Ограниченные мембраной органеллы, которые производят большую часть химической энергии клетки.Митохондрии — это отсеки внутри почти каждой клетки тела, которые превращают химическую энергию пищи в форму, которую клетка может тратить. Они ограничены собственной двойной мембраной и содержат свою собственную небольшую кольцевую молекулу ДНК, отдельную от ДНК в ядре клетки. Типичная клетка содержит от сотен до тысяч таких органелл, и их число и форма меняются в зависимости от энергетических потребностей клетки.
Энергетической «валютой», которую они производят, является АТФ — молекула, чьи фосфатные связи запасают доступную энергию. Когда АТФ расщепляется, высвобождается энергия для мышечного сокращения, синтеза белков, перекачки ионов и практически всех других процессов, требующих затрат энергии. Без работающей популяции митохондрий клетка не может поддерживать градиенты ионов, необходимые для нервных импульсов, или сборку, нужную для замены своих частей, и погибает.
Помимо снабжения энергией, митохондрии участвуют в создании и расщеплении молекул, в запасании кальция, в генерации сигналов, влияющих на выживание клетки, и в одной из форм программируемой клеточной смерти. Они также необычны тем, что наследуются почти исключительно от матери, что делает их ДНК инструментом для прослеживания материнской родословной. Их центральная роль в производстве энергии объясняет, почему ткани с самой высокой потребностью в энергии — мозг, сердце, мышцы, печень — первыми страдают при нарушении работы митохондрий.
Основной процесс — окислительное фосфорилирование. Молекулы, полученные из пищи, расщепляются, и высвобождаемая энергия используется для передачи электронов по цепи белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. На каждом шаге электроны опускаются на более низкий энергетический уровень, и высвобождаемая энергия используется для перекачки протонов с одной стороны мембраны на другую. Это создаёт разницу в концентрации протонов и заряде по обе стороны мембраны — электрохимический градиент, который часто описывают как заряжающуюся батарею.
Затем протоны текут обратно через мембрану через вращающуюся молекулярную турбину — АТФ-синтазу. Поток вращает часть фермента, и это механическое вращение обеспечивает соединение АДФ и фосфата в АТФ. Роль кислорода — в конце электронной цепи: он принимает отработанные электроны, и без него цепь останавливается и градиент разрушается. Число молекул АТФ, производимых на молекулу глюкозы, гораздо больше, когда используется этот мембранный путь, чем когда глюкоза расщепляется без кислорода.
Биология митохондрий имеет центральное значение для диагностики наследственных митохондриальных заболеваний, для понимания повреждения тканей, вызванного недостатком кислорода при инфаркте и инсульте, а также для исследований старения и лекарств, воздействующих на клеточный энергетический обмен.
Митохондрии несут собственную ДНК, и у человека она наследуется почти исключительно от матери, поэтому прослеживает непрерывную материнскую линию через поколения.