De mitochondriën worden vaak de ‘krachtcentrales’ van de cel genoemd, omdat ze verantwoordelijk zijn voor het genereren van de meeste chemische energie die de cel nodig heeft om te functioneren. Deze energie wordt geproduceerd in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP), een klein molecuul dat fungeert als universele energievaluta voor cellen.

Het proces van ATP-generatie in de mitochondriën wordt cellulaire ademhaling genoemd, waarbij glucose, vetzuren en andere organische moleculen worden afgebroken in aanwezigheid van zuurstof. Hier is een overzicht van de belangrijkste stappen van cellulaire ademhaling die plaatsvinden in de mitochondriën:

1. Glycolyse: Dit proces vindt plaats in het cytoplasma buiten de mitochondriën. Glucose, een suiker met zes koolstofatomen, wordt afgebroken tot twee moleculen pyruvaat, een molecuul met drie koolstofatomen. Deze stap genereert een kleine hoeveelheid ATP en NADH, een elektronendragermolecuul.

2. Pyruvaatdecarboxylering: Pyruvaatmoleculen uit de glycolyse komen de mitochondriën binnen. Ze worden omgezet in acetylco-enzym A (acetyl-CoA), dat in de citroenzuurcyclus terechtkomt.

3. Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus): Deze reeks chemische reacties vindt plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA combineert met oxaalacetaat om citraat te vormen, dat een reeks enzymatische reacties ondergaat om koolstofdioxide vrij te maken en meer NADH en FADH2, elektronendragermoleculen, te genereren.

4. Elektronentransportketen: De NADH- en FADH2-moleculen die worden geproduceerd bij de glycolyse en de citroenzuurcyclus doneren hun hoogenergetische elektronen aan de elektronentransportketen. Deze keten bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit een reeks eiwitcomplexen.

Terwijl elektronen door de keten bewegen, wordt hun energie gebruikt om waterstofionen (H+) van de mitochondriale matrix naar de intermembrane ruimte te pompen. Hierdoor ontstaat een elektrochemische gradiënt over het membraan.

5. ATP-synthese: De elektrochemische gradiënt gegenereerd door de elektronentransportketen drijft de laatste stap van cellulaire ademhaling aan, de ATP-synthese. Terwijl waterstofionen terugstromen naar de mitochondriale matrix via een eiwitcomplex dat ATP-synthase wordt genoemd, wordt de vrijkomende energie gebruikt om ATP uit ADP (adenosinedifosfaat) te synthetiseren.

Dit proces van chemiosmose genereert een aanzienlijke hoeveelheid ATP, die vervolgens door de cel kan worden gebruikt voor verschillende energievereisende activiteiten, zoals cellulaire beweging, synthese van moleculen, actief transport van ionen en vele andere cellulaire functies.

Over het algemeen spelen mitochondriën een cruciale rol in het energiemetabolisme van dierlijke cellen door organische moleculen om te zetten in ATP via het proces van cellulaire ademhaling. Zonder functionele mitochondriën zouden cellen niet in staat zijn voldoende energie te produceren om hun essentiële functies uit te voeren, wat leidt tot celdood en uiteindelijk de overleving van het organisme beïnvloedt.