Inhoud
- Structuur van de mitochondriën
- Waarom zijn mitochondriën belangrijk?
- Mitochondriale functies
- De binnenste en buitenste mitochondriale membranen
- Wat zit er in de Matrix?
De eukaryotische cellen van levende organismen voeren voortdurend een groot aantal chemische reacties uit om te leven, groeien, zich voortplanten en ziekten te bestrijden.
Al deze processen vereisen energie op cellulair niveau. Elke cel die zich bezighoudt met een van deze activiteiten krijgt zijn energie van de mitochondriën, kleine organellen die fungeren als de krachtpatsers van de cellen. Het enkelvoud van mitochondria is mitochondrion.
Bij mensen hebben cellen zoals rode bloedlichaampjes niet deze kleine organellen, maar de meeste andere cellen hebben grote aantallen mitochondriën. Spiercellen kunnen bijvoorbeeld honderden of zelfs duizenden hebben om aan hun energiebehoeften te voldoen.
Bijna elk levend wezen dat beweegt, groeit of denkt heeft mitochondriën op de achtergrond en produceert de nodige chemische energie.
Structuur van de mitochondriën
Mitochondria zijn membraangebonden organellen omsloten door een dubbel membraan.
Ze hebben een glad buitenmembraan dat de organel omsluit en een gevouwen binnenmembraan. De plooien van het binnenste membraan worden cristae genoemd, waarvan het enkelvoud crista is, en de plooien zijn waar de reacties die mitochondriale energie creëren plaatsvinden.
Het binnenmembraan bevat een vloeistof die de matrix wordt genoemd, terwijl de tussenmembraanruimte die zich tussen de twee membranen bevindt ook wordt gevuld met vloeistof.
Vanwege deze relatief eenvoudige celstructuur hebben mitochondriën slechts twee afzonderlijke werkvolumes: de matrix in het binnenmembraan en de intermembraanruimte. Ze vertrouwen op overdrachten tussen de twee volumes voor energieopwekking.
Om de efficiëntie te vergroten en het potentieel voor energiecreatie te maximaliseren, dringen de binnenmembraanvouwen diep in de matrix.
Als resultaat heeft het binnenmembraan een groot oppervlak en is geen enkel deel van de matrix ver van een binnenmembraanvouw. De plooien en het grote oppervlak helpen bij de mitochondriale functie, waardoor de potentiële overdrachtssnelheid tussen de matrix en de intermembraanruimte over het binnenmembraan wordt verhoogd.
Waarom zijn mitochondriën belangrijk?
Terwijl afzonderlijke cellen oorspronkelijk evolueerden zonder mitochondriën of andere membraangebonden organellen, halen complexe meercellige organismen en warmbloedige dieren zoals zoogdieren hun energie uit cellulaire ademhaling op basis van de mitochondriale functie.
High-energy functies zoals die van de hartspieren of vogelvleugels hebben hoge concentraties mitochondria die de benodigde energie leveren.
Door hun ATP-synthesefunctie produceren mitochondria in spieren en andere cellen lichaamswarmte om warmbloedige dieren op een constante temperatuur te houden. Het is deze geconcentreerde energieproductiecapaciteit van mitochondria die de hoge-energieactiviteiten en de productie van warmte bij hogere dieren mogelijk maakt.
Mitochondriale functies
De energieproductiecyclus in mitochondriën berust op een elektronentransportketen samen met de citroenzuur- of Krebs-cyclus.
Lees meer over de Krebs-cyclus.
Het proces van het afbreken van koolhydraten zoals glucose om ATP te maken, wordt katabolisme genoemd. De elektronen van glucose-oxidatie worden langs een chemische reactieketen geleid die de citroenzuurcyclus omvat.
Energie van de reductie-oxidatie of redoxreacties wordt gebruikt om protonen over te dragen uit de matrix waar de reacties plaatsvinden. De laatste reactie in de mitochondriale functieketen is er een waarbij zuurstof uit cellulaire ademhaling reductie ondergaat om water te vormen. De eindproducten van de reacties zijn water en ATP.
De belangrijkste enzymen die verantwoordelijk zijn voor de productie van mitochondriale energie zijn nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), adenosinedifosfaat (ADP) en flavinadenine dinucleotide (FAD).
Ze werken samen om protonen van waterstofmoleculen in de matrix over het binnenste mitochondriale membraan over te dragen. Dit creëert een chemische en elektrische potentiaal over het membraan waarbij de protonen terugkeren naar de matrix via het enzym ATP-synthase, resulterend in de fosforylering en productie van adenosinetrifosfaat (ATP).
Lees over de structuur en functie van ATP.
ATP-synthese en de ATP-moleculen zijn de belangrijkste dragers van energie in cellen en kunnen door de cellen worden gebruikt voor de productie van de chemicaliën die nodig zijn voor levende organismen.
••• SciencingMitochondriën zijn niet alleen energieproducenten, maar kunnen ook helpen bij het signaleren van cellen door de afgifte van calcium.
Mitochondria hebben het vermogen om calcium in de matrix op te slaan en kunnen dit vrijgeven wanneer bepaalde enzymen of hormonen aanwezig zijn. Als gevolg hiervan kunnen cellen die dergelijke triggerende chemicaliën produceren, het signaal zien van stijgend calcium uit de afgifte door de mitochondriën.
Over het algemeen zijn mitochondriën een vitale component van levende cellen, die helpen bij celinteracties, de distributie van complexe chemicaliën en de productie van de ATP die de energiebasis vormt voor al het leven.
De binnenste en buitenste mitochondriale membranen
Het mitochondriale dubbele membraan heeft verschillende functies voor het binnen- en buitenmembraan en de twee membranen en bestaat uit verschillende stoffen.
Het buitenste mitochondriale membraan omsluit de vloeistof van de intermembrane ruimte, maar het moet chemicaliën toelaten die de mitochondriën er doorheen moeten passeren. Energieopslagmoleculen die door de mitochondriën worden geproduceerd, moeten het organel kunnen verlaten en energie aan de rest van de cel kunnen leveren.
Om dergelijke overdrachten mogelijk te maken, bestaat het buitenmembraan uit fosfolipiden en eiwitstructuren die worden genoemd porinen die kleine gaten of poriën in het oppervlak van het membraan achterlaten.
De intermembraanruimte bevat vloeistof met een samenstelling vergelijkbaar met die van de cytosol die de vloeistof van de omringende cel vormt.
Kleine moleculen, ionen, voedingsstoffen en het energiedragende ATP-molecuul geproduceerd door ATP-synthese kunnen het buitenmembraan binnendringen en de overgang tussen de vloeistof van de intermembraanruimte en de cytosol ..
Het binnenmembraan heeft een complexe structuur met enzymen, eiwitten en vetten waardoor alleen water, koolstofdioxide en zuurstof vrij door het membraan kunnen gaan.
Andere moleculen, waaronder grote eiwitten, kunnen het membraan binnendringen, maar alleen via speciale transporteiwitten die hun doorgang beperken. Het grote oppervlak van het binnenmembraan, resulterend uit de cristae-plooien, biedt ruimte voor al deze complexe eiwit- en chemische structuren.
Hun grote aantal staat een hoge mate van chemische activiteit en een efficiënte productie van energie toe.
Het proces waarbij energie wordt geproduceerd door chemische overdrachten over het binnenmembraan wordt genoemd oxidatieve fosforylering.
Tijdens dit proces pompt de oxidatie van koolhydraten in de mitochondriën protonen over het binnenmembraan vanuit de matrix in de intermembraanruimte. De onbalans in protonen zorgt ervoor dat de protonen terug diffunderen over het binnenmembraan in de matrix via een enzymcomplex dat een voorloper is van ATP en ATP-synthase wordt genoemd.
De stroom van protonen door ATP-synthase vormt op zijn beurt de basis voor ATP-synthese en het produceert ATP-moleculen, het belangrijkste energieopslagmechanisme in cellen.
Wat zit er in de Matrix?
De viskeuze vloeistof in het binnenmembraan wordt de matrix genoemd.
Het werkt samen met het binnenste membraan om de belangrijkste energieproducerende functies van de mitochondriën uit te voeren. Het bevat de enzymen en chemicaliën die deelnemen aan de krebs-cyclus om ATP te produceren uit glucose en vetzuren.
In de matrix wordt het mitochondriale genoom gevonden dat bestaat uit circulair DNA en waar de ribosomen zich bevinden. De aanwezigheid van ribosomen en DNA betekent dat de mitochondriën hun eigen eiwitten kunnen produceren en kunnen reproduceren met behulp van hun eigen DNA, zonder te vertrouwen op celdeling.
Als mitochondriën op zichzelf kleine, complete cellen lijken te zijn, komt dit omdat ze waarschijnlijk afzonderlijke cellen waren op een punt toen afzonderlijke cellen nog in ontwikkeling waren.
Mitochondrion-achtige bacteriën kwamen grotere cellen binnen als parasieten en mochten blijven omdat de regeling voor beide partijen voordelig was.
De bacteriën konden zich in een veilige omgeving voortplanten en leverden energie aan de grotere cel. Gedurende honderden miljoenen jaren werden de bacteriën geïntegreerd in meercellige organismen en evolueerden naar de mitochondriën van vandaag.
Omdat ze tegenwoordig in dierlijke cellen worden gevonden, vormen ze een belangrijk onderdeel van de vroege menselijke evolutie.
Aangezien mitochondria zich onafhankelijk vermenigvuldigen op basis van het mitochondriale genoom en niet deelnemen aan celdeling, erven nieuwe cellen eenvoudig de mitochondria die toevallig in hun deel van het cytosol zitten wanneer de cel deelt.
Deze functie is belangrijk voor de reproductie van hogere organismen, inclusief mensen, omdat embryo's zich ontwikkelen uit een bevrucht ei.
De eicel van de moeder is groot en bevat veel mitochondria in zijn cytosol, terwijl de bemestende zaadcel van de vader er nauwelijks heeft. Als gevolg hiervan erven kinderen hun mitochondriën en hun mitochondriaal DNA van hun moeder.
Door hun ATP-synthesefunctie in de matrix en door cellulaire ademhaling over het dubbele membraan, zijn mitochondriën en de mitochondriale functie een belangrijk onderdeel van dierlijke cellen en helpen ze het leven zoals het bestaat mogelijk te maken.
Celstructuur met membraangebonden organellen heeft een belangrijke rol gespeeld in de menselijke evolutie en mitochondriën hebben een essentiële bijdrage geleverd.