Дървен материал от www.emsien3.com

The best bookmaker bet365

The best bookmaker bet365

Menu

Χρήσιμες πληροφορίες για τα μιτοχόνδρια

Χρήσιμες πληροφορίες για τα μιτοχόνδρια

Τα μιτοχόνδρια είναι τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας του κυττάρου

 

 

 

Τα μιτοχόνδρια είναι οργανίδια που βρίσκονται σε όλους τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς και περιβάλλονται από διπλή μεμβράνη, αν και μερικά κύτταρα σε μερικούς οργανισμούς π.χ. τα ερυθρά αιμοσφαίρια δεν έχουν.

Τα μιτοχόνδρια παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ), που χρησιμοποιείται ως πηγή χημικής ενέργειας. 

Τα μιτοχόνδρια είναι, συνήθως, μεταξύ 0,75 και 3 μm σε διάμετρο, αλλά διαφέρουν σημαντικά σε μέγεθος και δομή και είναι ορατά, με ειδικό χρωματισμό. Εκτός από την παροχή κυτταρικής ενέργειας, τα μιτοχόνδρια εμπλέκονται και στην σηματοδότηση, την κυτταρική διαφοροποίηση, και τον κυτταρικό θάνατο, όπως, επίσης και τη διατήρηση του ελέγχου της αύξησης του κυτταρικού κύκλου και των κυττάρων.

Τα μιτοχόνδρια εμπλέκονται σε αρκετές ανθρώπινες ασθένειες, όπως οι μιτοχονδριακές διαταραχές, η καρδιακή δυσλειτουργία, η καρδιακή ανεπάρκεια και ο αυτισμός.

Ο αριθμός των μιτοχονδρίων σε ένα κύτταρο μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τον οργανισμό, ιστό, και τον τύπο κυττάρου. Για παράδειγμα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια δεν έχουν μιτοχόνδρια, ενώ τα κύτταρα του ήπατος έχουν περισσότερα από 2000. Το οργανίδιο αποτελείται από διαμερίσματα που εκτελούν εξειδικευμένες λειτουργίες. Αυτά τα διαμερίσματα ή οι περιοχές περιλαμβάνουν την εξωτερική μεμβράνη, τον ενδομεμβρανικό χώρο, την εσωτερική μεμβράνη, τις ακρολοφίες και τη μήτρα. Οι μιτοχονδριακές πρωτεϊνες ποικίλουν ανάλογα με τον ιστό και το είδος. Στους ανθρώπους, 615 διαφορετικοί τύποι πρωτεΐνης έχουν ταυτοποιηθεί. Το μιτοχόνδριο έχει το δικό του ανεξάρτητο γονιδίωμά του που δείχνει ουσιαστική ομοιότητα με τα βακτηριακά γονιδιώματα.

Τα μιτοχόνδρια είναι τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας του κυττάρου.

Στα μιτοχόνδρια περιέχονται ριβοσώματα. 

Τα μιτοχόνδρια ήταν αρχικά προκαρυωτικά κύτταρα, ικανά να εφαρμόζουν οξειδωτικούς μηχανισμούς που δεν ήταν δυνατόν να γίνουν στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Άλλη υπόθεση είναι ότι τα μιτοχόνδρια έχουν δημιουργηθεί με διαχωρισμό ενός τμήματος του DNA από τον πυρήνα του ευκαρυωτικού κυττάρου κατά το χρόνο της απόκλισης με τα προκαρυωτικά. Αυτό το τμήμα του DNA περικλείεται από μεμβράνες, οι οποίες δεν μπορούν να διασχίζονται από πρωτεΐνες.

Το μιτοχόνδριο περιέχει DNA, το οποίο είναι οργανωμένο σε πολλά αντίγραφα σε ένα ενιαίο κυκλικό χρωμόσωμα. Αυτό το μιτοχονδριακό χρωμόσωμα περιέχει γονίδια για οξειδοαναγωγή πρωτεΐνών, όπως εκείνα της αναπνευστικής αλυσίδας. 

Τα ριβοσώματα που κωδικοποιούνται από το μιτοχονδριακό DNA είναι παρόμοια με εκείνα των βακτηρίων σε μέγεθος και δομή. Τα μιτοχόνδρια από τα βακτήρια επιβιώνουν με ενδοκυττάρωση από άλλο κύτταρο που ενσωματώθηκε στο κυτταρόπλασμα. Η ικανότητα αυτών των βακτηρίων για τη διεξαγωγή της αναπνοής σε κύτταρα ξενιστές βασίζεται στη γλυκόλυση και τη ζύμωση.

Ένα μιτοχόνδριο περιέχει εξωτερική και εσωτερική μεμβράνη που αποτελείται από φωσφολιπίδια και πρωτεΐνες. Οι δύο μεμβράνες έχουν διαφορετικές ιδιότητες. 

Τα μιτοχόνδρια έχουν επίμηκες, σφαιρικό ή ωοειδές σχήμα. Περιβάλλονται από δύο μεμβράνες, την εξωτερική και την εσωτερική. Η εξωτερική τους μεμβράνη είναι λεία, έχει κυλινδρικό σχήμα και δεν φέρει οξυσώματα. Περιέχει συγκεκριμένες πρωτεΐνες, τις πορίνες που επιτρέπουν την διέλευση ακόμα και μεγάλων μορίων. Αντίθετα, ορισμένα μόνο μόρια μπορούν να μεταφερθούν δια μέσου της εσωτερικής μεμβράνης. Η εσωτερική μεμβράνη είναι αναδιπλωμένη, σχηματίζει πολυάριθμες δισκοειδείς ή δακτυλιοειδείς πτυχώσεις και φέρει οξυσώματα που αποτελούνται από πολυενζυμικά συστήματα τα οποία και ευθύνονται για τη φωσφορυλίωση και την αναπνευστική αλυσίδα. Ο ενδιάμεσος χώρος μεταξύ των δύο μεμβρανών ονομάζεται διαμεμβρανικό διάστημα ή μεσομεμβρανικός χώρος του μιτοχονδρίου. Ο χώρος αυτός πληρούται από υγρό που χρησιμεύει στη λειτουργική επικοινωνία των δύο μεμβρανών.

Ο χώρος που περιβάλλεται από την εσωτερική μεμβράνη ονομάζεται μήτρα ή στρώμα, κατ 'αναλογία με το στρώμα του χλωροπλάστη. Ο χώρος αυτός περιέχει το DNA, τα ριβοσώματα και τα πολυάριθμα ένζυμα που καταλύουν τις μεταβολικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο μιτοχόνδριο. Είναι χώρος με μεγάλη εξειδίκευση, αφού διαφέρει σημαντικά, από χημική άποψη, από το κυτταρόπλασμα.

Τα μιτοχόνδρια είναι ημιαυτόνομα οργανίδια και διαθέτουν δικό τους DNA, έτσι ώστε να μπορούν να αναπαράγονται, χωρίς να χρειάζεται να διαιρεθεί το κύτταρο. Το DNA των μιτοχονδρίων είναι δίκλωνο κυκλικό και είναι τοποθετημένο στις εσοχές που δημιουργεί η εσωτερική μεμβράνη. Κάθε μιτοχόνδριο περιέχει 2 έως δέκα αντίγραφα του κυκλικού αυτού μορίου DNA. Επίσης, υπάρχει ένα ολοκληρωμένο σύστημα έκφρασης των γονιδίων που περιλαμβάνει ριβοσωμάτα και άλλες πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες γι' αυτήν την λειτουργία. Η είσοδος των πρωτεινών στο μιτοχόνδριο πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός ειδικού σήματος και της κυτοσολικής συνοδού HSC70, η οποία αποτρέπει το πρώιμο δίπλωμα της πρωτεϊνης. Στη συνέχεια προσδένεται σε ενα πρωτεινικό σύμπλοκο της εξωτερικής μεμβράνης του μιτοχονδρίου και έπειτα στο εσωτερικό σύμπλοκο. Μόλις φτάσει στη μήτρα του μιτοχονδρίου, μια πεπτιδάση αφαιρεί το ειδικό σήμα διαλογής. Εάν όμως η πρωτεϊνη έχει στόχο να ανγκυροβολήσει στις βιομεμβράνες του οργανιδίου, θα εμφανιστεί μετά την αποκοπή του σήματος διαλογής, ένα άλλο ειδικό σήμα θέσης.

Η εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη περικλείει ολόκληρο το οργανίδιο κι έχει μια αναλογία πρωτεΐνών προς φωσφολιπίδια παρόμοια με εκείνη της μεμβράνης πλάσματος του ευκαρυωτικού κυττάρου. Περιέχει μεγάλο αριθμό πρωτεϊνών μεμβράνης που ονομάζονται πορίνες που σχηματίζουν κανάλια που επιτρέπουν σε μόρια 5.000 daltons ή μικρότερο σε μοριακό βάρος να διαχέονται ελεύθερα από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη. Μεγαλύτερες πρωτεΐνες μπορούν να εισέλθουν στο μιτοχόνδριο με σηματοδότηση και ενεργητική μεταφορά. Η εξωτερική μεμβράνη περιέχει ένζυμα που εμπλέκονται στην  επιμήκυνση των λιπαρών οξέων, στην οξείδωση της επινεφρίνης, και την υποβάθμιση της τρυπτοφάνης. Αυτά τα ένζυμα είναι η μονοαμινοξειδάση, η ροτενόνη, η αναγωγάση του NADH-κυτοχρώματος c, η υδροξυλάση κυνουρενίνης και η λιγκάση Co-A. Η διακοπή της εξωτερικής μεμβράνης επιτρέπει στις πρωτεϊνες στον ενδομεμβρανικό χώρο να διαρρέουν μέσα στο κυτοσόλιο και μερικές από αυτές οδηγούντια σε κυτταρικό θάνατο. Η μιτοχονδριακή εξωτερική μεμβράνη μπορεί να συνδεθεί με τη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου (ER), σε μια δομή που ονομάζεται ΜΑΜ και είναι σημαντική στη σηματοδότηση ασβεστίου και ER μέσω μιτοχονδρίων και εμπλέκεται στη μεταφορά των λιπιδίων μεταξύ των ER και των μιτοχόνδριων. Εκτός της εξωτερικής μεμβράνης υπάρχουν μικρά σωματίδια ονομάζονται υπομονάδες του Parson.

Μία πρωτεΐνη που εντοπίζεται στον ενδομεμβρανικό χώρο είναι το κυτόχρωμα c. 

Η εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη περιέχει πρωτεΐνες με πέντε τύπους λειτουργιών: 

Για αντιδράσεις οξειδοαναγωγής της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης

Συνθετάση ΑΤΡ, η οποία παράγει ΑΤΡ στη μήτρα

Συγκεκριμένες πρωτεΐνες μεταφοράς που ρυθμίζουν το πέρασμα μεταβολιτών μέσα και έξω από τη μήτρα

Εισαγωγή πρωτεΐνών

Μιτοχονδριακή σύντηξη και σχάση πρωτεΐνης

Περιέχει περισσότερα από 151 διαφορετικά πολυπεπτίδια, και έχει μια πολύ υψηλή αναλογία πρωτεΐνης-προς-φωσφολιπίδια (πάνω από 3: 1 κατά βάρος, που είναι περίπου 1 πρωτεΐνη για 15 φωσφολιπίδια). Η εσωτερική μεμβράνη περιέχει περίπου 1/5 της συνολικής πρωτεΐνης σε ένα μιτοχόνδριο. Επιπλέον, η εσωτερική μεμβράνη είναι πλούσια στο φωσφολιπίδιο, καρδιολιπίνη. Η καρδιολιπίνη περιέχει τέσσερα λιπαρά οξέα αντί για δύο, και μπορεί να βοηθήσει ώστε η εσωτερική μεμβράνη να γίνει αδιαπέραστη. Σε αντίθεση με την εξωτερική μεμβράνη, η εσωτερική μεμβράνη δεν περιέχει πορίνες, και είναι ιδιαίτερα αδιαπέραστη από όλα τα μόρια. Σχεδόν όλα τα ιόντα και τα μόρια απαιτούν ειδικούς μεταφορείς μεμβράνης για την είσοδο ή έξοδο από τη μήτρα. Οι πρωτεΐνες μεταφέρονται μέσα στη μήτρα μέσω της τρανσλοκάσης στην εσωτερική μεμβράνη. Επιπλέον, υπάρχει ένα δυναμικό μεμβράνης κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης, που σχηματίζεται από τη δράση των ενζύμων της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη διαμερισματοποιείται σε πολλές ακρολοφίες, που επεκτείνουν την επιφάνεια της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, αυξάνοντας την ικανότητά της να παράγει ΑΤΡ. Για τα μιτοχόνδρια ήπατος, η περιοχή της εσωτερικής μεμβράνης είναι περίπου πέντε φορές πιο μεγάλη όσο η εξωτερική μεμβράνη. Η αναλογία αυτή είναι μεταβλητή και τα μιτοχόνδρια από τα κύτταρα που έχουν μεγαλύτερη ζήτηση για ATP, όπως τα μυϊκά κύτταρα, περιέχουν ακόμα πιο πολλές ακρολοφίες και περιέχουν μικρά στρογγυλά όργανα γνωστά ως σωματίδια F1 ή οξυσωμάτια. Αυτά δεν είναι απλά τυχαία πτυχώσεις, αλλά μάλλον εγκολπώσεις στην εσωτερική μεμβράνη και μπορεί να επηρεάσουν τη συνολική χημειοωσμωτική λειτουργία. 

Η μήτρα είναι ο χώρος που περικλείεται από την εσωτερική μεμβράνη. Περιέχει περίπου 2/3 της συνολικής πρωτεΐνης σε ένα μιτοχόνδριο. Η μήτρα είναι σημαντική στην παραγωγή του ΑΤΡ με τη βοήθεια της συνθετάσης ΑΤΡ που περιέχεται στην εσωτερική μεμβράνη. Η μήτρα περιέχει ένα πολύ συμπυκνωμένο μίγμα εκατοντάδων ενζύμων, ειδικά μιτοχονδριακά ριβοσώματα, tRNA, και αρκετά αντίγραφα του μιτοχονδριακού DNA. Τα ένζυμα κάνουν την οξείδωση του πυροσταφυλικού και των λιπαρών οξέων, και συμμετέχουνστον κύκλο του κιτρικού οξέος. 

Τα μιτοχόνδρια έχουν το δικό τους γενετικό υλικό, και τα μηχανήματα για την κατασκευή δική τους RNA και πρωτεϊνών 

Υπάρχουν 16.569 ζεύγη βάσεων που κωδικοποιούν 37 γονίδια: 22 tRNA, rRNA 2, και 13 γονίδια πεπτιδίων. Τα 13 μιτοχονδριακά πεπτίδια έχουν ενσωματωθεί στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, μαζί με τις πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από τα γονίδια που βρίσκονται στον πυρήνα του κυττάρου-ξενιστή.

Η μεμβράνη ER-Ενδοπλασματικού δικτύου μιτοχονδρίων (ΜΑΜ) είναι ένα άλλο δομικό στοιχείο που παίζει ρόλο στην κυτταρική φυσιολογία και την ομοιόσταση. Περιλαμβάνει έως και 20% της μιτοχονδριακής εξωτερικής μεμβράνης, ER και τα μιτοχόνδρια που συγκρατούνται μεταξύ τους με σύμπλοκα πρωτεΐνης πρόσδεσης. 

Είναι εμπλουτισμένη σε ένζυμα που εμπλέκονται στην ανταλλαγή φωσφολιπιδίων, εκτός από τα κανάλια που συνδέονται με την Ca2 + σηματοδότηση. Τα μιτοχόνδρια είναι προορισμός για τη σύνθεση φωσφολιπιδίων, για τη διακίνηση των ενδιαμέσων προϊόντων των βιοσυνθετικών οδών των φωσφολιπιδίων, των κεραμιδίων και του μεταβολισμού της χοληστερόλης, και τον αναβολισμό γλυκοσφιγγολιπιδίων. Η ΜΑΜ είναι, επίσης, μέρος της εκκριτικής οδού, εκτός από το ρόλο της στην ενδοκυτταρική διακίνηση των λιπιδίων. Ειδικότερα, η ΜΑΜ είναι ένας ενδιάμεσος προορισμό μεταξύ που οδηγεί στην σύνθεση της πολύ χαμηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνης-VLDL, στη συναρμολόγηση και στην έκκριση. Η ΜΑΜ χρησιμεύει στο μεταβολισμό των λιπιδίων. Ακόμη, παίζει ρόλο στη σηματοδότηση ασβεστίου. Η ΜΑΜ χρησιμεύει, συχνά, ως ένα τείχος προστασίας που αποθηκεύει προσωρινά ουσιαστικά Ca2 + και τα ελεύθερα ιόντα απελευθερώνονται στο κυτταρόπλασμα. Αλλά η μετάδοση του Ca2 + είναι ένας δρόμος διπλής κατεύθυνσης.

Λειτουργίες των μιτοχονδρίων

-Ο πιο σημαντικός ρόλος των μιτοχονδρίων είναι να παράγει την ενέργεια του κυττάρου, ΑΤΡ (δηλαδή, φωσφορυλίωση του ADP), μέσω της αναπνοής, και τη ρύθμιση του κυτταρικού μεταβολισμού. Η κεντρική σειρά των αντιδράσεων που εμπλέκονται στην παραγωγή ΑΤΡ είναι γνωστή ως κύκλος του κιτρικού οξέος, ή κύκλος του Krebs. Ωστόσο, το μιτοχόνδριο έχει πολλές άλλες λειτουργίες εκτός από την παραγωγή ΑΤΡ. Τα μιτοχόνδρια χρησιμοποιούνται από τα κύτταρα για τον μεταβολισμό των βιολογικών μακρομορίων που προσλαμβάνουν οι οργανισμοί με τις τροφές. Έτσι, με τη βοήθεια των μιτοχονδρίων τα κύτταρα διασπούν τους υδατάνθρακες και τα λίπη, συνθέτοντας μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), μέσω της διαδικασίας της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Η διαδικασία αυτή είναι αερόβια και συντελείται διαμέσου ενός πολύπλοκου διαμεμβρανικού ενζύμου που βρίσκεται στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου και ονομάζεται ATP-συνθετάση. Στην πραγματικότητα η διαδικασία παραγωγής ενέργειας είναι πολύ περίπλοκη. Αρχικά τα μόρια των τροφών, αφού διασπαστούν στα μονομερή τους (δηλαδή οι πολυσακχαρίτες σε μεμονωμένα σάκχαρα όπως η γλυκόζη, τα λίπη σε λιπαρά οξέα και οι πρωτεΐνες σε αμινοξέα) εισάγονται στα κύτταρα. Εκεί τα λιπαρά οξέα εισάγονται κατευθείαν στα μιτοχόνδρια, ενώ τα σάκχαρα εισέρχονται σε μία ακολουθία δέκα διαδοχικών αντιδράσεων, τη γλυκόλυση. Αποτέλεσμα της γλυκόλυσης είναι η παραγωγή ενός μορίου του πυροσταφυλικού, το οποίο εισάγεται στα μιτοχόνδρια, ενώ παράλληλα παράγονται μικρές ποσότητες ATP και NADH, ενός άλλου ενεργοποιημένου μορίου φορέα. Εκεί το πυροσταφυλικό μετατρέπεται ενζυμικά σε ακετυλοσυνένζυμο Α (ακέτυλοCo-A) και έτσι ξεκινάει μια κυκλική αλληλουχία αντιδράσεων, ο κύκλος του κιτρικού οξέος.

-Η μετατροπή ενέργειας γίνεται με την οξείδωση των κύριων προϊόντων της γλυκόζης: Πυρουβικό, και NADH παράγονται στο κυτοσόλιο. Αυτό το είδος της κυτταρικής αναπνοής είναι γνωστό ως αερόβια αναπνοή κι εξαρτάται από την παρουσία οξυγόνου. Όταν το οξυγόνο είναι περιορισμένο, τα γλυκολυτικά προϊόντα μεταβολίζονται από την αναερόβια ζύμωση, μια διαδικασία που είναι ανεξάρτητη των μιτοχονδρίων. Η παραγωγή ΑΤΡ από γλυκόζη έχει περίπου 13 φορές υψηλότερη απόδοση κατά τη διάρκεια της αερόβιας αναπνοής σε σύγκριση με τη ζύμωση. Πρόσφατα έχει δειχθεί ότι τα φυτικά μιτοχόνδρια μπορούν να παράγουν ένα περιορισμένο ποσό του ΑΤΡ χωρίς οξυγόνο χρησιμοποιώντας  εναλλακτικά τα νιτρώδη, ως  υπόστρωμα. Το ATP διασχίζει την εσωτερική μεμβράνη με τη βοήθεια μιας ειδικής πρωτεΐνης, και όλη την εξωτερική μεμβράνη μέσω των πορινών. Το ADP επιστρέφει μέσω της ίδιας οδού.

-Τα πυροσταφυλικά και ο κύκλος του κιτρικού οξέος

Τα μόρια πυροσταφυλικού παράγονται από γλυκόλυση και μεταφέρονται ενεργά διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, και εντός της μήτρας, όπου μπορούν είτε να οξειδωθούν και να συνδυαστούν με το συνένζυμο Α προς σχηματισμό CO2, ακετυλο-CoA, και NADH, ή μπορούν να καρβοξυλιωθούν (με πυροσταφυλική καρβοξυλάση) για να σχηματίσουν οξαλοξικό. Αυτή η τελευταία αντίδραση "γεμίζει" την ποσότητα του οξαλοξικού στον κύκλο του κιτρικού οξέος, αυξάνοντας την ικανότητα του κύκλου να μεταβολίζει το ακετυλο-CoA, όταν οι ενεργειακές ανάγκες του ιστού (π.χ. σε μυς) ξαφνικά αυξηθούν.

Στον κύκλο του κιτρικού οξέος, όλα τα ενδιάμεσα (π.χ. κιτρικό άλας, ισο-κιτρικό, άλφα-κετογλουταρικό, ηλεκτρικό, φουμαρικό, μηλικό και οξαλοξικό) αναγεννώνται κατά τη διάρκεια του κύκλου. Η προσθήκη περισσότερων από οποιοδήποτε από αυτά τα ενδιάμεσα προϊόντα στο μιτοχόνδριο, επομένως, σημαίνει ότι το πρόσθετο ποσό συγκρατείται εντός του κύκλου, αυξάνοντας όλα τα άλλα ενδιάμεσα. 

Το ακετυλο-CoA, από την άλλη πλευρά, που προέρχεται από την πυροσταφυλική οξείδωση, ή από την β-οξείδωση των λιπαρών οξέων, είναι το μόνο καύσιμο να εισέρχεται στον κύκλο του κιτρικού οξέος. Με κάθε στροφή του κύκλου ένα μόριο ακετυλ-ΟοΑ καταναλώνεται για κάθε μόριο οξαλοξικού στη μιτοχονδριακή μήτρα, και ποτέ δεν αναγεννάται. Είναι η οξείδωση του οξικού τμήματος του ακετυλο-CoA που παράγει CO2 και νερό, με την ενέργεια που απελευθερώνεται σε μορφή ΑΤΡ.

Στο ήπαρ, η καρβοξυλίωση του κυτοσολίου του πυροσταφυλικού σε ενδο-μιτοχονδριακό οξαλοξικό είναι ένα πρώιμο στάδιο στο γλυκονεογενετικό μονοπάτι, το οποίο μετατρέπει το γαλακτικό και απαμινώνει την αλανίνη σε γλυκόζη, υπό την επίδραση υψηλών επιπέδων γλυκαγόνης και / ή επινεφρίνης στο αίμα. 

Τα ένζυμα του κύκλου του κιτρικού οξέος βρίσκονται στη μιτοχονδριακή μήτρα, με την εξαίρεση της ηλεκτρικής αφυδρογονάσης, η οποία είναι δεσμευμένη στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος οξειδώνει το ακετυλο-CoA σε διοξείδιο του άνθρακα, και, κατά τη διαδικασία, παράγει μειωμένους συμπαράγοντες (τρία μόρια NADH και ένα μόριο FADH2), που είναι μια πηγή ηλεκτρονίων για την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, και ένα μόριο του GTP (που μετατρέπεται εύκολα σε ΑΤΡ). 

NADH και FADH2: η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

Η ενέργεια οξειδοαναγωγής από NADH και FADH2 μεταφέρεται σε οξυγόνο (Ο2) σε πολλά στάδια μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτά τα πλούσια σε ενέργεια μόρια παράγονται εντός της μήτρας μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέος, αλλά παράγονται, επίσης, στο κυτταρόπλασμα με γλυκόλυση.

Το ακέτυλο-CoA που παράγεται τόσο από το πυροσταφυλικό όσο και από τα λιπαρά οξέα προστίθεται στο οξαλοξικό οξύ και έτσι παράγεται κιτρικό οξύ. Με αυτόν τον τρόπο το ξεκινά ο κύκλος των οκτώ διαδοχικών αντιδράσεων που ξεκινά από το κιτρικό οξύ και καταλήγει, επίσης, στο κιτρικό οξύ. Παράλληλα παράγονται τρία μόρια NADH, και ένα μόριο FADH2 και GTP. Τα μόρια αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ATP, του βασικού ενεργειακού νομίσματος του κυττάρου.

Καθεμιά από τις οκτώ αντιδράσεις καταλύεται από τα δικά της ένζυμο. Μόλις ολοκληρωθεί ο κύκλος παράγεται οξαλοξικό οξύ για να μπορεί να ξανακινηθεί η ίδια διαδικασία, με την προσθήκη ενός νέου μορίου ακέτυλο-CoΑ. Όσον αφορά τα αμινοξέα που προσλαμβάνει το κύτταρο από την αποδόμηση των πρωτεϊνών της τροφής, το καθένα μπορεί να μετατραπεί ανάλογα με την φύση του σε ένα από τα οκτώ ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου ή ακόμα και σε πυροσταφυλικό ή σε ακέτυλο-CoA. Ο κύκλος είναι γνωστός, επίσης, ως κύκλος του Κρεμπς. Ο βασικός ρόλος του μιτοχονδρίου είναι η παραγωγή ATP. Επομένως, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν τα υπόλοιπα ενεργοποιημένα μόρια φορείς που παράγονται κατά την διάρκεια του κύκλου για να παραχθεί ATP. Το GTP παράγει εύκολα ATP μέσω της προσφοράς μιας εκ' των τριών φωσφορικών ομάδων του στο ADP. Για τα άλλα δύο μόρια όμως η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη.

Υπό ορισμένες προϋποθέσεις, τα πρωτόνια μπορούν να επανενταχθούν στην μιτοχονδριακή μήτρα, χωρίς να συμβάλλουν στην σύνθεση ΑΤΡ. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως διαρροή πρωτονίων  και οφείλεται στην διευκόλυνση της διάχυσης των πρωτονίων εντός της μήτρας και απελευθερώνεται ως θερμότητα. Η θερμογενίνη βρίσκεται, κυρίως, στον καφέ λιπώδη ιστό, ή καφέ λίπος, και είναι υπεύθυνη για τη θερμογένεση.  Στους ανθρώπους, ο καφέ λιπώδης ιστός είναι παρόν κατά τη γέννηση και μειώνεται με την ηλικία.

Οι συγκεντρώσεις του ελεύθερου ασβεστίου στο κύτταρο μπορεί να ρυθμίσουν μια σειρά από αντιδράσεις και είναι σημαντικές για την μεταγωγή σήματος στο κύτταρο. Τα μιτοχόνδρια μπορεί παροδικά να αποθηκεύσουν ασβέστιο, μια διαδικασία που συμβάλλει στην ομοιόσταση του ασβεστίου του κυττάρου. Το ενδοπλασμικό δίκτυο είναι η πιο σημαντική θέση αποθήκευσης του ασβεστίου και υπάρχει σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ μιτοχόνδριου και ER σε σχέση με το ασβέστιο. Το ασβέστιο παραλαμβάνεται εντός της μήτρας από το μιτοχονδριακό  ασβέστιο επί της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης και καθοδηγείται, κυρίως, από το δυναμικό της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Η απελευθέρωση του ασβεστίου πίσω στο εσωτερικό του κυττάρου μπορεί να συμβεί μέσω μιας πρωτεΐνης ανταλλαγής νατρίου-ασβεστίου, είτε μέσω άλλων οδών. Αυτό μπορεί να προκαλέσει κύματα ασβεστίου με μεγάλες αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης και μπορεί να ενεργοποιήσει μια σειρά δεύτερων πρωτεϊνών συστημάτων που μπορεί να συντονίσουν την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών σε νευρικά κύτταρα και την απελευθέρωση των ορμονών σε ενδοκρινή κύτταρα. 

Χημειωσμωτική σύζευξη

Το NADH και το FADH2 λειτουργούν ως φορείς ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι τείνουν να αποβάλλουν ένα ζεύγος δύο ηλεκτρονίων ώστε να μετατραπούν στην ανηγμένη μορφή τους που χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη σταθερότητα. Αυτό ακριβώς το γεγονός εκμεταλλεύεται το κύτταρο για να προωθήσει την παραγωγή ATP. Μόλις αποβληθούν τα ηλεκτρόνια εισάγονται σε μια αλυσίδα μορίων που το καθένα λειτουργεί διαδοχικά ως δέκτης και δότης ηλεκτρονίων. Η τάση μεταφοράς οφείλεται στις διαδοχικά μικρότερες ενέργειες των ηλεκτρονίων κατά το πέρασμα τους από το ένα μόριο στο επόμενο.

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, γνωστή και ως αναπνευστική αλυσίδα είναι εγκατεστημένη στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Εκεί βρίσκονται τρία διαμεμβρανικά σύμπλοκα ενζύμων, το σύμπλοκο αφυδρογονάσης του NADH, το σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων b-c1 και το σύμπλοκο της οξειδάσης του κυτοχρώματος. Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται διαδοχικά από το ένα σύμπλοκο στο επόμενο καθοδηγούμενα από τις διαδοχικά χαμηλότερες ενέργειες τους. Η διαφορά ενέργειας αξιοποιείται μέσω της άντλησης πρωτονίων, δηλαδή κατιόντων υδρογόνου από το στρώμα προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Τελικός σταθμός των ηλεκτρονίων κατά μήκος της αλυσίδας είναι το Ο2 το οποίο προέρχεται από την αναπνοή. Τα ηλεκτρόνια ανάγουν το οξυγόνο και παράγεται νερό με την βοήθεια του συμπλόκου της οξειδάσης του κυτοχρώματος. Έτσι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται τώρα στην χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη.

Η όλη διαδικασία απελευθερώνει την ενέργεια που απαιτείται για την άντληση των πρωτονίων. Επομένως η συγκέντρωση πρωτονίων εκτός του μιτοχονδρίου είναι περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη εκτός του στρώματος γι' αυτό εξάλλου και η διαδικασία της άντλησης απαιτεί ενέργεια και δεν είναι αυθόρμητη. Μόλις λοιπόν τους δοθεί ευκαιρία τα πρωτόνια τείνουν να εισέλθουν στο στρώμα. Εδώ ακριβώς αναλαμβάνει δράση η συνθετάση ATP. Αφού η συγκέντρωση πρωτονίων εκτός του στρώματος είναι πολύ μεγαλύτερη της εσωτερικής, εκείνα χρησιμοποιούν την συνθετάση του ATP για να επανέλθουν. Ταυτόχρονα όμως κινούν τις υπομονάδες της πρωτεΐνης. Αυτή η αλλαγή διαμόρφωσης δίνει την ενέργεια που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί η προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας στο ADP και να παραχθεί ATP.

Με την ολοκλήρωση της διαδικασίας που είναι γνωστή ως χημειωσμωτική σύζευξη τα σύμπλοκα ενζύμων ξανα-αντλούν τα πρωτόνια προς τα έξω ώστε να συνεχίσει η λειτούργία της συνθετάσης του ATP. Το ATP παράγεται στο στρώμα αλλά στη συνέχεια μεταφέρεται με την βοήθεια πρωτεϊνών στο κυτταρόπλασμα. Η ενέργεια που περιέχει στους δεσμούς του είναι αυτή που το καθιστά ως το κύριο ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου. Η διάσπαση του δεσμού υψηλής ενέργειας μεταξύ της δεύτερης και της τρίτης φωσφορικής ομάδας παρέχει την ενέργεια για να πραγματοποιηθεί σχεδόν κάθε αντίδραση του κυττάρου που δεν είναι ενεργειακά ευνοϊκή.

Πρόσθετες λειτουργίες των μιτοχονδρίων

Σηματοδότηση μέσω των μιτοχονδρίων για τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου 

Ρύθμιση του δυναμικού της μεμβράνης

Απόπτωση ή προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος

Σηματοδότηση ασβεστίου 

Ρύθμιση του κυτταρικού μεταβολισμού

Αντιδράσεις σύνθεσης αίμης (πορφυρίνη)

Σύνθεση στερεοειδών

Σηματοδότηση ορμονών

Τα μιτοχόνδρια είναι ευαίσθητα και ανταποκρίνονται στις ορμόνες, εν μέρει, από τη δράση των μιτοχονδριακών υποδοχέων οιστρογόνων (mtERs). Αυτοί οι υποδοχείς έχουν βρεθεί σε διάφορους ιστούς και τύπους κυττάρων, όπως του εγκεφάλου και της καρδιάς. Ορισμένες μιτοχονδριακές λειτουργίες εκτελούνται μόνο σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων. Για παράδειγμα, τα μιτοχόνδρια στα ηπατικά κύτταρα περιέχουν ένζυμα που τους επιτρέπουν να αποτοξινώνουν αμμωνία, ένα απόβλητο προϊόν του μεταβολισμού των πρωτεϊνών. Μια μετάλλαξη στα γονίδια που ρυθμίζουν οποιαδήποτε από αυτές τις λειτουργίες μπορεί να οδηγήσει σε μιτοχονδριακές ασθένειες.

Ρύθμιση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού

Τα καρκινικά κύτταρα απαιτούν μια άφθονη ποσότητα ΑΤΡ (τριφωσφορικής αδενοσίνης), προκειμένου να συνθέσουν βιοδραστικά μόρια, όπως λιπίδια, πρωτεΐνες, και νουκλεοτίδια για τον ταχύ  πολλαπλασιασμό κυττάρων. Η πλειονότητα των ΑΤΡ σε κύτταρα όγκου δημιουργείται μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης (OxPhos) που προκαλούν διακοπή του κυτταρικού κύκλου και αυτό υποδηλώνει ότι τα μιτοχόνδρια παίζουν ένα ρόλο στον πολλαπλασιασμό των κυττάρων. Η μιτοχονδριακή παραγωγή ΑΤΡ είναι, επίσης, ζωτικής σημασίας για την κυτταρική διαίρεση σε συνδυασμό με άλλες βασικές λειτουργίες, όπως τη ρύθμιση του κυτταρικού όγκου, τη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας και την κυτταρική αρχιτεκτονική. Τα επίπεδα ΑΤΡ διαφέρουν σε διάφορα στάδια της γεγονός που υποδηλώνει ότι υπάρχει μια σχέση ανάμεσα στην πληθώρα του ATP και την ικανότητα του κυττάρου να μπαίνει σε ένα νέο κυτταρικό κύκλο. Ο ρόλος ΑΤΡ στις βασικές λειτουργίες του κυττάρου κάνουν το κυτταρικό κύκλο ευαίσθητο σε μεταβολές στη διαθεσιμότητα των ΑΤΡ που προέρχονται από τα μιτοχόνδρια. Η διακύμανση των επιπέδων ΑΤΡ σε διαφορετικά στάδια του κυτταρικού κύκλου υποστηρίζουν την υπόθεση ότι τα μιτοχόνδρια παίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου. Τα σημεία ελέγχου του κύκλου χαμηλής ενέργειας παρακολουθούν την ενεργειακή ικανότητα πριν από τη δέσμευση σε έναν άλλο κύκλο κυτταρικής διαίρεσης. 

Μιτοχονδριακό γονιδίωμα

Τα μιτοχόνδρια περιέχουν το δικό τους γονιδίωμα, μια ένδειξη ότι προέρχονται από βακτήρια μέσω ενδοσυμβίωσης. Ωστόσο, το προγονικό γονιδίωμα έχει χάσει το μεγαλύτερο μέρος των γονιδίων του, έτσι ώστε το μιτοχονδριακό γονιδίωμα είναι διαφορετικό.

Το ανθρώπινο μιτοχονδριακό γονιδίωμα είναι ένα κυκλικό μόριο DNA που περιέχει, περίπου, 16 χιλιάδες βάσεις. Κωδικοποιεί 37 γονίδια. Ο ακριβής αριθμός των γονιδίων που κωδικοποιούνται από τον πυρήνα και το μιτοχονδριακό γονιδίωμα διαφέρει μεταξύ των ειδών. Τα περισσότερα μιτοχονδριακά γονιδιάματα είναι κυκλικά (Discoideum Dictyostelium). 

Όταν οι ενεργειακές ανάγκες ενός κυττάρου είναι υψηλές, τα μιτοχόνδρια αναπτύσσονται και διαιρούνται. Όταν η χρήση της ενέργειας είναι χαμηλή, τα μιτοχόνδρια καταστρέφονται ή καθίστανται ανενεργά. 

Τυπικά, τα μιτοχόνδρια κληρονομούνται από τον ένα μόνο γονέα. Το μιτοχονδριακό DNA, συνήθως προέρχονται από μόνο από το ωάριο.  Το ωάριο περιέχει σχετικά λίγα μιτοχόνδρια, αλλά είναι αυτά που επιβιώνουν. Τα μιτοχόνδρια στις περισσότερες περιπτώσεις κληρονομούνται μόνο από τις μητέρες με μητρική κληρονομικότητα.

Η σχεδόν απουσία γενετικού ανασυνδυασμού στο μιτοχονδριακό DNA είναι μια χρήσιμη πηγή πληροφοριών για τους επιστήμονες στην πληθυσμιακή γενετική και την εξελικτική βιολογία. Επειδή όλο το μιτοχονδριακό DNA κληρονομείται ως μία ενιαία μονάδα, ή απλότυπος, οι σχέσεις μεταξύ μιτοχονδριακό DNA από διαφορετικά άτομα μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα δέντρο γονιδιακό. Ωστόσο, το μιτοχονδριακό DNA αντανακλά μόνο την ιστορία των γυναικών σε ένα πληθυσμό και έτσι μπορεί να μην αντιπροσωπεύει την ιστορία του πληθυσμού συνολικά. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί εν μέρει με την χρήση των πατρικών γενετικών αλληλουχιών, όπως η περιοχή μη-ανασύνθεσης του χρωμοσώματος Υ.

Δεδομένου του ρόλου των μιτοχονδρίων στην παραγωγή ενέργειας του κυττάρου, μπορεί να υπάρχει κάποια διαρροή από τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στην αναπνευστική αλυσίδα για να σχηματισθούν αντιδραστικά είδη οξυγόνου. Αυτό πιστεύεται ότι οδηγεί σε σημαντικό οξειδωτικό στρες στα μιτοχόνδρια με υψηλά ποσοστά μετάλλαξης του μιτοχονδριακού DNA (mtDNA).  Το οξειδωτικό στρες οδηγεί σε μιτοχονδριακές μεταλλάξεις του DNA, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε ενζυματικές ανωμαλίες και περαιτέρω οξειδωτικό στρες. Ένας αριθμός αλλαγών μπορεί να συμβεί στα μιτοχόνδρια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γήρανσης. Οι ιστοί στους ηλικιωμένους ασθενείς εμφανίζουν μια μείωση στην ενζυμική δραστικότητα των πρωτεϊνών της αναπνευστικής αλυσίδας.  Μεγάλες διαγραφές στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα οδηγεί σε υψηλά επίπεδα οξειδωτικού στρες και νευρωνικό θάνατο στη νόσο του Πάρκινσον. 

Στο μεταβολομικό προφίλ το υψηλό μεθυλσουκινικό οξύ σημαίνει μιτοχονδριακή δυσλειτουργία από έλλειψη βιταμίνης Β2, με αποτέλεσμα αυξημένη οξείδωση, μειωμένη ανοχή στην άσκηση και κόπωση και απαιτείται συμπληρωματική χορήγηση βιταμίνης Β2 100 mg ανά ημέρα και μια πολυβιταμίνη με σύμπλεγμα βιταμίνης Β, ιχνοστοιχεία και αντιοξειδωτικά.

Διαβάστε, επίσης,

Διατηρήστε υγιή τα μιτοχόνδριά σας

Μεταβολομική

Τα καρκινικά μονοπάτια της απόπτωσης

Το μιτοχονδριακό μονοπάτι απόπτωσης στον καρκίνο

Ταυτοποίηση νεκρού από τα κόκαλα

Τα αντιβιοτικά κατά της γήρανσης

Χρήσιμες πληροφορίες για τα γενετικά τεστ

Τα αντιμιτοχονδριακά αντισώματα

Ο ρόλος της απόπτωσης στον καρκίνο

Πώς η έλλειψη μαγνησίου προκαλεί πρόωρη γήρανση

Έμβρυα από τρεις γονείς για πρόληψη των μιτοχονδριακών παθήσεων

Η μεγάλη αλήθεια για τη θεραπεία του καρκίνου

Πρωτεΐνη ΒΑΧ

Γλουταθειόνη

Το ελληνικό DNA

www.emedi.gr

 

Τελευταία τροποποίηση στιςΠαρασκευή, 17 Φεβρουαρίου 2017 14:09
Συνδεθείτε για να υποβάλετε σχόλια
επιστροφή στην κορυφή


Σχετικά με το EMEDI

Εφημερεύοντα Φαρμακεία