Fő tartalom

Tantárgy/kurzus: Biológia > 6. témakör

3. lecke: Kirándulás az eukarióta sejt belsejében

Mitokondriumok és kloroplasztiszok

A mitokondriumok és kloroplasztiszok felépítése és szerepe. Endoszimbiózis.

Főbb pontok

A mitokondriumok a sejt „erőművei”, amelyek a sejtlégzés során üzemanyag-molekulákat égetnek el, miközben energiát állítanak elő.
A kloroplasztiszok (zöld színtestek) növényekben és algákban találhatók. A fotoszintézis során a fényenergia megkötésével cukrokat állítanak elő.
Az ún. endoszimbiózis (endoszimbionta) elmélet a mitokondriumok és a kloroplasztiszok evolúciós eredetét írja le. Eszerint e sejtalkotók kezdetben prokarióták voltak, amelyeket más, nagyobb sejtek kebeleztek be.

Bevezetés

Közismert, hogy a testünk sejtek milliárdjaiból épül fel. Azért kell ennünk (többek között zöldségeket), hogy legyen energiánk sportolni, tanulni, sétálni, sőt, lélegezni.

De hogyan alakítja át a szervezetünk a brokkoliban tárolt energiát olyan formává, ami már közvetlenül is felhasználható? És egyébként is, hogy kerül az energia a brokkoliba?

A válasz ezekre a kérdésekre két fontos sejtalkotóban rejlik: a mitokondriumokban és a kloroplasztiszokban (zöld színtestekben).

A kloroplasztiszok a brokkoli, valamint az összes többi növény és az algák sejtjeiben található sejtszervecskék. Megkötik és nagy energiatartalmú molekulákba építik a fény energiáját, amit aztán a növény a szöveteiben raktároz.
A mitokondriumok megtalálhatók a te sejtjeidben ugyanúgy, mint a növényekben. Feladatuk, hogy a brokkoli molekuláiban (és más energiatároló vegyületekben) tárolt energiát a sejt által is hasznosítható formává alakítsák.

Vessünk egy közelebbi pillantást erre a két nagyon fontos sejtalkotóra!

A kloroplasztiszok

A kloroplasztiszok csak a növényekben és fotoszintetizáló algákban fordulnak elő. (Emberekben és az állatok sejtjeiben nincsenek kloroplasztiszok.) A kloroplasztiszok feladata a fotoszintézis.

A fotoszintézis során az összegyűjtött fényenergiát felhasználva a szén-dioxidból cukrok képződnek. A fotoszintézisben termelt cukrokat felhasználhatják a növényi sejtek, vagy akár a növényeket megevő állatok, például az ember is. Az ezekben a cukrokban tárolt energia kinyerése a sejtlégzésnek nevezett folyamatban történik. A sejtlégzés helyszíne a mitokondrium, a növényi és az állati sejtekben egyaránt.

A kloroplasztiszok a sejtplazmában található lencse alakú sejtalkotók. Két burkoló membránnal rendelkeznek, a külső és belső membrán között pedig ún. intermembrán tér helyezkedik el. Képzeld el, hogy áthaladsz a két membránrétegen, belépsz a központi térbe, és körülnézel. Membránkorongok, úgynevezett tilakoidok sokaságát látod. A tilakoidok rendezetten helyezkednek el: egymással rétegesen összekapcsolódnak, ún. gránumokat alkotnak, amelyek ránézésre egymásra helyezett pénzérmékhez hasonlítanak.

A tilakoid lemez membránjában fénymegkötő komplexek találhatók, melyek alkotórésze a növények zöld színét adó pigment, a klorofill. A tilakoid lemezek üregesek, a belsejükben található tér az úgynevezett tilakoid tér vagy lumen, míg a tilakoidokat körbevevő folyadékot sztrómának hívják.

Többet is megtudhatsz a kloroplasztiszokról, a klorofillról, valamint a fotoszintézisről a fotoszintézis c. részben.

A mitokondriumok

A mitokondriumokat gyakran hívják a sejtek erőműveinek. Feladatuk, hogy folyamatos ellátást biztosítsanak a sejtek fő energiaközvetítő molekulájából, az adenozin-trifoszfátból (ATP). Az ATP előállításakor üzemanyag-molekulák, például cukrok kémiai energiája hasznosul a sejtlégzés folyamatában. A sejtlégzés számos lépése a mitokondrium belsejében zajlik.

A mitokondriumok a zselészerű sejtplazmában találhatók. Alakjuk ovális, és két membránnal rendelkeznek: egy külső membránnal, ami az egész sejtalkotót körülveszi, valamint egy belső membránnal, ami számos helyen erőteljesen redőzött. E betűrődések (kriszták) nagymértékben növelik a belső membrán felszínét.

A krisztákat régebben széles, hullámos redőknek gondolták, de ahogy Sal is említi a mitokondriumos videóban, ma már inkább hosszú járatokként képzeljük el őket.

^{1}

Itt látható a mitokondrium egy szeletének három dimenziós rekonstrukciója:

A két membrán között húzódik az intermembrán tér, a belső membránon belüli teret pedig a mitokondrium mátrixának hívják. A mátrixban található a mitokondrium DNS-e és riboszómái. Később szót ejtünk arról is, hogy miért is van a mitokondriumoknak (és a kloroplasztiszoknak) saját örökítőanyaga és riboszómáik.

A mitokondrium itt bemutatott többteres (több kompartmentes) struktúrája bonyolultnak tűnhet. Valóban bonyolult, azonban ez az elrendezés nagyon hasznos a sejtlégzés során, mert lehetővé teszi, hogy a folyamatok elkülönüljenek egymástól, és a molekulák eltérő koncentrációban lehessenek jelen a különböző terekben.

Az energiahordozó molekulákból, mint amilyen a glükóz is, elektronok szakadnak le a sejtplazmában és a mitokondrium mátrixában zajló folyamatok során. Ezeket az elektronokat speciális elektronszállító molekulák kötik meg és juttatják el az elektrontranszportláncba, ami a mitokondrium belső membránjába ágyazott fehérjék láncolata.

Ahogy az elektron végighalad a transzportláncon, energia szabadul fel. Ezt az energiát a mitokondrium fel tudja használni arra, hogy protonokat (

H^{+}

) pumpáljon a mátrixból az intermembrán térbe. A belső membrán két oldala között így koncentrációkülönbség (grádiens) jön létre, aminek mentén aztán a protonok visszaáramlanak a mátrixba. A visszaáramlás rendezetten, az ATP-szintáznak nevezett enzimen keresztül történik. Az ATP-szintáz a protonok áramlását használja fel hajtóerőnek, hogy ADP és foszfát összekapcsolásával ATP-t állítson elő.

Az elektrontranszportlánc által létrehozott protongrádiens segítségével történő ATP-szintézist oxidatív foszforilációnak hívjuk. A mitokondrium kompartmentalizációja (vagyis különböző térrészekre, így mátrixra és intermembrán térre különülése) elengedhetetlen az oxidatív foszforilációhoz, mert ez teszi lehetővé a protongrádiens kialakítását a belső membrán két oldala között.

_A módosított ábra forrása: "Etc4", Fvasconcellos munkája (közkincs)._

Bár mitokondriumok a legtöbb emberi sejtben (továbbá más állatok, valamint a növények legtöbb sejtjében) megtalálhatóak, számuk függ a sejt szerepétől és energiaigényétől. Például az izomsejtek jellemzően nagy energiaigényű, számos mitokondriumot tartalmazó sejtek, míg az oxigén szállítására specializálódott vörösvértestekben egyáltalán nincs mitokondrium.

^{3}

Honnan származnak ezek a sejtalkotók?

A mitokondriumokra és a kloroplasztiszokra is jellemző a saját örökítőanyag és riboszómák jelenléte. De miért van minderre szükség, ha egyszer a sejtmag már tartalmaz DNS-t, a sejtplazmában pedig ott vannak a riboszómák?

Meggyőző bizonyítékok alapján endoszimbiózis áll e rejtély hátterében. Az ökológusok szimbiózisnak nevezik azt a kapcsolatot, amelyben két különböző faj egyedei élnek szoros, egymástól függő viszonyban. Endoszimbiózis (endo- = “belül”) a szimbiózis egy speciális formája, ahol az egyik organizmus a másik testében él.

A baktériumok, a mitokondriumok és a kloroplasztiszok hasonló méretűek. A baktériumok DNS-e és riboszómái hasonlóak a mitokondriumok és a kloroplasztiszok DNS-éhez és riboszómáihoz.

^{4}

Emiatt, valamint további bizonyítékok alapján a kutatók úgy gondolják, hogy réges-régen a gazdasejtek és baktériumok endoszimbiotikus kapcsolatot alakítottak ki. E kapcsolatban a gazdasejtek aerob (oxigént felhasználó) és fotoszintetizáló baktériumokat kebeleztek be, de nem pusztították el (emésztették meg) őket. Az evolúció évmilliói alatt az aerob baktériumokból mitokondriumok lettek, míg a fotoszintetizáló baktériumok kloroplasztiszokká alakultak.

Források:

Ez a tananyag az “Eukaryotic cells”; OpenStax College, Biology (CC BY 3,0) módosított változata. Az eredeti cikk ingyenesen letölthető a http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:18/Biology címen.

A módosított cikket a CC BY-NC-SA 4.0 licenc által engedélyezték.

Idézett munkák:

Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 140. http://dx.doi.org/10,1016/j.bbadis.2005,07.001.
Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 141. http://dx.doi.org/10,1016/j.bbadis.2005,07.001.
Mitochondrion. (2015. december 18). Hozzáférés dátuma: 2015. december 20: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion.
Symbiogenesis. (2016. június 6). Hozzáférés dátuma: 2016. július 20: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.

Hivatkozások:

Campbell, N.A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2008). A tour of the cell. Biology (8. kiadás, 94-124. o.). San Francisco, CA: Pearson.

Chloroplast. (2015. augusztus 9). Hozzáférés dátuma: 2015. augusztus 9: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroplast.

Chromoplast. (2015. május 27). Hozzáférés dátuma: 2015. augusztus 10: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Chromoplast.

Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 140-147. http://dx.doi.org/10,1016/j.bbadis.2005,07.001.

McFadden, G. I. and van Dooren, G. G. (2004). Evolution: Red algal genome affirms a common origin of all plastids. Current Biology, 14(13), R514-R516.

Mitochondria. (2014). Scitable. Hozzáférhető itt: http://www.nature.com/scitable/topicpage/mitochondria-14053590.

Mitochondrion. (2015. december 18). Hozzáférés dátuma: 2015. december 20: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion.

OpenStax College, Biology. (2016. május 27). Eukaryotic origins. OpenStax CNX. Hozzáférhető itt: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10,53:oHRu5dUS@5/Eukaryotic-Origins.

Plastid. (2015. május 20). Hozzáférés dátuma: 2015. augusztus 10: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Plastid.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Mitochondria and chloroplasts: Cellular generators. Biology (10. kiadás, szerk. AP, 73-74. o.). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Mitochondria and chloroplasts change energy from one form to another. Campbell biology (10. kiadás, 109-112. o.). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The first eukaryotes. Campbell biology (10. kiadás, 528-529. o,). San Francisco, CA: Pearson.

Symbiogenesis. (2016. június 6). Hozzáférés dátuma: 2016. július 20: Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.

Wang, Z. and Wu, M. (2015). An integrated phylogenomic approach toward pinpointing the origin of mitochondria. Scientific Reports, 5, article 7949. http://dx.doi.org/10,1038/srep07949.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.