Wat zijn mitochondriën?
Mitochondriën worden vaak de krachtpatsers van de cel genoemd. Ze helpen de energie die we uit voedsel halen om te zetten in energie die de cel kan gebruiken. Maar mitochondriën zijn meer dan energieproductie.
Mitochondriën zijn aanwezig in bijna alle soorten menselijke cellen en zijn essentieel voor ons voortbestaan. Ze genereren het grootste deel van ons adenosinetrifosfaat (ATP), de energiemunt van de cel.
Mitochondriën zijn ook betrokken bij andere taken, zoals signalering tussen cellen en celdood, ook wel apoptose genoemd.
In dit artikel zullen we bekijken hoe mitochondriën werken, hoe ze eruit zien, en uitleggen wat er gebeurt als ze hun werk niet meer correct doen.
De structuur van mitochondriën
Mitochondriën zijn klein, vaak tussen 0,75 en 3 micrometer en zijn niet zichtbaar onder de microscoop, tenzij ze gekleurd zijn.
In tegenstelling tot andere organellen (miniatuurorganen in de cel), hebben ze twee membranen, een buitenste en een binnenste. Elk membraan heeft verschillende functies.
Mitochondriën zijn opgesplitst in verschillende compartimenten of regio's, die elk een verschillende rol vervullen.
Enkele van de belangrijkste regio's zijn:
Buitenmembraan: Kleine moleculen kunnen vrij door het buitenmembraan gaan. Dit buitenste gedeelte bevat eiwitten die porines worden genoemd en die kanalen vormen waardoor eiwitten kunnen kruisen. Het buitenmembraan herbergt ook een aantal enzymen met een breed scala aan functies.
Intermembraanruimte: dit is het gebied tussen de binnenste en buitenste membranen.
Binnenmembraan: dit membraan bevat eiwitten die verschillende rollen vervullen. Omdat er geen porines in het binnenmembraan zitten, is het ondoordringbaar voor de meeste moleculen. Moleculen kunnen het binnenmembraan alleen passeren in speciale membraantransporteurs. Het binnenmembraan is waar de meeste ATP wordt gemaakt.
Cristae: Dit zijn de plooien van het binnenmembraan. Ze vergroten het oppervlak van het membraan, waardoor de beschikbare ruimte voor chemische reacties toeneemt.
Matrix: dit is de ruimte binnen het binnenmembraan. Het bevat honderden enzymen en is belangrijk bij de productie van ATP. Mitochondriaal DNA is hier ondergebracht (zie hieronder).
Verschillende celtypen hebben verschillende aantallen mitochondriën. Rijpe rode bloedcellen hebben er bijvoorbeeld helemaal geen, terwijl levercellen er meer dan 2.000 kunnen hebben. Cellen met een grote vraag naar energie hebben meestal een groter aantal mitochondriën. Ongeveer 40 procent van het cytoplasma in hartspiercellen wordt opgenomen door mitochondriën.
Hoewel mitochondriën vaak worden getekend als ovaalvormige organellen, zijn ze voortdurend aan het delen (splijting) en aan elkaar gehecht (fusie). In werkelijkheid zijn deze organellen dus met elkaar verbonden in steeds veranderende netwerken.
Ook zijn in zaadcellen de mitochondriën spiraalvormig in het middenstuk en leveren ze energie voor beweging van de staart.
Mitochondriaal DNA
Hoewel het grootste deel van ons DNA in de kern van elke cel wordt bewaard, hebben mitochondriën hun eigen DNA. Interessant is dat mitochondriaal DNA (mtDNA) meer lijkt op bacterieel DNA.
Het mtDNA bevat de instructies voor een aantal eiwitten en andere cellulaire ondersteuningsapparatuur over 37 genen.
Het menselijk genoom dat is opgeslagen in de kernen van onze cellen bevat ongeveer 3,3 miljard basenparen, terwijl mtDNA uit minder dan 17.000 bestaat.
Tijdens de voortplanting is de helft van het DNA van een kind afkomstig van hun vader en de andere helft van hun moeder. Het kind krijgt zijn mtDNA echter altijd van de moeder. Hierdoor is mtDNA erg nuttig gebleken voor het opsporen van genetische lijnen.
Zo hebben mtDNA-analyses geconcludeerd dat mensen relatief recent, ongeveer 200.000 jaar geleden, in Afrika zijn ontstaan, afstammen van een gemeenschappelijke voorouder, bekend als mitochondriale Eva.
Wat doen mitochondriën?
Hoewel de bekendste rol van mitochondriën de energieproductie is, voeren ze ook andere belangrijke taken uit.
In feite is slechts ongeveer 3 procent van de genen die nodig zijn om een mitochondrion in zijn energieproductieapparatuur te laten gaan. De overgrote meerderheid is betrokken bij andere banen die specifiek zijn voor het celtype waarin ze worden aangetroffen.
Hieronder behandelen we enkele van de rollen van de mitochondriën:
Energie produceren
ATP, een complexe organische chemische stof die in alle vormen van leven wordt aangetroffen, wordt vaak de moleculaire munteenheid genoemd omdat het metabolische processen aandrijft. De meeste ATP wordt geproduceerd in mitochondriën door een reeks reacties, bekend als de citroenzuurcyclus of de Krebs-cyclus.
Energieproductie vindt meestal plaats op de plooien of cristae van het binnenmembraan.
Mitochondriën zetten chemische energie van het voedsel dat we eten om in een energievorm die de cel kan gebruiken. Dit proces wordt oxidatieve fosforylering genoemd.
De Krebs-cyclus produceert een chemische stof die NADH wordt genoemd. NADH wordt gebruikt door enzymen die in de cristae zijn ingebed om ATP te produceren. In ATP-moleculen wordt energie opgeslagen in de vorm van chemische bindingen. Wanneer deze chemische bindingen worden verbroken, kan de energie worden gebruikt.
Celdood
Celdood, ook wel apoptose genoemd, is een essentieel onderdeel van het leven. Als cellen oud of kapot gaan, worden ze opgeruimd en vernietigd. Mitochondriën helpen beslissen welke cellen worden vernietigd.
Mitochondriën geven cytochroom C vrij, dat caspase activeert, een van de belangrijkste enzymen die betrokken zijn bij het vernietigen van cellen tijdens apoptose.
Omdat bepaalde ziekten, zoals kanker, een afbraak van normale apoptose met zich meebrengen, wordt aangenomen dat mitochondriën een rol spelen bij de ziekte.
Calcium opslaan
Calcium is essentieel voor een aantal cellulaire processen. Het vrijgeven van calcium in een cel kan bijvoorbeeld de afgifte van een neurotransmitter uit een zenuwcel of hormonen uit endocriene cellen initiëren. Calcium is ook nodig voor onder meer spierfunctie, bevruchting en bloedstolling.
Omdat calcium zo kritisch is, reguleert de cel het strak. Mitochondriën spelen hierin een rol door calciumionen snel op te nemen en vast te houden totdat ze nodig zijn.
Andere rollen voor calcium in de cel zijn onder meer het reguleren van het cellulaire metabolisme, de synthese van steroïden en hormoonsignalering.
Warmte productie
Als we het koud hebben, huiveren we om warm te blijven. Maar het lichaam kan ook op andere manieren warmte genereren, een daarvan is door een weefsel te gebruiken dat bruin vet wordt genoemd.
Tijdens een proces dat protonlekkage wordt genoemd, kunnen mitochondriën warmte genereren. Dit staat bekend als niet-bevende thermogenese. Bruin vet wordt op het hoogste niveau aangetroffen bij baby's, wanneer we vatbaarder zijn voor kou, en het niveau neemt langzaam af naarmate we ouder worden.
Mitochondriale ziekte
Het DNA in mitochondriën is gevoeliger voor beschadiging dan de rest van het genoom.
Dit komt omdat tijdens ATP-synthese vrije radicalen worden geproduceerd die schade aan het DNA kunnen veroorzaken.
Ook missen mitochondriën dezelfde beschermende mechanismen die in de kern van de cel worden aangetroffen.
De meeste mitochondriale ziekten zijn echter te wijten aan mutaties in nucleair DNA die producten beïnvloeden die in de mitochondriën terechtkomen. Deze mutaties kunnen worden overgeërfd of spontaan.
Wanneer mitochondriën niet meer functioneren, heeft de cel waarin ze zich bevinden geen energie meer. Afhankelijk van het type cel kunnen de symptomen dus sterk variëren. Over het algemeen worden cellen die de grootste hoeveelheden energie nodig hebben, zoals hartspiercellen en zenuwen, het meest getroffen door defecte mitochondriën.
De volgende passage is afkomstig van de United Mitochondrial Disease Foundation:
“Omdat mitochondriën zoveel verschillende functies vervullen in verschillende weefsels, zijn er letterlijk honderden verschillende mitochondriale ziekten. […] Vanwege het complexe samenspel tussen de honderden genen en cellen die moeten samenwerken om onze metabolische machinerie soepel te laten verlopen, is het een kenmerk van mitochondriale ziekten dat identieke mtDNA-mutaties mogelijk geen identieke ziekten veroorzaken. "
Ziekten die verschillende symptomen veroorzaken maar het gevolg zijn van dezelfde mutatie, worden genocopieën genoemd.
Omgekeerd worden ziekten die dezelfde symptomen hebben maar worden veroorzaakt door mutaties in verschillende genen fenokopieën genoemd. Een voorbeeld van een fenocopie is het Leigh-syndroom, dat kan worden veroorzaakt door verschillende mutaties.
Hoewel de symptomen van een mitochondriale ziekte sterk variëren, kunnen ze zijn:
- verlies van spiercoördinatie en zwakte
- problemen met zien of horen
- leerproblemen
- hart-, lever- of nierziekte
- gastro-intestinale problemen
- neurologische problemen, waaronder dementie
Andere aandoeningen waarvan wordt gedacht dat ze een bepaald niveau van mitochondriale disfunctie met zich meebrengen, zijn onder meer:
- Ziekte van Parkinson
- Ziekte van Alzheimer
- bipolaire stoornis
- schizofrenie
- chronisch vermoeidheidssyndroom
- De ziekte van Huntington
- diabetes
- autisme
Mitochondriën en veroudering
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers een verband onderzocht tussen mitochondria-disfunctie en veroudering. Er zijn een aantal theorieën over veroudering, en de mitochondriale vrije radicalen theorie van veroudering is de afgelopen tien jaar populair geworden.
De theorie is dat reactieve zuurstofsoorten (ROS) worden geproduceerd in mitochondriën, als bijproduct van energieproductie. Deze sterk geladen deeltjes beschadigen DNA, vetten en eiwitten.
Door de door ROS veroorzaakte schade zijn de functionele delen van mitochondriën beschadigd. Wanneer de mitochondriën niet meer zo goed kunnen functioneren, wordt er meer ROS geproduceerd, waardoor de schade verder verergert.
Hoewel correlaties tussen mitochondriale activiteit en veroudering zijn gevonden, zijn niet alle wetenschappers tot dezelfde conclusies gekomen. Hun exacte rol in het verouderingsproces is nog onbekend.
In een notendop
Mitochondriën zijn misschien wel de bekendste organel. En hoewel ze in de volksmond de krachtpatser van de cel worden genoemd, voeren ze een breed scala aan acties uit waarover veel minder bekend is. Van calciumopslag tot warmtegeneratie, mitochondriën zijn enorm belangrijk voor de dagelijkse functies van onze cellen.
