De eukaryotische cellen van levende organismen voeren continu een groot aantal chemische reacties uit om te leven, groeien, zich voortplanten en ziekten te bestrijden.

Al deze processen vereisen energie op cellulair niveau. Elke cel die zich bezighoudt met een van deze activiteiten krijgt zijn energie van de mitochondriën, kleine organellen die fungeren als de krachtpatsers van de cellen. Het enkelvoud van mitochondriën is mitochondrion.

Bij mensen hebben cellen zoals rode bloedlichaampjes niet deze kleine organellen, maar de meeste andere cellen hebben grote aantallen mitochondriën. Spiercellen kunnen bijvoorbeeld honderden of zelfs duizenden hebben om aan hun energiebehoefte te voldoen.

Bijna elk levend wezen dat beweegt, groeit of denkt heeft mitochondriën op de achtergrond, die de nodige chemische energie produceren.
Structuur van de Mitochondria

Mitochondria zijn membraangebonden organellen omsloten door een dubbel membraan.

Ze hebben een glad buitenmembraan dat de organel omsluit en een gevouwen binnenmembraan. De plooien van het binnenmembraan worden cristae genoemd, waarvan het enkelvoud crista is, en de plooien zijn waar de reacties die mitochondriale energie creëren plaatsvinden.

Het binnenmembraan bevat een vloeistof die de matrix wordt genoemd terwijl de intermembraanruimte zich bevindt tussen de twee membranen is ook gevuld met vloeistof.

Vanwege deze relatief eenvoudige celstructuur hebben mitochondria slechts twee afzonderlijke werkvolumes: de matrix in het binnenmembraan en de intermembraanruimte. Ze vertrouwen op overdrachten tussen de twee volumes voor energieopwekking.

Om de efficiëntie te vergroten en het potentieel voor energiecreatie te maximaliseren, dringen de binnenste membraanvouwen diep in de matrix.

heeft een groot oppervlak en geen enkel deel van de matrix is ver verwijderd van een binnenmembraanvouw. De plooien en het grote oppervlak helpen bij de mitochondriale functie, waardoor de potentiële overdrachtssnelheid tussen de matrix en de intermembraanruimte over het binnenmembraan wordt vergroot.
Waarom zijn mitochondriën belangrijk?

Terwijl afzonderlijke cellen oorspronkelijk zijn geëvolueerd zonder mitochondria of andere membraangebonden organellen, complexe meercellige organismen en warmbloedige dieren zoals zoogdieren halen hun energie uit cellulaire ademhaling op basis van de mitochondriale functie.

Hoogenergetische functies zoals die van de hartspieren of vogels vleugels hebben hoge concentraties mitochondriën die de benodigde energie leveren.

Door hun ATP-synthesefunctie produceren mitochondriën in spieren en andere cellen lichaamswarmte om warmbloedige dieren op een constante temperatuur te houden. Het is deze geconcentreerde energieproductiecapaciteit van mitochondria die de hoge-energieactiviteiten en de productie van warmte bij hogere dieren mogelijk maakt.
Mitochondriale functies

De energieproductiecyclus in mitochondria is afhankelijk van het elektronentransport keten samen met de citroenzuur- of Krebs-cyclus.
Lees meer over de Krebs-cyclus.

Het proces van het afbreken van koolhydraten zoals glucose om ATP te maken, wordt katabolisme genoemd. De elektronen van glucose-oxidatie worden langs een chemische reactieketen geleid die de citroenzuurcyclus omvat.

Energie van de reductie-oxidatie of redox, reacties worden gebruikt om protonen uit de matrix over te dragen waar de reacties plaatsvinden plaats. De laatste reactie in de mitochondriale functieketen is er een waarbij zuurstof uit cellulaire ademhaling reductie ondergaat om water te vormen. De eindproducten van de reacties zijn water en ATP.

De belangrijkste enzymen die verantwoordelijk zijn voor de productie van mitochondriën zijn nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), adenosinedifosfaat (ADP) en flavine adenine dinucleotide (FAD).

Ze werken samen om protonen van waterstofmoleculen in de matrix over het binnenste mitochondriale membraan over te dragen. Dit creëert een chemische en elektrische potentiaal over het membraan waarbij de protonen terugkeren naar de matrix via het enzym ATP-synthase, resulterend in de fosforylering en productie van adenosinetrifosfaat (ATP).
Lees over de structuur en functie van ATP.

ATP-synthese en de ATP-moleculen zijn de belangrijkste dragers van energie in cellen en kunnen door de cellen worden gebruikt voor de productie van de chemicaliën die nodig zijn voor levende organismen.
••• Sciencing

Naast energieproducenten, kunnen mitochondria ook helpen bij cel-tot-cel signalering door de afgifte van calcium.

Mitochondria kunnen calcium opslaan in de matrix en kan het vrijgeven wanneer bepaalde enzymen of hormonen aanwezig zijn. Dientengevolge kunnen cellen die dergelijke triggerende chemicaliën produceren, het signaal zien van stijgend calcium uit de afgifte door de mitochondriën.

Over het algemeen zijn mitochondriën een vitale component van levende cellen, die helpen bij celinteracties, het distribueren van complexe chemicaliën en het produceren de ATP die de energiebasis vormt voor alle leven.
De binnen- en buitenmitochondriale membranen

Het mitochondriale dubbele membraan heeft verschillende functies voor het binnen- en buitenmembraan en de twee membranen en bestaat uit verschillende stoffen .

Het buitenste mitochondriale membraan omsluit de vloeistof van de intermembraanruimte, maar het moet chemicaliën toelaten die de mitochondriën erdoorheen moeten passeren. Energieopslagmoleculen geproduceerd door de mitochondriën moeten het organel kunnen verlaten en energie aan de rest van de cel kunnen leveren.

Om dergelijke overdrachten mogelijk te maken, bestaat het buitenmembraan uit fosfolipiden en eiwitstructuren porins
die kleine gaten of poriën in het oppervlak van het membraan achterlaten.

De intermembraanruimte bevat vloeistof met een samenstelling die vergelijkbaar is met die van de cytosol die de vloeistof van de omringende cel vormt.

Kleine moleculen, ionen, voedingsstoffen en het energiedragende ATP-molecuul geproduceerd door ATP-synthese kunnen het buitenmembraan binnendringen en de overgang tussen de vloeistof van de intermembraanruimte en de cytosol ..

De binnenste membraan heeft een complexe structuur met enzymen, eiwitten en vetten waardoor alleen water, koolstofdioxide en zuurstof vrij door het membraan kunnen passeren.

Andere moleculen, waaronder grote eiwitten, kunnen het membraan binnendringen, maar alleen via speciale transporteiwitten die beperken hun passage. Het grote oppervlak van het binnenmembraan, resulterend uit de cristae-plooien, biedt ruimte voor al deze complexe eiwit- en chemische structuren.

Hun grote aantal staat een hoge mate van chemische activiteit en een efficiënte productie van energie toe.

Het proces waarbij energie wordt geproduceerd door chemische overdrachten over het binnenmembraan wordt oxidatieve fosforylering genoemd.

Tijdens dit proces pompt de oxidatie van koolhydraten in de mitochondriën protonen over het binnenmembraan van de matrix in de intermembraanruimte. De onbalans in protonen zorgt ervoor dat de protonen terug diffunderen over het binnenmembraan in de matrix via een enzymcomplex dat een voorloper is van ATP en ATP-synthase wordt genoemd.

De stroom protonen door ATP-synthase is op zijn beurt de basis voor ATP-synthese en het produceert ATP-moleculen, het belangrijkste energieopslagmechanisme in cellen.
Wat zit er in de Matrix?

De viskeuze vloeistof in het binnenmembraan wordt de matrix genoemd.

Het werkt samen met het binnenmembraan om de belangrijkste energieproducerende functies van de mitochondriën uit te voeren. Het bevat de enzymen en chemicaliën die deelnemen aan de krebs-cyclus om ATP te produceren uit glucose en vetzuren.

De matrix is waar het mitochondriale genoom bestaat uit circulair DNA en waar de ribosomen zich bevinden. De aanwezigheid van ribosomen en DNA betekent dat de mitochondriën hun eigen eiwitten kunnen produceren en kunnen reproduceren met behulp van hun eigen DNA, zonder te vertrouwen op celdeling.

Als mitochondriën kleine, complete cellen op zichzelf lijken te zijn, is het omdat het waarschijnlijk afzonderlijke cellen waren op een bepaald moment dat afzonderlijke cellen nog in ontwikkeling waren.

Mitochondrion-achtige bacteriën kwamen grotere cellen binnen als parasieten en mochten blijven omdat de regeling voor beide partijen voordelig was.

De bacteriën konden zich in een veilige omgeving voortplanten en leverden energie aan de grotere cel. Gedurende honderden miljoenen jaren werden de bacteriën geïntegreerd in meercellige organismen en evolueerden naar de hedendaagse mitochondriën.

Omdat ze tegenwoordig in dierlijke cellen worden gevonden, vormen ze een belangrijk onderdeel van de vroege menselijke evolutie.

Aangezien mitochondria zich onafhankelijk vermenigvuldigen op basis van het mitochondriale genoom en niet deelnemen aan celdeling, erven nieuwe cellen eenvoudig de mitochondria die zich toevallig in hun deel van het cytosol bevinden wanneer de cel deelt.

Deze functie is belangrijk voor de reproductie van hogere organismen, waaronder mensen, omdat embryo's zich ontwikkelen uit een bevruchte eicel.

De eicel van de moeder is groot en bevat veel mitochondria in zijn cytosol terwijl de bemestende zaadcel van de vader heeft nauwelijks. Als gevolg hiervan erven kinderen hun mitochondriën en hun mitochondriaal DNA van hun moeder.

Door hun ATP-synthesefunctie in de matrix en door cellulaire ademhaling over het dubbele membraan, zijn mitochondriën en de mitochondriale functie een belangrijk onderdeel van dier cellen en helpen het leven mogelijk te maken zoals het bestaat.

Celstructuur met membraangebonden organellen heeft een belangrijke rol gespeeld in de menselijke evolutie en mitochondriën hebben een essentiële bijdrage geleverd.