Vad är mitokondrier?
Mitokondrier kallas ofta cellens kraftverk. De hjälper till att förvandla den energi vi tar från maten till energi som cellen kan använda. Men mitokondrier är mer än energiproduktion.
Närvarande i nästan alla typer av mänskliga celler, mitokondrier är avgörande för vår överlevnad. De genererar majoriteten av vårt adenosintrifosfat (ATP), cellens energivaluta.
Mitokondrier är också involverade i andra uppgifter, såsom signalering mellan celler och celldöd, annars känd som apoptos.
I den här artikeln kommer vi att titta på hur mitokondrier fungerar, hur de ser ut och förklara vad som händer när de slutar göra sitt jobb korrekt.
Mitokondriernas struktur
Mitokondrier är små, ofta mellan 0,75 och 3 mikrometer och är inte synliga under mikroskopet om de inte är färgade.
Till skillnad från andra organeller (miniatyrorgan inom cellen) har de två membran, en yttre och en inre. Varje membran har olika funktioner.
Mitokondrier är uppdelade i olika fack eller regioner, som var och en utför olika roller.
Några av de större regionerna inkluderar:
Yttre membran: Små molekyler kan passera fritt genom det yttre membranet. Denna yttre del innehåller proteiner som kallas poriner, som bildar kanaler som gör att proteiner kan passera. Det yttre membranet är också värd för ett antal enzymer med en mängd olika funktioner.
Intermembranutrymme: Detta är området mellan det inre och yttre membranet.
Inre membran: Detta membran innehåller proteiner som har flera roller. Eftersom det inte finns några poriner i det inre membranet är det ogenomträngligt för de flesta molekyler. Molekyler kan bara korsa det inre membranet i speciella membrantransportörer. Det inre membranet är där mest ATP skapas.
Cristae: Det här är det inre membranets veck. De ökar membranets yta och ökar därför det tillgängliga utrymmet för kemiska reaktioner.
Matris: Detta är utrymmet i det inre membranet. Innehåller hundratals enzymer, det är viktigt i produktionen av ATP. Mitokondriellt DNA finns här (se nedan).
Olika celltyper har olika antal mitokondrier. Till exempel har mogna röda blodkroppar ingen alls, medan leverceller kan ha mer än 2000. Celler med högt energibehov tenderar att ha ett större antal mitokondrier. Cirka 40 procent av cytoplasman i hjärtmuskelceller tas upp av mitokondrier.
Även om mitokondrier ofta ritas som ovala organeller, delar de sig (fission) och binder samman ständigt (fusion). Så i verkligheten är dessa organeller länkade i ständigt föränderliga nätverk.
I spermaceller är mitokondrierna också spiralformade i mittstycket och ger energi för svansrörelse.
Mitokondriellt DNA
Även om det mesta av vårt DNA förvaras i kärnan i varje cell, har mitokondrier sin egen uppsättning DNA. Intressant är att mitokondriellt DNA (mtDNA) liknar bakteriellt DNA.
MtDNA innehåller instruktionerna för ett antal proteiner och annan cellulär stödutrustning över 37 gener.
Det mänskliga genomet som lagras i kärnorna i våra celler innehåller cirka 3,3 miljarder baspar, medan mtDNA består av mindre än 17 000.
Under reproduktionen kommer hälften av ett barns DNA från sin far och hälften från sin mor. Barnet får emellertid alltid sin mtDNA från sin mamma. På grund av detta har mtDNA visat sig vara mycket användbart för att spåra genetiska linjer.
Exempelvis har mtDNA-analyser dragit slutsatsen att människor kan ha sitt ursprung i Afrika relativt nyligen, för cirka 200 000 år sedan, härstammar från en gemensam förfader, känd som mitokondriell Eve.
Vad gör mitokondrier?
Även om mitokondriernas mest kända roll är energiproduktion utför de också andra viktiga uppgifter.
Faktum är att endast cirka 3 procent av generna behövs för att få en mitokondrion att gå in i sin energiproduktionsutrustning. De allra flesta är involverade i andra jobb som är specifika för den celltyp där de finns.
Nedan täcker vi några av mitokondriernas roller:
Producerar energi
ATP, en komplex organisk kemikalie som finns i alla livsformer, kallas ofta den molekylära valutaenheten eftersom den driver metaboliska processer. De flesta ATP produceras i mitokondrier genom en serie reaktioner, känd som citronsyracykeln eller Krebs-cykeln.
Energiproduktion sker mestadels på det inre membranets veck eller kristus.
Mitokondrier omvandlar kemisk energi från maten vi äter till en energiform som cellen kan använda. Denna process kallas oxidativ fosforylering.
Krebs-cykeln producerar en kemikalie som kallas NADH. NADH används av enzymer inbäddade i cristae för att producera ATP. I molekyler av ATP lagras energi i form av kemiska bindningar. När dessa kemiska bindningar bryts kan energin användas.
Celldöd
Celldöd, även kallad apoptos, är en viktig del av livet. När celler blir gamla eller trasiga rensas de bort och förstörs. Mitokondrier hjälper till att avgöra vilka celler som förstörs.
Mitokondrier frigör cytokrom C, som aktiverar caspas, ett av de viktigaste enzymerna som är involverade i att förstöra celler under apoptos.
Eftersom vissa sjukdomar, såsom cancer, innebär en nedbrytning av normal apoptos, anses mitokondrier spela en roll i sjukdomen.
Lagring av kalcium
Kalcium är viktigt för ett antal cellulära processer. Till exempel kan frigöring av kalcium i en cell initiera frisättning av en neurotransmittor från en nervcell eller hormoner från endokrina celler. Kalcium är också nödvändigt för bland annat muskelfunktion, befruktning och blodkoagulering.
Eftersom kalcium är så kritiskt reglerar cellen det tätt. Mitokondrier spelar en roll i detta genom att snabbt absorbera kalciumjoner och hålla dem tills de behövs.
Andra roller för kalcium i cellen inkluderar reglering av cellulär metabolism, steroidesyntes och hormonsignalisering.
Värmeproduktion
När vi är kalla skakar vi för att hålla oss varma. Men kroppen kan också generera värme på andra sätt, varav en är att använda en vävnad som kallas brunt fett.
Under en process som kallas protonläckage kan mitokondrier generera värme. Detta kallas icke-rystande termogenes. Brunt fett finns på de högsta nivåerna hos spädbarn, när vi är mer mottagliga för kyla och långsamt minskar nivåerna när vi åldras.
Mitokondriell sjukdom
DNA i mitokondrier är mer mottagligt för skada än resten av genomet.
Detta beror på att fria radikaler, som kan skada DNA, produceras under ATP-syntes.
Dessutom saknar mitokondrier samma skyddsmekanismer som finns i cellens kärna.
Men majoriteten av mitokondriella sjukdomar beror på mutationer i kärn-DNA som påverkar produkter som hamnar i mitokondrier. Dessa mutationer kan antingen vara ärvda eller spontana.
När mitokondrier slutar fungera svälter cellen de är i energi. Beroende på celltyp kan symtomen variera mycket. Som en allmän regel påverkas celler som behöver de största mängderna energi, såsom hjärtmuskelceller och nerver, mest av felaktiga mitokondrier.
Följande avsnitt kommer från United Mitochondrial Disease Foundation:
”Eftersom mitokondrier utför så många olika funktioner i olika vävnader, finns det bokstavligen hundratals olika mitokondriella sjukdomar. [...] På grund av det komplexa samspelet mellan hundratals gener och celler som måste samarbeta för att hålla våra metaboliska maskiner i gång, är det ett kännetecken för mitokondriella sjukdomar att identiska mtDNA-mutationer kanske inte ger identiska sjukdomar. ”
Sjukdomar som genererar olika symtom men som beror på samma mutation kallas genocopies.
Omvänt kallas sjukdomar som har samma symtom men som orsakas av mutationer i olika gener fenokopier. Ett exempel på en fenokopi är Leigh syndrom, som kan orsakas av flera olika mutationer.
Även om symtomen på en mitokondriell sjukdom varierar kraftigt kan de inkludera:
- förlust av muskelsamordning och svaghet
- problem med syn eller hörsel
- inlärningssvårigheter
- hjärta, lever eller njursjukdom
- gastrointestinala problem
- neurologiska problem, inklusive demens
Andra tillstånd som tros involvera en viss nivå av mitokondriell dysfunktion inkluderar:
- Parkinsons sjukdom
- Alzheimers sjukdom
- bipolär sjukdom
- schizofreni
- kroniskt trötthetssyndrom
- Huntingtons sjukdom
- diabetes
- autism
Mitokondrier och åldrande
Under de senaste åren har forskare undersökt en koppling mellan mitokondriadysfunktion och åldrande. Det finns ett antal teorier kring åldrande, och teorin om mitokondriell fri radikal om åldrande har blivit populär under det senaste decenniet.
Teorin är att reaktiva syrearter (ROS) produceras i mitokondrier, som en biprodukt av energiproduktion. Dessa högt laddade partiklar skadar DNA, fetter och proteiner.
På grund av skador orsakade av ROS skadas mitokondriernas funktionella delar. När mitokondrierna inte längre kan fungera så bra produceras mer ROS, vilket förvärrar skadan ytterligare.
Även om korrelationer mellan mitokondriell aktivitet och åldrande har hittats har inte alla forskare kommit fram till samma slutsatser. Deras exakta roll i åldringsprocessen är fortfarande okänd.
I ett nötskal
Mitokondrier är, möjligen, den mest kända organellen. Och även om de populärt kallas cellens kraftverk, utför de ett brett spektrum av åtgärder som är mycket mindre kända. Från kalciumlagring till värmeproduktion är mitokondrier oerhört viktiga för våra cellers vardagliga funktioner.
