Mitocondri: Una panoramica

It’s tutti about energia: having abbastanza energia to power the migliaia di cose che a cellula vivente needs to do just to make it attraverso the giorno. This energia deve essere disponibili  alla cellula on a moment’s notice, deve essere presente in constant e reliable quantities in ogni of the trilioni di cellule che make up the corpo umano. Figuring out how this è accomplished ha taken researchers over un secolo. We now have a clear understanding of the estremamente complesso processi che keep the power flowing in le cellule--as well as what goes wrong when it doesn’t.

ATP = Energy

The chemical reazione che supplies le cellule con energia è clean e simple. It involves il legame di una molecule, conosciuta come adenosine, con tre fosfato molecole per formare adenosintrifosfato (ATP). Move outward from the adenosine e you’ll encounter ogni fosfato in succession fino a che you come to the third one. This terminal fosfato won’t be there per long. It takes extra energia to bind it to the second fosfato e this è the power-fonte che the cell è dopo. con a precision che è breath-taking, the tiny quantitativo of chemical- bond energia che held the terminal fosfato in place è rimosso e carefully trasferito to altre componenti della cellula. Left behind sono adenosine difosfato (ADP) e the third fosfato, now shorn from the main molecule. It won’t remain separated, comunque, almeno non in a normali cell. Energy derived from glucosio, a sugar molecule che might have been in someone’s breakfast cereal un hour prima, will be rapidamente usati to reattach the terminal fosfato.
This simple reazione, ATP yields ADP + P + energia, è so widespread e occurs so frequentemente nel corpo umano che it would take a multi-volume book per descrivere its molti uses. The manufacture of most grandi molecole in the cell è driven by energia from ATP. Myosin proteine in muscolo sono energized by ATP per their next round of contraction. Ion pumps in the cell membrane use ATP-derived energia to continually transport sodium out di cellile, un processo che è in turn collegate to molti importante activities, compresi electrical signaling in the sistemi nervosi, shuttling nutrienti into cellule, e maintaining fluid balance nel corpo. Hormones tipo il insulin e adrenalin act by stimulating the produzione of messenger molecole inside target cellule, yet another process che richiede ATP.

Where Does ATP provengono?

It’s interesting che such a vital molecule è non delivered direttamente to le cellule. One might imagine che the sangue è filled con ATP e che le cellule pull it out whenever they need it. Instead, the digestive system ha the job of breaking down the foods che we eat into the piccoli molecole che sono necessaria per ATP produzione, molecole tipo il glucosio e grassi acidi. Once a cell obtains one di questi fuels, it’s ready to use them per produrre its own supply of ATP. This scheme works well a causa almost tutti cellule contain the enzimi required per extracting chemical-bond energia from glucosio o altre molecole e trasferendo it to ATP. The speed e efficiency di questi enzimi sono so great che è non necessaria per the cell to store grandi quantitativi of ATP: it può essere fatta on

 

Mitochondria: Una panoramica

domanda in a frazione di una second. Molti di questi enzimi sono located in a cell organelle che sia stato known by a numero of differenti names since it was primo glimpsed attraverso a microscope over 150 di anni fa. Al giorno d'oggi we call this energia-processing organelle the mitocondrio.

Mitochondria: The Energy Machines

Mitochondria sono able to take l'energia in foods e carefully transfer it in piccoli successive steps to individual ATP molecole. We’re familiar con the fact che ogni kind of food contiene a specifica numero of calories, units che provide a measurement of the quantitativo di energia disponibili from the food. This energia poterono essere gotten tutti at once by burning the food; the fire would immediatamente release tutti of the calories in the form of heat. But acquiring l'energia this way would be of no use to living organismi. E' necessaria to carefully transfer to ATP the chemical-bond energia presente in the carboidrati, grassi, e proteine che we eat. ATP then readily donates this energia in quantitativi appropriate to the specifica needs di singole cellule.
Hold onto the idea of burning the food, a causa this è esattamente what happens to nutrienti as they sono shuttled associato the enzima sistemi of the mitocondrio. The combustion del glucosio in the cell does indeed release heat, ma non abbastanza to start a fire. The loss of heat means che solo part of the disponibili energia è trasferito to ATP. combustion, whether it occurs in a fireplace o in a cell, richiede ossigeno. Diversamente burning a log, cellular combustion del glucosio è a clean process che risultati in carbon dioxide e acqua as the sole waste prodotti. The ATP-producendo steps taking place inside the mitocondri sono chiamata “cellular respiration,” reminding us of the continuous movement di ossigeno into gli organelli e the outward movement of carbon dioxide.
Energy transfer in the mitocondrio involves a series of ossidazione-riduzione reazioni. If we think about what happens to burning wood o persino rusting iron as they sono esposto to ossigeno, it will help us remember che ossidazione always involves taking something away. The role di ossigeno in sintesi dell'ATP è to accept due hydrogens e their elettroni from un enzima system conosciuta come citocromo c ossidasi, formando acqua. his è the last passo in a series of reazioni dove elettroni sono sequentially donated (riduzione) e rimosso (ossidazione) from transport molecole. The overall process può essere referred to as fosforilazione ossidativa, talvolta inelegantemente abbreviato as OXPHOS, a causa a molecule di ADP è phosphorylated to ATP in la presenza di ossigeno.

Building Up e Breaking Down

Prima addressing the details of the complesso sequence of events che occurs in a normali mitocondrio, let’s think about the overall processing di energia in the human corpo. Metabolism refers to the sum of tutti chemical reazioni che happen in cellule. Alcuni di questi reazioni sono anabolic, i.e. energia-requiring, mentre altri sono catabolic, i.e. energia-producendo. ATP è the link between questo due tipi of reazioni, con catabolism breaking down molecole fornire l'energia necessaria per anabolism, which è the building of più grandi molecole from smaller ones. We can illustrate this process by a seguito il metabolismo di una piece of bread dopo it’s eaten. The primary component of

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Mitochondria: Una panoramica

bread è starch, a polysaccharide che è readily broken down by the digestive system into its component monosaccharide, glucosio. The resulting glucosio molecole possono essere ossidati per produrre ATP (catabolism) o they possono essere bound together to make another polysaccharide, glicogeno (anabolism). Glycogen è conservato in the fegato e skeletal muscolo cellule as a ready fonte del glucosio. La stessa story poterono essere told per proteine e their building blocks, amino acidi, o per grassi e grassi acidi. Every time una grande molecule è sintetizzata from a smaller one, it uses up l'energia from another ATP. So we eat food to acquire ATP from catabolism, ma since we don’t eat constantly, we need to sintetizza e store glicogeno e fat, anabolic processi che richiedono ATP. These conservato molecole can then be broken down later per ossidazione to ATP. The interconnected processi of catabolism e anabolism continue per a lifetime.

Energy Production Outside e Inside the Mitochondria

Mitochondria che funzioni normalmente sono vital to maintaining the ongoing linkage between catabolism e anabolism, a causa è inside questo organelli che la maggior parte delle corpo’s ATP è generated. We say “most” per un piccolo percentuale (about 6%) of the total ATP derived from catabolism del glucosio è gained all'esterno dei mitocondri, attraverso un processo conosciuta come glycolysis. While the cell does collect due molecole of ATP from this reazione, it gains something much più importante: a molecule chiamata piruvato. Glucose ha six carbons e, attraverso a multi-passo procedure in the cell’s citoplasma, è divided into due pyruvates, le quali sono tre-carbon compounds. Glycolysis means “to split glucosio,” which è just what happens. The significance of this è che, rather than having glucosio entering the mitocondrio to undergo ossidazione, è the smaller piruvato molecole che enter.
Perhaps this è as good a place as any to make a minore point about terminology. Molti of the intermediates che sono involved in energia metabolismo can exist in due forme: acidic e basic. If the compound è in its basic from, then its name will end con the suffix “-ate;” se è in its acidic form, then its name ends in “-ic acid.” Thus the names piruvato e pyruvic acid designate lo stesso molecule as do lattato e acido lattico, essere discussed next. Suffice it to say che the chemical patologie of the corpo umano sono such che questo compounds sono presente primarily in their basic forme.
The entrance del piruvato into the mitocondrio è the importante primo passo in producendo le altre 94% of the ATPs che sono disponibili beyond glycolysis. This mitocondriali ATP produzione è aerobic, i.e. it depends upon ossigeno, mentre glycolysis è anaerobici, a distinction che becomes significanti when a cell experiences low ossigeno patologie. When ossigeno è scarce, those due ATPs from glycolysis suddenly take on great importance. They allow the cell to still derive alcuni energia from glucosio persino though molti of its mitocondri sono temporarily shut down due to mancanza di ossigeno. As ogni glucosio molecule continues to split into due pyruvates, questo tre-carbon compounds start to build up in the cell. Per ragioni che we will non go into here, continued movement del glucosio attraverso the glycolytic pathway richiede the conversion del piruvato to lattato. As long ago as the 19th century, biologists knew che mammalian tessuti incubated under low ossigeno livelli accumulated lattato, mentre it was non formed when adeguata ossigeno was disponibili. It’s di aiuto ricordare che una alta level of lattato in the sangue indicano che significanti quantitativi del piruvato sono non attualmente being usati

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per ATP produzione in dei mitocondri. This happens normalmente durante exercise in anyone, ma may anche occur routinariamente in pazienti con malattia mitocondriale. What we’re interested in right now è what happens to the piruvato when, instead of being converted into lattato all'esterno of the mitocondrio, it actually makes it inside. Describing this will richiedono the introduction di una class of molto importante molecole: the reducing coenzymes.

The Reducing coenzymes

Most people sono familiar con the USDA food guide pyramid, un attempt to let the public know what a sani diet should look like. ci sono a varietà of ragioni per trying to follow questo linee guida. One è che doing so ensures un adeguata supply delle vitamine necessarie to make coenzymes, a class of funzionale molecole che work con cellular enzimi to speed up chemical reazioni. Two di questi vitamine sono niacin e riboflavina, compounds che cellule use to manufacture the reducing coenzymes NAD e FAD, respectively. Earlier, we referred to the ossidazione del glucosio as the means of trasferendo its chemical bond energia to ATP. We anche menzionati che it involved sequenzioale steps attraverso which tiny quantitativi di energia were acquisiti, unlike con fire dove tutti of l'energia would be rilasciata at once. The removal of elettroni from a molecule (ossidazione) richiede la presenza of elettrone acceptors che will transport the elettroni elsewhere e then donate them to altre molecole (riduzione). This è the job of NAD, FAD, e a third reducing coenzima chiamata ubichinone o coenzima Q. At this point, the importante thing ricordare about questo coenzymes è che the continuous flow of elettroni che essi accomplish è direttamente collegate to the formation of ATP in the mitocondrio. come this occurs will take alcuni telling.

come the Mitochondria Make ATP, Part One: The citric Acid cycle

As soon as it enters the mitocondrio, piruvato è attacked by un enzima che radically cambiamenti its struttura by doing due cose: it removes elettroni e donates them to NAD e anche removes una delle carbons to make carbon dioxide. Every time you breathe out, you sono exhaling carbon dioxide gas che was once part di una piruvato molecule. The remaining due carbons sono trasferito to yet another coenzima, this one chiamata coenzima A, which è made from the pantothenic acid contenuto in your daily multi-vitamina. This coenzima will work con its associate enzima to combine the due carbons (chiamata un acetyl gruppo) con a four-carbon compound chiamata oxaloacetate per formare citrate. Ironically, a complesso sequence of events che began con one six-carbon molecule, glucosio, ha now resulted in the formation di un altro one: citrate. This è the inizia of what è chiamata the ciclo dell'acido citrico, chiamata anche the tricarboxylic acid cycle (per the type of chemical of which citrate è un example) o the Krebs cycle, dopo Hans Krebs, who primo discerned its cyclic nature in the 930’s. What ever this complesso cycle of chemical reazioni è essere chiamata, it ha due straightforward outcomes. One è to continue removing elettroni from its reactants e donating them to the tre reducing coenzymes: NAD, FAD, o coenzima Q. le altre outcome è the formation di uno più ATP molecule per ogni piruvato che entered the mitocondrio. This makes a total, so far, of four ATPs: due from glycolysis e due from the ciclo dell'acido citrico. This numero è still far short of 32, which è the theoretical maximum numero of ATPs che possono essere

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Mitochondria: Una panoramica

generated from un singolo glucosio molecule in humans. come sono those 28 altre ATPs ottenuta? The answer si trova by a seguito the reducing coenzymes to their final destination in another region of the mitocondrio: the catena di trasporto degli elettroni.

come the Mitochondria Make ATP, Part Two: The Electron Transport chain

By now we’ve encountered a wide varietà of chemical reazioni che richiedono la presenza di enzimi, specialized proteine che keep the reazioni occurring at a rapid pace. These reazioni would occur much too slowly essere effective se they were non pepped up by specifica enzimi. The enzimi che catalyze glycolysis sono trovata in the fluid component della cellula, the “cytosol,” mentre tutti ma una delle enzimi che catalyze the ciclo dell'acido citrico sono trovata in the fluid component of the mitocondrio, the “matrix.” A third set of funzionale proteine, alcuni of le quali sono enzimi, sono embedded in the mitocondrio’s inner membrane e sono chiamata collectively the catena di trasporto degli elettroni. The name denotes the shuttling of elettroni associato a chain of molecole, con their ultimate donation to ossigeno per formare acqua. Il processo è begun by una delle reducing coenzymes che resulted from the ciclo dell'acido citrico, NAD. In its ridotta form, this coenzima è referred to as NADH.
La catena di trasporto degli elettroni è envisioned as a sequence of respiratori complessi, numbered I attraverso IV. The “chain” designation does non mean che the complessi sono rigidly collegate together; they actually move freely e randomly inside the inner  membrane. Nevertheless, the reazioni che essi carry out do occur sequentially: NADH donates elettroni to complesso I (il primo passo) e complesso IV donates elettroni to ossigeno to make acqua (the last passo). Providing a detailed descrizione of what happens in between, as well as how passing elettroni between questo complessi è collegate to the produzione of ATP, è beyond the scope of this articolo. Nevertheless, a causa certi malattie mitocondriali risultato from malfunctions of specifica respiratori complessi, it might be utile to identify questo complessi by their descriptive names.
complesso I è chiamata “NADH-coenzima Q ossidoriduttasi.” This mouthful di una name è actually di aiuto, a causa it descrisse what the complesso does: it oxidizes a molecule of NADH to NAD e reduces coenzima Q to coQH2.
complesso II, “Succinato-coenzima Q ossidoriduttasi” è collegate to the ciclo dell'acido citrico intermediate succinate. The enzima che catalizza the conversion of succinate to fumarate, succinate deidrogenasi, è the solo ciclo dell'acido citrico enzima che è non in soluzione in la matrice mitocondriale. Rather, like the catena di trasporto degli elettroni proteine, è embedded in the inner membrane. This apparentemente obscure point è noteworthy a causa it involves the coordinated action of due reducing coenzymes, FAD, which è ridotta to FADH2 by succinate deidrogenasi, e coenzima Q, which è ridotta by FADH2.
complesso III è chiamata “coenzima Q-citocromo c ossidoriduttasi,” Perhaps un modello in la denominazione scheme è now becoming clear. The “oxido-“ refers to the ossidazione of il primo molecule, coenzima Q, e the “- eductase” designates the riduzione of another molecule chiamata citocromo c.
complesso IV, “cytochrome c ossidasi,” transfers the elettroni from citocromo c to altre molecole all'interno the complesso e ultimately to  ossigeno.
The origin of coenzima Q e its role in the elettrone transport process è worth expanding upon. Terminology è a funny thing: this vital molecule è più appropriatamente

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Mitochondria: Una panoramica

conosciuta come ubichinone, a causa it ha a wide o ubiquitous distribution throughout the corpo. E' located in the inner membrane of tutti mitocondri e è un importante elettrone shuttle. Sebbene ubichinone è manufactured nel corpo, studi have suggested che it può essere appropriate per alcune persone to take it in supplementary form. These include victims di malattie mitocondriali e anche pazienti who sono taking any of the cholesterollowering “statin” drugs. In the latter case, taking orale ubichinone può essere di aiuto a causa, interestingly, cholesterol e ubichinone share un early passo in their manufacture. This passo è inhibited by the statin drugs, con il risultato che slowing down cholesterol produzione can anche slow down produzione of ubichinone. In contrast, a mitocondriali malattia paziente possono avere normali livelli of ubichinone ma, a causa ATP produzione occurs at a slower rate in questi pazienti, providing their mitocondri con above normali quantitativi of the elettrone shuttling molecule attraverso dietary integratori può essere beneficio.

What Does It All Mean?

Everyone approaches a discussion like the preceding one from differenti perspectives. It’s non surprising che someone who lacks a background in biochimiche will come away con a head full of terms che sono solo vaguely connected to ogni altre. The maggiore point per those who want to begin to understand the significance of malattia mitocondriale è to perceive, se solo dimly, the vital role played by mitocondri in l'energia-requiring fenomeno che we call life. Something che la maggior parte delle persone can take per granted, che essi will reliably e efficiently extract from their meals tutti l'energia che essi will ever need, è non a date per the malattia mitocondriale paziente. Theirs è un existence definite by mitocondri che struggle to make abbastanza ATP. They live con the consequences of missing one o più normalmente functioning componenti from the cell machinery che we’ve descritti. The bewildering array dei sintomi che questi pazienti can è explained by the observation che a complesso machine can malfunzione in a numero of differenti ways, dipendendo on which one of molti parti è damaged. Further variation in sintomi occurs a causa alcuni organi will have defective mitocondri mentre those in altre organi può essere normali.
And so we come back to dove we began: energia. Most of us will  mai need to ask, “come will I get abbastanza energia to make it attraverso another giorno?” But researchers funded by the UMDF sono seeking answers on behalf di quelli per whom è non a trivial question.

Steven G. Bassett, Ph.D.
Associate Professor of Biologia
Seton Hill University
Greensburg, PA
5-17-2004

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