cycle.

Prosessen med å bryte ned karbohydrater som glukose for å lage ATP kalles katabolisme. Elektronene fra glukoseoksidasjon føres langs en kjemisk reaksjonskjede som inkluderer sitronsyresyklusen.

Energi fra reduksjonsoksidasjon, eller redoks, reaksjoner brukes til å overføre protoner ut av matrisen der reaksjonene finner sted. Den endelige reaksjonen i mitokondriell funksjonskjede er en hvor oksygen fra cellulær respirasjon gjennomgår reduksjon for å danne vann. Sluttproduktene av reaksjonene er vann og ATP.

De viktigste enzymene som er ansvarlige for mitokondriell energiproduksjon er nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADP), nikotinamidadenindinukleotid (NAD), adenosindifosfat (ADP) og flavinadenindinukleotid (FAD).

De jobber for å hjelpe med å overføre protoner fra hydrogemolekyler i matrisen over den indre mitokondrielle membranen. Dette skaper et kjemisk og elektrisk potensial over membranen med protonene tilbake til matrisen gjennom enzymet ATP-syntase, noe som resulterer i fosforylering og produksjon av adenosintrifosfat (ATP).
Les om strukturen og funksjonen til ATP.

ATP-syntese og ATP-molekylene er de viktigste bærere av energi i celler og kan brukes av cellene til produksjon av kjemikaliene som er nødvendige for levende organismer.

••• Sciencing

I tillegg til å være energiprodusenter, kan mitokondrier hjelpe med signal-til-celle-signalering gjennom frigjøring av kalsium.

Mitokondrier har muligheten til å lagre kalsium i matrisen og kan frigjøre det når visse enzymer eller hormoner er til stede. Som et resultat kan celler som produserer slike utløsende kjemikalier se signalet om stigende kalsium fra frigjøring av mitokondriene.

Totalt sett er mitokondrier en viktig komponent i levende celler, og hjelper til med celleinteraksjoner, distribuerer komplekse kjemikalier og produserer ATP som danner energibasis for alt liv.

De indre og ytre mitokondrielle membraner

Den mitokondrielle dobbeltmembranen har forskjellige funksjoner for den indre og ytre membranen og de to membranene og består av forskjellige stoffer.

Den ytre mitokondrielle membranen lukker væsken i intermembranrommet, men den må tillate kjemikalier som mitokondriene trenger å passere gjennom den. Energilagringsmolekyler produsert av mitokondriene må kunne forlate organellen og levere energi til resten av cellen.

For å tillate slike overføringer består den ytre membranen av fosfolipider og proteinstrukturer som kalles porinene som etterlater små hull eller porer i overflaten av membranen.

Intermembranområdet inneholder væske som har en sammensetning som ligner på cytosolen som utgjør væsken i den omkringliggende cellen.

Små molekyler, ioner, næringsstoffer og det energibærende ATP-molekylet produsert ved ATP-syntese kan trenge gjennom den ytre membranen og overgangen mellom væsken i intermembranrommet og cytosol ..

Den indre membranen har en kompleks struktur med enzymer, proteiner og fett slik at bare vann, karbondioksid og oksygen kan passere fritt gjennom membranen.

Andre molekyler, inkludert store proteiner, kan trenge gjennom membranen, men bare gjennom spesielle transportproteiner som begrenser passasjen deres. Det store overflatearealet til den indre membranen, som stammer fra cristae-foldene, gir rom for alle disse komplekse protein- og kjemiske strukturer.

Deres store antall tillater et høyt nivå av kjemisk aktivitet og effektiv energiproduksjon.

Prosessen der energi produseres gjennom kjemiske overføringer over den indre membranen kalles oksidativ fosforylering.

Under denne prosessen pumper oksidasjon av karbohydrater i mitokondriene protoner over den indre membranen fra matrisen inn i intermembranområdet. Ubalansen i protoner får protonene til å diffundere tilbake over den indre membranen inn i matrisen gjennom et enzymkompleks som er en forløperform for ATP og kalles ATP-syntase.

Flyten av protoner gjennom ATP-syntase er igjen grunnlaget for ATP-syntese, og den produserer ATP-molekyler, den viktigste energilagringsmekanismen i celler.

Hva er i matrisen?

Den viskøse væsken inne i den indre membranen kalles matrisen.

Det samhandler med den indre membranen for å utføre de viktigste energiproduserende funksjonene i mitokondriene. Den inneholder enzymer og kjemikalier som tar del i krebs-syklusen for å produsere ATP fra glukose og fettsyrer.

Matrisen er der mitokondrialt genom som består av sirkulært DNA, og der ribosomene er lokalisert. Tilstedeværelsen av ribosomer og DNA betyr at mitokondriene kan produsere sine egne proteiner og kan reprodusere ved å bruke sitt eget DNA, uten å stole på celledeling.

Hvis mitokondrier ser ut til å være ørsmå, komplette celler på egen hånd, skyldes det at de sannsynligvis var separate celler på et tidspunkt da enkeltceller fortsatt utviklet seg.

Mitochondrion-lignende bakterier kom inn i større celler som parasitter og fikk være igjen fordi arrangementet var gjensidig fordelaktig.

Bakteriene klarte å reprodusere seg i trygge omgivelser og tilførte energi til den større cellen. Over hundrevis av millioner av år ble bakteriene integrert i flercellede organismer og utviklet seg til dagens mitokondrier.

Fordi de finnes i dyreceller i dag, utgjør de en sentral del av den tidlige menneskelige evolusjonen.

Siden mitokondrier formerer seg uavhengig basert på mitokondrielt genom og ikke tar del i celledelingen, arver nye celler ganske enkelt mitokondriene som tilfeldigvis er i deres del av cytosolen når cellen deler seg.

Denne funksjonen er viktig for reproduksjon av høyere organismer, inkludert mennesker, fordi embryoer utvikler seg fra et befruktet egg.

Eggcellen fra moren er stor og inneholder mye mitokondrier i cytosolen sin mens den befruktende sædcellen fra faren knapt har noen. Som et resultat arver barn deres mitokondrier og sitt mitokondrielle DNA fra moren.

Gjennom deres ATP-syntese-funksjon i matrisen og gjennom cellulær respirasjon over dobbeltmembranen, er mitokondrier og mitokondriell funksjon en nøkkelkomponent i dyreceller og hjelper til med å gjøre livet slik det eksisterer mulig.

Cellestruktur med membranbundne organeller har spilt en viktig rolle i menneskets evolusjon og mitokondrier har gitt et vesentlig bidrag.