Sisu
- Mitokondrite struktuur
- Miks on mitokondrid olulised?
- Mitokondriaalsed funktsioonid
- Sisemine ja välimine mitokondriaalne membraan
- Mis on maatriksis?
Elusorganismide eukarüootsed rakud viivad pidevalt läbi tohutul hulgal keemilisi reaktsioone, et elada, kasvada, paljuneda ja haigustega võidelda.
Kõik need protsessid vajavad energiat raku tasandil. Iga rakk, mis osaleb ükskõik millises nimetatud tegevuses, saab oma energia mitokondritest, pisikestest organellidest, mis toimivad rakkude jõujaamadena. Mitokondrite ainsus on mitokondrid.
Inimestel puuduvad sellistes rakkudes nagu punased vererakud need pisikesed organellid, kuid enamikul teistel rakkudel on suur arv mitokondreid. Näiteks lihasrakkudel võib nende energiavajaduse rahuldamiseks olla sadu või isegi tuhandeid.
Peaaegu igal elusolendil, mis liigub, kasvab või arvatakse, on taustal mitokondrid, mis toodavad vajalikku keemilist energiat.
Mitokondrite struktuur
Mitokondrid on membraaniga seotud organellid, mis on ümbritsetud topeltmembraaniga.
Neil on organelle ümbritsev sile välismembraan ja volditud sisemine membraan. Sisemise membraani voldid on kutsutud cristae'deks, mille ainsus on crista, ja voldid on need, kus toimuvad mitokondriaalset energiat tekitavad reaktsioonid.
Sisemine membraan sisaldab vedelikku, mida nimetatakse maatriksiks, samal ajal kui kahe membraani vaheline membraanidevaheline ruum on samuti vedelikuga täidetud.
Selle suhteliselt lihtsa rakustruktuuri tõttu on mitokondritel ainult kaks eraldi töömahtu: maatriks sisemise membraani sees ja membraanidevaheline ruum. Energiatootmiseks loodavad nad kahe mahu vahelisele ülekandele.
Tõhususe suurendamiseks ja energia tekitamise potentsiaali maksimeerimiseks tungivad sisemised membraani voldid sügavale maatriksisse.
Selle tulemusel on sisemisel membraanil suur pindala ja ükski maatriksi osa pole sisemise membraani voldist kaugel. Voldid ja suur pindala aitavad kaasa mitokondrite funktsioonile, suurendades maatriksi ja membraanidevahelise ruumi vahelise sisemise membraani potentsiaalse ülekande kiirust.
Miks on mitokondrid olulised?
Kui üksikud rakud arenesid algselt ilma mitokondrite või muude membraaniga seotud organellideta, siis keerulised mitmerakulised organismid ja soojaverelised loomad, näiteks imetajad, saavad oma energia raku hingamisest, tuginedes mitokondrite funktsioonile.
Suure energiatarbega funktsioonidel, nagu näiteks südamelihaste või linnutiivad, on mitokondrite kontsentratsioon kõrge, mis varustavad vajalikku energiat.
Tänu ATP sünteesi funktsioonile toodavad lihastes ja teistes rakkudes olevad mitokondrid keha soojust, et hoida soojaverelisi loomi ühtlasel temperatuuril. Just see mitokondrite kontsentreeritud energiatootmise võime võimaldab kõrge energiatarbimisega tegevusi ja soojuse tootmist kõrgematel loomadel.
Mitokondriaalsed funktsioonid
Mitokondrite energiatootmise tsükkel sõltub elektronide transpordiahelast koos sidrunhappe või Krebsi tsükliga.
Loe pikemalt Krebsi tsüklist.
Süsivesikute, näiteks glükoosi lagundamise protsessi ATP saamiseks nimetatakse katabolismi. Glükoosi oksüdeerumisel elektronid juhitakse läbi keemilise reaktsiooni ahela, mis hõlmab sidrunhappe tsüklit.
Redutseerimise-oksüdeerimise või redoksreaktsioonide käigus saadud energiat kasutatakse prootonite ülekandmiseks maatriksist, kus reaktsioonid toimuvad. Lõplik reaktsioon mitokondrite funktsionaalses ahelas toimub sellisel viisil, kus rakuhingamisel tekkiv hapnik redutseeritakse, moodustades vett. Reaktsioonide lõppsaadused on vesi ja ATP.
Peamised mitokondrite energiatootmise eest vastutavad ensüümid on nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat (NADP), nikotiinamiidadeniini dinukleotiid (NAD), adenosiinidifosfaat (ADP) ja flavinadeniini dinukleotiid (FAD).
Nad töötavad koos maatriksis leiduvate vesiniku molekulide prootonite üle sisemise mitokondriaalse membraani kaudu. See loob keemilise ja elektrilise potentsiaali läbi membraani, prootonid naasevad maatriksisse läbi ensüümi ATP süntaasi, mille tulemuseks on adenosiintrifosfaadi (ATP) fosforüülimine ja tootmine.
Lugege ATP struktuuri ja funktsioonide kohta.
ATP süntees ja ATP molekulid on rakkudes peamised energiakandjad ning rakud saavad neid kasutada elusorganismidele vajalike kemikaalide tootmiseks.
••• TeadmineLisaks sellele, et mitokondrid on energiatootjad, võivad nad aidata rakkude vahel signaale anda ka kaltsiumi vabastamise kaudu.
Mitokondritel on võime säilitada kaltsiumi maatriksis ja see võib teatud ensüümide või hormoonide esinemisel seda vabastada. Selle tulemusel võivad sellised vallandavaid kemikaale tootvad rakud näha mitokondrite poolt eralduva kaltsiumi suurenemise signaali.
Üldiselt on mitokondrid elusate rakkude oluline komponent, aidates rakkude vastastoimel, levitades keerukaid kemikaale ja tootes ATP-d, mis moodustab kogu elu energiabaasi.
Sisemine ja välimine mitokondriaalne membraan
Mitokondriaalsel topeltmembraanil on erinevad sisemise ja välimise membraani ning kahe membraani funktsioonid ja need koosnevad erinevatest ainetest.
Väline mitokondriaalne membraan sulgeb membraanidevahelise vedeliku, kuid see peab võimaldama kemikaale, mida mitokondrid vajavad selle läbimiseks. Mitokondrite toodetud energiasalvestusmolekulid peavad suutma organellist lahkuda ja ülejäänud rakke energiat edastama.
Sellise ülekande võimaldamiseks koosneb väline membraan fosfolipiididest ja valgu struktuuridest, mida nimetatakse porins mis jätavad membraani pinnale pisikesed augud või poorid.
Membraanidevaheline ruum sisaldab vedelikku, mille koostis sarnaneb tsütosooliga, moodustades ümbritseva raku vedeliku.
ATP sünteesi käigus toodetud väikesed molekulid, ioonid, toitained ja energiat kandv ATP molekul võivad tungida välismembraani ja liikuda membraanidevahelise ruumi vedeliku ja tsütosooli vahel.
Sisemembraanil on keeruline struktuur ensüümide, valkude ja rasvadega, mis laseb membraanist vabalt läbi ainult vett, süsinikdioksiidi ja hapnikku.
Teised molekulid, sealhulgas suured valgud, võivad membraani tungida, kuid ainult spetsiaalsete transpordivalkude kaudu, mis piiravad nende läbimist. Sisemise membraani suur pindala, mis tuleneb risti voldidest, annab ruumi kõigile neile keerukatele valgu- ja keemilistele struktuuridele.
Nende suur arv võimaldab kõrget keemilist aktiivsust ja tõhusat energiatootmist.
Protsess, mille käigus toodetakse energiat keemiliste ülekannete kaudu läbi sisemise membraani, nimetatakse oksüdatiivne fosforüülimine.
Selle protsessi käigus pumbatakse mitokondrites olevate süsivesikute oksüdeerumisel prootoneid sisemisest membraanist maatriksist membraanidevahelisse ruumi. Prootonite tasakaalustamatus põhjustab prootonite difusiooni läbi sisemise membraani maatriksisse läbi ensüümikompleksi, mis on ATP eelkäija vorm ja mida nimetatakse ATP süntaasiks.
Prootonite voog läbi ATP süntaasi on omakorda ATP sünteesi alus ja see tekitab ATP molekule, rakkudes peamise energia salvestamise mehhanismi.
Mis on maatriksis?
Sisemise membraani sees olevat viskoosset vedelikku nimetatakse maatriksiks.
See interakteerub sisemise membraaniga, et täita mitokondrite peamisi energiat tootvaid funktsioone. See sisaldab ensüüme ja kemikaale, mis osalevad krebide tsüklis ATP tootmiseks glükoosist ja rasvhapetest.
Maatriks on see, kus leitakse ümmargusest DNA-st koosnev mitokondriaalne genoom ja kus asuvad ribosoomid. Ribosoomide ja DNA olemasolu tähendab, et mitokondrid võivad toota oma valke ja paljuneda, kasutades oma DNA-d, lootumata rakkude jagunemisele.
Kui mitokondrid näivad omaette olevat pisikesed, terviklikud rakud, siis sellepärast, et kui üksikud rakud alles arenesid, olid nad ühel hetkel tõenäoliselt eraldi rakud.
Mitokondrionitaolised bakterid sisenesid parasiitidena suurematesse rakkudesse ja neil lasti jääda, kuna paigutus oli vastastikku kasulik.
Bakterid suutsid turvalises keskkonnas paljuneda ja tarnisid energiat suuremasse rakku. Sadade miljonite aastate jooksul integreerusid bakterid mitmerakulistesse organismidesse ja arenesid tänapäeva mitokondritesse.
Kuna neid leidub tänapäeval loomarakkudes, moodustavad need inimese varase evolutsiooni võtmeosa.
Kuna mitokondrid paljunevad sõltumatult mitokondrite genoomi alusel ja ei osale raku jagunemises, siis pärivad uued rakud lihtsalt mitokondrid, mis nende raku jagunemisel tsütosoolis asuvad.
See funktsioon on oluline kõrgemate organismide, sealhulgas inimeste paljunemiseks, kuna embrüod arenevad viljastatud munarakust.
Emalt pärit munarakk on suur ja sisaldab palju tsütosoolis mitokondreid, samas kui isalt viljastaval spermarakul pole seda üldse. Selle tulemusel pärivad lapsed mitokondrid ja mitokondriaalse DNA emalt.
Maatriksis toimuva ATP sünteesi funktsiooni ja topeltmembraani kaudu toimuva rakuhingamise kaudu on mitokondrid ja mitokondrite funktsioon loomarakkude põhikomponent ja aitavad muuta elu selliseks, nagu see on võimalik.
Rakkude struktuur membraaniga seotud organellidega on mänginud olulist rolli inimese evolutsioonis ja mitokondrid on andnud olulise panuse.