人間の体を動かすには、かなりのエネルギーが必要です。平均して、人体は 1 秒あたり 97.2 ジュールのエネルギーを消費します。これは、1 日あたり約 8,400,000 ジュールに相当します。このすべてのエネルギーはどこから来るのでしょうか?体内のエネルギーの大部分は、窒素塩基 (アデニン) と 3-リン酸基からなる複雑な化学物質である ATP の形でもたらされます。 ATP に由来するエネルギーは、筋肉の収縮、消化、合成、成長など、体内の実質的にすべてのプロセスを駆動するために使用されます。細胞間エネルギー伝達における遍在性により、ATP は「細胞のエネルギー通貨」と呼ばれています。
このATPはどこから来たのですか？ ATP 生産の大部分は細胞内で行われます。 ミトコンドリア (単数 ミトコンドリア ) は、主な機能が ATP の合成である細胞小器官です。ミトコンドリアは細胞呼吸の主要な場所です 、私たちが食べる食物から人体が化学エネルギーを抽出するプロセス。細胞呼吸中、食物に含まれるエネルギーはATPの形に変換され、体内で何かをするために使用されます.体を都市に例えると、ミトコンドリアは発電機であり発電所であり、町に力を与えます。したがって、ミトコンドリアは細胞の「発電所」と呼ばれることもあります。
ミトコンドリアは、ほとんどの真核生物の細胞に見られます。今日まで、ミトコンドリアを完全に欠いていることが知られている真核生物は 1 つだけです (Monocercomonoides ）。真核細胞内のミトコンドリアの正確な数は、組織や細胞の種類によって異なります。ミトコンドリアが豊富にある細胞 (肝臓細胞:約 2,000 個) もあれば、まったくない細胞 (赤血球) もあります。植物細胞は通常、他の真核生物よりミトコンドリアが少ないですが、エネルギーを生成する葉緑体と呼ばれる特別な細胞小器官を持っています。一方、原核生物にはミトコンドリアやその他の細胞小器官がありません。
ミトコンドリアの構造
ミトコンドリアは、内膜と外膜の 2 つのリン脂質膜で構成される小さなオルガネラ (長さ 0.75 ～ 3 μm) です。内膜と外膜の構造は、内部を 5 つの異なる部分に分割します:
- 外膜
- 膜間腔（外膜と内膜の間）
- 内膜
- クリステ (内膜のひだによって形成される区画
- マトリックス スペース (内膜内のスペース)
外膜: 外膜はオルガネラ全体を囲み、細胞内液から分離します。外膜の構造は、細胞全体の膜の構造と非常によく似ており、疎水性の脂質頭部と親水性のリン酸尾部を持つ2層のユニットで構成されています。外膜は、ミトコンドリアに出入りする物質やタンパク質の流れを調節する機能を果たします。 ポリンと呼ばれる膜に埋め込まれたタンパク質 物資の運搬を手伝います。外膜には、細胞内のさまざまな反応を助ける酵素も含まれています。
膜間スペース: 外膜と内膜の間には膜間腔があります。外膜は小さな粒子に対して透過性があるため、膜間腔内の流体組成はミトコンドリアの外側と似ています。膜間腔には、外膜を横切って輸送されるタンパク質も含まれています。
内膜: 外膜と比較して、内膜はより多くのタンパク質で構成されています。内膜には、細胞呼吸の最終段階である酸化的リン酸化の部位であるタンパク質が含まれています。内膜は、外膜の 2 脂肪酸リン脂質とは対照的に、4 脂肪酸リン脂質であるカルジオリピンを含むため、外膜とは異なります。余分な脂肪酸により、内膜は外膜よりも不浸透性になります。
クリステ: 内膜には、クリステと呼ばれる多数の折り目とポケットがあります。クリステへの内膜の密な折り畳み形状は、内膜の表面積を増加させ、より多くのATP産生を可能にします.クリステの正確な数は、細胞が生成する必要がある ATP の量によって異なります。
マトリックス スペース: マトリックス スペースは、ミトコンドリアの最も内側の部分を占め、全タンパク質の 2/3 を含んでいます。マトリックス空間には、酵素、リボソーム、tRNA、およびその他の化学物質が高濃度で混合されています。ほとんどの酵素は、クレブス サイクル中にピルビン酸と脂肪酸を酸化するように機能します。マトリックス空間には、ミトコンドリア DNA も含まれています。ミトコンドリア DNA は、細胞の核に見られる DNA とは異なります。
ミトコンドリアは通常、小さな豆のような形をしたポッドとして描かれていますが、実際のミトコンドリアの物理的構造は、組織の種類や細胞の種類によって大きく異なります。より小さな丸みを帯びた形状のものもあれば、複雑な渦巻きや不定形の塊のように見えるものもあります.ミトコンドリアは、細胞内で密集した複雑なネットワークを形成し、そこで絶えず分裂して再結合しています。
ミトコンドリアの機能
前述したように、ミトコンドリアの主な機能は ATP を生成することです。彼らはこれをどのように行うのですか？ミトコンドリアは、栄養素から化学エネルギーを抽出して ATP に変換する複雑な一連の化学反応の部位であるため、ATP を生成します。このプロセスは細胞呼吸と呼ばれます。ミトコンドリアは、解糖の生成物であるピルビン酸と NADH を酸化することによって ATP を形成します。
解糖中に生成されたピルビン酸分子は、輸送タンパク質によって内膜を横切ってマトリックス空間に輸送され、そこで酸化されてアセチル-CoAおよびNADHを生成するか、カルボキシル化されてクエン酸回路で使用される重要な中間体であるオキサロ酢酸を生成します。次に、アセチル-CoA はクエン酸回路を通過し、ATP と 2 つの電子伝達体 NADH と FADH2 が生成されます。 .
次のステップは酸化的リン酸化です。電子伝達体はその電子を内膜のタンパク質に沈着させ、内膜を横切って電子を移動させる酸化還元反応の複合体である電子伝達鎖を作り出します。電子伝達鎖はエネルギーを放出し、陽子 (H イオン) を内膜を横切って膜間空間に移動させます。膜間スペースの陽子の濃度は、内膜を横切る強力な電気化学的勾配を作成します。プロトンは、酵素 ATP 合成酵素によって内膜を横切って往復します。位置エネルギーの変化は、ADP と無機リン酸塩から ATP を合成するために使用されます。
解糖から酸化的リン酸化までの細胞呼吸の全プロセスは、理論的には、グルコース 1 分子あたり 36 の ATP 分子を生成することができます。グルコースの燃焼熱は 2805 kJ/mol です。 ATP の燃焼熱は、1 モルあたり 30.5 kJ です。細胞呼吸の効率は、次の方法で計算できます。
効率=ATPの総エネルギー/グルコースの総エネルギー
ATP の総エネルギー =30.5 kJ/mol x 36 (グルコース 1 分子あたり 36 ATP 分子) =1098 kJ/mol
グルコースの総エネルギー =2805 kJ/mol
1098kJ/2805kJ ≈ 39%
細胞呼吸の理論上の最大熱力学的効率は約 39% であり、エネルギーの半分以上が熱として失われることを意味します。現実世界の状況では、酸化還元反応の非効率性と電子伝達系の膜滑りにより、呼吸の効率は約 34 ～ 35% です。対照的に、標準的な内燃エンジンは約 25 ～ 30% の熱効率で動作します。つまり、ミトコンドリアは自動車よりもエネルギー効率が高いということです。
ミトコンドリア DNA
ミトコンドリアは、細胞核の DNA に見られるものとは異なる独自のゲノムを持っているという点で独特です。ミトコンドリア DNA (mDNA) は、マトリックス空間に存在する単一の環状染色体に保存されます。ミトコンドリアには、DNA の複製と転写のための独自のメカニズムがあります。
ヒトでは、ほとんどの場合、mDNA は母親から受け継がれています。この理由の 1 つは、ヒトの卵細胞には精子細胞の約 1000 倍のミトコンドリアが含まれていることです。また、精子細胞の鞭毛にはミトコンドリアが含まれており、受精中に破壊される可能性があります。まれに、受精卵が両方の親から一連の mDNA を受け継ぐことがあります。核 DNA と比較して、mDNA は保存されており、突然変異を受ける可能性が低くなります。
mDNA の遺伝は事実上常に母親を介して行われるという事実により、科学者は母系の祖先の血統をはるかにさかのぼることができます。ミトコンドリア DNA の通過により、系図学者は、約 100,000 ～ 150,000 年前に生きていた母系の最も最近の共通祖先 (すべての生きている人間の子孫である最も最近の女性) まで遡ることができます。すべての生きている人間は母系の起源をこの個人までたどることができるため、母系の最も最近の共通の祖先は、聖書の創造物語に関連して「ミトコンドリア イブ」と呼ばれることがあります。
ミトコンドリアはどこから来たの?
真核生物におけるミトコンドリアの起源は、まだ議論されている問題です。現在、内部共生の一般的な理論は、ミトコンドリアが異なる単細胞原核生物の共生を通じて進化したと述べています。このプロセスは共生と呼ばれます。共生形成の理論によると、ミトコンドリアや葉緑体などの他のオルガネラは、もともとは独立した原核生物であり、より大きな細胞に組み込まれました。時間が経つにつれて、これらの飲み込まれた原核生物は、より大きな細胞で特殊な機能を果たすように進化しました.
いくつかの証拠がこの理論を支持しています。ミトコンドリア、葉緑体、細菌の細胞壁には同じ種類のポリンが含まれており、タンパク質が膜を横切って移動するのに役立ちます。ミトコンドリアと細菌の細胞壁の両方にカルジオリピンが含まれており、ミトコンドリアと葉緑体は原核生物のように二分裂によってのみ再生し、ミトコンドリアの環状 DNA には多くの類似点があります。細菌の環状染色体で。
