Hvad er mitokondrier?
Mitokondrier kaldes ofte celleens kraftcentre. De hjælper med at gøre den energi, vi tager fra mad, til energi, som cellen kan bruge. Men der er mere ved mitokondrier end energiproduktion.
Til stede i næsten alle typer menneskelige celler, er mitokondrier afgørende for vores overlevelse. De genererer størstedelen af vores adenosintrifosfat (ATP), celleens energivaluta.
Mitokondrier er også involveret i andre opgaver, såsom signalering mellem celler og celledød, ellers kendt som apoptose.
I denne artikel vil vi se på, hvordan mitokondrier fungerer, hvordan de ser ud og forklare, hvad der sker, når de holder op med at udføre deres job korrekt.
Strukturen af mitokondrier
Mitokondrier er små, ofte mellem 0,75 og 3 mikrometer og er ikke synlige under mikroskopet, medmindre de er plettet.
I modsætning til andre organeller (miniatyrorganer i cellen) har de to membraner, en ydre og en indre. Hver membran har forskellige funktioner.
Mitokondrier er opdelt i forskellige rum eller regioner, som hver udfører forskellige roller.
Nogle af de største regioner inkluderer:
Ydermembran: Små molekyler kan passere frit gennem den ydre membran. Denne ydre del inkluderer proteiner kaldet poriner, som danner kanaler, der tillader proteiner at krydse. Den ydre membran er også vært for et antal enzymer med en lang række funktioner.
Intermembranrum: Dette er området mellem de indre og ydre membraner.
Indre membran: Denne membran indeholder proteiner, der har flere roller. Fordi der ikke er nogen poriner i den indre membran, er den uigennemtrængelig for de fleste molekyler. Molekyler kan kun krydse den indre membran i specielle membrantransportører. Den indre membran er, hvor mest ATP oprettes.
Cristae: Dette er foldene på den indre membran. De forøger overfladen af membranen og øger derfor pladsen til kemiske reaktioner.
Matrix: Dette er rummet inden i den indre membran. Indeholder hundreder af enzymer, er det vigtigt i produktionen af ATP. Mitokondrie-DNA er anbragt her (se nedenfor).
Forskellige celletyper har forskellige antal mitokondrier. For eksempel har modne røde blodlegemer slet ingen, mens leverceller kan have mere end 2.000. Celler med et stort energibehov har tendens til at have et større antal mitokondrier. Cirka 40 procent af cytoplasmaet i hjertemuskelceller optages af mitokondrier.
Selvom mitokondrier ofte tegnes som ovale organeller, deler de sig konstant (fission) og binder sammen (fusion). Så i virkeligheden er disse organeller bundet sammen i stadigt skiftende netværk.
Også i sædceller er mitokondrierne spiralformede i midterstykket og giver energi til halebevægelse.
Mitokondrie DNA
Selvom det meste af vores DNA opbevares i kernen i hver celle, har mitokondrier deres eget sæt DNA. Interessant nok ligner mitokondrie-DNA (mtDNA) mere bakterielt DNA.
MtDNA indeholder instruktionerne for et antal proteiner og andet cellulært supportudstyr på tværs af 37 gener.
Det humane genom, der er lagret i kernerne i vores celler, indeholder omkring 3,3 milliarder basepar, mens mtDNA består af mindre end 17.000.
Under reproduktion kommer halvdelen af et barns DNA fra deres far og halvdelen fra deres mor. Imidlertid modtager barnet altid deres mtDNA fra deres mor. På grund af dette har mtDNA vist sig meget nyttigt til sporing af genetiske linjer.
For eksempel har mtDNA-analyser konkluderet, at mennesker kan have sin oprindelse i Afrika for nylig for omkring 200.000 år siden, nedstammer fra en fælles forfader, kendt som mitokondrie Eve.
Hvad gør mitokondrier?
Selvom mitokondriers mest kendte rolle er energiproduktion, udfører de også andre vigtige opgaver.
Faktisk er det kun ca. 3 procent af generne, der er nødvendige for at få en mitokondrion til at gå ind i dets energiproduktionsudstyr. Langt størstedelen er involveret i andre job, der er specifikke for den celletype, hvor de findes.
Nedenfor dækker vi nogle få af mitokondriernes roller:
Producerer energi
ATP, et komplekst organisk kemikalie, der findes i alle former for liv, kaldes ofte den molekylære valuta, fordi den driver metaboliske processer. Det meste ATP produceres i mitokondrier gennem en række reaktioner, kendt som citronsyrecyklus eller Krebs-cyklus.
Energiproduktion finder for det meste sted på foldene eller krystallerne i den indre membran.
Mitokondrier omdanner kemisk energi fra den mad, vi spiser, til en energiform, som cellen kan bruge. Denne proces kaldes oxidativ fosforylering.
Krebs-cyklussen producerer et kemikalie kaldet NADH. NADH bruges af enzymer indlejret i cristae til at producere ATP. I molekyler af ATP lagres energi i form af kemiske bindinger. Når disse kemiske bindinger brydes, kan energien bruges.
Celledød
Celledød, også kaldet apoptose, er en vigtig del af livet. Når cellerne bliver gamle eller ødelagte, ryddes de og ødelægges. Mitokondrier hjælper med at bestemme, hvilke celler der ødelægges.
Mitokondrier frigiver cytochrom C, som aktiverer caspase, et af de vigtigste enzymer, der er involveret i ødelæggelse af celler under apoptose.
Fordi visse sygdomme, såsom kræft, involverer en sammenbrud i normal apoptose, antages mitokondrier at spille en rolle i sygdommen.
Opbevaring af calcium
Calcium er afgørende for en række cellulære processer. For eksempel kan frigivelse af calcium tilbage i en celle starte frigivelsen af en neurotransmitter fra en nervecelle eller hormoner fra endokrine celler. Calcium er også nødvendigt til blandt andet muskelfunktion, befrugtning og blodkoagulation.
Da calcium er så kritisk, regulerer cellen det tæt. Mitokondrier spiller en rolle i dette ved hurtigt at absorbere calciumioner og holde dem, indtil de er nødvendige.
Andre roller for calcium i cellen inkluderer regulering af cellulær metabolisme, steroidesyntese og hormonsignalisering.
Varmeproduktion
Når vi er kolde, ryster vi for at holde os varme. Men kroppen kan også generere varme på andre måder, hvoraf den ene er ved at bruge et væv kaldet brunt fedt.
Under en proces kaldet protonlækage kan mitokondrier generere varme. Dette er kendt som ikke-rystende termogenese. Brunt fedt findes på sit højeste niveau hos babyer, når vi er mere modtagelige for kulde, og langsomt reduceres niveauet, når vi bliver ældre.
Mitokondrie sygdom
DNA i mitokondrier er mere modtagelige for skade end resten af genomet.
Dette skyldes, at der produceres frie radikaler, som kan forårsage skade på DNA, under ATP-syntese.
Også mangler mitokondrier de samme beskyttelsesmekanismer, der findes i cellekernen.
Imidlertid skyldes størstedelen af mitokondrie sygdomme mutationer i nukleart DNA, der påvirker produkter, der ender i mitokondrier. Disse mutationer kan enten være arvelige eller spontane.
Når mitokondrier holder op med at fungere, sulter den celle, de befinder sig i, af energi. Så afhængigt af typen af celle kan symptomerne variere meget. Som en generel regel påvirkes celler, der har brug for de største mængder energi, såsom hjertemuskelceller og nerver, mest af defekte mitokondrier.
Følgende passage kommer fra United Mitochondrial Disease Foundation:
”Fordi mitokondrier udfører så mange forskellige funktioner i forskellige væv, er der bogstaveligt talt hundredvis af forskellige mitokondrie sygdomme. [...] På grund af det komplekse samspil mellem hundreder af gener og celler, der skal samarbejde for at holde vores metaboliske maskiner kørende, er det et kendetegn for mitokondrie sygdomme, at identiske mtDNA-mutationer muligvis ikke frembringer identiske sygdomme. ”
Sygdomme, der genererer forskellige symptomer, men som skyldes den samme mutation, kaldes genokopier.
Omvendt kaldes sygdomme, der har de samme symptomer, men er forårsaget af mutationer i forskellige gener, fænokopier. Et eksempel på en fænokopi er Leigh syndrom, som kan være forårsaget af flere forskellige mutationer.
Selvom symptomer på en mitokondrie sygdom varierer meget, kan de omfatte:
- tab af muskelkoordination og svaghed
- problemer med syn eller hørelse
- indlæringsvanskeligheder
- hjerte-, lever- eller nyresygdom
- gastrointestinale problemer
- neurologiske problemer, herunder demens
Andre tilstande, der menes at involvere et niveau af mitokondrie dysfunktion, inkluderer:
- Parkinsons sygdom
- Alzheimers sygdom
- maniodepressiv
- skizofreni
- kronisk træthedssyndrom
- Huntingtons sygdom
- diabetes
- autisme
Mitokondrier og aldring
I de senere år har forskere undersøgt en sammenhæng mellem mitokondriadysfunktion og aldring. Der er en række teorier omkring aldring, og teorien om aldring af mitokondrie frie radikaler er blevet populær i løbet af det sidste årti eller deromkring.
Teorien er, at reaktive iltarter (ROS) produceres i mitokondrier som et biprodukt af energiproduktion. Disse stærkt ladede partikler beskadiger DNA, fedt og proteiner.
På grund af skaden forårsaget af ROS er de funktionelle dele af mitokondrier beskadiget. Når mitokondrierne ikke længere kan fungere så godt, produceres mere ROS, hvilket forværrer skaden yderligere.
Selvom der er fundet sammenhænge mellem mitokondrie-aktivitet og aldring, har ikke alle forskere nået de samme konklusioner. Deres nøjagtige rolle i aldringsprocessen er stadig ukendt.
I en nøddeskal
Mitokondrier er muligvis den mest kendte organel. Og selvom de populært omtales som cellens kraftværk, udfører de en lang række handlinger, der er meget mindre kendt om. Fra calciumopbevaring til varmeproduktion er mitokondrier enormt vigtige for vores cellers hverdagsfunktioner.
