Mitochondriën zijn microscopisch kleine membraanorganellen die de cel van energie voorzien. Daarom worden ze energiestations (accumulatoren) van cellen genoemd.
Mitochondriën zijn afwezig in de cellen van protozoa, bacteriën, entameben, die leven zonder het gebruik van zuurstof. Sommige groene algen, trypanosomen, bevatten één grote mitochondriën, en de cellen van de hartspier en de hersenen bevatten 100 tot 1000 van deze organellen.
Structurele eigenschappen
Mitochondriën behoren tot organellen met twee membranen, hebben buiten- en binnenmembranen, een intermembrane ruimte ertussen en een matrix.
Buitenmembraan... Het is glad, heeft geen plooien, begrenst de interne inhoud van het cytoplasma. De breedte is 7 nm, het bevat lipiden en eiwitten. Porine, een eiwit dat kanalen vormt in het buitenmembraan, speelt een belangrijke rol. Ze zorgen voor ionen- en moleculaire uitwisseling.
Intermembrane ruimte... De grootte van de intermembraanruimte is ongeveer 20 nm. De stof die het vult is qua samenstelling vergelijkbaar met het cytoplasma, met uitzondering van grote moleculen die hier alleen door actief transport kunnen binnendringen.
Binnenste membraan... Het is voornamelijk opgebouwd uit eiwitten, slechts een derde wordt toegewezen aan lipiden. Een groot aantal eiwitten zijn transporteiwitten, aangezien het binnenmembraan geen vrij doorlaatbare poriën heeft. Het vormt veel uitgroeisels - cristae, die eruitzien als afgeplatte richels. Oxidatie van organische verbindingen tot CO 2 in mitochondriën vindt plaats op de membranen van de cristae. Dit proces is zuurstofafhankelijk en wordt uitgevoerd onder invloed van ATP-synthetase. De vrijgekomen energie wordt opgeslagen in de vorm van ATP-moleculen en naar behoefte gebruikt.
Matrix- de interne omgeving van mitochondriën, heeft een korrelige homogene structuur. In een elektronenmicroscoop zie je korrels en draadjes in bolletjes die vrij tussen de cristae liggen. De matrix bevat een semi-autonoom systeem van eiwitsynthese - DNA, alle soorten RNA, ribosomen bevinden zich hier. Maar toch komen de meeste eiwitten uit de kern, daarom worden mitochondriën semi-autonome organellen genoemd.
Kooiindeling en -indeling
Chondriomen Is een groep mitochondriën die geconcentreerd zijn in één cel. Ze bevinden zich anders in het cytoplasma, wat afhankelijk is van de specialisatie van de cellen. Plaatsing in het cytoplasma hangt ook af van de omringende organellen en insluitsels. In plantencellen bezetten ze de periferie, omdat de centrale vacuole naar het mitochondriale membraan beweegt. In de cellen van het nierepitheel vormt het membraan uitsteeksels, waartussen zich mitochondriën bevinden.
In stamcellen, waar energie gelijkmatig wordt gebruikt door alle organellen, zijn mitochondriën chaotisch verdeeld. In gespecialiseerde cellen zijn ze vooral geconcentreerd op de plaatsen met het grootste energieverbruik. In de dwarsgestreepte spieren bevinden ze zich bijvoorbeeld in de buurt van de myofibrillen. In spermatozoa bedekken ze spiraalvormig de as van het flagellum, omdat er veel energie nodig is om het in beweging te brengen en het sperma te verplaatsen. Protozoa, die bewegen met behulp van trilhaartjes, bevatten ook een groot aantal mitochondriën aan hun basis.
Afdeling... Mitochondriën zijn in staat tot onafhankelijke reproductie, met hun eigen genoom. Organellen worden verdeeld met behulp van vernauwingen of partities. De vorming van nieuwe mitochondriën in verschillende cellen verschilt in frequentie, bijvoorbeeld in het leverweefsel worden ze elke 10 dagen vervangen.
Functies in de kooi
- De belangrijkste functie van mitochondriën is de vorming van ATP-moleculen.
- Afzetting van calciumionen.
- Deelname aan wateruitwisseling.
- Synthese van voorlopers van steroïde hormonen.
Moleculaire biologie is de wetenschap die de rol van mitochondriën in het metabolisme bestudeert. Ze zetten ook pyruvaat om in acetyl-co-enzym A, bèta-oxidatie van vetzuren.
| Tabel: structuur en functie van mitochondriën (kort) | ||
|---|---|---|
| Structurele elementen | Structuur | Functies |
| Buitenmembraan | Gladde schaal, opgebouwd uit lipiden en eiwitten | Scheidt de interne inhoud van het cytoplasma |
| Intermembrane ruimte | Er zijn waterstofionen, eiwitten, micromoleculen | Creëert een protongradiënt |
| Binnenste membraan | Vormt uitsteeksels - cristae, bevat eiwittransportsystemen | Overdracht van macromoleculen, behoud van de protongradiënt |
| Matrix | Locatie van enzymen van de Krebs-cyclus, DNA, RNA, ribosomen | Aerobe oxidatie met energieafgifte, omzetting van pyruvaat in acetyl-co-enzym A. |
| ribosomen | Gecombineerde twee subeenheden | Eiwitsynthese |
Overeenkomsten tussen mitochondriën en chloroplasten
De gemeenschappelijke eigenschappen voor mitochondriën en chloroplasten zijn voornamelijk te wijten aan de aanwezigheid van een dubbel membraan.
Tekenen van overeenkomst liggen ook in het vermogen om zelf eiwitten te synthetiseren. Deze organellen hebben hun eigen DNA, RNA, ribosomen.
Zowel mitochondriën als chloroplasten kunnen delen door vernauwing.
Ze zijn ook verenigd door het vermogen om energie te produceren, mitochondriën zijn meer gespecialiseerd in deze functie, maar chloroplasten tijdens fotosyntheseprocessen vormen ook ATP-moleculen. Plantencellen hebben dus minder mitochondriën dan dieren, omdat chloroplasten de functies gedeeltelijk voor hen vervullen.
Laten we kort de overeenkomsten en verschillen beschrijven:
- Het zijn organellen met twee membranen;
- het binnenmembraan vormt uitsteeksels: cristae zijn kenmerkend voor mitochondriën, thillakoïden zijn kenmerkend voor chloroplasten;
- hebben hun eigen genoom;
- eiwitten en energie kunnen synthetiseren.
Deze organellen verschillen in hun functies: mitochondriën zijn bedoeld voor de synthese van energie, cellulaire ademhaling wordt hier uitgevoerd, chloroplasten zijn nodig voor plantencellen voor fotosynthese.
(van het Griekse mitos - draad, chondrion - graan, soma - klein lichaam) zijn korrelige of filamenteuze organellen (Fig. 1, a). Mitochondriën kunnen worden waargenomen in levende cellen, omdat ze een vrij hoge dichtheid hebben. In dergelijke cellen kunnen mitochondriën bewegen, bewegen, met elkaar versmelten. Mitochondriën worden vooral goed gedetecteerd op preparaten die op verschillende manieren zijn gekleurd. De afmetingen van mitochondriën zijn niet constant in verschillende soorten, evenals hun vorm. Niettemin is in de meeste cellen de dikte van deze structuren relatief constant (ongeveer 0,5 micron), maar de lengte fluctueert en bereikt 7-60 micron in filamenteuze vormen.
Mitochondriën hebben, ongeacht hun grootte en vorm, een universele structuur, hun ultrastructuur is uniform. Mitochondriën worden beperkt door twee membranen (Fig. 1b), ze hebben vier subcompartimenten: de mitochondriale matrix, het binnenmembraan, de membraanruimte en het buitenmembraan tegenover het cytosol. Een buitenmembraan scheidt het van de rest van het cytoplasma. De dikte van het buitenmembraan is ongeveer 7 nm, het is niet verbonden met andere membranen van het cytoplasma en is op zichzelf gesloten, zodat het een membraanzak is. Het buitenmembraan is van het binnenmembraan gescheiden door een intermembraanruimte met een breedte van ongeveer 10-20 nm. Het binnenmembraan (ongeveer 7 nm dik) beperkt de werkelijke binneninhoud van de mitochondriën, de matrix of het mitoplasma. Een kenmerkend kenmerk van de binnenmembranen van mitochondriën is hun vermogen om talrijke uitsteeksels (plooien) in de mitochondriën te vormen. Dergelijke uitsteeksels (cristae, Fig. 27) hebben meestal de vorm van platte richels. Mitochondriën voeren de synthese van ATP uit, die optreedt als gevolg van de processen van oxidatie van organische substraten en fosforylering van ADP.
Mitochondriën zijn gespecialiseerd in de synthese van ATP door elektronentransport en oxidatieve fosforylering. (Figuur 21-1). Hoewel ze hun eigen DNA- en eiwitsynthesemachinerie hebben, worden de meeste van hun eiwitten gecodeerd door cellulair DNA en komen ze uit het cytosol. Bovendien moet elk eiwit dat het organel binnenkomt een bepaald subcompartiment bereiken waarin het functioneert.
Mitochondriën zijn de "krachtcentrales" van eukaryote cellen. Enzymen zijn ingebouwd in de cristae, die betrokken zijn bij het omzetten van de energie van voedingsstoffen die de cel van buitenaf binnenkomen in de energie van ATP-moleculen. ATP is de "universele valuta" die cellen gebruiken om al hun energieverbruik te betalen. Het vouwen van het binnenmembraan vergroot het oppervlak waarop de enzymen die ATP synthetiseren zich bevinden. Het aantal cristae in mitochondriën en het aantal mitochondriën zelf in een cel is des te groter, hoe meer energie een bepaalde cel verbruikt. In insectenvliegspieren bevat elke cel enkele duizenden mitochondriën. Hun aantal verandert ook in het proces van individuele ontwikkeling (ontogenese): ze zijn talrijker in jonge embryonale cellen dan in verouderende cellen. Gewoonlijk hopen mitochondriën zich op in de buurt van die delen van het cytoplasma waar behoefte is aan ATP, dat in de mitochondriën wordt gevormd.
De afstand tussen membranen in de crista is ongeveer 10-20 nm. Bij protozoa, eencellige algen in sommige cellen van planten en dieren, hebben de uitgroeiingen van het binnenmembraan de vorm van buisjes met een diameter van ongeveer 50 nm. Dit zijn de zogenaamde buisvormige cristae.
De mitochondriale matrix is homogeen en heeft een dichtere consistentie dan het hyaloplasma dat de mitochondriën omringt. De matrix bevat dunne strengen DNA en RNA, evenals mitochondriale ribosomen, waarop enkele mitochondriale eiwitten worden gesynthetiseerd. Met behulp van een elektronenmicroscoop op het binnenmembraan en cristae vanaf de zijkant van de matrix, kun je paddestoelformaties zien - ATP-soms. Dit zijn enzymen die ATP-moleculen vormen. Ze kunnen oplopen tot 400 per 1 micron.
De weinige eiwitten die worden gecodeerd door het eigen genoom van de mitochondriën, bevinden zich voornamelijk in het binnenmembraan. Ze vormen meestal subeenheden van eiwitcomplexen, waarvan de andere componenten worden gecodeerd door nucleaire genen en afkomstig zijn van het cytosol. De vorming van dergelijke hybride aggregaten vereist een evenwicht tussen de synthese van deze twee soorten subeenheden; hoe eiwitsynthese wordt gecoördineerd op ribosomen van verschillende typen, gescheiden door twee membranen, blijft een mysterie.
Doorgaans bevinden mitochondriën zich op plaatsen waar energie nodig is voor elk levensproces. De vraag rees hoe energie in de cel wordt getransporteerd - door diffusie van ATP en of er structuren in de cellen zijn die de rol spelen van elektrische geleiders die energetisch ver van elkaar verwijderde delen van de cel kunnen verenigen. De hypothese is dat het potentiaalverschil in een bepaald gebied van het mitochondriale membraan erlangs wordt overgedragen en in werk verandert in een ander gebied van hetzelfde membraan [Skulachev VP, 1989].
Het leek erop dat de membranen van de mitochondriën zelf geschikte kandidaten zouden kunnen zijn voor dezelfde rol. Bovendien waren de onderzoekers geïnteresseerd in de interactie in de cel van meerdere mitochondriën met elkaar, het werk van het hele ensemble van mitochondriën, het hele chondrioom - de totaliteit van alle mitochondriën.
Mitochondriën zijn, op enkele uitzonderingen na, kenmerkend voor alle eukaryote cellen, zowel autotrofe (fotosynthetische planten) als heterotrofe (dieren, schimmels) organismen. Hun belangrijkste functie houdt verband met de oxidatie van organische verbindingen en het gebruik van de energie die vrijkomt bij de afbraak van deze verbindingen bij de synthese van ATP-moleculen. Daarom worden mitochondriën vaak de energiecentrales van de cel genoemd.
Sinds onheuglijke tijden hebben mensen hun ogen op de sterren gericht en zich afgevraagd waarom we hier zijn en of we alleen in het universum zijn. We hebben de neiging om na te denken over waarom planten en dieren bestaan, waar we vandaan komen, wie onze voorouders waren en wat ons te wachten staat. Laat het antwoord op de hoofdvraag van het leven, het heelal en al het andere niet 42 zijn, zoals Douglas Adams ooit beweerde, maar het is niet minder kort en mysterieus - mitochondriën.
Ze laten ons zien hoe het leven op onze planeet begon. Ze verklaren waarom bacteriën er zo lang over regeerden en waarom de evolutie hoogstwaarschijnlijk nergens in het universum boven het niveau van bacterieel slijm uitkwam. Ze stellen ons in staat te begrijpen hoe de eerste complexe cellen ontstonden en hoe het aardse leven de ladder van oplopende complexiteit beklom naar de hoogten van glorie. Ze laten ons zien waarom warmbloedige wezens tevoorschijn kwamen, de ketenen van de omgeving afschuddend; waarom er mannen en vrouwen zijn, waarom we verliefd worden en kinderen krijgen. Ze vertellen ons waarom onze dagen in deze wereld geteld zijn, waarom we ouder worden en sterven. Ze kunnen ons vertellen wat de beste manier is om de schemeringjaren van het leven door te brengen en ouderdom als een last en een vloek te vermijden. Misschien verklaren mitochondriën niet de zin van het leven, maar ze laten tenminste zien wat het is. Is het mogelijk om de zin van het leven te begrijpen zonder te weten hoe het werkt?
Boek:
8. Waarom mitochondriën de sleutel zijn tot complexiteit
| <<< Назад
|
Doorsturen >>> |
In het vorige hoofdstuk hebben we besproken waarom bacteriën klein en eenvoudig zijn gebleven, althans in termen van morfologie. De redenen hiervoor hebben vooral te maken met selectiedruk. Verschillende selectiefactoren werken in op eukaryote cellen en bacteriën, omdat bacteriën elkaar meestal niet opeten. Hun succes hangt grotendeels af van de reproductiesnelheid. Het hangt op zijn beurt voornamelijk af van twee factoren: ten eerste is het kopiëren van het bacteriële genoom het langzaamste stadium van bacteriële reproductie, dus hoe groter het genoom, hoe langzamer de replicatie; en ten tweede is celdeling een energie-intensief proces, waardoor de minst energetisch efficiënte bacteriën zich langzamer vermenigvuldigen. Bacteriën met grote genomen zijn altijd in het nadeel ten opzichte van metgezellen met kleinere genomen, omdat bacteriën genen kunnen "veranderen" door ze horizontaal over te dragen - nuttige genen oppikken, indien nodig, en ze weggooien als ze het leven verstoren. Daarom zijn de meest concurrerende bacteriën bacteriën die niet belast zijn met genetisch materiaal.
Als twee cellen hetzelfde aantal genen en even efficiënte energieproductiesystemen hebben, dan zal de kleinste zich sneller voortplanten. Dit komt door het feit dat bacteriën energie produceren via het buitenste celmembraan en daardoor voedsel opnemen. Naarmate de grootte toeneemt, groeit het oppervlak van bacteriën langzamer dan het interne volume, waardoor de energie-efficiëntie afneemt. Grotere bacteriën zijn minder energiezuinig en presteren vaak beter dan kleinere bacteriën. Deze energiestraf voor grote afmetingen voorkomt dat bacteriën in fagocytose gaan, omdat het zowel grote afmetingen als veel energie vereist om het lichaam opnieuw vorm te geven. Er zijn geen bacteriën die zich zouden bezighouden met predatie in de eukaryote stijl, dat wil zeggen, ze zouden hun prooi vangen en opeten. Blijkbaar hebben eukaryoten dit probleem opgelost door de energieproductie naar de cel over te brengen.
Hierdoor waren ze relatief onafhankelijk van hun oppervlakte en konden ze duizenden keren groter worden zonder verlies van energie-efficiëntie.
Op het eerste gezicht is deze reden niet gebaseerd op het fundamentele verschil tussen bacteriën en eukaryoten. Sommige bacteriën hebben zeer complexe interne membraansystemen, wat hen in principe bevrijdt van de beperkingen die gepaard gaan met de verhouding van oppervlakte tot volume, maar dergelijke bacteriën zijn nog steeds verre van eukaryoten in termen van grootte en complexiteit. Waarom? In dit hoofdstuk bespreken we een mogelijk antwoord, namelijk dat mitochondriën genen nodig hebben om de ademhaling over een groot gebied van binnenmembranen te regelen. Alle bekende mitochondriën hebben een contingent van hun eigen genen behouden. Deze genen zijn heel eigenaardig en mitochondriën hebben ze kunnen behouden vanwege de aard van hun symbiotische relatie met de gastheercel. Bacteriën worden van dit voordeel beroofd. Hun manier van overmaat afstoten heeft hen verhinderd om de juiste set genen te verwerven om de energieproductie te beheersen, en dit weerhoudt hen ervan om even groot en complex te zijn als eukaryoten.
Om te begrijpen waarom mitochondriale genen zo belangrijk zijn, en waarom bacteriën niet de juiste set genen voor zichzelf kunnen verwerven, zullen we nog dieper moeten kijken naar de nauwe relatie tussen cellen die twee miljard jaar geleden een eukaryote symbiose aangingen. Laten we beginnen waar we gebleven waren in het eerste deel van het boek. Daar lieten we de chimere eukaryoot achter in een stadium waarin hij al mitochondriën had, maar nog geen kern. Aangezien een eukaryote cel per definitie een cel met een 'echte' kern is, kunnen we onze hersenschim niet met een zuiver geweten een eukaryoot noemen. Laten we dus eens nadenken over de selectiefactoren die dit vreemde wezen in een eukaryote cel veranderden. Deze factoren zijn niet alleen de sleutel tot de oorsprong van de eukaryote cel, maar ook tot de oorsprong van ware complexiteit, omdat ze verklaren waarom bacteriën bacteriën bleven, of beter gezegd, waarom natuurlijke selectie niet voldoende was voor het ontstaan van complexe eukaryoten en symbiose was ook nodig.
Bedenk dat de sleutel tot de waterstofhypothese de overdracht van genen van de symbiont naar de gastheercel is. Hiervoor waren geen evolutionaire innovaties nodig, behalve die die zich al in cellen bevonden die een hechte symbiose aangingen. We weten dat genen zijn verplaatst van mitochondriën naar de kern, omdat moderne mitochondriën weinig genen hebben, en veel genen in de kern zijn van mitochondriale oorsprong (we weten dit zeker, aangezien ze zich in de mitochondriën van andere soorten bevinden die een ander reeks genen). Bij alle soorten hebben mitochondriën de overgrote meerderheid van hun genen verloren - waarschijnlijk enkele duizenden. Hoeveel van hen in de kern zijn gekomen, en hoeveel er net verloren zijn gegaan, is een betwistbaar punt, maar blijkbaar zijn vele honderden genen in de kern gekomen.
Voor degenen die niet bekend zijn met de eigenaardigheden van de organisatie van DNA, lijkt dit misschien ongelooflijk: hoe komt het dat de genen van de mitochondriën net zijn meegenomen en in de kern zijn beland? Sorry, maar dit is als een konijn uit een hoed trekken. Hoe is dit mogelijk? In feite komen dergelijke gensprongen veel voor bij bacteriën. We hadden het al over horizontale genoverdracht, over het feit dat bacteriën ondertussen genen uit de omgeving "plukten". Met omgeving bedoelen we meestal de omgeving buiten de cel, maar genen direct uit de cel oppikken is nog makkelijker.
Stel dat de eerste mitochondriën zich zouden kunnen delen in de gastheercel. Tegenwoordig bevat één cel tientallen of honderden mitochondriën, en zelfs na twee miljard jaar intracellulair bestaan delen ze zich nog steeds min of meer onafhankelijk. Daarom is het niet moeilijk voor te stellen dat de gastheercel in het begin twee of zelfs meer mitochondriën had. Stel je nu voor dat een van hen stierf, bijvoorbeeld door gebrek aan voedsel. De genen werden gevonden in het cytoplasma van de gastheercel. Sommige gaan verloren, maar andere komen via normale genoverdracht in de kern terecht. In principe zou dit proces kunnen worden herhaald wanneer een mitochondrion stierf, en elke keer dat de gastheercel een paar genen meer ontving.
Een dergelijk schema lijkt misschien vergezocht of te abstract, maar is het niet. Hoe snel en continu zo'n proces evolutionair gezien kan zijn, toonden Jeremy Timmis en zijn collega's van de University of Adelaide (Australië) aan in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur in 2003 waren deze onderzoekers niet geïnteresseerd in mitochondriën, maar in chloroplasten (organellen die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese in planten), maar in veel opzichten lijken chloroplasten en mitochondriën op elkaar: beide zijn semi-autonome organellen die verantwoordelijk zijn voor energieproductie; beide waren ooit vrijlevende bacteriën en behielden hun genoom, zij het klein. Timmis en collega's ontdekten dat de overdrachtssnelheid van chloroplast-genen naar de kern ongeveer één overdracht is voor elke 16.000 tabakszaden. Nicotiana tabacum. Het lijkt misschien niet veel, maar één tabaksplant produceert tot wel een miljoen zaden per jaar, dat wil zeggen, één plant in elke generatie produceert meer dan 60 zaden, waarin ten minste één chloroplast-gen is overgebracht naar de kern.
Mitochondriale genen worden op een vergelijkbare manier naar de kern overgebracht. De realiteit van een dergelijke genoverdracht in de natuur wordt bevestigd door de ontdekking van duplicaties van chloroplast- en mitochondriale genen in de nucleaire genomen van vele soorten - met andere woorden, hetzelfde gen is aanwezig in het mitochondrion of chloroplast en in de kern. Het Human Genome Project toonde aan dat mensen minstens 354 afzonderlijke, onafhankelijke overdrachten van mitochondriaal DNA naar de kern hebben meegemaakt. Dergelijke DNA-sequenties worden nucleaire mitochondriale sequenties genoemd ( numt). Ze vertegenwoordigen (stuk voor stuk) het gehele mitochondriale genoom; sommige stukken worden vele malen herhaald, en andere niet. Bij primaten en andere zoogdieren zijn deze sequenties de afgelopen 58 miljoen jaar regelmatig naar de kern overgebracht, en er is reden om aan te nemen dat dit proces veel eerder begon. Omdat DNA in mitochondriën sneller evolueert dan DNA in de kern, is de volgorde van "letters" in nootjes- dit is zoiets als een "tijdcapsule" waarmee je kunt beoordelen hoe mitochondriaal DNA er in het verre verleden uitzag. Opgemerkt moet worden dat dergelijke "buitenaardse" sequenties behoorlijk verwarrend kunnen zijn; ooit werden ze aangezien voor dinosaurus-DNA, en toen schaamde een hele groep onderzoekers zich erg.
Genoverdracht gaat tot op de dag van vandaag door en komt soms onder de aandacht van wetenschappers. In 2003 toonden Clesson Turner, toen werkzaam bij het Walter Reed National Military Medical Center (Washington, VS), en zijn collega's bijvoorbeeld aan dat de spontane overdracht van mitochondriaal DNA naar de kern een zeldzame genetische ziekte veroorzaakte bij één patiënt - Pallister Hall syndroom ... Wat de rol van dergelijke genetische overdrachten in het pantheon van erfelijke ziekten als geheel is, is echter onbekend.
| <<< Назад
|
Doorsturen >>> |
De genen die in de loop van de evolutie in de "energiestations van de cel" achterblijven, helpen problemen bij het beheer te voorkomen: als er iets breekt in de mitochondriën, kan het het zelf repareren, zonder te wachten op toestemming van het "centrum".
Onze cellen zullen energie ontvangen van speciale organellen, mitochondriën genaamd, die vaak de energiestations van de cel worden genoemd. Uiterlijk zien ze eruit als stortbakken met een dubbele wand, en de binnenwand is erg ongelijk, met tal van sterke instulpingen.
Een cel met een kern (blauw gekleurd) en mitochondriën (rood gekleurd). (Foto door NICHD / Flickr.com.)
Sectionele mitochondriën; de uitgroeiingen van het binnenmembraan zijn zichtbaar als longitudinale binnenstrepen. (Foto door Visuals Unlimited / Corbis.)
Een groot aantal biochemische reacties vindt plaats in mitochondriën, waarbij "voedsel" -moleculen geleidelijk worden geoxideerd en gedesintegreerd, en de energie van hun chemische bindingen wordt opgeslagen in een vorm die geschikt is voor de cel. Maar bovendien hebben deze "krachtcentrales" hun eigen DNA met genen, die worden bediend door hun eigen moleculaire machines die zorgen voor RNA-synthese met daaropvolgende eiwitsynthese.
Er wordt aangenomen dat mitochondriën in het verre verleden onafhankelijke bacteriën waren die werden opgegeten door andere eencellige wezens (hoogstwaarschijnlijk archaea). Maar op een dag stopten de "roofdieren" plotseling met het verteren van de ingeslikte proto-mitochondriën, waardoor ze in zichzelf bleven. Een lang geknars van symbionten tegen elkaar begon; Als gevolg hiervan werden degenen die werden ingeslikt veel eenvoudiger van structuur en werden intracellulaire organellen, en hun "eigenaren" konden zich door efficiëntere energie verder ontwikkelen tot steeds complexere levensvormen, tot aan planten en dieren toe.
Het feit dat mitochondriën ooit onafhankelijk waren, wordt bewezen door de overblijfselen van hun genetische apparaat. Natuurlijk, als je binnen leeft met alles klaar, verdwijnt de noodzaak om je eigen genen te onderhouden: het DNA van moderne mitochondriën in menselijke cellen bevat slechts 37 genen - tegenover 20-25 duizend van die in nucleair DNA. Veel van de mitochondriale genen zijn in de loop van miljoenen jaren van evolutie in de celkern terechtgekomen: de eiwitten waarvoor ze coderen, worden gesynthetiseerd in het cytoplasma en vervolgens getransporteerd naar de mitochondriën. De vraag rijst echter meteen: waarom bleven 37 genen nog waar ze waren?
Mitochondriën, herhalen we, worden aangetroffen in alle eukaryote organismen, dat wil zeggen in dieren en in planten, en in schimmels en in protozoa. Ian Johnston ( Iain Johnston) van de Universiteit van Birmingham en Ben Williams ( Ben P. Williams) van het Whitehead Institute analyseerden meer dan 2.000 mitochondriale genomen van verschillende eukaryoten. Met behulp van een speciaal wiskundig model konden de onderzoekers begrijpen welke van de genen tijdens de evolutie waarschijnlijk in de mitochondriën zouden blijven.
Er is een gevestigde mening dat het uithoudingsvermogen van een persoon verband houdt met het trainen van de hartspier, en dat het hiervoor nodig is om gedurende lange tijd werk van lage intensiteit uit te voeren.
In werkelijkheid is dit niet het geval: uithoudingsvermogen is onlosmakelijk verbonden met mitochondriën in spiervezels. Daarom is duurtraining niets meer dan de ontwikkeling van de maximale hoeveelheid mitochondriën in elke spiervezel.
En sindsdien het maximale aantal mitochondriën wordt beperkt door de ruimte in de spiervezel, dan wordt de ontwikkeling van het uithoudingsvermogen beperkt door het aantal spieren dat in een bepaalde persoon aanwezig is.
Kort gezegd: hoe meer mitochondriën een persoon heeft binnen specifieke spiergroepen, hoe veerkrachtiger die specifieke spiergroepen zijn.
En het belangrijkste: er is geen algemeen uithoudingsvermogen. Er is alleen lokaal uithoudingsvermogen van specifieke spiergroepen.
Mitochondriën. Wat het is
Mitochondriën zijn speciale organellen (structuren) in de cellen van het menselijk lichaam die verantwoordelijk zijn voor het produceren van energie voor spiercontracties. Ze worden soms de krachtcentrales van de cel genoemd.
Tegelijkertijd vindt het proces van energieproductie in de mitochondriën plaats in aanwezigheid van zuurstof. Zuurstof maakt het proces van het verkrijgen van energie in de mitochondriën zo efficiënt mogelijk bij het vergelijken van het proces van het verkrijgen van energie zonder zuurstof.
De brandstof voor energieproductie kunnen totaal verschillende stoffen zijn: vet, glycogeen, glucose, lactaat, waterstofionen.
Mitochondriën en uithoudingsvermogen. Hoe gebeurde dit
Bij spiercontractie ontstaat er altijd een restproduct. Dit is meestal melkzuur, een chemische verbinding gemaakt van lactaat- en waterstofionen.
Terwijl waterstofionen zich ophopen in de spiervezel (spiercel), beginnen waterstofionen te interfereren met het proces van het verkrijgen van energie voor samentrekking van spiervezels. En zodra de concentratie van waterstofionen een kritiek niveau bereikt, stopt de spiercontractie. En dit moment kan het maximale uithoudingsvermogen van een bepaalde spiergroep aangeven.
Mitochondriën hebben het vermogen om waterstofionen te absorberen en intern te recyclen.
De volgende situatie blijkt. Als er een groot aantal mitochondriën in de spiervezels aanwezig is, kunnen ze een grotere hoeveelheid waterstofionen gebruiken. Dit betekent langer werk van een bepaalde spier zonder de noodzaak om de inspanning te stoppen.
Idealiter, als de mitochondriën in de werkende spiervezels voldoende zijn om de volledige hoeveelheid waterstofionen die worden gevormd te gebruiken, dan worden dergelijke spiervezels praktisch onvermoeibaar en kunnen ze blijven werken zolang er voldoende voedingsstoffen zijn voor spiercontractie.
Voorbeeld.
Bijna ieder van ons kan lange tijd in een snel tempo lopen, maar al snel worden we gedwongen te stoppen met hardlopen in een snel tempo. Waarom is het zo?
Bij het lopen snel, de zogenaamde. oxidatieve en intermediaire spiervezels. Oxiderende spiervezels worden gekenmerkt door het maximaal mogelijke aantal mitochondriën, grofweg zijn er 100% mitochondriën.
In de tussenliggende spiervezels zijn mitochondriën merkbaar minder, laat het 50% van de maximale hoeveelheid zijn. Als gevolg hiervan beginnen waterstofionen zich geleidelijk op te hopen in de tussenliggende spiervezels, wat zou moeten leiden tot de beëindiging van de spiervezelcontractie.
Maar dit gebeurt niet vanwege het feit dat waterstofionen doordringen in de oxidatieve spiervezels, waar mitochondriën hun gebruik gemakkelijk aankunnen.
Als gevolg hiervan kunnen we blijven bewegen zolang er voldoende glycogeen in het lichaam is, evenals vetopslag in de werkende oxidatieve spiervezels. Dan zullen we rust moeten nemen om onze energiereserves aan te vullen.
In het geval van een snelle run worden naast de eerder genoemde oxidatieve en intermediaire spiervezels ook de zogenaamde meegerekend. glycolytische spiervezels waarin mitochondriën bijna afwezig zijn. Daarom kunnen glycolytische spiervezels slechts korte tijd, maar extreem intensief werken. Zo neemt de loopsnelheid toe.
Dan wordt het totale aantal waterstofionen zodanig dat het volledige aantal mitochondriën dat op dezelfde plaats beschikbaar is, ze niet langer kan gebruiken. Er komt een weigering om het werk van de voorgestelde intensiteit uit te voeren.
Maar wat als alle spiergroepen alleen oxidatieve spiervezels in zich hadden?
In dit geval wordt de spiergroep met oxidatieve vezels onvermoeibaar. Het uithoudingsvermogen wordt gelijk aan oneindig (op voorwaarde dat er voldoende voedingsstoffen zijn - vetten en glycogeen).
We trekken de volgende conclusie: Voor duurtraining is de ontwikkeling van mitochondriën in de werkende spiervezels van primordiaal belang. Het is dankzij mitochondriën dat het uithoudingsvermogen van spiergroepen wordt bereikt.
Er is geen algemeen uithoudingsvermogen van het lichaam, omdat uithoudingsvermogen (het vermogen om werk van de voorgestelde intensiteit uit te voeren) wordt geassocieerd met de aanwezigheid van mitochondriën in de werkende spieren. Hoe meer mitochondriën er zijn, hoe meer uithoudingsvermogenspieren kunnen laten zien.
