โครงสร้างและหน้าที่ของ Organelles I
ส่วนที่ 1 — Mitochondrion: โครงสร้างและ Cellular Respiration
โครงสร้างของ Mitochondrion
Mitochondrion ถูกล้อมรอบด้วย 2 membranes และมี 2 internal compartments ได้แก่
| ส่วนประกอบ | หน้าที่สำคัญ |
|---|---|
| Outer membrane | มี porin molecules ทำให้เกิด large aqueous channels ผ่าน lipid bilayer — ดังนั้น ions และ small molecules ผ่านเข้าออกได้ง่าย |
| Inner membrane | มี infoldings เรียกว่า cristae เพิ่ม surface area — ประกอบด้วย Cardiolipin (ทำให้ผ่าน ions ไม่ได้ ช่วย concentrate ion), electron-transport chain, enzymes ของ respiratory chain, และ ATP synthase |
| Intermembrane space | อยู่ระหว่าง outer และ inner membrane |
| Matrix | ภายในสุด — มี double-stranded circular DNA, ribosome ขนาด 70S (แบบ prokaryote), enzymes ของ citric acid cycle, enzymes สำหรับ beta-oxidation of fatty acids |
Pyruvate และ fatty acids ถูก catabolize อยู่ใน matrix ของ mitochondria
Mitochondria พบได้ในปริมาณมากในเซลล์ที่ใช้พลังงานสูง เช่น cardiac muscle และอยู่ในตำแหน่งเดียวกับ microtubules ในเซลล์ (ดูได้จาก fluorescence microscopy)
Cellular Respiration — 3 ขั้นตอนหลัก
Cellular respiration คือ metabolic process ที่ใช้ได้ทั้งใน aerobic และ anaerobic conditions ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ CO2, H2O, ATP, และ Heat
1. Glycolysis ("Sweet rupture")
- เกิดที่ cytosol
- เป็น central ATP-producing pathway
- ไม่ต้องใช้ O2 (สามารถทำงานได้ทั้ง aerobic และ anaerobic)
- Glucose (6C) → 2 pyruvate (3C) + ATP + NADH
- ขั้นแรกลงทุน ATP ก่อน (energy investment) แล้วค่อยได้คืน (energy generation)
2. Citric Acid Cycle (Krebs Cycle)
- เกิดใน matrix ของ mitochondria
- Pyruvate → Acetyl CoA (เสีย CO2 1 ตัว) → เข้า cycle
- Acetyl CoA (2C) + Oxaloacetate (4C) → Citrate (6C) → วนรอบ
- ในแต่ละรอบผลิต NADH, FADH2, GTP, CO2
- Fatty acids ก็ผ่าน beta-oxidation เข้าสู่ Acetyl CoA ได้เช่นกัน
3. Oxidative Phosphorylation
- เกิดที่ inner mitochondrial membrane
- High-energy electrons จาก NADH และ FADH2 ถูกส่งต่อใน electron-transport chain
- ลำดับ: NADH dehydrogenase complex → Ubiquinone → Cytochrome b-c1 complex → Cytochrome C → Cytochrome oxidase complex
- การส่งผ่าน electron สร้าง proton gradient (H+ สะสมใน intermembrane space)
- H+ ไหลกลับเข้า matrix ผ่าน ATP synthase → ขับเคลื่อนการสร้าง ATP จาก ADP + Pi
- เมื่อ cytochrome oxidase complex สะสม 4 electrons แล้ว O2 รับ electrons → เกิด H2O
สรุปสมการของ oxidative phosphorylation: NADH + 1/2 O2 + H+ → NAD+ + H2O (พลังงานที่ได้ขับ ADP + Pi → ATP)