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生物の真核細胞は、病気を生き、成長させ、繁殖させ、撃退するために、膨大な数の化学反応を継続的に実行します。
これらすべてのプロセスには、細胞レベルのエネルギーが必要です。これらの活動のいずれかに関与する各細胞は、細胞の発電所として機能する小さなオルガネラであるミトコンドリアからエネルギーを受け取ります。ミトコンドリアの単数形はミトコンドリアです。
ヒトでは、赤血球などの細胞にはこれらの小さな細胞小器官はありませんが、他のほとんどの細胞には多数のミトコンドリアがあります。たとえば、筋肉細胞は、エネルギー要件を満たすために数百または数千もの場合があります。
動いたり、成長したり、考えたりするほとんどすべての生物には、バックグラウンドにミトコンドリアがあり、必要な化学エネルギーを生成しています。
ミトコンドリアの構造
ミトコンドリアは、二重膜に囲まれた膜結合オルガネラです。
それらは、オルガネラと折り畳まれた内膜を囲む滑らかな外膜を持っています。内膜の折り目はクリステと呼ばれ、その特異点はクリスタであり、折り目はミトコンドリアのエネルギーを作り出す反応が起こる場所です。
内側の膜にはマトリックスと呼ばれる液体が含まれていますが、2つの膜の間にある膜間スペースも液体で満たされています。
この比較的単純な細胞構造のために、ミトコンドリアには2つの別個の作動体積のみがあります：内膜内のマトリックスと膜間スペース。これらは、エネルギー生成のために2つのボリューム間の転送に依存しています。
効率を高め、エネルギー生成の可能性を最大化するために、内側の膜のひだはマトリックスの奥深くまで浸透します。
その結果、内膜は大きな表面積を持ち、マトリックスのどの部分も内膜の折り目から遠く離れていません。折り目と大きな表面積はミトコンドリア機能を助け、マトリックスと内膜を横切る膜間スペースとの間の潜在的な移動速度を増加させます。
なぜミトコンドリアが重要なのですか？
単一細胞はもともとミトコンドリアや他の膜結合オルガネラなしで進化しましたが、複雑な多細胞生物や哺乳動物などの温血動物は、ミトコンドリア機能に基づいて細胞呼吸からエネルギーを得ます。
心筋や鳥の羽などの高エネルギー機能には、必要なエネルギーを供給する高濃度のミトコンドリアがあります。
ATP合成機能により、筋肉やその他の細胞のミトコンドリアは体温を生成し、温血動物を安定した温度に保ちます。高エネルギーの活動と高等動物での熱の生成を可能にするのは、ミトコンドリアのこの集中的なエネルギー生成能力です。
ミトコンドリア機能
ミトコンドリアのエネルギー生産サイクルは、クエン酸またはクレブスサイクルとともに電子輸送チェーンに依存しています。
クレブスサイクルの詳細をご覧ください。
グルコースなどの炭水化物を分解してATPを生成するプロセスは、異化と呼ばれます。グルコース酸化からの電子は、クエン酸サイクルを含む化学反応チェーンに沿って渡されます。
還元酸化反応または酸化還元反応からのエネルギーは、反応が起こっているマトリックスからプロトンを移動させるために使用されます。ミトコンドリア機能連鎖における最終反応は、細胞呼吸からの酸素が還元を受けて水を形成する反応です。反応の最終生成物は水とATPです。
ミトコンドリアのエネルギー生成に関与する重要な酵素は、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADP）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）、アデノシン二リン酸（ADP）およびフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）です。
それらは協力して、マトリックス内の水素分子からミトコンドリア内膜を通過するプロトンの移動を助けます。これにより、酵素ATPシンターゼを介してプロトンがマトリックスに戻り、アデノシン三リン酸（ATP）のリン酸化と生成をもたらす、膜全体に化学的電位と電位が生じます。
ATPの構造と機能についてお読みください。
ATP合成とATP分子は、細胞内のエネルギーの主要なキャリアであり、細胞が生体に必要な化学物質の生産に使用できます。
•••科学エネルギー生産者であることに加えて、ミトコンドリアはカルシウムの放出を通じて細胞間シグナル伝達を助けることができます。
ミトコンドリアは、マトリックスにカルシウムを貯蔵する能力があり、特定の酵素またはホルモンが存在するとカルシウムを放出できます。結果として、そのような引き金となる化学物質を生産する細胞は、ミトコンドリアによる放出からのカルシウム上昇のシグナルを見るかもしれません。
全体として、ミトコンドリアは生細胞の重要な構成要素であり、細胞相互作用を助け、複雑な化学物質を分配し、すべての生命のエネルギー基盤を形成するATPを生成します。
内側と外側のミトコンドリア膜
ミトコンドリア二重膜は、内膜と外膜、および2つの膜に対して異なる機能を持ち、異なる物質で構成されています。
外側のミトコンドリア膜は膜間空間の流体を囲みますが、ミトコンドリアが通過する必要がある化学物質を許可する必要があります。ミトコンドリアによって生成されるエネルギー貯蔵分子は、オルガネラを離れ、細胞の残りの部分にエネルギーを届けることができなければなりません。
このような移動を可能にするために、外膜はリン脂質と呼ばれるタンパク質構造で構成されています ポリン 膜の表面に小さな穴や孔を残します。
膜間空間は、周囲の細胞の液体を構成するサイトゾルの組成と同様の組成を有する液体を含む。
ATP合成によって生成された小分子、イオン、栄養素、およびエネルギーを運ぶATP分子は、外膜を貫通し、膜間空間の流体とサイトゾルの間を移行する可能性があります。
内膜は酵素、タンパク質、脂肪を含む複雑な構造を持ち、水、二酸化炭素、酸素のみが膜を自由に通過できます。
大きなタンパク質を含む他の分子は膜を貫通できますが、通過を制限する特別な輸送タンパク質のみを通過します。クリスタ折り畳みから生じる内膜の大きな表面積は、これらすべての複雑なタンパク質および化学構造の余地を提供します。
それらの多数は、高レベルの化学的活性とエネルギーの効率的な生産を可能にします。
内膜を横切る化学伝達によりエネルギーが生成されるプロセスは、呼ばれます 酸化的リン酸化.
このプロセス中に、ミトコンドリア内の炭水化物の酸化により、プロトンが内膜を介してマトリックスから膜間腔に送り込まれます。プロトンの不均衡により、ATPの前駆体であるATPシンターゼと呼ばれる酵素複合体を介して、プロトンが内膜を横切ってマトリックスに拡散します。
ATP合成酵素を通過するプロトンの流れは、ATP合成の基礎となり、細胞内の主要なエネルギー貯蔵メカニズムであるATP分子を生成します。
マトリックスには何がありますか？
内膜内部の粘性流体はマトリックスと呼ばれます。
内膜と相互作用して、ミトコンドリアの主要なエネルギー生成機能を実行します。クレブスサイクルに参加してグルコースと脂肪酸からATPを生成する酵素と化学物質が含まれています。
マトリックスは、環状DNAで構成されるミトコンドリアゲノムが存在する場所であり、リボソームが位置しています。リボソームとDNAの存在は、ミトコンドリアが細胞分裂に依存することなく、独自のタンパク質を生成し、独自のDNAを使用して複製できることを意味します。
ミトコンドリアがそれ自体で小さな完全な細胞であると思われる場合、それはおそらく、単一の細胞がまだ進化していたときにそれらがおそらくある時点で別々の細胞だったためです。
ミトコンドリア様細菌は、寄生虫としてより大きな細胞に侵入し、配置が相互に有益だったため、残っていた。
細菌は安全な環境で繁殖することができ、より大きな細胞にエネルギーを供給しました。何億年もかけて、細菌は多細胞生物に統合され、今日のミトコンドリアに進化しました。
それらは今日、動物細胞に見られるため、初期の人間の進化の重要な部分を形成しています。
ミトコンドリアはミトコンドリアゲノムに基づいて独立して増殖し、細胞分裂に関与しないため、新しい細胞は、細胞分裂時に細胞質ゾルの一部にあるミトコンドリアを単純に継承します。
胚は受精卵から発達するため、この機能はヒトを含む高等生物の繁殖にとって重要です。
母親からの卵細胞は大きく、その細胞質に多くのミトコンドリアが含まれていますが、父親からの受精精細胞はほとんどありません。その結果、子供は母親からミトコンドリアとミトコンドリアDNAを継承します。
マトリックス内のATP合成機能と二重膜を介した細胞呼吸を通じて、ミトコンドリアとミトコンドリア機能は動物細胞の重要な要素であり、存在する限りの生命を助けます。
膜結合オルガネラの細胞構造は、人間の進化に重要な役割を果たしており、ミトコンドリアが重要な貢献をしています。