ไมโตคอนเดรียคืออะไร?

Mitochondria เป็นโครงสร้างพิเศษที่ไม่ซ้ำกับเซลล์ของสัตว์พืชและเชื้อรา พวกเขาทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่ให้พลังงานฟังก์ชั่นต่าง ๆ ของเซลล์และสิ่งมีชีวิตโดยรวม แม้ว่าไมโตคอนเดรียเป็นส่วนสำคัญของเซลล์หลักฐานแสดงให้เห็นว่าพวกเขาวิวัฒนาการมาจากแบคทีเรียดั้งเดิม

การเกิดขึ้น

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดถูกสร้างขึ้นด้วยอิฐพื้นฐานเดียว: เซลล์ ในบางกรณีเซลล์เดียวถือเป็นสิ่งมีชีวิตทั้งหมด เซลล์มีสารพันธุกรรม (ดีเอ็นเอและ RNA) และพวกเขาทำหน้าที่สำคัญเช่นการเผาผลาญและการสังเคราะห์โปรตีน เซลล์ยังสามารถจำลองตัวเองได้ อย่างไรก็ตามระดับขององค์กรแตกต่างกันไปในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน จากความแตกต่างเหล่านี้สิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:ยูคาริโอตและโปรคาริโอต-

พืชสัตว์และเชื้อราล้วนเป็นยูคาริโอตและมีเซลล์ที่ได้รับคำสั่งสูง สารพันธุกรรมของพวกเขาถูกบรรจุไว้ในนิวเคลียสกลาง พวกเขายังมีส่วนประกอบเซลล์พิเศษที่เรียกว่าออร์แกเนลล์แต่ละงานจะดำเนินงานเฉพาะ Organelles เช่น mitochondria, endoplasmic reticulum ขรุขระและ Golgi ทำหน้าที่ตามลำดับเพื่อสร้างพลังงานสังเคราะห์โปรตีนและโปรตีนบรรจุภัณฑ์สำหรับการขนส่งไปยังส่วนต่าง ๆ ของเซลล์และอื่น ๆ นิวเคลียสเช่นเดียวกับ organelles ยูคาริโอตส่วนใหญ่ถูกผูกมัดโดยเยื่อหุ้มเซลล์ที่ควบคุมการเข้าและออกของโปรตีนเอนไซม์และวัสดุเซลลูลาร์อื่น ๆ ไปและกลับจากอวัยวะ

ในทางกลับกัน Prokaryotes เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเช่นแบคทีเรียและ Archaea เซลล์ Prokaryotic มีโครงสร้างน้อยกว่าเซลล์ยูคาริโอต พวกเขาไม่มีนิวเคลียส แทนที่จะเป็นสารพันธุกรรมของพวกเขาอยู่ภายในเซลล์ พวกเขายังขาด organelles ที่ถูกผูกไว้กับเมมเบรนจำนวนมากพบได้ในเซลล์ยูคาริโอต ดังนั้น prokaryotes จึงไม่มีไมโตคอนเดรีย

ส่วนของไมโตคอนเดรียน(เครดิตภาพ: Clusterx Shutterstock)

โครงสร้าง

ใน1981 ทบทวนประวัติของไมโตคอนเดรียในวารสารชีววิทยาของเซลล์ผู้เขียน Lars Ernster และ Gottfried Schatz โปรดทราบว่าการสังเกตที่แท้จริงครั้งแรกของไมโตคอนเดรียคือ Richard Altmann ในปี 1890 ในขณะที่ Altmann เรียกพวกเขาว่า “ Mitochondria” มาจากคำภาษากรีกสองคำ:“ mitos” ความหมายด้ายและ“ chondros” หมายถึงเม็ด ตามที่ Karen Hales อธิบายไว้ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาที่ Davidson College, INการศึกษาธรรมชาติorganelles เหล่านี้มีพลวัตและหลอมรวมกันอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างโซ่แล้วแตกออก

ไมโตคอนเดรียแต่ละตัวเป็นรูปแคปซูลที่มีเยื่อหุ้มชั้นนอกและเยื่อหุ้มชั้นในที่เป็นลูกคลื่นซึ่งคล้ายกับนิ้วมือที่ยื่นออกมา จีบเยื่อหุ้มเซลล์เหล่านี้เรียกว่า Cristae และให้บริการเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวโดยรวมของเมมเบรน เมื่อเปรียบเทียบกับคริสเตเมมเบรนด้านนอกจะมีรูพรุนมากขึ้นและเลือกน้อยกว่าเกี่ยวกับวัสดุที่ปล่อยมาเมทริกซ์เป็นส่วนกลางของออร์แกเนลล์และล้อมรอบด้วยคริสเต มันมีเอนไซม์และ DNA Mitochondria นั้นแตกต่างจาก organelles ส่วนใหญ่ (ยกเว้นคลอโรพลาสต์พืช) ซึ่งพวกเขามีชุดดีเอ็นเอและยีนที่เข้ารหัสโปรตีน

Mitochondria พืชถูกพบครั้งแรกโดย Friedrich Meves ในปี 1904 ดังที่ Ernster และ Schatz กล่าวถึง (วารสารชีววิทยาเซลล์ 2524- ในขณะที่พืชและสัตว์ไมโตคอนเดรียไม่แตกต่างกันในโครงสร้างพื้นฐานของพวกเขาและสโลนผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโดกล่าวว่าพวกเขาจีโนมค่อนข้างแตกต่างกัน พวกมันแตกต่างกันไปตามขนาดและโครงสร้าง

ตามสโลนจีโนมของพืชดอกส่วนใหญ่มีประมาณ 100,000คู่ฐานขนาดและอาจมีขนาดใหญ่ถึง 10 ล้านคู่ฐาน ในทางตรงกันข้ามจีโนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีขนาดประมาณ 15,000 ถึง 16,000 คู่ ยิ่งไปกว่านั้นในขณะที่จีโนมยลของสัตว์มีการกำหนดค่าแบบวงกลมอย่างง่ายสโลนกล่าวว่าจีโนมยลของพืชแม้ว่าจะเป็นวงกลมอาจใช้ในรูปแบบอื่น “ โครงสร้างที่แท้จริงของพวกเขาในร่างกาย [ภายในโรงงาน] ยังไม่เป็นที่เข้าใจกันพวกเขาอาจเป็นโมเลกุลที่มีกิ่งก้านที่ซับซ้อน” เขากล่าว

การทำงาน

ฟังก์ชั่นหลักของไมโตคอนเดรียคือการเผาผลาญหรือทำลายคาร์โบไฮเดรตและกรดไขมันเพื่อสร้างพลังงาน เซลล์ยูคาริโอตใช้พลังงานในรูปแบบของโมเลกุลเคมีที่เรียกว่า ATP (adenosine triphosphate)

การสร้าง ATP เกิดขึ้นภายในเมทริกซ์ยลแม้ว่าขั้นตอนเริ่มต้นของการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรต (กลูโคส) เกิดขึ้นนอกออร์แกเนล ตามที่เจฟฟรีย์คูเปอร์ใน“เซลล์: วิธีโมเลกุล 2nd ed” (Sinauer Associates, 2000), กลูโคสถูกแปลงเป็น pyruvate ก่อนแล้วจึงส่งไปยังเมทริกซ์กรดไขมันในทางกลับกันเข้าสู่ไมโตคอนเดรียตามที่เป็นอยู่

ATP ผลิตผ่านขั้นตอนที่เชื่อมโยงสามขั้นตอน ครั้งแรกการใช้เอนไซม์ที่มีอยู่ในเมทริกซ์ไพรูเวตและกรดไขมันจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลที่เรียกว่า acetyl-CoA สิ่งนี้จะกลายเป็นวัสดุเริ่มต้นสำหรับปฏิกิริยาเคมีที่สองที่เรียกว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือวัฏจักร Krebs ขั้นตอนนี้ผลิตคาร์บอนไดออกไซด์มากมายและโมเลกุลเพิ่มเติมสองโมเลกุล NADH และ FADH₂ซึ่งอุดมไปด้วยอิเล็กตรอน โมเลกุลทั้งสองย้ายไปยังเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียภายในและเริ่มต้นขั้นตอนที่สาม: ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชั่น ในปฏิกิริยาเคมีครั้งสุดท้ายนี้ Nadh และ Fadh₂บริจาคอิเล็กตรอนให้กับออกซิเจนซึ่งนำไปสู่เงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับการก่อตัวของ ATP

ฟังก์ชั่นรองของไมโตคอนเดรียคือการสังเคราะห์โปรตีนเพื่อการใช้งานของตนเอง พวกเขาทำงานอย่างอิสระและดำเนินการถอดรหัส DNA ไปยัง RNA และการแปลของ RNA เป็นกรดอะมิโน (การสร้างโปรตีน) โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบใด ๆ ของเซลล์ อย่างไรก็ตามที่นี่ก็มีความแตกต่างภายในยูคาริโอต ลำดับของนิวคลีโอไทด์ดีเอ็นเอสามตัว UAG (Uracil-adenine-Guanine) เป็นคำแนะนำสำหรับการแปลเพื่อหยุดในนิวเคลียสยูคาริโอต

ตามที่ผู้เขียน“ชีววิทยาเซลล์โมเลกุล 4th เอ็ด” (WH Freeman, 2000) ในขณะที่ลำดับนี้ยังหยุดการแปลในพืชไมโตคอนเดรียมันเข้ารหัสทริปโตเฟนกรดอะมิโนในไมโตคอนเดรียของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม, แมลงวันผลไม้และยีสต์นอกจากนี้การถอดรหัส RNA ที่เกิดขึ้นจาก mitochondrial ยีน Livescience

ต้นกำเนิดของไมโตคอนเดรีย: ทฤษฎี Endosymbiont

ในบทความของเธอในปี 1967“ จากต้นกำเนิดของเซลล์บรรเทา” ที่ตีพิมพ์ในวารสารชีววิทยาเชิงทฤษฎีนักวิทยาศาสตร์ลินน์มาร์กูลิสเสนอทฤษฎีเพื่ออธิบายว่าเซลล์ยูคาริโอตพร้อมกับออร์แกเนลล์ของพวกเขา เธอแนะนำว่าไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์พืชครั้งหนึ่งเคยเป็นเซลล์โปรคาริโอตฟรีที่ถูกกลืนกินโดยเซลล์โฮสต์ยูคาริโอตดั้งเดิม

สมมติฐานของ Margulis เป็นที่รู้จักกันในชื่อ "ทฤษฎี Endosymbiont"เดนนิสเซียร์ซีศาสตราจารย์กิตติคุณที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์แอมเฮิร์สต์อธิบายดังนี้:“ สองเซลล์เริ่มอยู่ด้วยกันแลกเปลี่ยนสารตั้งต้นหรือเมตาโบไลต์ [ผลิตภัณฑ์ของการเผาผลาญเช่น ATP]

แม้ในเวลาที่ Margulis เสนอมันเวอร์ชั่นของทฤษฎี Endosymbiont ก็มีอยู่แล้วบางคนย้อนหลังไปถึงปี 1910 และ 1915“ แม้ว่าความคิดเหล่านี้จะไม่ใช่เรื่องใหม่ในบทความนี้พวกเขาได้สังเคราะห์ในลักษณะที่สอดคล้องกับข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับชีวเคมี ตาม 2012บทความเกี่ยวกับวิวัฒนาการของไมโตคอนเดรียลโดย Michael Gray ในวารสาร Cold Spring Harbour มุมมองทางชีววิทยา Margulis ใช้สมมติฐานของเธอเกี่ยวกับหลักฐานสำคัญสองชิ้น ประการแรกไมโตคอนเดรียมี DNA ของตัวเอง ประการที่สอง organelles มีความสามารถในการแปลข้อความที่เข้ารหัสในยีนของพวกเขาเป็นโปรตีนโดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรใด ๆ ของเซลล์ยูคาริโอต

การหาลำดับจีโนมและการวิเคราะห์ของ DNA ยลได้พิสูจน์แล้วว่า Margulis นั้นถูกต้องเกี่ยวกับต้นกำเนิดของไมโตคอนเดรีย เชื้อสายของออร์แกเนลล์ได้รับการติดตามกลับไปยังบรรพบุรุษของแบคทีเรียดั้งเดิมที่รู้จักกันในชื่อ alphaproteobacteria (α-proteobacteria)

แม้จะมีการยืนยันถึงมรดกของแบคทีเรียของไมโตคอนเดรีย แต่ทฤษฎี Endosymbiont ยังคงได้รับการวิจัยต่อไป “ หนึ่งในคำถามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในตอนนี้คือ 'โฮสต์เซลล์คือใคร'” สโลนบอกกับ Livescience ตามที่กล่าวไว้ในบทความของเขาคำถามที่ว่า Linger คือไมโตคอนเดรียเกิดขึ้นหลังจากเซลล์ยูคาริโอตเกิดขึ้น (ตามสมมติฐานในทฤษฎี Endosymbiont) หรือไม่ว่าไมโตคอนเดรียและเซลล์โฮสต์ก็รวมตัวกันในเวลาเดียวกัน

ทรัพยากรเพิ่มเติม