thumb|Elektronmikrografi af to mitokondrier fra mammalt lungevæv, der viser den indre matrix og de omgivende membraner. De mange folder kaldes cristae.
thumb|Skematisk tegning af en typisk dyrecelle og dens organeller: 1. Nukleolus 2. Nukleus 3. Ribosomer (små prikker) 4. Vesikel 5. Granulært (ru) endoplasmatisk reticulum 6. Golgiapparattet 7. Cytoskelet 8. Glat endoplasmatisk reticulum 9. Mitokondrier 10. Vakuole 11. Cytosol 12. Lysosom 13. Centrioler Et mitokondrie (af græsk μίτος mitos, ”tråd”, og χονδρίον chondrion, diminutiv af chondros, ”korn”) er inden for cellebiologi betegnelsen for et organel, som findes i de fleste eukaryote celler. Et mitokondrie måler mellem 0,5 og 1,0 mikrometer (μm) i diameter. Mitokondrier kaldes ofte ”cellens kraftværker”, fordi de producerer hovedparten af cellens adenosintrifosfat (ATP), der rummer kemisk energi. Ud over energiproduktion er mitokondrier involveret i en række andre processer såsom cellesignalering, celledeling og apoptose (programmeret celledød), og de medvirker desuden ved overvågningen af cellens cyklus og vækst. Mitokondrier er også knyttet til visse sygdomme – herunder mitokondriesygdomme og hjertedysfunktion – og menes at spille en rolle i aldringsprocessen.
Antallet af mitokondrier i en celle varierer afhængigt af organisme- og vævstype. Nogle celler indeholder kun ét mitokondrie, men de fleste indeholder flere tusinde mitokondrier. Røde blodlegmer indeholder ingen mitokrondrier. Mitokondriet er opdelt i specialiserede funktionelle områder. Disse områder omfatter ydermembranen, det intermembranøse rum, indermembranen, cristae og matrix. Mitokondrielle proteiner varierer alt efter væv og art. Hos mennesket er der blevet identificeret 615 typer af proteiner i hjertets mitokondrier,Taylor, Steven W., et al. 'Characterization of the human heart mitochondrial proteome'. I Nature Biotechnology, volume 21, issue 3 (marts 2003), s. 281–6. DOI:10.1038/nbt793. PMID 12592411. og i rotters mitokondrier er der blevet fundet 940 proteiner.Zhang, Jun, et al. 'Systematic Characterization of the Murine Mitochondrial Proteome Using Functionally Validated Cardiac Mitochondria'. I Proteomics, volume 8, issue 8 (2008), s. 1564-1575. DOI:10.1002/pmic.200700851. PMC 2799225. PMID 18348319. Mitokondrier har også deres eget genom, som har vist sig at minde om bakteriers genomer.
Historie De første observationer af mitokondrielignende intracellulære strukturer blev offentliggjort i 1840'erne.Ernster, Lars, og Gottfried Schatz. 'Mitochondria: a historical review'. I The Journal of Cell Biology, volume 91, issue 3, part 2, 227s–255s. DOI:10.1083/jcb.91.3.227s. PMC 2112799. PMID 7033239. Richard Altmann identificerede dem som organeller og kaldte dem "bioblaster". I 1898 gav Carl Benda dem navnet 'mitokondrier'. I 1904 opdagede Friedrich Meves mitokondrier i planter (i åkander).Ernster citerer Meves, Friedrich. 'Die Chondriosomen als Träger erblicher Anlagen. Cytologische Studien am Hühnerembryo' . I Archiv für mikroskopische Anatomie, volume 72, issue 1 (maj 1908), s. 816–867. DOI:10.1007/BF02982402. Som den første satte B.F. Kingsbury dem i 1912 i forbindelse med cellerespiration, dog kun på baggrund af morfologiske undersøgelser. Philip Siekevitz kaldte dem i 1957 for "cellens kraftværker".Siekevitz, Philip. 'Powerhouse of the cell'. I Scientific American, volume 1 (1957), s. 131–140.
Struktur thumb Mitokondrier er omsluttet af en ydre og indre membran, der begge består af et dobbeltlag af fosfolipider og proteiner.Alberts, Bruce, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, og Peter Walter. Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Publishing Inc., 1994, . De to membraner har forskellige egenskaber. På grund af de to membraner kan mitokondriet opdeles i fem områder:
Ydermembranen Det intermembranøse rum (mellemrummet mellem yder- og indermembranen) Indermembranen Cristae (fingerlignende indfoldninger i indermembranen) Matrix (området inden for indermembranen)
Ydermembranen Mitokondriets ydermembran, der omslutter hele mitokondriet, har et protein/fosfolipid-forhold svarende til en eukaryot celles plasmamembran (cirka 1:1 målt på vægt). I ydermembranen er der indlejret poriner (en type kanalprotein), der tillader molekyler på op til 5000 Dalton at diffundere fra den ene til den anden side af ydermembranen. Store proteiner transporteres gennem membranen af proteinkomplekser kaldt TOM (translocase of the outer membrane): En signalsekvens for enden af proteinets N-terminus mødes med en receptor på komplekset, hvilket igangsætter aktiv transport.Herrmann, Johannes M., og Walter Neupert. 'Protein transport into mitochondria'. I Current Opinion in Microbiology, volume 3, issue 2 (april 2000), s. 210–214. DOI:10.1016/S1369-5274(00)00077-1. PMID 10744987. Beskadigelse af ydermembranen kan medføre, at proteiner i det intermembranøse rum lækker ud i cytosolen og slår cellen ihjel.Chipuk, J.E., L. Bouchier-Hayes, og D.R. Green. 'Mitochondrial outer membrane permeabilization during apoptosis: the innocent bystander scenario'. I Cell Death and Differentiation, volume 13, issue 8 (2006), s. 1396–1402. DOI:10.1038/sj.cdd.4401963. PMID 16710362. Ydermembranen kan fusionere med membranen i det endoplasmatiske reticulum (ER) i en særlig struktur ved navn MAM (mitokondrie-associeret ER-membran). Dette er vigtigt for calciumsignaleringen mellem ER og mitokondrierne og udvekslingen af lipider mellem ER og mitokondrier.Hayashi, Taruo, et al. 'MAM: more than just a housekeeper'. I Trends in Cell Biology, volume 19, issue 2 (februar 2009), s. 81–8. DOI:10.1016/j.tcb.2008.12.002 . PMC 2750097. PMID 19144519.
Det intermembranøse rum Det intermembranøse rum er mellemrummet mellem yder- og indermembranen. Det kaldes også det perimitokondrielle rum. Fordi den ydre membran er gennemtrængelig for små molekyler, er koncentrationen af små molekyler (f.eks. ioner og kulhydrater) den samme som i cytosolen. Proteiner, der er store molekyler, må dog have en specifik signalsekvens for at blive transporteret gennem ydermembranen, så proteinsammensætningen i det intermembranøse rum er forskellig fra den i cytosolen. Et protein, der findes i det intermembranøse rum, men ikke i cytosolen, er cytokrom C.
Indermembranen Indermembranen indeholder proteiner med fem typer funktioner:
Enzymer, der udfører redoxreaktioner i forbindelse med oxidativ fosforylering ATP-syntase, som danner adenosintrifosfat (ATP) i matrix Specifikke transportproteiner, der regulerer passagen af nærings- og affaldsstoffer ind og ud af matrix Proteinimportører Mitokondrielle fusions- og fissionsproteiner
Indermembranen indeholder mere end 151 forskellige polypeptider og har et meget højt protein/fosfolipid-forhold (mere end 3:1 målt på vægt svarende til 15 fosfolipider pr. protein). Indermembranen rummer cirka 1/5 af den samlede proteinmængde i et mitokondrie. Derudover er indermembranen rig på et usædvanligt fosfolipid: Cardiolipin. Dette fosfolipid blev oprindeligt fundet i hjerter fra tamkvæg i 1942 og er karakteristisk for mitokondriers membraner og bakteriers plasmamembraner.McMillin, Jeanie B., og William Dowhan. 'Cardiolipin and apoptosis'. I Biochimica Et Biophysica Acta, volume 1585, issues 2-3 (december 2002), s. 97–107. DOI:10.1016/S1388-1981(02)00329-3. PMID 12531542. Cardiolipin er et "dobbelt" fosfolipid og indeholder derfor to fosfatgrupper samt fire fedtsyrer, og er med til at gøre indermembranen uigennemtrængelig. I modsætning til ydermembranen er der ikke indlejret poriner i indermembranen, hvilket øger dens uigennemtrængelighed for alle slags molekyler. Stort set alle ioner og molekyler behøver derfor hjælp fra specielle transportproteiner for at passere denne membran. Proteiner transporteres ind i matrix via proteinkomplekset TIM (translocase of the inner membrane) eller via komplekset Oxa1. Desuden er der et membranpotential over indermembranen, som skyldes enzymers udpumpning af hydrogenioner (H+) fra matrix som led i elektrontransportkæden.
Cristae thumb|Tværsnit af cristae i et mitokondrie fra en rottelever. Billedet illustrerer 3D-strukturen af cristae og deres tilknytning til indermembranen. Indermembranen danner talrige folder kaldt cristae, som udvider indermembranens overfladeareal, hvilket styrker dens evne til at producere ATP. For et typisk levermitokondrie er arealet af indermembranen omtrent fem gange så stor som ydermembranens areal. Forholdet varierer dog, og i celler med større behov for ATP kan mitokondrierne have flere cristae. Folderne er besat med små runde legemer kendt som F1-partikler eller oxysomer. Disse legemer er små invaginationer af indermembranen med betydning for den kemiosmotiske funktion.Mannella, Carmen A. 'Structure and dynamics of the mitochondrial inner membrane cristae'. I Biochimica Et Biophysica Acta, volume 1763, issues 5-6 (maj-juni 2006), s. 542–548. DOI:10.1016/j.bbamcr.2006.04.006. PMID 16730811.
Et nyligt studium inden for matematisk modellering peger på, at cristae’ne i filamentøse mitokondrier på grund af deres optiske egenskaber kan påvirke udviklingen og udbredelsen af lys i væv.Thar, Roland, og Michael Kühl. 'Propagation of electromagetic radiation in mitochondria?' (PDF). I Journal of Theoretical Biology, volume 230, issue 2 (2004), s. 261–270. DOI:10.1016/j.jtbi.2004.05.021.
Matrix Matrixen er mitokondriets inderområde, der er omsluttet af indermembranen. Den indeholder omkring 2/3 af alt protein i et mitokondrie. Matrixen spiller sammen med indermembranens ATP-syntase en central rolle i syntesen af ATP. Matrixen er rig på enzymer (den indeholder flere hundrede forskellige slags) og indeholder desuden mitokondrielle ribosomer, tRNA og kopier af mitokondriets eget DNA-molekyle. Enzymernes hovedopgaver er oxidation af pyruvat og fedtsyrer samt opgaver i forbindelse med citronsyrecyklussen.
Som nævnt har mitokondrier deres eget arvemateriale (DNA), og de har også det nødvendige maskineri til syntese af RNA og proteiner (læs også: proteinsyntese). Der er blevet fundet 16.569 basepar i humant mtDNA. Disse koder for 37 gener: 22 for tRNA, 2 for rRNA og 13 for peptider.Anderson, S., et al. 'Sequence and organization of the human mitochondrial genome'. I Nature, volume 290, issue 5806 (9. april 1981), s. 427–465. DOI:10.1038/290457a0. PMID 7219534. De 13 mitokondrielle peptider er indbygget i indermembranen. Andre proteiner, hvis opbygning er indkodet i cellekernens DNA, er også indbygget i indermembranen.
Mitokondrie-associeret ER-membran Den mitokondrie-associerede ER-membran (MAM) er en struktur, der spiller en væsentlig rolle for cellens fysiologi og homøostase. Med elektronmikroskopi blev det opdaget, at mitokondriets ydermembran kan binde sig til membranen i ER, og dette er blevet bekræftet ved hjælp af fluorescensmikroskopi.Rizzuto, Rosario, et al. 'Ca2+ transfer from the ER to mitochondria: when, how and why'. I Biochimica et Biophysica Acta, volume 1787, issue 11 (november 2009), s. 1342–51. DOI:10.1016/j.bbabio.2009.03.015. PMC 2730423. PMID 19341702. Undersøgelser har vist, at afstanden mellem mitokondrierne og ER blot er 10-25 nm ved MAM, og at de to membraner holdes sammen af komplekser af bindingsproteiner.de Brito, Olga Martins, og Luca Scorrano. 'An intimate liaison: spatial organization of the endoplasmic reticulum–mitochondria relationship'. I The EMBO Journal, volume 29, issue 16 (2010), s. 2715–2723. DOI:10.1038/emboj.2010.177. PMC 2924651. PMID 20717141.
Oprenset MAM fra subcellulær fraktionering har vist sig at være rig på enzymer involveret i udvekslingen af fosfolipider samt kanaler til calciumsignalering. Dette tyder på, at mitokondrier spiller en vigtig rolle i oplagringen af lipider og ved signaltransduktion.
Transport af fosfolipider