mitokondrie

Mitokondrie, organell i cellen der mesteparten av energien cellen trenger i form av adenosintrifosfat (ATP) dannes. Flere sentrale biokjemiske reaksjoner foregår inne i mitokondriene, bl.a. nedbrytning av fettsyrer i en prosess som kalles betaoksidasjon, sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden (respirasjonskjeden) som fører til oksidativ fosforylering som danner ATP, og deler av ureasyklusen, som danner urinstoff.

Mitokondriene er avgrenset mot cytosol (cytoplasma utenom organellene i cellen) av en dobbeltmembran. Rommet omsluttet av innermembranen kalles mitokondriematriks (eller bare matriks), mens rommet mellom de to membranene kalles «det intermembranøse rommet». Antall mitokondrier i en celle gjenspeiler cellens energibehov, slik at celler med høyt energiforbruk (f.eks. de saltsyreproduserende cellene i magesekkepitelet), har svært mange mitokondrier. I muskelceller øker antallet mitokondrier med trening.

I elektrontransportkjeden flyter elektroner gjennom fire store proteinkomplekser (nummerert fra I til IV), som sitter innleiret i mitokondrienes innermembran. Elektronene er frigjort ved nedbrytning av organiske molekyler, spesielt sakkarider og fettsyrer. Elektronene fraktes til elektrontransportkjeden og mellom proteinkompleksene i kjeden med molekyler kalt elektronbærere. Flyten av elektroner gjennom kjeden medfører redoksreaksjoner (reduksjons-oksidasjonsreaksjoner) som frigjør kjemisk energi. Energien blir i første omgang brukt til å pumpe H⁺-ioner ut fra matriks over innermembranen. Siden H⁺-ionene er elektrisk ladet, medfører denne skjevfordelingen at det over innermembranen utvikles en spennings- og konsentrasjonsforskjell, kalt elektrokjemisk gradient. Dette representerer en energirik tilstand (svarende til oppladningen av et bilbatteri), som kan tappes, der energien som frigjøres brukes til å syntetisere ATP. Fordi syntesen av ATP er koplet til redoksreaksjoner, kalles den samlede prosessen oksidativ fosforylering.

ATP syntetiseres når H⁺-ionene flyter inn i matriks igjen gjennom et protein kalt ATP-syntase. ATP-syntasen, som går gjennom innermembranen, kan ses på som en ionepumpe som arbeider i motsatt retning, dvs. danner ATP når H⁺-ioner flyter inn gjennom pumpen. Ved å endre den elektrokjemiske gradienten er det imidlertid mulig å reversere pumpen, slik at den pumper H⁺-ioner ut under forbruk av ATP.

Dersom H⁺-ioner flyter inn gjennom innermembranen utenom ATP-syntasen, frikoples elektrontransporten fra ATP-syntese. I flere celletyper, spesielt i brunt fettvev, produseres spesielle utkoplerproteiner som frakter H⁺-ioner inn i matriks gjennom innermembranen. Resultatet er at energien som frigjøres ved nedbrytning av sakkarider og fettstoffer bare går med til å produsere varme. For brunt fettvev er dette hensiktsmessig, ettersom dette vevets hovedfunksjon er å produsere varme. Noen små organiske stoffer, som for eksempel dinitrofenol, virker som utkoplere og dermed slankende. Bruken av dinitrofenol er imidlertid forbundet med alvorlige bivirkninger, og kan i verste fall medføre død grunnet overoppheting (hypertermi).

Noen små molekyler kan blokkere transporten av elektroner gjennom elektrontransportkjeden, og vil kunne medføre rask død grunnet manglende produksjon av ATP. Eksempler er stoffene rotenon (som bl.a. brukes som plantegift), amytal, CN^- (cyanid, syreresten av blåsyre), N₃^- (azid) og CO (karbonmonoksid).

Elektronbæreren mellom kompleks III og IV i elektrontransportkjeden er et lite protein kalt cytokrom-c, som flyter i væsken i det intermembranøse rommet. Cytokrom-c har en annen viktig funksjon ved at det kan utløse programmert celledød (apoptose) dersom det slipper ut gjennom mitokondrienes yttermembran til cytosol. Passasjen av cytokrom-c til cytosol er nøye regulert av et spesielt proteinkompleks i yttermembranen. Sammensetningen av proteiner i dette komplekset er selv gjenstand for regulering og styres dels av ytre signaler i form av såkalte vekstfaktorer som signaliserer om cellen skal overleve.

Mitokondriene har sitt eget DNA og proteinsynteseapparatet (se DNA, avsnittet Proteinsyntese). I animalske celler (inklusive menneskeceller) koder mitokondrie-DNA for 13 polypeptidkjeder (se polypeptider) som inngår i proteiner inne i mitokondriene. Alle de øvrige proteinene som mitokondriene trenger, er kodet for i det nukleære DNA, syntetiseres i cytosol og må importeres derfra.

Mitokondrie-DNA koder også for ribosomalt RNA (rRNA), som inngår i mitokondrienes ribosomer. Mitokondrienes ribosomer likner mer på bakterieribosomer (prokaryote ribosomer) enn på ribosomene som befinner seg ute i cellens cytosol (eukaryote ribosomer). Noen antibiotika, som kloramfenikol og tetrasyklin, hemmer bakterievekst ved at de hemmer proteinsyntese på prokaryote, men ikke på eukaryote ribosomer. Både kloramfenikol og tetrasyklin hemmer imidlertid også proteinsyntese på mitokondrienes ribosomer.

Ved elektrontransporten skjer en viss grad av lekkasje av elektroner ut fra kjeden ved at det dannes såkalte frie oksygenradikaler (FOR). FOR er kjemisk meget reaktive og danner raskt kjemiske bindinger som kan føre til irreversible skader av omliggende molekyler, som DNA, proteiner og lipider. Spesielt er dette problematisk for det mitokondriale DNA, bl.a. fordi systemene for reparasjon av DNA-skader i mitokondriene er mindre effektive enn for det nukleære DNA. Begynnende skader på mitokondrialt DNA ser ut til å skape ubalanse i regulering av respirasjonskjeden slik at det dannes mer FOR, hvilket utløser en ond sirkel som etter hvert medfører celledød gjennom apoptose. Denne mekanismen antas å bidra til aldring av organismen (se aldring).

Siden det kan være mange tusen like kopier av mitokondrie-DNA i hver enkelt celle, kan man gjøre DNA-analyser av mitokondrie-DNA, f.eks. fra knokkelrester, lenge etter at organismen er død. Mitokondrienes arvestoff viser særegen arvegang fordi det utelukkende nedarves fra moren til avkommet. Dette har interessante konsekvenser for arvegangen til ulike mitokondriale sykdommer, samt at vi ved hjelp av analyser av mitokondrialt DNA kan utlede utviklingskart eller «stamtavler» bakover i tid til vår siste felles «urmor» (se mitokondrie-Eva).

Mitokondriene antas å være utviklet fra aerobe (oksygenavhengige) bakterier som levde i symbiose med forløpere for eukaryote celler (se endosymbioseteorien).