Mitokondrio

Mitokondrio (vanh. suom. sauvajyvänen) on aitotumallisten solujen soluelin, joka vastaa soluhengityksestä eli solun energia-aineenvaihdunnasta. Mitokondriot polttavat ravintoa energiaksi ja solujen rakennusaineiksi. Ravintoaineet palavat mitokondrioissa hapen avulla vedeksi ja hiilidioksidiksi. Ravintoaineisiin sitoutunut kemiallinen energia muuntuu tällöin ATP:ksi eli adenosiinitrifosfaatiksi, joka on solun pääasiallinen energialähde.

Mitokondrio

Kaavakuva eläinsolusta ja sen osista: 1. Tumajyvänen 2. Tuma 3. Ribosomi 4. Kalvorakkula 5. Karkea solulimakalvosto 6. Golgin laite 7. Solun tukiranka 8. Sileä solulimakalvosto 9. Mitokondrio 10. Solunesterakkula 11. Solulima 12. Lysosomi 13. Keskusjyvänen

Mitokondriot säätelevät eliön aineenvaihduntaa eli niitä reaktioita, jotka liittyvät kudosten toimintaan, kasvuun ja korjaukseen. Soluhengityksen yhteydessä syntyy myös sähkövirtaa, jota tarvitaan solukalvojen sähkövarausten ylläpitoon, sillä solun sisäpuoli on negatiivisesti ja ulkopuoli positiivisesti varautunut.

Mitokondrioilla on muitakin tehtäviä, jotka liittyvät esimerkiksi solun jakautumiseen ja ohjelmoituun solukuolemaan eli apoptoosiin. Mitokondriot osallistuvat myös muuhun solun sisäiseen signalointiin esimerkiksi varastoimalla positiivisesti varautuneita kalsiumioneja. Kalsiumin vapauttaminen solulimaan saa aikaan esimerkiksi hermosolujen välittäjäaineiden vapautumisen.

Mitokondrioiden määrä solussa riippuu niiden energiantarpeesta. Yhdessä aivojen hermosolussa saattaa olla jopa kaksi miljoonaa mitokondriota. Myös lihaksissa on runsaasti mitokondrioita. Mitokondriossa on omaa DNA:ta. Mitokondriot voivat jakautua kahtia, tai kaksi mitokondrioita voi fuusioitua yhdeksi. Mitokondriot periytyvät aina äidiltä, ja niitä voidaankin käyttää apuna yksilöntunnistuksessa. Punasoluissa ei ole mitokondrioita.

Jos ravintoa tulee jatkuvasti liikaa tarpeeseen nähden, rasvakudoksen mitokondriot vähenevät ja niiden toiminta heikkenee. Säännöllinen liikunta puolestaan lisää mitokondrioiden määrää ja aktiivisuutta. Myös paasto ja pitkät tauot ruokailujen välissä tehostavat mitokondrioiden toimintaa.

Mitokondrioilla on happiradikaalien tuottajana rooli myös vanhenemisessa. Mitokondriosairaudet aiheuttavat mitokondrioiden toimintahäiriöitä. Moniin aivosairauksiin, kuten skitsofreniaan, liittyy mitokondrioiden toimintahäiröitä.

Mitokondrioihin vaikuttavia toksiineja on tutkittu muun muassa sian siittiötestien avulla.

Rakenne

Mitokondrio muodostuu sileästä ulkokalvosta ja poimuttuneesta sisäkalvosta. Kalvojen rakenteen vuoksi mitokondriossa on viisi funktioltaan ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaista osastoa: ulkokalvo, sisäkalvo, ulko- ja sisäkalvon välinen tila, sisäkalvon poimut eli kristat ja sisäkalvon sisäpuoli eli matriksi.

Ulkokalvo

Ulkokalvoa peittää samanlainen amfipaattisten molekyylien muodostama kalvo kuin soluakin. Kalvo on muodostunut pääasiassa vastakkain asettuneista fosfolipideistä, joissa glyserolimolekyylin jokaiseen hydroksyyliryhmään on esterisidoksella kiinnittynyt happo. Kalvoon on kiinnittynyt useita poriineiksi kutsuttuja proteiineja, jotka päästävät kaikki alle 5 000 daltonin kokoiset molekyylit lävitseen.

Sisäkalvo

Mitokondrion sisäkalvoproteiineja on neljää eri tyyppiä:

1. Soluhengityksen hapetusreaktioihin liittyvät proteiinit
2. ATP-syntaasi, joka tekee ATP:ta matriisissa.
3. Kuljetusproteiineja, jotka säätelevät metaboliittien siirtoa matriisin sisä- ja ulkopuolelle
4. Proteiininkuljetuskoneisto

Kristat

Sisäkalvon poimuja kutsutaan kristoiksi. Ne laajentavat huomattavasti kalvon kokonaispinta-alaa ja mahdollistavat siten ATP:n entistä tehokkaamman tuotannon.

Matriksi

Sisäkalvon sisäpuolta kutsutaan yleisesti matriksiksi. Sen sisäpuolella on muun muassa sitruunahappokierron entsyymejä, mitokondrion oma perimä ja sen säätelyyn ja kopioitumiseen vaadittavia proteiineja.

Mitokondrioiden alkuperä ja DNA

Koska mitokondriolla on käytössään oma DNA-sekvenssinsä ja sillä on työkalut proteiinisynteesiin, uskotaan mitokondrion olleen viherhiukkasen ohella alun perin itsenäinen solu. Tumallisten solujen mitokondrioiden ajatellaan polveutuneen endosymbioosin välityksellä aerobisista bakteereista ja kloroplastien syanobakteereista.

mtDNA on ihmisellä noin 16 600 emäksen mittainen rengasmainen DNA-molekyyli. Jälkeläinen saa hedelmöityksessä mtDNA:n vain äidiltä (uniparentaalinen periytyminen), toisin kuin tuman DNA:n, joka saadaan molemmilta vanhemmilta. MtDNA:ssa tapahtuu paljon mutaatioita, jotka eivät korjaannu korjausmekanismien tehottomuuden vuoksi, joten mutaatiot jäävät mtDNA:han. Mutaatioita käytetään esimerkiksi ihmisgenetiikassa äitilinjojen määrittämisen apuna. Yhden emäksen muutosta (single nukleotide polymorphism SNP) pidetään yleensä mutaation merkkitekijänä.

Koska isän perimä ei ole vaikuttanut mitokondrion DNA:han eikä näin ollen sen mutaatioihin ja mutaatioiden on katsottu tapahtuneen suhteellisen säännöllisesti, ovat tutkijat voineet määrittää yksilöiden mitokodrioiden DNA:n avulla, miten kauan sitten kaikkien ihmisten kantaäiti on elänyt. Äitilinjan kantaäitinä pidetään noin 200 000 vuotta sitten Afrikassa elänyttä naista, jota kutsutaan Mitokondrio-Eevaksi.

Energiantuotanto

Mitokondriot ovat solujen voimaloita, joissa energiaa muodostetaan kemiallisesti, ja se varastoidaan korkeaenergiaisiin fosfaatteihin, yleensä ATP:hen eli adenosiinitrifosfaattiin.

Erilaiset kemialliset reaktiot kuluttavat tai tuottavat energiaa, riippuen reagoivista aineista. Kun ATP:stä irtoaa fosfaattiryhmä, se luovuttaa runsaasti energiaa, jota solu käyttää erilaisiin toimintoihinsa. ATP on siis kompakti energiavarasto, jota solu osaa käyttää esimerkiksi vaikkapa lihassupistuksen vaiheissa. Solussa energia pyrkii päätymään yhteen, ATP, lopputuotteeseen, ja energiaa tuottavat ravintoaineet, kuten rasvat, glukoosi ja proteiinit muokataan yhteen välituotteeseen, joka pystyy muodostamaan mitokondrion reaktiosarjassa ATP:tä.

Välituote on nimeltään aktiivinen etikkahappo, eli asetyyli-CoA, jossa etikkahappo on tioesterisidoksella kiinni koentsyymi A:ssa, joka ei kulu reaktion aikana. Etikkahapon hiiliatomit pelkistyvät hiilidioksidiksi ja vedyt vedeksi, jonka muodostamiseen tarvitaan happea. Aktiivisen etikkahapon hiilien pelkistymistä hiilidioksidiksi ja vetyjen hapettumista vedeksi sitruunahappokierrossa ja oksidatiivista fosforylaatiota kutsutaan yhteisnimellä soluhengitys.

• Glukoosi hajoaa solulimassa kahdeksi pyruvaatti-molekyyliksi reaktiossa, jota kutsutaan glykolyysiksi tai jos pyruvaatti pelkistyy maitohapoksi eikä jatka matkaansa mitokondrioon, anaerobiseksi glykolyysiksi. Pyruvaatin pelkistyessä NADH luovuttaa saamansa vedyn pyruvaatille. Glykolyysissä muodostuu yhtä glukoosia kohden 2 ATP molekyyliä, sekä kumpaakin pyruvaattia kohden 6 vety-ionia (protonia), eli yhteensä 12 protonia, jotka pelkistävät NAD+ tai NADP+ (dihydronikotiiniamidi-adeniini-dinukleotidi/-"-fosfaatti) ionit. Muodostuneet NADH ja NADPH molekyylit siirtävät protonit elekronisiirtoketjun käyttöön, jos happea on tarpeeksi soluhengityksen käynnistämiseen. Pyruvaatti-molekyylit hapettuvat asetyyli-CoA:ksi.

• Rasvahapot pilkkoutuvat kristojen välisessä tilassa entsyymien vaikutuksesta reaktiossa, jota kutsutaan beetaoksidaatioksi. Beetaoksidaatiossa rasvahappoketjusta muodostetaan ketohappoja siten, että kolmanteen hiileen liittyy ketoryhmä. Edellä oleva kahden hiilen mittainen ketju karboksyyliryhmineen irrotetaan muodostamaan asetyyli-CoA molekyyli ja jäljellä oleva hiiliketju aloittaa ketohappojen muodostamisen alusta, viimeisessä hilessä kun nyt on karboksyyliryhmä, kunnes ketju on pilkottu loppuun. Rasvahapon kohta, johon ketoryhmä muodostuu, joutuu ensin luovuttamaan 2 protonia, jotka NAD⁺ molekyylit siirtävät elektronisiirtoketjulle.

• Sitruunahappokierto eli -sykli tapahtuu mitokondrion kristojen välisessä tilassa. Syklissä oksaloasetaatti reagoi asetyyli-CoA:n kanssa muodostaen sitraattia. Entsyymien avustamana molekyyli, jossa nyt on kuusi hiiltä, kiertää syklin, jossa se muokkautuu, luovuttaen yhteensä 12 protonia flavoproteiinien (NAD⁺/NADP⁺) siirtäminä elektronisiirtoketjuun ja kaksi hiiltä hiilidioksidin muodostamiseen. Lopulta jäljelle jää oksaloasetaatti, joka on jälleen valmis aloittamaan uuden kierroksen uuden asetyyli-CoA molekyylin kanssa.

• Oksidatiivinen fosforylaatio on reaktiosarja, jossa flavoproteiinien siirtämät vedyt siirtyvät sytokromiketjuun kristojen kalvoille. Sytokromit siirtävät vetyä eteenpäin, itse hapettuen ja pelkistyen jälleen takaisin, ja muodostaen kristojen ulko ja sisäkalvon välille protonigradientin. Tämä gradientti kuljettaa protoneja matriisiin, jonka ansiosta ATP-syntetaasi entsyymi syntetisoi ATP:tä ADP:stä ja fosfaatti tähteestä. Viimeinen sytokromi on sytokromi c oksidaasi joka siirtää vedyt molekulaariselle hapelle muodostaen vettä.

Kaiken kaikkiaan mitokondrio on dynaaminen soluelin, jonka reaktiot ovat mitä hienovaraisimmin järjestäytyneet keskenään. Reaktiot voivat myös vaihtaa suuntaansa, jolloin energiaa pyritään varastoimaan pitkäaikaisempaan käyttöön, kuten esimerkiksi maksassa glykogeenina tai rasvapisaroina.