Hva er mitokondrier?
Mitokondrier blir ofte referert til som cellekraftverkene. De hjelper til med å gjøre energien vi tar fra mat til energi som cellen kan bruke. Men mitokondrier er mer enn energiproduksjon.
Tilstede i nesten alle typer menneskelige celler, er mitokondrier avgjørende for vår overlevelse. De genererer flertallet av vårt adenosintrifosfat (ATP), celleens energivaluta.
Mitokondrier er også involvert i andre oppgaver, for eksempel signalisering mellom celler og celledød, ellers kjent som apoptose.
I denne artikkelen vil vi se på hvordan mitokondrier fungerer, hvordan de ser ut, og forklare hva som skjer når de slutter å gjøre jobben sin riktig.
Strukturen til mitokondrier
Mitokondrier er små, ofte mellom 0,75 og 3 mikrometer og er ikke synlige under mikroskopet med mindre de er flekker.
I motsetning til andre organeller (miniatyrorganer i cellen), har de to membraner, en ytre og en indre. Hver membran har forskjellige funksjoner.
Mitokondriene er delt inn i forskjellige rom eller regioner, som hver utfører forskjellige roller.
Noen av de største regionene inkluderer:
Ytre membran: Små molekyler kan passere fritt gjennom den ytre membranen. Denne ytre delen inkluderer proteiner som kalles poriner, som danner kanaler som lar proteiner krysse. Den ytre membranen er også vert for en rekke enzymer med mange funksjoner.
Intermembranrom: Dette er området mellom indre og ytre membraner.
Indre membran: Denne membranen inneholder proteiner som har flere roller. Fordi det ikke er noen poriner i den indre membranen, er den ugjennomtrengelig for de fleste molekyler. Molekyler kan bare krysse den indre membranen i spesielle membrantransportører. Den indre membranen er der mest ATP er opprettet.
Cristae: Dette er foldene til den indre membranen. De øker overflaten på membranen, og øker derfor ledig plass for kjemiske reaksjoner.
Matrise: Dette er rommet i den indre membranen. Inneholder hundrevis av enzymer, det er viktig i produksjonen av ATP. Mitokondrie-DNA ligger her (se nedenfor).
Ulike celletyper har forskjellige antall mitokondrier. For eksempel har modne røde blodlegemer ingen i det hele tatt, mens leverceller kan ha mer enn 2000. Celler med høyt behov for energi har en tendens til å ha større antall mitokondrier. Rundt 40 prosent av cytoplasmaet i hjertemuskulære celler tas opp av mitokondrier.
Selv om mitokondrier ofte blir tegnet som ovale organeller, deler de seg (fisjon) og binder seg kontinuerlig (fusjon). Så i virkeligheten er disse organellene knyttet sammen i stadig skiftende nettverk.
I sædceller er mitokondriene også spiralformede i midtstykket og gir energi til halebevegelse.
Mitokondrie DNA
Selv om det meste av vårt DNA holdes i kjernen til hver celle, har mitokondrier sitt eget sett med DNA. Interessant er at mitokondrie-DNA (mtDNA) ligner mer på bakterielt DNA.
MtDNA inneholder instruksjonene for en rekke proteiner og annet mobilstøtteutstyr på tvers av 37 gener.
Det menneskelige genomet som er lagret i kjernene i cellene våre inneholder rundt 3,3 milliarder basepar, mens mtDNA består av mindre enn 17.000.
Under reproduksjon kommer halvparten av barnets DNA fra faren og halvparten fra moren. Imidlertid mottar barnet alltid sin mtDNA fra moren. På grunn av dette har mtDNA vist seg veldig nyttig for å spore genetiske linjer.
For eksempel har mtDNA-analyser konkludert med at mennesker kan ha sin opprinnelse i Afrika relativt nylig, for rundt 200 000 år siden, nedstammet fra en felles forfader, kjent som mitokondrie Eve.
Hva gjør mitokondrier?
Selv om mitokondriers mest kjente rolle er energiproduksjon, utfører de også andre viktige oppgaver.
Faktisk bare om lag 3 prosent av genene som trengs for å få en mitokondrion til å gå inn i energiproduksjonsutstyret. De aller fleste er involvert i andre jobber som er spesifikke for celletypen der de finnes.
Nedenfor dekker vi noen av rollene til mitokondriene:
Produserer energi
ATP, et komplekst organisk kjemikalie som finnes i alle livsformer, blir ofte referert til som den molekylære valutaenheten fordi den driver metabolske prosesser. Mest ATP produseres i mitokondrier gjennom en serie reaksjoner, kjent som sitronsyresyklusen eller Krebs-syklusen.
Energiproduksjon foregår for det meste på foldene eller krystallene i den indre membranen.
Mitokondrier omdanner kjemisk energi fra maten vi spiser til en energiform som cellen kan bruke. Denne prosessen kalles oksidativ fosforylering.
Krebs-syklusen produserer et kjemikalie som heter NADH. NADH brukes av enzymer innebygd i cristae for å produsere ATP. I molekyler av ATP lagres energi i form av kjemiske bindinger. Når disse kjemiske bindingene brytes, kan energien brukes.
Celledød
Celledød, også kalt apoptose, er en viktig del av livet. Når celler blir gamle eller ødelagte, blir de ryddet bort og ødelagt. Mitokondrier hjelper til med å bestemme hvilke celler som blir ødelagt.
Mitokondrier frigjør cytokrom C, som aktiverer caspase, en av de viktigste enzymene som er involvert i å ødelegge celler under apoptose.
Fordi visse sykdommer, som kreft, innebærer en sammenbrudd i normal apoptose, antas mitokondrier å spille en rolle i sykdommen.
Lagring av kalsium
Kalsium er viktig for en rekke cellulære prosesser. For eksempel kan frigjøring av en nevrotransmitter fra en nervecelle eller hormoner fra endokrine celler, å frigjøre kalsium tilbake i en celle. Kalsium er også nødvendig for blant annet muskelfunksjon, befruktning og blodpropp.
Fordi kalsium er så kritisk, regulerer cellen det tett. Mitokondrier spiller en rolle i dette ved raskt å absorbere kalsiumioner og holde dem til de er nødvendige.
Andre roller for kalsium i cellen inkluderer regulering av cellulær metabolisme, steroidesyntese og hormonsignalisering.
Varmeproduksjon
Når vi er kalde, skjelver vi for å holde oss varme. Men kroppen kan også generere varme på andre måter, den ene er ved å bruke et vev som kalles brunt fett.
Under en prosess som kalles protonlekkasje, kan mitokondrier generere varme. Dette er kjent som ikke-rystende termogenese. Brunt fett finnes på de høyeste nivåene hos babyer, når vi er mer utsatt for kulde, og sakte reduseres nivåene når vi blir eldre.
Mitokondriell sykdom
DNA i mitokondrier er mer utsatt for skade enn resten av genomet.
Dette er fordi frie radikaler, som kan forårsake skade på DNA, produseres under ATP-syntese.
Dessuten mangler mitokondrier de samme beskyttende mekanismene som finnes i cellekjernen.
Imidlertid skyldes de fleste mitokondrielle sykdommer mutasjoner i kjernefysisk DNA som påvirker produkter som havner i mitokondriene. Disse mutasjonene kan enten være arvelige eller spontane.
Når mitokondrier slutter å fungere, sulter cellen de er i av energi. Så, avhengig av celletype, kan symptomene variere mye. Som en generell regel påvirkes celler som trenger de største mengdene energi, for eksempel hjertemuskulære celler og nerver, mest av feil mitokondrier.
Følgende avsnitt kommer fra United Mitochondrial Disease Foundation:
“Fordi mitokondrier utfører så mange forskjellige funksjoner i forskjellige vev, er det bokstavelig talt hundrevis av forskjellige mitokondrie sykdommer. [...] På grunn av det komplekse samspillet mellom hundrevis av gener og celler som må samarbeide for å holde metabolske maskiner i gang, er det et kjennetegn på mitokondriale sykdommer at identiske mtDNA-mutasjoner kanskje ikke gir identiske sykdommer. ”
Sykdommer som genererer forskjellige symptomer, men som skyldes samme mutasjon, blir referert til som genokopier.
Omvendt kalles sykdommer som har de samme symptomene, men er forårsaket av mutasjoner i forskjellige gener, fenokopier. Et eksempel på en fenokopi er Leigh syndrom, som kan være forårsaket av flere forskjellige mutasjoner.
Selv om symptomene på en mitokondriell sykdom varierer sterkt, kan de omfatte:
- tap av muskelkoordinasjon og svakhet
- problemer med syn eller hørsel
- lærevansker
- hjerte-, lever- eller nyresykdom
- gastrointestinale problemer
- nevrologiske problemer, inkludert demens
Andre forhold som antas å innebære noe nivå av mitokondriell dysfunksjon, inkluderer:
- Parkinsons sykdom
- Alzheimers sykdom
- bipolar lidelse
- schizofreni
- kronisk utmattelsessyndrom
- Huntingtons sykdom
- diabetes
- autisme
Mitokondrier og aldring
I løpet av de siste årene har forskere undersøkt en sammenheng mellom mitokondriadysfunksjon og aldring. Det er en rekke teorier rundt aldring, og teorien om aldring av mitokondrie frie radikaler har blitt populær det siste tiåret eller så.
Teorien er at reaktive oksygenarter (ROS) produseres i mitokondrier, som et biprodukt av energiproduksjon. Disse høyt ladede partiklene skader DNA, fett og proteiner.
På grunn av skaden forårsaket av ROS, er de funksjonelle delene av mitokondriene skadet. Når mitokondriene ikke lenger kan fungere så bra, produseres mer ROS, noe som forverrer skaden ytterligere.
Selv om det er funnet sammenhenger mellom mitokondriell aktivitet og aldring, har ikke alle forskere kommet til de samme konklusjonene. Deres nøyaktige rolle i aldringsprosessen er fortsatt ukjent.
I et nøtteskall
Mitokondrier er, muligens, den mest kjente organellen. Og selv om de ofte blir referert til som cellekraftverket, utfører de et bredt spekter av handlinger som er mye mindre kjent om. Fra kalsiumlagring til varmeproduksjon, er mitokondrier enormt viktige for cellernes hverdagsfunksjoner.
