Mitochondrion Definition

mitochondrion (plural mitochondria) är en membranbunden organell som finns i cytoplasman hos eukaryota celler. Det är cellens krafthus; det är ansvarigt för cellulär andning och produktion av (mest) ATP i cellen. Varje cell kan ha från en till tusentals mitokondrier. Mitokondrier innehåller också extranukleärt DNA som kodar för ett antal rRNA, tRNA och proteiner.

figuren visar den allmänna strukturen hos en typisk djurcell. Organellerna är märkta.

mitokondrion Ursprung

den nuvarande teorin om ursprunget för eukaryota celler är endosymbios. Man tror att mitokondrier (och kloroplaster) började som prokaryota organismer som levde i större celler. Det är troligt att dessa prokaryota organismer uppslukades av de större cellerna, antingen som mat eller parasiter. Vid någon tidpunkt blev förhållandet ömsesidigt fördelaktigt och mitokondrier och kloroplaster blev en permanent egenskap i cellerna. De var inneslutna i membran och bildade cellulära maskiner.

Mitokondrionstruktur

mitokondrier är små membranbundna organeller som vanligtvis är cirka 1-10 mikron långa. De kan vara sfäriska eller stavformade. Mitokondrionen är innesluten av två membran som skiljer den från cytosolen och resten av cellkomponenterna. Membranen är lipidbilayers med proteiner inbäddade i skikten. Det inre membranet viks för att bilda cristae; detta ökar membranets yta och maximerar cellulär andningsutgång. Regionen mellan de två membranen är intermembranutrymmet. Inuti det inre membranet är mitokondriell matris, och inom matrisen finns ribosomer, andra enzymer och mitokondriellt DNA. Mitokondrionen kan reproducera och syntetisera proteiner oberoende. Den innehåller de enzymer som är nödvändiga för transkription, liksom överföringsrna och ribosomer som krävs för översättning och proteinbildning.

figuren visar en utskärning av ett djurmitochondrion. De viktigaste komponenterna är märkta.

mitokondriellt DNA

mitokondriellt DNA (mtDNA) är typiskt en liten cirkulär dubbelsträngad DNA-molekyl som kodar för ett antal proteiner och RNA som huvudsakligen är involverade i cellulär andning och cellreproduktion. I vissa protister och svampar kan mtDNA vara linjär. Mitokondriellt DNA är väl bevarat inom taxa. Till exempel har många fåglar eller däggdjur samma genordning. Djur mitokondriellt DNA kodar för två ribosomala RNA, 22 överförings RNA och 13 proteinkodande gener (underenheter av NADH, ATPas och cytokrom). Den består också av den icke-kodande kontrollregionen, eller D-loop, som är involverad i regleringen av DNA-replikation.

till skillnad från nukleärt DNA, som överförs från båda föräldrarna, är mitokondriellt DNA i allmänhet uniparentalt ärvt (med några anmärkningsvärda undantag). Hos djur överförs mtDNA maternellt genom ägget, utom i tvåskaliga blötdjur där biparental arv finns. I växter kan mtDNA vidarebefordras moderligt, faderligt eller biparentalt. Det finns också bevis för faderläckage av mtDNA, där avkomman ärver större delen av sin mtDNA från sin mor men också får en liten mängd från sin far.

mutationer i mitokondriellt DNA kan resultera i ett antal mänskliga genetiska sjukdomar, särskilt de som involverar energiförbrukning i muskel-och nervsystemet. Exempel inkluderar diabetes, hjärtsjukdom, myoklonisk epilepsi, Kearns-Sayre neuromuskulärt syndrom och Alzheimers. Det har också varit inblandat i degenerativa sjukdomar och åldrande.

jämfört med nukleära kodande gener utvecklas djurens mitokondriella DNA cirka 10 gånger snabbare, vilket gör att förändringar kan ses inom en relativt kort tidsram. Det muterar också på ett relativt klockliknande sätt (med några undantag). Av denna anledning används mitokondriellt DNA ofta för att studera evolutionära relationer och populationsgenetik hos djur; det var drivkraften bakom ”Out-of-Africa” – hypotesen om mänsklig utveckling, liksom det evolutionära förhållandet mellan människor och apor. Växt mtDNA utvecklas ganska långsamt och används mindre ofta i evolutionära studier.

figuren visar de små cirkulära DNA-molekylerna i organellerna.

Mitokondrionfunktion

mitokondrier är involverade i att bryta ner sockerarter och fetter till energi genom aerob andning (cellulär andning). Denna metaboliska process skapar ATP, energikällan för en cell, genom en serie steg som kräver syre. Cellulär andning innefattar tre huvudfaser.

figuren visar en översikt över cellulär andning. Glykolys sker i cytosolen medan Krebs-cykeln och oxidativ fosforylering förekommer i mitokondrier.

glykolys

glykolys förekommer i cytosolen och delar glukos i två mindre sockerarter som sedan oxideras för att bilda pyruvat. Glykolys kan vara antingen anaerob eller aerob, och är som sådan inte tekniskt en del av cellulär andning, även om den ofta ingår. Det producerar en liten mängd ATP.

under glykolys fosforyleras startglukosmolekylen (med användning av en ATP-molekyl) och bildar glukos-6-fosfat, som sedan omarrangeras till dess isomer fruktos-6-fosfat. Molekylen fosforyleras igen (med användning av en andra ATP-molekyl), denna gång bildar fruktos-1,6-bisfosfat. Fruktos-1,6-bisfosfat delas sedan upp i två 3-kolsocker som omvandlas till pyruvatmolekyler genom en redoxreaktion, som producerar två NADH-molekyler och fosforylering på substratnivå, som frigör fyra molekyler av ATP. Glykolys producerar en netto två ATP-molekyler.

citronsyracykel

i närvaro av syre kommer pyruvatmolekylerna som produceras i glykolys in i mitokondrionen. Citronsyracykeln, eller Krebs-cykeln, förekommer i mitokondriell matris. Denna process bryter ner pyruvat till koldioxid i en oxidationsreaktion. Citronsyracykeln resulterar i bildandet av NADH (från NAD+) som transporterar elektroner till slutstadiet av cellulär andning. Citronsyracykeln producerar två ATP-molekyler.

pyruvat kommer in i mitokondrionen och omvandlas till acetyl-koenzym A. Denna omvandling katalyseras av enzymer, producerar NADH och frigör CO2. Acetylgruppen går sedan in i citronsyracykeln, en serie av åtta enzymkatalyserade steg som börjar med citrat och slutar i oxaloacetat. Tillsatsen av acetyl-gruppen till oxaloacetat bildar citrat och cykeln upprepas. Nedbrytningen av citrat i oxaloacetat frigör ytterligare två CO2-molekyler och en molekyl av ATP (genom fosforylering på substratnivå). Majoriteten av energin är i de reducerade koenzymerna NADH och FADH2. Dessa molekyler transporteras sedan till elektrontransportkedjan.

figuren visar omvandlingen av pyruvat till acetyl-koenzym A och dess progression genom citronsyracykeln.

oxidativ fosforylering

oxidativ fosforylering består av två delar: elektrontransportkedjan och kemiosmos. Det är detta sista steg som producerar huvuddelen av ATP i andningsprocessen. Elektrontransportkedjan använder elektronerna som bärs framåt från de föregående två stegen (som NADH och FADH2) för att bilda vattenmolekyler genom kombination med syre och vätejoner. Oxidativ fosforylering sker i mitokondrionens inre membran.

elektrontransportkedjan består av fem multiproteinkomplex (i till IV) som upprepas hundratals till tusentals gånger i cristae av det inre membranet. Komplexen består av elektronbärare som transporterar elektronerna som frigörs från NADH och FADH2 genom en serie redoxreaktioner. Många av proteinerna som finns i elektrontransportkedjan är cytokromer, proteiner som kodas för delvis av mitokondriellt DNA. När elektronerna rör sig längs kedjan överförs de till allt fler elektronegativa molekyler. Det sista steget är överföringen av elektronen till en syreatom som kombineras med två vätejoner för att bilda en vattenmolekyl. Elektrontransportkedjan i sig producerar inte ATP.

ATP produceras via kemiosmos, en process som också förekommer i mitokondrionens inre membran. Kemiosmos involverar transmembranproteinet ATP-syntas som producerar ATP från ADP och oorganiskt fosfat. ATP-syntas använder koncentrationsgradienten av vätejoner för att driva bildandet av ATP. När elektronerna rör sig genom elektrontransportkedjan skjuts vätejoner ut i intermembranutrymmet och producerar en högre koncentration av H+ utanför membranet. Konsumtionen av H+ genom införlivande i vattenmolekyler ökar koncentrationsgradienten ytterligare. Vätejonerna försöker sedan komma in i mitokondriell matris för att utjämna koncentrationerna; det enda stället de kan korsa membranet är genom ATP-syntas. Flödet av H+ genom enzymet resulterar i konformationella förändringar som ger katalytiska aktiva platser för ADP och oorganiskt fosfat. När dessa två molekyler binder till ATP-syntas är de anslutna och katalyserade för att bilda ATP.

oxidativ fosforylering producerar mellan 32 och 34 ATP-molekyler från varje initial glukosmolekyl, vilket står för ~89% av den energi som produceras vid cellulär andning.

frågesport

1. Vilket steg av cellulär andning producerar mest ATP?
A. Krebs cykel
B. glykolys
C. citronsyracykel
D. Kemiosmos

2. Var uppstår oxidativ fosforylering?
A. mitokondriell matris
B. yttre membran
C. inre membran
D. Intermembranutrymme

3. Vilka organismer innehåller inte mitokondrier?
A. växter
B. djur
C. bakterier
D. Svampar

• Boore, J. L. (1999). Djur mitokondriella genom. Nukleinsyror Forskning, 27, 1767-1780.
• Brown, W. M., George, M., & Wilson, A. C. (1979). Snabb utveckling av djur mitokondriellt DNA. Förfaranden av National Academy of Sciences USA, 76, 1967-1971.
• Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2005).Biologi, 7: e. ed. Chs. 6, 9 och 26. San Francisco, CA: Benjamin Cummings. ISBN: 0-8053-7171-0.
• Cann, rl, Stoneking, M., & Wilson, AC (1987). Mitokondriellt DNA och mänsklig utveckling. . Natur, 325, 31-36.
• Madigan, M. T., & Martinko, J. M. (2006).Brock biologi av mikroorganismer, 11: e. ed. Chs. 7 och 14. Övre Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN: 0-13-144329-1.
• Wallace, DC (1999). Mitokondriella sjukdomar hos människa och mus. Vetenskap, 283, 1482-1488.