Mitokonder

Mitokondrid (varasemas eesti keeles ka mitokondrion; kreeka keelest μίτος mitos, 'niit' + χονδρίον chondrion, 'terake') on raku energiat tootvad organellid. Rakubioloogias nimetatakse mitokondriks suurt rakusisest organelli, mis on ümbritsetud kahe membraaniga. Mitokondrites viiakse lõpule glükoosi lagundamine ja sünteesitakse makroergilisi ühendeid (ATP). Nad on nähtavad valgusmikroskoobis. Mitokondrite olemasolu rakkudes selgus 19. sajandil, rakust eraldamine osutus võimalikuks 20. sajandil.
Mitokondrid on silindrikujulised organellid diameetriga 0,5–1 µm, sarnanedes bakteritega, ning on 1–10 µm pikad . Eukarüootses rakus võib mitokondrite arv suuresti varieeruda. Näiteks maksa ja lihasrakkudes võib neid olla üle 1000. Vere punalibledes aga mitokondreid pole. Mitokondrite arv rakus varieerub ka vastavalt organismile ja koele ning need organellid võtavad enda alla mahuka osa raku tsütoplasma ruumalast. Nad on väga liikuvad ja plastilised organellid. Liikudes tsütoplasmas, on nad tihti seondunud mikrotuubulitega. Mitokondrites viiakse suhkrute metabolism lõpuni, püruvaat imporditakse mitokondrisse ja oksüdeeritakse hapniku abil süsihappegaasiks ja veeks. See võimaldab rakul toota 15 korda rohkem ATP-d, kui võimaldaks vaid glükolüüs. Ilma mitokondrita peaks eukarüootse raku ATP süntees sõltuma ainult anaeroobsest glükolüüsist .
Kahe membraani tõttu on mitokondrites 2 erinevat ruumi: välismembraan ja sisemembraan loovad membraanidevahelise ruumi ja maatriksi . Mitokonder sisaldab oma mitokondriaalset DNA-d ning ribosoome. Arvatakse, et energiat tootvad organellid, nii mitokondrid kui ka kloroplastid, arenesid endosümbioosi teel. Endosümbioosi teooria väidab, et prokarüoot "neelas alla" algelise eukarüootse raku ning omavahel arendati sümbioosne suhe . 
See hüpotees seletab, kuidas on võimalik mitokondril sisaldada oma RNA-d (mis antakse edasi ainult ema-liini pidi) ja ribosoome.

Mitokondri struktuur

Mitokonder koosneb kahest membraanist, mille vahele jääb membraanidevaheline ruum. Sisemembraaniga ümbritsetud piirkonda nimetatakse maatriksiks. Kõik need neli osa: välismembraan, sisemembraan, membraanidevaheline ruum ja maatriks sisaldavad ainulaadset valkude kogumikku. Kuigi mitokondrites on ka oma ringikujuline DNA, siiski kodeeritakse enamik neist valkudest rakutuumas ja imporditakse mitokondrisse läbi tsütoplasma spetsiaalsete translokaaside abil , milleks välismembraani jaoks kasutatakse TOM-i (eellasvalgu välismembraanis asuv translokaas) ja sisemembraani jaoks TIM-i (eellasvalgu sisemembraanis asuv translokaas) .

Välismembraan

Mitokondri välismembraan koosneb lipiididest ja valkudest suhtes 1:1. Sisaldab mitu poriini molekuli, mis on multimeerne transpordivalk. Poriin moodustab veekanaleid läbi lipiidse kaksikkihi välismembraanis. Kanal moodustab sõela, mis on läbitav kõigile molekulidele suuruses 5000 daltonit või vähem. Sellest suuremad molekulid läbivad välismembraani ainult valgu N-terminaalses otsas paikneva signaaljärjestuse ja translokaasi seondumise abil.

Sisemembraan

Sisemembraani lipiidne kaksikkiht koosneb 20% lipiididest ja 80% valkudest. Sisaldab suures hulgas kardiolipiidi, mis teeb temast üsna läbimatu membraani, lisaks puuduvad selles poriinid. Sisemembraan sisaldab transportvalke, mis teevad selle valikuliselt läbitavaks väikestele molekulidele, mis metaboliseeritakse mitmete maatriksi, rakuhingamises osalevate ensüümide abil. Sisemembraani pinda suurendavad väljasopistused (või ka sissesopistused siseruumi maatriksi poole), mida nimetatakse kristadeks. Kristade membraanid sisaldavad valke, millel on kolm funktsiooni: oksüdatsioonireaktsioonide läbiviimine elektronide transpordi ahelas, ATP süntaasi olemasolu ning metaboliitide transport sisemembraani ja maatriksi vahel. Läbi ATP süntaasi liiguvad väljapumbatud prootonid tsütosoolist maatriksisse osalemaks mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Prootonite elektrokeemiline gradient, mis paneb tööle ATP süntaasi, tekib sisemembraanil. Membraan on läbimatu ioonidele ja enamikule väikestele laetud molekulidele. Vaata ka artiklit
oksüdatiivne fosforüülumine.

Membraanidevaheline ruum

Membraanidevaheline ruum on välis- ja sisemembraani vahel olev piirkond, sisaldades mitmeid ensüüme, mis kasutavad ATP-d. Erinevalt sisemembraanist on välismembraan läbitav ioonidele ja väikestele molekulidele, seega on selle ala ensüümide sisaldus sarnane tsütosooliga.

Mitokondri maatriks

Maatriks on ruum, mis on ümbritsetud mitokondri sisemembraaniga. Maatriksis toimub ATP süntees sisemembraanis lokaliseeruva ATP süntaasi abil. Maatriks sisaldab segu sadadest ensüümidest, kaasa arvatud need, mis on vajalikud püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsiooniks ning tsitraaditsükliks. Maatriksis sisalduvad ka mitu identset koopiat mitokondriaalsest DNA genoomist, mitokondri ribosoomid, tRNAd ja mitmed ensüümid mitokondri geenide ekspressiooniks.

Püruvaadi dehüdrogenaasikompleks ja tsitraaditsükkel

Mitokonder saab kasutada kütusena nii püruvaati kui rasvhappeid. Mitokondrisse transporditud püruvaat võib kasutada ensüümidena nii püruvaadi karboksülaasi (glükogeoneetilises rajas) kui ka püruvaadi dehüdrogenaasi (esimene ensüüm püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksist). Püruvaat või rasvhapped teisendatakse atsetüül-CoA-ks, mis on väga oluline vaheühend metabolismis ning tsitraaditsükli substaat. Järgnevalt oksüdeeritakse atsetüülirühmad maatriksis tsitraaditsükli abil, mis teisendab süsinikuaatomid süsihappegaasiks. Süsihappegaas seejärel eraldub. Oksüdatsioon genereerib elektrone, mis saavad edasi kantud NADH ja FADH₂ abil. Need elektronid transporditakse mitokondri sisemembraani, kus nad sisenevad mitokondriaalsesse elektronide transpordi ahelasse. Tekkinud redutseeritud koensüümid NADH ja FADH₂ kasutatakse ATP sünteesiks oksüdatiivse fosforüleerimise protsessis .

Rasvhapete oksüdatsioon

Rasvhapete oksüdatsiooni põhirada on β-oksüdatsioon. Nimetus tuleneb substraadiks kasutatava rasvhappe aktiivvormi β-süsiniku kasutamisest selles protsessis. Kuna rasvhappe aktiivvorm (atsüül-CoA) ei läbi mitokondri sisemembraani iseseisvalt, transporditakse atsüülijääk karnitiini osalusel mitokondritesse. Tekib ühend rasvhappeatsüül-CoA. See oksüdeerub astmeliselt. Iga astmega eraldub rasvhappe ahelast kahesüsinikuline aktiivne atsetüülijääk, st ühe astmega lüheneb rasvhappeahel kahe süsiniku võrra. Samuti tekivad iga astme läbimisel koensüümid NADH ja FADH₂. Iga β-oksüdatsiooniring toodab kuni 15 ATP molekuli koostöös hingamisahelaga. Reaktsioon toimub seni, kuni kogu rasvhappeatsüül-CoA on lagunenud atsetüül-CoA molekulideks. Atsetüül-CoA molekulid lülituvad tsitraaditsüklisse ja oksüdeeruvad süsihappegaasini. Tekkivad NADH ja FADH₂ oksüdeeruvad mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Iga NADH oksüdeerumine annab kümme prootonit ja iga FADH₂ oksüdeerumine kuus prootonit maatriksist kahe membraani vahelisse piirkonda. Rasvhapete oksüdatsioon on maksarakkude põhiline ATP allikas. Enamikus teistes rakkudes toimub see ilma ATP sünteesita peroksüsoomides.