Μιτοχόνδρια: Ορισμός, Δομή & Λειτουργία (με Διάγραμμα)

Περιεχόμενο

• Δομή των μιτοχονδρίων
• Γιατί είναι τα μιτοχόνδρια σημαντικά;
• Μιτοχονδριακές λειτουργίες
• Οι εσωτερικές και εξωτερικές μιτοχονδριακές μεμβράνες
• Τι υπάρχει στο Matrix;

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα των ζωντανών οργανισμών εκτελούν συνεχώς τεράστιο αριθμό χημικών αντιδράσεων για να ζουν, να αναπτύσσονται, να αναπαράγονται και να καταπολεμούνται οι ασθένειες.

Όλες αυτές οι διαδικασίες απαιτούν ενέργεια σε κυτταρικό επίπεδο. Κάθε κύτταρο που εμπλέκεται σε οποιαδήποτε από αυτές τις δραστηριότητες παίρνει την ενέργειά του από τα μιτοχόνδρια, μικροσκοπικά οργανίδια που δρουν ως κυψέλες των κυττάρων. Το μοναδικό των μιτοχονδρίων είναι το μιτοχόνδριο.

Στους ανθρώπους, κύτταρα όπως τα ερυθρά αιμοσφαίρια δεν έχουν αυτά τα μικροσκοπικά οργανίδια, αλλά τα περισσότερα άλλα κύτταρα έχουν μεγάλο αριθμό μιτοχονδρίων. Τα μυϊκά κύτταρα, για παράδειγμα, μπορεί να έχουν εκατοντάδες ή και χιλιάδες για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές τους ανάγκες.

Σχεδόν κάθε ζωντανό πράγμα που κινείται, μεγαλώνει ή σκέφτεται ότι έχει μιτοχόνδρια στο παρασκήνιο, παράγοντας την απαραίτητη χημική ενέργεια.

Δομή των μιτοχονδρίων

Τα μιτοχόνδρια είναι δεσμευμένα με μεμβράνη οργανίδια που περικλείονται από μια διπλή μεμβράνη.

Έχουν μια ομαλή εξωτερική μεμβράνη που περικλείει το οργανίδιο και μια διπλωμένη εσωτερική μεμβράνη. Οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης ονομάζονται cristae, η μοναδική των οποίων είναι crista, και οι πτυχώσεις είναι όπου πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις που δημιουργούν τη μιτοχονδριακή ενέργεια.

Η εσωτερική μεμβράνη περιέχει ένα ρευστό που ονομάζεται μήτρα ενώ ο διαμεμβρανικός χώρος που βρίσκεται ανάμεσα στις δύο μεμβράνες είναι επίσης γεμάτος με υγρό.

Λόγω αυτής της σχετικά απλής κυτταρικής δομής, τα μιτοχόνδρια έχουν μόνο δύο χωριστούς όγκους λειτουργίας: τη μήτρα μέσα στην εσωτερική μεμβράνη και τον διαμεμβρανικό χώρο. Στηρίζονται σε μεταφορές μεταξύ των δύο τόμων για την παραγωγή ενέργειας.

Για να αυξηθεί η απόδοση και να μεγιστοποιηθεί το δυναμικό δημιουργίας ενέργειας, οι πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης διεισδύουν βαθιά μέσα στη μήτρα.

Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική μεμβράνη έχει μεγάλη επιφάνεια και κανένα τμήμα της μήτρας απέχει πολύ από την πτυχή της εσωτερικής μεμβράνης. Οι πτυχές και η μεγάλη επιφάνεια βοηθούν στην λειτουργία των μιτοχονδρίων, αυξάνοντας τον πιθανό ρυθμό μεταφοράς μεταξύ της μήτρας και του διαμεμβρανικού χώρου κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης.

Γιατί είναι τα μιτοχόνδρια σημαντικά;

Ενώ τα μεμονωμένα κύτταρα εξελίχθηκαν αρχικά χωρίς μιτοχόνδρια ή άλλα οργανικά δεσμευμένα με μεμβράνη, πολύπλοκοι πολυκύτταροι οργανισμοί και θερμόαιμα ζώα όπως τα θηλαστικά παίρνουν την ενέργεια τους από την κυτταρική αναπνοή με βάση τη μιτοχονδριακή λειτουργία.

Οι λειτουργίες υψηλής ενέργειας, όπως αυτές των καρδιακών μυών ή των πτερυγίων πουλιών, έχουν υψηλές συγκεντρώσεις μιτοχονδρίων που παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια.

Μέσω της λειτουργίας σύνθεσης ATP, τα μιτοχόνδρια στους μυς και σε άλλα κύτταρα παράγουν τη θερμότητα του σώματος για να διατηρούν τα θερμόαιμα ζώα σε σταθερή θερμοκρασία. Αυτή η ικανότητα συμπυκνωμένης παραγωγής ενέργειας των μιτοχονδρίων καθιστά δυνατή την παραγωγή ενεργειακών δραστηριοτήτων υψηλής ενέργειας και την παραγωγή θερμότητας σε υψηλότερα ζώα.

Μιτοχονδριακές λειτουργίες

Ο κύκλος παραγωγής ενέργειας στα μιτοχόνδρια βασίζεται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων μαζί με τον κιτρικό οξύ ή τον κύκλο του Krebs.
Διαβάστε περισσότερα για τον Κύκλο Krebs.

Η διαδικασία διάσπασης των υδατανθράκων, όπως η γλυκόζη, για την παραγωγή του ΑΤΡ ονομάζεται καταβολισμός. Τα ηλεκτρόνια από την οξείδωση της γλυκόζης περνούν κατά μήκος μιας αλυσίδας χημικής αντίδρασης που περιλαμβάνει τον κύκλο του κιτρικού οξέος.

Η ενέργεια από τις αντιδράσεις αναγωγής-οξείδωσης ή οξειδοαναγωγής χρησιμοποιείται για τη μεταφορά πρωτονίων από τη μήτρα όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις. Η τελική αντίδραση στην αλυσίδα λειτουργιών μιτοχονδρίων είναι εκείνη στην οποία το οξυγόνο από την κυτταρική αναπνοή υποστεί αναγωγή για να σχηματίσει νερό. Τα τελικά προϊόντα των αντιδράσεων είναι το νερό και το ΑΤΡ.

Τα βασικά ένζυμα που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή μιτοχονδριακής ενέργειας είναι τα δινουκλεοτίδια δινουκλεοτιδίου νικοτιναμιδίου αδενίνης (NADP), δινουκλεοτιδίου νικοτιναμιδικής αδενίνης (NAD), διφωσφορικής αδενοσίνης (ADP) και δινουκλεοτιδίου φλαβίνης αδενίνης (FAD).

Συνεργάζονται για να βοηθήσουν τη μεταφορά πρωτονίων από μόρια υδρογόνου στη μήτρα κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Αυτό δημιουργεί ένα χημικό και ηλεκτρικό δυναμικό κατά μήκος της μεμβράνης με τα πρωτόνια να επιστρέφουν στη μήτρα μέσω της συνθετάσης ενζύμου ΑΤΡ, με αποτέλεσμα τη φωσφορυλίωση και την παραγωγή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ).
Διαβάστε για τη δομή και τη λειτουργία του ATP.

Η σύνθεση ATP και τα μόρια ΑΤΡ είναι οι πρωταρχικοί φορείς ενέργειας σε κύτταρα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα κύτταρα για την παραγωγή των χημικών ουσιών που είναι απαραίτητες για τους ζώντες οργανισμούς.

••• Sciencing

Εκτός από τους παραγωγούς ενέργειας, τα μιτοχόνδρια μπορούν να βοηθήσουν με τη σηματοδότηση κυττάρων-κυττάρων μέσω της απελευθέρωσης ασβεστίου.

Τα μιτοχόνδρια έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν ασβέστιο στη μήτρα και να τα απελευθερώνουν όταν υπάρχουν ορισμένα ένζυμα ή ορμόνες. Ως αποτέλεσμα, τα κύτταρα που παράγουν τέτοιες χημικές ουσίες ενεργοποίησης μπορούν να δουν το σήμα της αύξησης του ασβεστίου από την απελευθέρωση από τα μιτοχόνδρια.

Συνολικά, τα μιτοχόνδρια αποτελούν ζωτικό συστατικό των ζωντανών κυττάρων, βοηθώντας τις κυτταρικές αλληλεπιδράσεις, διανέμοντας πολύπλοκες χημικές ουσίες και παράγοντας το ATP που αποτελεί την ενεργειακή βάση για όλη τη ζωή.

Οι εσωτερικές και εξωτερικές μιτοχονδριακές μεμβράνες

Η διπλή μεμβράνη μιτοχονδρίων έχει διαφορετικές λειτουργίες για την εσωτερική και την εξωτερική μεμβράνη και τις δύο μεμβράνες και αποτελείται από διαφορετικές ουσίες.

Η εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη περικλείει το υγρό του διαμεμβρανικού χώρου, αλλά πρέπει να επιτρέπει χημικά που τα μιτοχόνδρια πρέπει να περάσουν από αυτό. Τα μόρια αποθήκευσης ενέργειας που παράγονται από τα μιτοχόνδρια πρέπει να είναι σε θέση να εγκαταλείψουν το οργανίδιο και να παραδώσουν ενέργεια στο υπόλοιπο κύτταρο.

Για να επιτραπεί τέτοιες μεταφορές, η εξωτερική μεμβράνη αποτελείται από φωσφολιπίδια και πρωτεϊνικές δομές που ονομάζονται πορινές που αφήνουν μικροσκοπικές οπές ή πόρους στην επιφάνεια της μεμβράνης.

Ο διαμεμβρανικός χώρος περιέχει ρευστό που έχει σύνθεση παρόμοια με εκείνη του κυτοσόλιου που συνθέτει το υγρό του περιβάλλοντος κυττάρου.

Τα μικρά μόρια, τα ιόντα, τα θρεπτικά συστατικά και το μεταφερόμενο με την ενέργεια μόριο ΑΤΡ που παράγεται με την σύνθεση ΑΤΡ μπορούν να διεισδύσουν στην εξωτερική μεμβράνη και η μετάβαση μεταξύ του υγρού του διαμεμβρανικού χώρου και του κυτοσολίου.

Η εσωτερική μεμβράνη έχει σύνθετη δομή με ένζυμα, πρωτεΐνες και λίπη, επιτρέποντας ελεύθερα να διέρχονται ελεύθερα από τη μεμβράνη μόνο νερό, διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο.

Άλλα μόρια, συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων πρωτεϊνών, μπορούν να διεισδύσουν στη μεμβράνη αλλά μόνο μέσω ειδικών μεταφορικών πρωτεϊνών που περιορίζουν τη μετάβασή τους. Το μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας της εσωτερικής μεμβράνης, που προκύπτει από τις πτυχές του cristae, παρέχει χώρο για όλες αυτές τις πολύπλοκες πρωτεϊνικές και χημικές δομές.

Ο μεγάλος αριθμός τους επιτρέπει υψηλό επίπεδο χημικής δραστηριότητας και αποδοτική παραγωγή ενέργειας.

Η διαδικασία με την οποία παράγεται ενέργεια μέσω χημικών μεταφορών στην εσωτερική μεμβράνη ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η οξείδωση των υδατανθράκων στα μιτοχόνδρια αντλεί πρωτόνια διαμέσου της εσωτερικής μεμβράνης από τη μήτρα στο διαμεμβρανικό χώρο. Η ανισορροπία στα πρωτόνια προκαλεί την διάχυση των πρωτονίων πίσω από την εσωτερική μεμβράνη μέσα στη μήτρα μέσω ενός συμπλόκου ενζύμου που είναι μια πρόδρομη μορφή του ΑΤΡ και ονομάζεται συνθετάση ΑΤΡ.

Η ροή των πρωτονίων μέσω της συνθετάσης ΑΤΡ με τη σειρά της είναι η βάση για την σύνθεση ΑΤΡ και παράγει μόρια ΑΤΡ, τον κύριο μηχανισμό αποθήκευσης ενέργειας στα κύτταρα.

Τι υπάρχει στο Matrix;

Το ιξώδες ρευστό μέσα στην εσωτερική μεμβράνη ονομάζεται μήτρα.

Αλληλεπιδρά με την εσωτερική μεμβράνη για να πραγματοποιήσει τις κύριες ενεργειακές λειτουργίες των μιτοχονδρίων. Περιέχει τα ένζυμα και τα χημικά που συμμετέχουν στον κύκλο krebs για να παράγουν ATP από τη γλυκόζη και τα λιπαρά οξέα.

Η μήτρα είναι όπου βρίσκεται το μιτοχονδριακό γονιδίωμα που αποτελείται από κυκλικό DNA και όπου βρίσκονται τα ριβοσώματα. Η παρουσία ριβοσωμάτων και ϋΝΑ σημαίνει ότι τα μιτοχόνδρια μπορούν να παράγουν τις δικές τους πρωτεΐνες και μπορούν να αναπαραχθούν χρησιμοποιώντας το DNA τους, χωρίς να βασίζονται στην κυτταρική διαίρεση.

Εάν τα μιτοχόνδρια φαίνεται να είναι μικροσκοπικά, τα πλήρη κύτταρα από μόνα τους, είναι επειδή ήταν πιθανώς χωριστά κύτταρα σε ένα σημείο όταν τα μεμονωμένα κύτταρα εξελίσσονταν ακόμα.

Τα βακτήρια τύπου μιτοχονδρίων εισήγαγαν μεγαλύτερα κύτταρα ως παράσιτα και αφέθηκαν να παραμείνουν επειδή η διάταξη ήταν αμοιβαία επωφελής.

Τα βακτήρια ήταν σε θέση να αναπαράγουν σε ένα ασφαλές περιβάλλον και να παρέχουν ενέργεια στο μεγαλύτερο κύτταρο. Πάνω από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, τα βακτήρια ενσωματώθηκαν σε πολυκύτταρους οργανισμούς και εξελίχθηκαν στα σημερινά μιτοχόνδρια.

Επειδή βρίσκονται σήμερα σε ζωικά κύτταρα, αποτελούν ένα βασικό μέρος της πρώιμης ανθρώπινης εξέλιξης.

Δεδομένου ότι τα μιτοχόνδρια πολλαπλασιάζονται ανεξάρτητα βάσει του μιτοχονδριακού γονιδιώματος και δεν συμμετέχουν στην κυτταρική διαίρεση, τα νέα κύτταρα απλώς κληρονομούν τα μιτοχόνδρια που συμβαίνουν στο τμήμα τους του κυτοσολίου όταν το κύτταρο χωρίζεται.

Αυτή η λειτουργία είναι σημαντική για την αναπαραγωγή ανώτερων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, επειδή τα έμβρυα αναπτύσσονται από γονιμοποιημένο ωάριο.

Το κύτταρο αυγού από τη μητέρα είναι μεγάλο και περιέχει πολλά μιτοχόνδρια στο κυτοσόλιό του, ενώ το λιπώδες κύτταρο σπέρματος από τον πατέρα δεν έχει σχεδόν καθόλου. Ως αποτέλεσμα, τα παιδιά κληρονομούν τα μιτοχόνδρια και το μιτοχονδριακό τους DNA από τη μητέρα τους.

Μέσω της συνθέσεως σύνθεσης ΑΤΡ στη μήτρα και μέσω της κυτταρικής αναπνοής κατά μήκος της διπλής μεμβράνης, τα μιτοχόνδρια και η μιτοχονδριακή λειτουργία αποτελούν βασικό συστατικό των ζωικών κυττάρων και συμβάλλουν στη βελτίωση της ζωής όσο είναι δυνατόν.

Η κυτταρική δομή με οργανίδια με μεμβράνη έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ανθρώπινη εξέλιξη και τα μιτοχόνδρια έχουν συμβάλει ουσιαστικά.