Mitokondrier
Mitokondrier. Av /Shutterstock. Begrenset gjenbruk

mitokondrie

Dyrecelle

Illustrasjonen viser en dyrecelle. Blant de mange organellene finner vi også mitokondriene, cellenes energiverk.

Dyrecelle
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Artikkelstart

Mitokondriene er cellenes «energiverk» og produserer energi som cellen trenger for å utføre alle livsprosesser. Mitokondrier finnes i alle eukaryote celler, altså celler med cellekjerne.

Faktaboks

Uttale
mitokˈondrie
Etymologi
av gresk mitos, ‘tråd’, og khondrion, ‘gryn’
Også kjent som
mitokondrium, mitokondrion, kondriosom

Mitokondriene spiller en viktig rolle i celleåndingen. I celleåndingen bruker cellen oksygen til å bryte ned energirike næringsstoffer som karbohydrater, fett og proteiner. I nedbrytningen frigjøres energi som cellen trenger. Samtidig dannes det karbondioksid (CO2) og vann. Det er på grunn av mitokondriene at de aller fleste eukaryote organismer er avhengig av oksygen – både planter, dyr, sopp og alger.

Mitokondriene er organeller inne i cellene. Andre organeller er for eksempel cellekjernen og golgiapparatet.

Opprinnelse

Mitokondriene stammer sannsynligvis fra en form for bakterier (prokaryote organismer). Disse var i stand til å utnytte oksygen fra atmosfæren til å bryte ned energirike næringsstoffer slik at det ble produsert energi til cellene. De hadde en form for celleånding. For mer enn én milliard år siden invaderte disse bakteriene en urcelle med cellekjerne og etablerte et samarbeid (symbiose). Dette var starten på evolusjon av eukaryote organismer. Denne teorien kalles endosymbioseteorien.

Oppbygning

Sædcelle

Mitokondriene i sædcellen befinner seg i mellomstykket. Disse mitokondriene er lengre og tynnere enn dem man vanligvis finner i cytoplasma.

Av /Store medisinske leksikon ※.

Vanligvis fremstilles mitokondriene som ovale organeller, men det er kun i et elektronmikroskop at de kan sees som enkeltorganeller. I lysmikroskop kan de sees som mer trådliknende strukturer (gresk mitos, 'tråd'). I sædceller er mitokondriene tett pakket som en spiral rundt midtstykket av sædcellen og forsyner halen med energi.

Mitokondriene utgjør en del av cellens cytoplasma og ligger i cellens cytosol. Mitokondriene er om lag 0,5 mikrometer tykke og med varierende lengde, opptil sju mikrometer.

Mitokondrie
Illustrasjonen til venstre viser en mitokondrie med to membraner. Den ytre membranen ser ut som en kapsel og er jevn. Den indre membranen er sterkt foldet. Foldene kalles cristae. Rommet mellom de to membranene kalles det «intermembranøse rom». Til høyre er det et elektronmikroskopisk bilde av en mitokondrie.
Av /OpenStax CNX, Anatomy and Physiology. 12. feb. 2019.
Lisens: CC BY 4.0

Struktur

Oppbygning
Mitokondrienes struktur med to membraner.
Oppbygning
Av /Biorender.

Mitokondriene er omsluttet av to membraner: en indre og en ytre. Den ytre membranen stammer fra den gangen de prokaryote organismene ble omsluttet av urcellen. Den indre membranen stammer fra den originale bakteriecellen. Den indre membranen er sterkt foldet og danner dermed flere innbuktninger som kalles cristae. Innbuktningene gjør at overflaten på den indre membranen blir svært stor, noe som har betydning for energiproduksjonen.

Rommet og væsken innenfor den indre membranen kalles matriks. Dette er en væske som består av blant annet ioner og enzymer i tillegg til mitokondriens egne ribosomer og DNA. Ribosomene og DNA-et stammer fra den gangen mitokondriene var selvstendige organismer.

Den ytre membranen avgrenser mitokondrien fra cytosol. Rommet mellom de to membranene kalles intermembranrommet (av latin inter-, 'mellom-'). Her er det også en væske med nøye regulert innhold som er viktig for energiproduksjonen.

I både den indre og den ytre membranen er det mange pumper, kanaler og enzymer. Pumpene og kanalene sørger for at konsentrasjonen av salter og andre ioner er stabil. Enzymene i veggene er viktig for produksjonen av energi.

Arvestoff

Mitokondriene har sitt eget DNA som kalles mitokondrielt DNA (mtDNA) eller mitokondriegenom. mtDNA er langt mindre enn DNA-et i cellekjernen. Mens DNA-et i cellekjernen er fordelt på lineære kromosomer, er mtDNA et lite sirkulært DNA-molekyl som likner bakterienes DNA. mtDNA gir en indikasjon på at mitokondriene en gang har vært selvstendige prokaryote organismer.

Hver mitokondrie kan inneholde flere titalls DNA-molekyler. I celler med mange mitokondrier kan det derfor være tusenvis av mtDNA-molekyler. Siden det kan være mange tusen like kopier av mtDNA i hver enkelt celle, kan man gjøre DNA-analyser av mtDNA, for eksempel fra knokkelrester, lenge etter at organismen er død.

I dyreceller inneholder mtDNA 37 gener, hvor 13 av disse genene er 'oppskrifter' for proteiner, 22 gener koder for tRNA og 2 gener koder for rRNA. tRNA og rRNA inngår i mitokondrienes ribosomer, hvilket betyr at mitokondriene har sin egen proteinsyntese. De mitokondrielle ribosomene likner de prokaryote ribosomene og er noe mindre enn cellens egne ribosomer i cytosol. De 13 proteinene produseres av mitokondrienes ribosomer. Disse proteinene er med på å kontrollere uttrykket av de proteinkompleksene som befinner seg i den indre mitokondriemembranen. Genene som koder for disse proteinkompleksene finnes i DNA-et i cellekjernen. For at mitokondriene skal fungere, er de helt avhengig av både eget mtDNA og DNA-et i cellekjernen.

Forekomst

Mitokondriefisjon
Mitokondrier deler seg ved fisjon.
Mitokondriefisjon
Av /Biorender.

Mitokondrier finnes i alle eukaryote celler, som plante-, dyre- og soppceller, samt alger og encellede dyreceller (inkludert protister). Prokaryote organismer har derimot ikke mitokondrier.

Antallet mitokondrier kan variere enormt avhengig av organisme, vev og celletype. Røde blodceller har ikke mitokondrier, mens én levercelle kan ha mer enn 2000 mitokondrier. Sædceller har 50—75 mitokondrier pakket rundt midtstykket. Encellede eukaryote organismer har færre mitokondrier per celle enn det celler i flercellede organismer har.

Antall mitokondrier i en celle gjenspeiler cellens energibehov. Celler med høyt energiforbruk, for eksempel muskelceller, har svært mange mitokondrier. I muskelceller øker også antallet mitokondrier med trening. Antallet mitokondrier i en celle kan også reguleres avhengig av energibehovet.

Mitokondriene kan både dele seg (mitokondriell fisjon) og smelte sammen (mitokondriell fusjon). Mitokondriell fisjon er viktig for å erstatte ødelagte mitokondrier, opprettholde antallet mitokondrier når cellene deler seg, men er også involvert i å regulere celledød. Mitokondriell fusjon antas blant annet å være en respons på sult for å unngå å bli degradert ved hjelp av autofagi. Gamle og ødelagte mitokondrier fjernes fra cellen gjennom en prosess som kalles mitofagi, det vil si autofagi av mitokondrier.

Mitokondrier kommuniserer med hverandre og med andre organeller, som endoplasmatisk retikulum, cellekjernen og peroksisomer, for å opprettholde cellens funksjon.

Funksjon

Produksjon av ATP

Mitokondrienes viktigste oppgave er å produsere ATP til cellens livsprosesser. Mesteparten av mitokondrienes ATP-produksjon skjer ved oksidativ fosforylering. Denne prosessen består av to nært sammenkoplede deler: elektrontransportkjeden og kjemiosmose.

Elektrontransportkjeden er lokalisert i den indre mitokondriemembranen. Her føres elektroner fra ett molekyl til et annet gjennom en rekke redoksreaksjoner. Energi frigjøres i disse elektronoverføringene og brukes til å danne en elektrokjemisk gradient – en protongradient – over den indre mitokondriemembranen. En gradient er i denne sammenheng en forskjell i konsentrasjon av protoner over den indre membranen. Ved kjemiosmose brukes energien som er lagret i protongradienten til å produsere ATP.

Elektronene som forsyner elektrontransportkjeden stammer fra nedbrytning av næringsstoffer som karbohydrater, fett og proteiner. Elektronene som frigjøres under nedbrytningen fanges opp av såkalte elektronbærere, NADH og FADH2. Det er elektronbærerne som overfører elektronene til elektrontransportkjeden. I enden av kjeden fungerer oksygen som en elektronmottaker som fanger opp elektroner, slår seg sammen med to protoner og omdannes til vann (H2O). Det er oksygenets rolle som elektronmottaker som er årsaken til at vi er helt avhengig av oksygen. Uten oksygen til stede (anaerobt) vil ikke elektrontransportkjeden kunne kvitte seg med elektronene, og det vil ikke dannes en protongradient. Dermed ingen kjemiosmose og heller ingen ATP-produksjon. Anaerobe organismer, som for eksempel svovelbakterier, benytter svovel som elektronmottaker istedenfor oksygen.

Produksjonen av ATP avhenger av et stort enzymkompleks, ATP-syntase. Protongradienten som bygges opp av elektrontransportkjeden gjør at konsentrasjonen av protoner er høyere i intermembranrommet enn i matriks (det innerste hulrommet i mitokondriene). Protoner kan derfor transporteres tilbake til matriks via ATP-syntasen. Energien som frigjøres i denne transporten driver dannelsen av ATP ved at ADP fosforyleres til ATP. Behovet for oksygen og fosforylering av ADP til ATP har gitt navnet til prosessen, oksidativ fosforylering.

Elektrontransportkjeden
Elektrontransportkjeden er en reaksjonsvei hvor energien fra NADH og FADH2 omdannes til ATP. Reaksjonen foregår i mitokondriene og krever oksygen. Ved siden av ATP dannes det også vann, H2O.

Utkoblingsmekanismer

Dersom protoner flyter inn gjennom den indre membranen utenom ATP-syntasen, frikoples elektrontransporten fra ATP-syntese. I noen celletyper, spesielt i brunt fettvev, produseres spesielle utkoplerproteiner som frakter protoner inn i matriks gjennom den indre mitokondriemembranen. Resultatet er at energien som frigjøres ved nedbrytning av næringsstoffer bare går med til å produsere varme. For brunt fettvev er dette hensiktsmessig, siden hovedfunksjonen til dette vevet er å produsere varme. Nyfødte og små barn har særlig mye brunt fettvev og bruker mye av næringsstoffene til varmeproduksjon. Små barn har større varmetap enn voksne på grunn av at de har en stor overflate i forhold til kroppsvolum. Uten brunt fettvev ville varmetapet ha vært stort.

Beta-oksidasjon

Mitokondriell beta-oksidasjon er en gradvis nedbrytning av fettsyrer som frigir energi til cellen, særlig når tilgang på karbohydrater (glukose) er lav som ved faste. I planter og de fleste sopp foregår beta-oksidasjon i peroksisomer.

Programmert celledød

Cytokrom C er et lite protein i intermembranrommet og utgjør en del av elektrontransportkjeden. I tillegg til både å motta og gi fra seg elektroner, har cytokrom c en viktig funksjon ved å utløse programmert celledød (apoptose). Programmert celledød iverksettes dersom cytokrom c slipper ut gjennom mitokondrienes yttermembran til cytosol. Apoptose er en viktig prosess for å fjerne gamle, ødelagte eller muterte celler.

Produksjon av frie oksygenradikaler

Under elektrontransporten skjer det noe lekkasje av elektroner fra kjeden ved at det dannes frie oksygenradikaler. Frie oksygenradikaler er svært reaktive og danner raskt kjemiske bindinger som kan skade nærliggende molekyler. Slike frie oksygenradikaler kan derfor skade molekyler som DNA, proteiner og lipider.

Spesielt er dette problematisk for mtDNA, blant annet fordi systemene for reparasjon av DNA-skader i mitokondriene er mindre effektive enn for cellekjernens DNA (se DNA-reparasjon). Begynnende skader på mtDNA ser ut til å skape ubalanse i regulering av elektrontransportkjeden slik at det dannes flere frie oksygenradikaler. Dette utløser en ond sirkel som etter hvert medfører celledød gjennom apoptose.

Giftstoffer som kan hemme ATP-produksjon

Noen små molekyler kan blokkere transporten av elektroner gjennom elektrontransportkjeden. Disse molekylene kan medføre rask død på grunn av manglende produksjon av ATP. Eksempler er: rotenon, som blant annet brukes som plantegift, cyanid (blåsyre), azid og karbonmonoksid.

Arv av mitokondrier

Mitokondriearv

Cellenes kjerne-DNA arves både fra mors- og farssiden. Mitokondriene arves derimot bare fra morssiden. Derfor er alt DNA fra mitokondriene fra morssiden.

Mitokondriearv
Av /Biorender.

Når en eggcelle og en sædcelle smelter sammen til en zygote, kommer ingen av mitokondriene fra sædcellen med. Det betyr at vi kun arver mitokondriene våre fra mor, og dette kalles mitokondriell arv. Ved hjelp av analyser av mitokondrielt DNA kan vi utlede utviklingskart eller «stamtavler» bakover i tid til vår siste felles «urmor», ofte kalt mitokondrie-Eva.

Mitokondrier og sykdom

Det finnes en rekke sykdommer knyttet til mitokondriene. Disse kalles mitokondrielle sykdommer. De arves maternelt fra mor. Både kvinner og menn kan rammes av mitokondrielle sykdommer, men kun kvinner kan altså føre sykdommen videre til neste generasjon.

Mitokondrielle sykdommer rammer først og fremst vev som har behov for høy ATP-produksjon, særlig nerve- og muskelvev. Mange mitokondrielle sykdommer skyldes mutasjoner i mtDNA, men det finnes også sykdommer forbundet med mutasjoner i DNA-et i cellekjernen. Det finnes en rekke ulike undergrupper av mitokondrielle sykdommer og det oppdages stadig nye.

Mitokondriedonasjon

Kvinner som er rammet av en mitokondriell sykdom kan ved hjelp av mitokondriedonasjon få muligheten til å redusere eller fjerne risikoen for å overføre sykdommen til barnet. En frisk donor kan donere eggceller hvor cellekjernen fjernes og erstattes med cellekjernen fra den mitokondriesyke moren. Ved hjelp av assistert befruktning kan den blivende moren få implantert en zygote som inneholder genmateriale fra far, blivende mor og mtDNA fra frisk donor.

I Norge er mitokondriedonasjon foreløpig ikke lov. Storbritannia er foreløpig det eneste landet som tillater mitokondriedonasjon ved lov.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg