Mitochondriën: de krachtcentrales van de cel — functie, structuur en rol

Een mitochondrium bevat twee membranen. Deze zijn gemaakt van dubbele lagen fosfolipiden en eiwitten. De twee membranen hebben verschillende eigenschappen. Door deze dubbele membraanorganisatie zijn er vijf verschillende compartimenten binnen het mitochondrion. Dit zijn:

1. het buitenste mitochondriale membraan,
2. de intermembraanruimte (de ruimte tussen de buitenste en binnenste membranen),
3. het binnenste mitochondriale membraan,
4. de cristae ruimte (gevormd door plooiingen van het binnenste membraan), en
5. de matrix (ruimte binnen het binnenmembraan). Mitochondriën zijn kleine, bolvormige of cilindrische organellen. Over het algemeen is een mitochondrium 2,8 micron lang en ongeveer 0,5 micron breed. Het is ongeveer 150 keer kleiner dan de celkern. Er zijn ongeveer 100-150 mitochondriën in elke cel.

De belangrijkste rol van de mitochondriën in de cel is glucose te nemen en de energie die is opgeslagen in de chemische bindingen te gebruiken om ATP te maken in een proces dat celademhaling wordt genoemd. Er zijn 3 hoofdstappen in dit proces: glycolyse, de citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus, en ATP-synthese. Dit ATP komt vrij uit het mitochondrium en wordt door de andere organellen van de cel afgebroken om hun eigen functies te voeden.

Men denkt dat mitochondriën ooit onafhankelijke bacteriën waren, en deel gingen uitmaken van de eukaryote cellen door te worden opgeslokt, een proces dat endosymbiose wordt genoemd.

Het meeste DNA van een cel bevindt zich in de celkern, maar het mitochondrion heeft zijn eigen onafhankelijke genoom. Ook vertoont zijn DNA grote gelijkenis met de genomen van bacteriën.

De afkorting voor mitochondriaal DNA is mDNA of mtDNA. Beide worden door onderzoekers gebruikt.

Mitochondriën delen zich door binaire deling, vergelijkbaar met de deling van bacteriële cellen. Bij eencellige eukaryoten is de deling van mitochondriën gekoppeld aan de celdeling. Deze deling moet zo worden geregeld dat elke dochtercel ten minste één mitochondrium krijgt. In andere eukaryoten (bijvoorbeeld in de mens) kunnen mitochondriën hun DNA repliceren en zich delen als reactie op de energiebehoeften van de cel, in plaats van in fase met de celcyclus.

De mitochondriale genen van een individu worden niet via hetzelfde mechanisme geërfd als de nucleaire genen. De mitochondriën, en dus ook het mitochondriaal DNA, zijn meestal alleen afkomstig van de eicel. De mitochondriën van het sperma komen in de eicel, maar zijn gemarkeerd voor latere vernietiging. De eicel bevat relatief weinig mitochondriën, maar het zijn deze mitochondriën die overleven en zich delen om de cellen van het volwassen organisme te bevolken. Mitochondriën worden daarom in de meeste gevallen via de vrouwelijke lijn geërfd, wat bekend staat als maternale overerving. Deze wijze geldt voor alle dieren en de meeste andere organismen. Bij sommige naaldbomen vererven de mitochondriën echter paternaal, maar niet bij dennen en taxusbomen.

Een enkel mitochondrion kan 2-10 kopieën van zijn DNA bevatten. Om deze reden wordt aangenomen dat mitochondriaal DNA zich reproduceert door binaire splitsing, waardoor exacte kopieën ontstaan. Er zijn echter aanwijzingen dat dierlijke mitochondriën recombinatie kunnen ondergaan. Als er geen recombinatie optreedt, vertegenwoordigt de hele mitochondriale DNA-sequentie een enkel haploïd genoom, wat het nuttig maakt voor het bestuderen van de evolutionaire geschiedenis van populaties.

Populatiegenetisch onderzoek

De bijna-onafhankelijke recombinatie in mitochondriaal DNA maakt het nuttig voor populatiegenetica en evolutionaire biologie. Als al het mitochondriaal DNA als een enkele haploïde eenheid wordt geërfd, kunnen de relaties tussen mitochondriaal DNA van verschillende individuen worden gezien als een genenboom. Patronen in deze genenbomen kunnen worden gebruikt om de evolutionaire geschiedenis van populaties af te leiden. Het klassieke voorbeeld hiervan is dat de moleculaire klok kan worden gebruikt om een datum te geven voor de zogenaamde mitochondrialeEva. Dit wordt vaak geïnterpreteerd als een sterke steun voor de verspreiding van de moderne mens uit Afrika. Een ander voorbeeld bij de mens is de sequentiebepaling van mitochondriaal DNA uit Neanderthalerbotten. De relatief grote evolutionaire afstand tussen de mitochondriale DNA-sequenties van Neanderthalers en levende mensen is bewijs voor een algemeen gebrek aan kruisingen tussen Neanderthalers en anatomisch-moderne mensen.

Mitochondriaal DNA weerspiegelt echter alleen de geschiedenis van de vrouwtjes in een populatie. Het is mogelijk dat het niet de geschiedenis van de bevolking als geheel weergeeft. Tot op zekere hoogte kan gebruik worden gemaakt van genetische sequenties van de vader op het Y-chromosoom. In ruimere zin kunnen alleen studies die ook nucleair DNA omvatten een volledige evolutionaire geschiedenis van een populatie opleveren.

• Cellulaire ademhaling
• Glycolyse
• Krebs-cyclus