Mitokonder

Mitokondrid (varasemas eesti keeles ka mitokondrion; ka kondriosoom; 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. 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) . 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. 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 transpordiahelas, ATP süntaasi olemasolu ning metaboliitide transport sisemembraani ja maatriksi vahel. Läbi ATP süntaasi liiguvad väljapumbatud prootonid tsütosoolist maatriksisse osalemaks mitokondriaalses elektronide transpordiahelas. Prootonite elektrokeemiline gradient, mis paneb tööle ATP süntaasi, tekib sisemembraanil. Membraan on läbimatu ioonidele ja enamikule väikestele laetud molekulidele. Vaata ka artiklit oksüdatiivne fosforüülimine. 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. Maatriks on ruum, mis on ümbritsetud mitokondri sisemembraaniga. Maatriksis toimub ATP süntees sisemembraanis lokaliseeruvate ATP süntaaside 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. Mitokondri kõige üldisemaks ja esmasemaks funktsiooniks on energia tootmine. Metabolismireaktsioonidest olulisemad on mitokondri maatriksis toimuv püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsioon süsihappegaasini, millega kaasneb NADH ja FADH2 teke; elektronide transport NADPH-lt ja FADH2-lt hapnikule, mis toimub mitokondrite sisemembraanis ja millega kaasneb prootonite kontsentratsiooni erinevuse teke kahel pool mitokondri sisemembraani (prootonite arv suureneb välis- ja sisemembraani vahelises alas, tekitades gradiendi matriksis olevate vesinikioonidega); ATP süntees, mis toimub mitokondrite sisemembraanis paikneva ATP süntaasi vahendusel prootonite kontsentratsiooni gradiendi ärakasutamisel. Ka püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks asub mitokondri maatriksis. Lisaks energia tootmisele säilitavad mitokondrid kaltsiumi, osalevad rakkudevahelises signalisatsioonis, toodavad soojust, osalevad raku kasvamises, kuid samas ka raku kärbumise, nekroosi ja loomuliku, programmeeritud surma apoptoosi vallandamises. 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 fosforüülimise protsessis . 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 transpordiahelas. 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.  Pikemalt artiklis Mitokondriaalne hingamisahel Mitokondriaalse elektronide transpordiahela ehk hingamisahela peamine funktsioon on ATP tootmine. Hingamisahelate hulk organismides ja erinevates rakkudes võib erineda, nii võib maksaraku ühes mitokondris olla toimida üheaegselt palju hingamisahelaid. Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis ning tsitraaditsüklis moodustunud NADH ja FADH2 annavad prootonid ja elektronid ära hingamisahelale. Ülekanne toimub redokspaaride (elektronide aktseptor/elektronide doonor ehk iga ülekandja on vaheldumisi oksüdeerunud ja redutseerunud vormis) vahel, mida saab iseloomustada redokspotentsiaali abil. Elektronid liiguvad negatiivsema redokspotentsiaaliga ühendilt positiivsema redokspotentsiaaliga ühendile. NADH ja FADH2 on kõrge negatiivse redokspotentsiaaliga, elektronid liiguvad nendelt positiivsena redokspotentsiaaliga ühenditele. Hingamisahel algab oksüdeeritavalt ühendilt vesinikuaatomite äravõtmisega ning lõpeb elektronide ja prootonite astmelise ülekandega õhuhapnikule, kokkuvõttes tekib vesi. Lisaks koensüümidele NADH ja FADH2 on hingamisahelas olulised ka koensüüm Q ning raud-väävel tsentrid. Mitokondri sisemembraani kristades asuvad kindlas järjestuses funktsionaalsed hingamisahela kompleksid, mida nimetatakse kompleks I, II, III ja IV. Elektronide pumpamine maatriksist membraanidevahelisse ruumi toimub kõigis kompleksides välja arvatud kompleks II, kuna tema redokspotentsiaali muut pole piisav ATP sünteesiks. Iga kahe NADH elektroni ülekandega hapnikule sünteesitakse kuni kolm ATP, FADH2 võimaldab vastavalt toota kaks ATP-d. Elektronide transport hingamisahelas on eksergooniline protsess, kuna NADH ja FADH2 on väga head elektronide doonorid ning hapnik on väga hea elektronide aktseptor. Tekkiva vaba energia suur muut teisendatakse ATP sünteesimiseks läbi protsessi, mida nimetatakse oksüdatiivseks fosforüleerimiseks. Nimelt põhjustab prootonite transport mitokondri maatriksist membraanidevahelisse ruumi sisemembraani välispinna positiivse laadumise, maatriksipoolne pind laadub aga negatiivselt. Selle tõttu tekib prootonite elektrokeemiline gradient mitokondri sisemembraanil. Gradient on jõuks, mis võimaldab ATP süntaasil toota ATP-d .  Pikemalt artiklis Mitokondriaalne DNA Tuumas asuv DNA kodeerib suure osa mitokondri geene. Nendest kodeeritud valgud sünteesitakse tsütosoolsetel ribosoomidel ja transporditakse mitokondrisse . Mitokondri enda kodeeritud vähesed valgud asuvad põhiliselt mitokondrite sisemembraanil. Valkude transpordil mitokondrisse kasutatakse lisaks ATP lagundamise energiale ka elektrokeemilise gradiendi energiat. Mitokondri maatriksisse liikumise signaal on valkude N-terminaalse otsa 15–30 aminohappe pikkune signaaljärjestus. Valgu liikumine läbi kahe membraani vajab multimeerseid valgukomplekse TIM ja TOM . Mitokondriaalne DNA on endosümbioosi tõttu sarnane prokarüootidega, struktuur on rõngasjas. Ühes mitokondris võib esineda kuni 15 mtDNA koopiat. Mitokondrite genoom pärandub emaliini pidi, muteerub umbes kümme korda kiiremini kui rakutuumas paiknev DNA ning mitokondrile on omane rekombinatsiooni puudumine. Need omadused koostöös mtDNA mutatsioonidega võimaldavad koostada fülogeneetilisi puid ning analüüsida inimpopulatsioonide rännet ja ajalugu . Inimese mitokondriaalne DNA on üks väiksemaid, pikkusega 16 569 aluspaari, kodeerib kahte rRNA ja 22 tRNA tüüpi . Mitokondritel on unikaalne genoom, mis inimese puhul kodeerib 37 geeniprodukti. Mitokondritega seotud haiguslikud seisundid Mitokondriaalsed nukleoidid Peter Mitchell Eukarüoodid Campbell N.A. Biology, 3rd edition, The Benjamin/Cummings Publishing Company, 1993 Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, 2008 Maimets, T. Molekulaarne rakubioloogia, Ilmamaa, 1999 Martin, W. & Mentel, M. (2010), "The Origin of Mitochondria". Nature Education 3(9):58, http://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mitochondria-14232356 (vaadatud 05.06.2013) Chinnery, P.F., et al.,1993–2010 Zilmer M, Karelson E, Vihalemm T, Rehema A, Zilmer K. Inimorganismi biomolekulid ja metabolim, Biokeemia Instituut, Arstiteaduskond, Tartu Ülikool, 2006 Chinnery, Patrick F., Pagon, R.A., Bird, T.D., Dolan, C.R., et al., editors. Mitochondrial Disorders Overview, Synonyms: Mitochondrial Encephalomyopathies, Mitochondrial Myopathies, Oxidative Phosphorylation Disorders, Respiratory Chain Disorders., GeneReviews™ Internet, 1993– …, Bookshelf ID: NBK1224, Veebiversioon (vaadatud 02.05.2013) [1] Uudislugu Novaatoris vananemise, lihaste, mitokondrite, mitofaagia ja valgu BNIP3 kohta.