Mitochondrion definitie

De mitochondrion (meervoud mitochondriën) is een membraangebonden organel die wordt aangetroffen in het cytoplasma van eukaryotische cellen. Het is het Energiehuis van de cel; het is verantwoordelijk voor cellulaire ademhaling en productie van (de meeste) ATP in de cel. Elke cel kan één tot duizenden mitochondriën hebben. Mitochondriën bevatten ook extranucleair DNA dat een aantal rRNAs, tRNAs, en proteã nen codeert.

de figuur toont de algemene structuur van een typische dierlijke cel. De organellen zijn geëtiketteerd.

Mitochondrion oorsprong

de huidige theorie over de oorsprong van eukaryotische cellen is endosymbiose. Men gelooft dat mitochondria (en chloroplasten) begon als prokaryotic organismen die in grotere cellen leefden. Het is waarschijnlijk dat deze prokaryotic organismen door de grotere cellen, of als voedsel of parasieten werden overspoeld. Op een gegeven moment werd de relatie wederzijds voordelig en de mitochondriën en chloroplasten werden een permanente functie in de cellen. Ze waren ingesloten in membranen en vormden cellulaire machines.

Mitochondrionstructuur

mitochondriën zijn kleine membraangebonden organellen die gewoonlijk ongeveer 1-10 micron lang zijn. Ze kunnen bolvormig of staafvormig zijn. De mitochondrion is ingesloten door twee membranen die het scheiden van de cytosol en de rest van de celcomponenten. De membranen zijn lipide bilagen met eiwitten ingebed in de lagen. Het binnenmembraan wordt gevouwen om cristae te vormen; dit verhoogt de oppervlakte van het membraan en maximaliseert cellulaire ademhaling output. Het gebied tussen de twee membranen is de intermembrane ruimte. Binnen het binnenmembraan is de mitochondrial matrix, en binnen de matrix zijn er ribosomen, andere enzymen, en mitochondrial DNA. Mitochondrion kan proteã nen onafhankelijk reproduceren en synthetiseren. Het bevat de enzymen die nodig zijn voor transcriptie, evenals de overdracht RNAs en ribosomen die voor vertaling en eiwitvorming worden vereist.

de afbeelding toont een cut-out van een dierlijke mitochondrion. De belangrijkste componenten zijn geëtiketteerd.

mitochondriaal DNA

mitochondriaal DNA (mtDNA) is typisch een klein cirkelvormig dubbelstrengs DNA-molecuul dat codeert voor een aantal eiwitten en RNA dat voornamelijk betrokken is bij cellulaire ademhaling en celreproductie. In sommige Protisten en schimmels, kan mtDNA lineair zijn. Mitochondriaal DNA wordt goed bewaard binnen taxa. Veel vogels of zoogdieren hebben bijvoorbeeld dezelfde genorde. Dierlijke mitochondriale DNA codeert twee ribosomale RNAs, 22 overdracht RNAs, en 13 eiwitcodagegenen (subeenheden van NADH, ATPase, en cytochromen). Het bestaat ook uit het niet-codeert controlegebied, of D-lijn, die bij de verordening van de replicatie van DNA betrokken is.

In tegenstelling tot nucleair DNA, dat van beide ouders wordt doorgegeven, is mitochondriaal DNA over het algemeen uniparentaal geërfd (met enkele opmerkelijke uitzonderingen). Bij dieren wordt mtDNA via de moeder doorgegeven via het ei, behalve bij tweekleppige weekdieren waar twee-ouderlijke overerving wordt aangetroffen. In planten mtDNA kan worden doorgegeven op maternaal, paternaal, of tweepaar. Er is ook bewijs voor vaderlijke lekkage van mtDNA, waar het nageslacht het grootste deel van hun mtDNA van hun moeder erft maar ook een kleine hoeveelheid van hun Vader ontvangt.

mutaties in mitochondriaal DNA kunnen leiden tot een aantal genetische ziekten bij de mens, met name die welke betrekking hebben op energieverbruik in het spier-en zenuwstelsel. De voorbeelden omvatten diabetes, hartkwaal, myoclonic epilepsie, Kearns-Sayre neuromusculaire syndroom, en Alzheimer. het is ook betrokken bij degeneratieve ziekten en het verouderen.

in vergelijking met kerncoderende genen evolueert dierlijk mitochondriaal DNA ongeveer 10 keer sneller, waardoor veranderingen in een relatief kort tijdsbestek kunnen worden waargenomen. Het muteert ook op een relatief klokachtige manier (met enkele uitzonderingen). Om deze reden wordt mitochondriaal DNA vaak gebruikt om evolutionaire relaties en populatiegenetica in dieren te bestuderen; het was de drijvende kracht achter de “out-of-Africa” hypothese van de menselijke evolutie, evenals de evolutionaire relatie tussen mensen en apen. Plant mtDNA evolueert vrij langzaam, en wordt minder algemeen gebruikt in evolutionaire studies.

de figuur toont de kleine cirkelvormige DNA-moleculen binnen de organellen.

Mitochondriënfunctie

mitochondriën zijn betrokken bij de afbraak van suikers en vetten in energie door aërobe ademhaling (cellulaire ademhaling). Deze stofwisseling creëert ATP, de energiebron van een cel, door middel van een reeks stappen die zuurstof vereisen. De cellulaire ademhaling omvat drie hoofdstadia.

de afbeelding toont een overzicht van cellulaire ademhaling. De glycolyse vindt in cytosol plaats terwijl de cyclus Krebs en oxydatieve phosphorylation in mitochondria voorkomen.

glycolyse

glycolyse komt voor in het cytosol, waarbij glucose wordt opgesplitst in twee kleinere suikers die vervolgens worden geoxideerd tot pyruvaat. De glycolyse kan of anaërobe of aërobe zijn, en als zodanig is technisch geen deel van cellulaire ademhaling, hoewel het vaak wordt opgenomen. Het produceert een kleine hoeveelheid ATP.

tijdens de glycolyse wordt het beginnende glucosemolecuul gefosforyleerd (gebruikmakend van één ATP-molecuul), waarbij glucose-6-fosfaat wordt gevormd, dat vervolgens overgaat in zijn isomeer fructose-6-fosfaat. Het molecuul wordt opnieuw gefosforyleerd (gebruikend een tweede ATP molecuul), dit keer vormend fructose-1,6-bisfosfaat. Fructose-1,6-bisfosfaat wordt dan verdeeld in twee 3-koolstof suikers die in pyruvate molecules door een redoxreactie worden omgezet, die twee NADH molecules, en substraat-niveau phosphorylation produceert, die vier molecules van ATP vrijgeeft. Glycolyse produceert een netto twee ATP moleculen.

citroenzuurcyclus

in aanwezigheid van zuurstof komen de pyruvaatmoleculen die in de glycolyse worden geproduceerd, in het mitochondrion terecht. De citroenzuurcyclus, of Krebs-cyclus, komt voor in de mitochondriale matrix. Dit proces breekt pyruvaat af in koolstofdioxide in een oxidatiereactie. De citroenzuurcyclus resulteert in de vorming van NADH (van NAD+) die elektronen naar het laatste stadium van cellulaire ademhaling vervoert. De citroenzuurcyclus produceert twee ATP-moleculen.

pyruvaat komt in het mitochondrion en wordt omgezet in acetylco-enzym A. Deze omzetting wordt gekatalyseerd door enzymen, produceert NADH en geeft CO2 af. De acetylgroep gaat dan de citroenzuurcyclus in, een reeks van acht enzym-gekatalyseerde stappen die met citraat begint en in oxaloacetaat eindigt. De toevoeging van de acetylgroep aan oxaloacetaat vormt citraat en de cyclus herhaalt. De afbraak van citraat in oxaloacetaat geeft nog twee CO2-moleculen en één ATP-molecuul vrij (door fosforylering op substraatniveau). De meerderheid van de energie is in de verminderde coenzymes NADH en FADH2. Deze moleculen worden dan getransporteerd naar de keten van het elektronentransport.

de figuur toont de omzetting van pyruvaat in acetylco-enzym A en de progressie ervan door de citroenzuurcyclus.

oxidatieve fosforylering

oxidatieve fosforylering bestaat uit twee delen: de elektronentransportketen en chemiosmose. Het is dit laatste stadium dat het grootste deel van ATP in het ademhalingsproces produceert. De keten van het elektronentransport gebruikt de elektronen die van de vorige twee stappen (als NADH en FADH2) naar voren worden gedragen om watermoleculen door combinatie met zuurstof en waterstofionen te vormen. Oxidatieve fosforylatie komt voor in het binnenste membraan van de mitochondrion.

de elektronentransportketen bestaat uit vijf multi-eiwitcomplexen (I tot IV) die honderden tot duizenden keren worden herhaald in de cristae van het binnenste membraan. De complexen zijn samengesteld uit elektronendragers die de elektronen vervoeren die van NADH en FADH2 door een reeks redoxreacties worden vrijgegeven. Veel van de proteã nen die in de keten van het elektronentransport worden gevonden zijn cytochromen, proteã nen die voor gedeeltelijk door mitochondrial DNA worden gecodeerd. Aangezien de elektronen zich langs de ketting bewegen worden zij doorgegeven aan steeds meer elektronegatieve molecules. De laatste stap is de overdracht van het elektron aan een zuurstofatoom dat met twee waterstofionen combineert om een watermolecuul te vormen. De elektronentransportketen zelf produceert geen ATP.

ATP wordt geproduceerd via chemiosmose, een proces dat ook voorkomt in het binnenste membraan van de mitochondrion. Chemiosmose impliceert de transmembrane proteã ne ATP synthase die ATP van ADP en anorganisch fosfaat produceert. ATP synthase gebruikt de concentratiegradiënt van waterstofionen om de vorming van ATP te drijven. Aangezien de elektronen door de elektronentransportketen bewegen, worden waterstofionen in de intermembrane ruimte geduwd, die een hogere concentratie van H+ buiten het membraan produceren. De consumptie van H + door inbouw in watermoleculen verhoogt verder de concentratiegradiënt. De waterstofionen proberen dan de mitochondriale matrix opnieuw in te gaan om de concentraties te egaliseren; de enige plaats waar ze het membraan kunnen kruisen is door het ATP synthase. De stroom van H + door het enzym resulteert in conformational veranderingen die katalytische actieve plaatsen voor ADP en anorganisch fosfaat verstrekken. Wanneer deze twee molecules aan ATP synthase binden worden zij verbonden en gekatalyseerd om ATP te vormen.

oxidatieve fosforylering produceert tussen 32 en 34 ATP moleculen van elk eerste glucose molecuul, goed voor ~89% van de energie geproduceerd in cellulaire ademhaling.

Quiz

1. Welke stap van cellulaire ademhaling produceert de meeste ATP?
A. Krebs cyclus
B. glycolyse
C. citroenzuur cyclus
D. Chemiosmose

2. Waar vindt oxidatieve fosforylering plaats?
A. mitochondriale matrix
B. buitenmembraan
C. binnenmembraan
D. Intermembraanruimte

3. Welke organismen bevatten geen mitochondriën?
A. planten
B. dieren
C. bacteriën
D. Fungi

• Boore, J. L. (1999). Dierlijke mitochondriale genomen. Nucleic Acids Research, 27, 1767-1780.
• Brown, W. M., George, M., & Wilson, A. C. (1979). Snelle evolutie van dierlijke mitochondriale DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 76, 1967-1971.
• Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2005).Biologie, 7e. ed. Chs. 6, 9 en 26. San Francisco, CA: Benjamin Cummings. ISBN: 0-8053-7171-0.
• Cann, R. L., Stoneking, M., & Wilson, A. C. (1987). Mitochondriaal DNA en menselijke evolutie. . Natuur, 325, 31-36.
• Madigan, M. T., & Martinko, J. M. (2006).Brock biologie van micro-organismen, 11e. ed. Chs. 7 en 14. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN: 0-13-144329-1.Wallace, D. C. (1999). Mitochondriale ziekten bij mens en muis. Wetenschap, 283, 1482-1488.