Hvad er mitokondrier? Opbygning, funktion og DNA

Forestil dig de sidste 200 meter af et 800-meter løb. Benene er tunge, lungerne arbejder på højtryk, og kroppen skriger efter energi. Den energi kommer fra mitokondrier: bittesmå organeller i dine muskelceller, der hvert sekund omdanner glukose og ilt til det brugbare brændstof, cellen kalder ATP.

Mitokondrier er en af biologiens elegante konstruktioner. De producerer energi, regulerer celledeling, sender dødssignaler til beskadigede celler og bærer deres eget DNA, der nedarves udelukkende fra moren. Denne artikel gennemgår alt det, du skal vide: opbygning, funktion, ATP-produktion, mtDNA og mitokondriesygdomme.

Hvad er et mitokondrie?

Mitokondrier findes i næsten alle eukaryote celler, dvs. celler med en kerne: dyre-, plante-, svampe- og algeceller. Prokaryote celler som bakterier mangler mitokondrier og udfører i stedet energimetabolisme direkte via cellemembranen. Antallet af mitokondrier i én celle varierer enormt: en levercelle har typisk 1.000-2.000, mens en travl muskelcelle kan have op mod 5.000.

Selve ordet stammer fra græsk: mitos (tråd) og chondrion (korn). De tidlige mikroskopister så kornede tråde i cellernes cytoplasma og gav dem det navn. I dag ved vi, at mitokondrier kan skifte form og enten strækkes til lange tråde eller samles i kompakte klumper alt efter cellens energibehov.

Opbygningen af mitokondrier

Tænk på et mitokondrie som en termos: et ydre lag, et indre lag og et hulrum imellem. Den ydre membran er relativt glat og gennemtrængelig for småmolekyler som ioner, vand og glukose. Den indre membran er anderledes: den er stærkt foldet ind i strukturer kaldet cristae, som øger overfladearealet voldsomt og giver plads til enorme mængder af ATP-producerende enzymer.

På cristae sidder elektrontransportkædens proteinkomplekser og enzymet ATP-syntase, som direkte producerer ATP. Indenfor den indre membran finder du matrix: en proteinrig væske fyldt med enzymer til citronsyrecyklussen, ribosomer og mitokondriets eget DNA. Det er i matrix, citronsyrecyklussens reaktioner foregår, mens elektrontransportkæden er forankret i selve membranens foldninger.

Sådan producerer mitokondrier energi til cellen

Et enkelt glukosemolekyle indeholder nok kemisk energi til at producere op til 30-32 ATP. Det sker i tre sammenkoblede faser: glykolysen, citronsyrecyklussen og elektrontransportkæden. Selve respirationsformlen er gennemgået i detaljer andetsteds, men her ser vi på, hvad der foregår i hvert trin.

1. 1

   Glykolysen foregår i cytosolen

   Glukose (C₆H₁₂O₆) kløves i 10 delprocesser til to molekyler pyruvat. Nettoudbyttet er 2 ATP og 2 NADH. Processen kræver hverken ilt eller mitokondrier og foregår frit i cellens cytosol.

2. 2

   Pyruvat omdannes til Acetyl-CoA

   Pyruvat transporteres ind i mitokondriet og omdannes til Acetyl-CoA. Et CO₂-molekyle frigøres, og der dannes et NADH. Acetyl-CoA er brændstoffet til citronsyrecyklussen.

3. 3

   Citronsyrecyklussen (Krebs-cyklus) i matrix

   Acetyl-CoA indgår i en serie på 8 reaktioner i matrix. For hvert omdrejning frigøres CO₂, og der dannes NADH, FADH₂ og GTP. Cyklussen kører to gange pr. glukosemolekyle og producerer de elektronbærere, der driver det næste trin.

4. 4

   Elektrontransportkæden og ATP-syntase

   NADH og FADH₂ afleverer elektroner til proteinkomplekser i den indre membran. Energien pumper protoner ud i intermembranrummet. Protonerne strømmer tilbage ind igennem ATP-syntase, og den bevægelse driver dannelsen af ATP. Ilt er den endelige elektronmodtager og omdannes til vand.

Uden ilt stopper elektrontransportkæden, fordi der ikke er nogen elektronmodtager til sidst i kæden. Cellen skifter da til anaerob fermentering, der kun giver 2 ATP pr. glukosemolekyle. Det er præcis derfor, du hyperventilerer under intenst arbejde: kroppen kæmper for at levere nok ilt til mitokondrierne, så de kan fortsætte den langt mere effektive aerobe ATP-produktion.

Endosymbioseteorien: Mitokondriet kom udefra

De fleste cellestrukturer anses for at have udviklet sig gradvist indefra. Mitokondriet er anderledes. Det menes at stamme fra en fri levende bakterie, der for over en milliard år siden blev opslugt af en større urcelle og ikke fordøjet. De to organismer begyndte i stedet at leve i symbiose: bakterien fik et sikkert miljø, og urcellen fik en effektiv energiproducent.

Teorien understøttes af en håndfuld klare beviser: mitokondrier har deres eget cirkulære DNA som bakterier, egne ribosomer der minder om bakteriernes, og de formerer sig ved toknogling. De er desuden omgivet af to membraner, hvoraf den ydre stammer fra den opslugende celle og den indre fra den oprindelige bakterie. Som forsker Lasse Kruse Markussen fra Syddansk Universitet beskriver i Lex' artikel om mitokondrier, var den prokaryote organisme i stand til at udnytte ilt til at frigive energi, hvilket var startpunktet for udviklingen af de første eukaryote livsformer.

Mitokondrielt DNA: Det du arver fra din mor

Alt det DNA, der sidder i cellekernens kromosomer, har du arvet halvt fra din mor og halvt fra din far. Mitokondrielt DNA er anderledes. Hvert mitokondrie indeholder sit eget lille cirkulære DNA-molekyle, kaldet mtDNA, der sidder i mitokondriets matrix. Det nedarves næsten udelukkende fra moren, fordi sædens mitokondrier destrueres under eller kort efter befrugtningen.

Humant mtDNA indeholder kun 37 gener: 13 koder for proteiner i elektrontransportkæden og ATP-syntasen, mens de resterende 24 koder for RNA til mitokondriets egne ribosomer. De fleste proteiner, mitokondriet bruger, er kodet af kerne-DNA og importeres fra cytosolen. Mutationer i mtDNA kan ifølge Ugeskrift for Lægers artikel om mitokondriesygdomme føre til arvelige sygdomme, der altid følger moderlinjen, da de overføres via ægcellens mitokondrier.

Mitokondrier i muskelceller, røde blodlegemer og planteceller

Hvad har din lårmuskel og en rød blodcelle til fælles? Meget lidt, viser det sig. Tryk fingrene mod låret og spænd musklen: den bevæger sig, fordi tusindvis af muskelfibre sammentrækker proteinfilamenter næsten synkront. Det kræver enormt meget ATP kontinuerligt, og muskelceller løser det ved at pakke sig fyldt med mitokondrier i lange parallelle rækker langs muskelfibrene, altid klar til at levere energi.

Røde blodlegemer er det modsatte. De har slet ingen mitokondrier. Deres eneste opgave er at transportere ilt via hæmoglobin, og de har afgivet både cellekerne og organeller for at få plads til mere hæmoglobin. Det lille ATP, de har brug for, producerer de via glykolysen alene. Planteceller placerer sig midt imellem: de har mitokondrier til aerob respiration, men de har også kloroplaster, der via fotosyntese producerer den glukose, som mitokondrierne derefter nedbryder for at give energi.

Apoptose: Når mitokondrier sender dødssignaler

En celle med så meget DNA-skade, at den ikke kan reparere sig selv, er farlig. Lader kroppen den fortsætte, kan den begynde at dele sig ukontrolleret. Det kalder vi kræft. Løsningen er apoptose: programmeret celledød, en kontrolleret nedbrydning af cellen indefra uden at skade naboerne.

Mitokondriet er det centrale kontrolpunkt. Når cellen modtager skadessignaler, frigiver mitokondrierne proteinet cytokrom c ud i cytosolen. Cytokrom c sætter en enzymkaskade i gang, der aktiverer proteaser, som systematisk klipper cellen i stykker. Indholdet pakkes i membranvesikler og ryddes op af immunforsvaret. Apoptose er ikke patologisk, men livsnødvendig: det er den mekanisme, der former fosterets fingre ved at fjerne huden imellem dem, og som fjerner kræftprægede celler, inden de spreder sig.

Mitokondriesygdomme: Når kraftværket svigter

Fordi mitokondrier deltager i så mange cellulære processer, kan fejl i dem give et bredt spektrum af sygdomme. Mitokondriesygdomme er genetiske lidelser forårsaget af mutationer i enten mtDNA eller kerne-DNA, der koder for mitokondrielle proteiner. Væv med et højt energibehov rammes hårdest: nervevæv, skeletmuskler og hjertemusklen. Kæmper du med biologipensum, kan du få hjælp fra en erfaren underviser via vores biologilektiehjælp.

Symptomerne varierer voldsomt: muskelsygdom (myopati), epilepsi, synstab, diabetes og hjertesvigt. En afgørende konsekvens af mors-arv er, at mitokondriesygdomme altid nedarves via moderlinjen. Kvinder, der bærer på en mitokondriel sygdom, kan i visse lande tilbydes mitokondriedonation: en teknik, hvor cellekernens DNA fra moderens æg overføres til en donors ægcelle med raske mitokondrier. Resultatet er et barn med DNA fra tre biologiske bidragydere. I Danmark er teknikken foreløbigt ikke lovlig.