Τι είναι τα μιτοχόνδρια;

Τα μιτοχόνδρια είναι οργανίδια που βρίσκονται σε ευκαρυωτικά κύτταρα. Η κύρια λειτουργία τους είναι να παράγουν ATP μέσω αερόβιας αναπνοής. Τα μιτοχόνδρια έχουν το δικό τους DNA και πιστεύεται ότι προέρχονται από αερόβια βακτήρια που καταλαμβάνουν πρωτόγονους ευκαρυώτες.

Όταν ανάβουμε τον ανεμιστήρα ή τα φώτα, είναι φυσικό να σκεφτόμαστε από πού προέρχεται η ενέργεια για αυτές τις συσκευές για να λειτουργήσουν. Η απάντηση έρχεται εύκολα στο μυαλό. είναι οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που σταθμεύουν στην πόλη ή την πολιτεία μας. Με τον ίδιο τρόπο, όταν σηκώνουμε μερικά βάρη ή πηγαίνουμε για τρέξιμο, ξέρουμε από πού προέρχεται αυτή η ενέργεια; Τώρα, σε αντίθεση με τις πόλεις, που έχουν μια κεντρική πηγή ενέργειας, τα μεμονωμένα κύτταρα του σώματός μας έχουν τις δικές τους πηγές ενέργειας. Αυτή η πηγή είναι τα μιτοχόνδρια και κάθε κύτταρο έχει πολλά από αυτά.

Τι είναι τα μιτοχόνδρια;

Τα μιτοχόνδρια είναι γνωστά ως «Η δύναμη του κυττάρου». Η άμεση λειτουργία τους είναι να μετατρέπουν τη γλυκόζη σε ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Το ATP μπορεί να θεωρηθεί το «νόμισμα» του κυττάρου. Είναι η βασική μονάδα ενέργειας που απαιτείται για να τροφοδοτήσει τις χημικές αντιδράσεις στο σώμα μας. Η διαδικασία αυτής της μετατροπής είναι γνωστή ως αερόβια αναπνοή και είναι ο λόγος για τον οποίο οι άνθρωποι πρέπει να αναπνέουν οξυγόνο.

Διάγραμμα μιτοχονδρίων ζώων (Πιστωτική φωτογραφία :Mariana Ruiz Villarreal LadyofHats / Wikimedia Commons)

Δομή

Τα μιτοχόνδρια δεν έχουν σταθερό σχήμα και μέγεθος, αλλά η συνολική δομή παραμένει ίδια, η οποία έχει σχήμα ράβδου. Το μέγεθός τους κυμαίνεται μεταξύ 1 και 10 μικρομέτρων σε μήκος. Ο αριθμός τους σε κάθε κύτταρο ποικίλλει ανάλογα με τη μεταβολική δραστηριότητα κάθε συγκεκριμένου κυττάρου. Η δομή είναι πολύ απλή, με τέσσερα διαφορετικά διαμερίσματα. Έχει μια λεία εξωτερική μεμβράνη και μια πολύ τυλιγμένη εσωτερική μεμβράνη. Αυτές οι περιελίξεις δημιουργούν cristae. Έπειτα έχει ένα χώρο μεταξύ της μεμβράνης και, τέλος, έχουμε τη μήτρα στο εσωτερικό.

Ένα κυτταρικό οργανίδιο με το δικό του DNA;

Τα μιτοχόνδρια διαφέρουν από όλα τα κυτταρικά οργανίδια, καθώς έχουν το δικό τους σύνολο DNA. Είναι εξαιρετικά ενδιαφέροντα, καθώς παρόλο που είναι κυτταρικά οργανίδια, στην πραγματικότητα δεν ξεκίνησαν ποτέ ως ένα. Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι τα μιτοχόνδρια ήταν αερόβια βακτηριακά κύτταρα που σε κάποιο σημείο καταλάμβαναν πρωτόγονους ευκαρυώτες και ήταν σε θέση να αντισταθούν στα πεπτικά ένζυμα. Με την πάροδο του χρόνου, ανέπτυξαν έναν συμβιωτικό δεσμό και πρόσθεσαν οξειδωτικό μεταβολισμό στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Στη συνέχεια, το βακτηριακό κύτταρο εξελίχθηκε σταδιακά στα μιτοχόνδρια.

Αυτό που είναι ακόμα πιο ενδιαφέρον είναι ότι μπορεί ακόμη και να αναπαραχθεί ανεξάρτητα από το κύτταρο. Το DNA και τα ριβοσώματα βρίσκονται στη μήτρα. Διαθέτει επίσης ένα σύνολο ενζύμων που το βοηθούν στην εκτέλεση της λειτουργίας του.

Τι είναι η Λειτουργία;

Παρόλο που η κύρια λειτουργία του είναι να παράγει ATP, έχει μια σειρά από διεργασίες που συμβαίνουν μέσα του. Αυτές οι διεργασίες περιλαμβάνουν την οξείδωση με πυροσταφυλικό, τον κύκλο του Krebs και το μεταβολισμό διαφόρων βιομορίων. Η παραγωγή ATP λαμβάνει χώρα μέσω αερόβιας αναπνοής, η οποία αποτελείται από τη γλυκόλυση, τον κύκλο του κιτρικού οξέος και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου.

Τι είναι η αερόβια αναπνοή;

Τώρα που γνωρίζουμε τι παράγει την ενέργεια, το επόμενο ερώτημα είναι πώς τα μιτοχόνδρια παράγουν αυτήν την ενέργεια. Η διαδικασία της αερόβιας αναπνοής είναι υπεύθυνη για την παροχή ενέργειας στο κύτταρο. Αυτή η ενέργεια παράγεται με συγκεκριμένα βήματα. Είναι η γλυκόλυση, ο κύκλος TCA - τρικαρβοξυλικού οξέος (επίσης γνωστός ως κύκλος του Kreb ή κύκλος κιτρικού οξέος) και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η οδός παράγει 36 ATP για κάθε μόριο γλυκόζης.

Γλυκόλυση

Η γλυκόλυση είναι μια διαδικασία καταβολισμού, που σημαίνει τη διάσπαση ενός μεγαλύτερου μορίου σε μικρότερα. Ένα μόριο γλυκόζης (6 άτομα άνθρακα) διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού (3 άτομα άνθρακα το καθένα). Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί δύο ATP για την παραγωγή τεσσάρων ATP και δύο NADH.

Πριν μπούμε στο επόμενο βήμα, πρέπει να γίνει μια μικρή αλλαγή. Το μόριο πυροσταφυλικού άλατος οξειδώνεται. Χάνει ένα άτομο άνθρακα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα και σχηματίζει μια ακετυλ ομάδα 2 άνθρακα. Στη συνέχεια συνδέεται με ένα συνένζυμο Α. Αυτή η διαδικασία παράγει 2 NADH. Τώρα μπορούμε να συνεχίσουμε με τη διαδικασία.

Κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (κύκλος Kreb ή κύκλος κιτρικού οξέος)

Αρχικά, το 2-ανθρακικό ακετύλιο συν-Α συνδυάζεται με ένα οξαλοξικό οξύ 4-άνθρακες για να σχηματίσει ένα κιτρικό οξύ 6-άνθρακες. Ο κύκλος περιλαμβάνει 8 ενζυματικές αντιδράσεις οξείδωσης και αποκαρβοξυλίωσης, οι οποίες αφήνουν το κιτρικό οξύ 6 άνθρακα στην αρχική του οξαλοξική μορφή 4 άνθρακα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, απελευθερώνονται δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Παράγεται μόνο ένα ATP, μαζί με τρία NADH και ένα FADH2.

Αλυσωτή αντίδραση ηλεκτρονίων (ETC)

Τώρα, αυτό είναι το πραγματικό μέρος όπου ο όρος «αερόβια» έχει νόημα. Αυτό το βήμα στην παραγωγή ενέργειας είναι ο λόγος που πρέπει να αναπνέουμε οξυγόνο. Τα NADH και FADH2 που παράγονται στα προηγούμενα βήματα οξειδώνονται για να σχηματίσουν NAD+ και FAD (Αυτοί είναι φορείς ηλεκτρονίων. Το NAD είναι επίσης ένα συνένζυμο, ενώ το FAD είναι ένας οξειδοαναγωγικός συμπαράγοντας). Το υδρογόνο (το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο) διέρχεται από το ETC, το οποίο αποτελείται από πολλούς φορείς ηλεκτρονίων. Καθώς το ηλεκτρόνιο διέρχεται από την αλυσίδα, τα πρωτόνια (H+) ωθούνται προς τα έξω στον χώρο μεταξύ της μεμβράνης. Μόλις τα ηλεκτρόνια εξέλθουν από την αλυσίδα, γίνονται δεκτά από το άτομο οξυγόνου για να σχηματίσουν ένα Ο–.

Τώρα, αν παρατηρήσουμε, τα ηλεκτρόνια εξέρχονται στη μήτρα ενώ τα πρωτόνια παραμένουν στο διάστημα μεταξύ της μεμβράνης. Επομένως, αυτό δημιουργεί μια ηλεκτρική κλίση κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης. Επιπλέον, η υψηλή συγκέντρωση H+ στο εξωτερικό αλλάζει το pH (όσο υψηλότερο είναι το H+, τόσο χαμηλότερο είναι το pH, δηλαδή το pH θα είναι όξινο) και δημιουργεί μια βαθμίδα pH. Έτσι, για να δημιουργηθεί μια ισορροπία μεταξύ των δύο περιοχών, το H+ πρέπει να ταξιδέψει πίσω στον πίνακα. Δεν μπορεί να ταξιδέψει απευθείας μέσω της μεμβράνης. Υπάρχουν ειδικά κανάλια μεμβράνης, που επιτρέπουν τη μεταφορά. Εδώ βρίσκεται η παραγωγή ATP στο επίκεντρο! Το ένζυμο συνθάσης ΑΤΡ συνδέεται με αυτά τα κανάλια. Η διάχυση υψηλής ενέργειας του H+ οδηγεί τον συνδυασμό ADP και P για να σχηματίσει το ATP. Αυτή η διαδικασία μας δίνει συνολικά 32 ATP. Το H+ συνδυάζεται με το O– για να σχηματίσει H2O.

Καταβολισμός Βιομορίων

Τα μιτοχόνδρια διασπούν επίσης λιπίδια, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Καταβολίζουν λιπίδια (τριγλυκερίδια - η μορφή αποθήκευσης των λιπών) σε γλυκερίνη και λιπαρά οξέα. Αυτά τα δύο χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για παραγωγή ενέργειας. Οι πρωτεΐνες διασπώνται σε αμινοξέα, αλλά η χρήση αμινοξέων για την παραγωγή ενέργειας δεν είναι πολύ αποτελεσματική. Πραγματοποιείται μόνο σε καταστάσεις λιμοκτονίας. Στην περίπτωση των νουκλεοτιδίων, το DNA δεν καταβολίζεται ποτέ, ενώ το RNA μπορεί να καταβολίζεται. Διασπώνται σε σάκχαρα και αζωτούχες βάσεις. Ωστόσο, ακόμη και αυτό περιορίζεται στην ουρακίλη και την κυτοσίνη (βάσεις πυριμιδίνης). Το υπόλοιπο απεκκρίνεται με τη μορφή ουρίας. Τυπικά, ανακυκλώνονται για να παραχθούν νέα νουκλεϊκά οξέα.

Η εξέλιξη έχει οδηγήσει στη θαυμάσια ανάπτυξη των μιτοχονδρίων. Η υψηλή απόδοση των μονοπατιών καθιστά την παραγωγή ενέργειας εξαιρετικά εύκολη. Η διαδικασία βήμα προς βήμα μας δίνει επίσης το ATP – ενεργειακό νόμισμα – με σωστή διαχείριση!