E-człowiek

Mitochondria, często nazywane biologiczną elektrownią komórki, w ludzkim organizmie są niezbędną jego częścią. Odpowiadają one przede wszystkim za przekształcenie energii pochodzącej ze składników pokarmowych na tą użyteczną dla komórek. Ponadto mitochondria odgrywają ważną rolę w inicjowaniu programowanej śmierci komórki, czyli apoptozy oraz w sygnalizacji międzykomórkowej. Wszystkie nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondrium mogą być podłożem chorób całego organizmu.

Mitochondrium jest organellum komórkowym, czyli małą strukturą otoczoną błoną, obecną we wnętrzu komórki. Ewolucyjnie powstało ono po wchłonięciu bakterii przez prekursora komórki eukariotycznej. W wyniku tego procesu doszło do utworzenia struktury otoczonej podwójną błoną białkowo-lipidową. Struktura ta posiada również własny genom, czyli DNA mitochondrialny (mtDNA). Mitochondria zwykle maja kształt owalny lub kulisty, jednak w komórce tworzą dynamiczną sieć, która w odpowiedzi na bodźce środowiskowe i metaboliczne ulega fuzji oraz fragmentacji. Mitochondrium podzielone jest na kilka obszarów, z których każdy pełni odmienne funkcje.  

Najważniejsze obszary mitochondrium to: 

Zewnętrzna błona mitochondrialna - odgranicza ona organellum od środowiska zewnętrznego, czyli cytoplazmy. Obecne są w niej poryny, czyli białka tworzące pory umożliwiające przenikanie małych cząsteczek do przestrzeni międzybłonowej.    

Przestrzeń międzybłonowa - jest to region pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną błoną mitochondrialną. Występują w niej białka regulujące działanie kompleksów łańcucha oddechowego oraz ruch cząsteczek transportowanych do wnętrza mitochondrium. 

Błona wewnętrzna – jest to silnie pofałdowana błona, tworzące tzw. grzebienie mitochondrialne, zapewniające zwiększenie powierzchni reakcji chemicznych. W błonie tej nie ma poryn w związku z tym jest ona nieprzepuszczalna dla większych cząsteczek. Transport jonów i cząsteczek wykonywany jest za pomocą specjalnych transporterów błonowych. Dzięki temu możliwe jest wytworzenie gradientu protonowego wykorzystywanego w trakcie ostatniego etapu oddychania komórkowego, w łańcuchu oddechowym.  

Macierz (matrix) mitochondrialna - jest to przestrzeń ograniczona błoną wewnętrzną. W jej wnętrzu znajdują się białka niezbędne do reakcji utleniania w cyklu Krebsa (drugi etap oddychania komórkowego). W reakcji powstają produkty wykorzystywane do produkcji energii wiązanej w postaci ATP (adenozyno-tri-fosforan). W tym miejscu występuje również materiał genetyczny mitochondrium, czyli mitochondrialne DNA (mtDNA) oraz rybosomy (podobne do bakteryjnych 70S).  

Poszczególne typy komórek posiadają różną ilość mitochondriów. Jest to głównie związane z wymaganiami energetycznymi komórek. Im więcej energii jest potrzebne, tym jest większa ilość mitochondriów w komórce, np. komórki wątroby mogą posiadać ich ponad 2000.   

Do najważniejszych funkcji mitochondrium należą: 

Produkcja energii 

Energia produkowana jest w postaci ATP. Jest to kompleks chemiczny wytwarzany w trakcie procesu zwanego oddychaniem komórkowym. Produkcja energii zachodzi w matrix mitochondrialnej w czasie cyklu Krebsa. Tutaj odbywa się również wytwarzanie zredukowanych nukleotydów NADH i FADH2. Ulegają one utlenianiu na kompleksach enzymatycznych, wchodzących w skład łańcucha oddechowego na grzebieniach mitochondrialnych wewnętrznej błony mitochondrium. Energia pochodząca z utleniania tych cząsteczek zgromadzona jest w postaci gradientu elektrochemicznego. Energia tego gradientu wykorzystywana jest do syntezy ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej. W cząsteczce ATP energia utrzymywana jest w wiązaniach chemicznych. Podczas ich pęknięcia energia uwalnia się i zostaje ona wykorzystana do procesów życiowych.  

Śmierć komórkowa 

Mitochondria odpowiedzialne są za programowaną śmierć komórki, czyli apoptozę. Jest to apoptoza wewnątrzpochodna. Proces ten odbywa się np. gdy komórki są stare lub zniszczone, a także gdy mają uszkodzone DNA. Dochodzi wtedy do powstania kanałów w błonie wewnętrznej i uwalniane są czynniki apoptotyczne. Jednym z nich jest cytochrom C, który wraz z białkiem Apaf i prokaspazą 9, aktywuje kaspazę 9. Uruchamia to kaskadę reakcji zależnych od kaspaz, czyli zhierarchizowaną aktywację enzymów zaangażowanych w śmierć komórek, doprowadzając do zniszczenia komórki. 

Magazynowanie jonów wapnia 

Jony wapnia są wykorzystywane w wielu procesach komórkowych, niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Ich uwalnianie do wnętrza komórki może inicjować wydzielanie neurotransmiterów z układu nerwowego lub hormonów z komórek endokrynnych. Jony wapnia oddziałują również na prawidłową pracę mięśni, uczestniczą w procesie zapłodnienia, czy krzepnięcia krwi. Wydzielanie jonów wapnia jest ściśle regulowane przez mitochondrium, które je absorbuje i utrzymuje aż do momentu, w którym będą one potrzebne do procesów biologicznych.

Chociaż duża ilość DNA występuje w jądrze komórkowym w postaci genomowego DNA, to mitochondrium  również posiada swój własny mitochondrialny DNA. Jest on dużo mniejszy od genomowego i podobny do tego występującego u bakterii. Mitochondrialne DNA ma wielkość ok 16 tys. par zasad i koduje tylko 37 genów. Dla porównania genomowe DNA ma wielkość ok 3 mld par zasad i koduje 20-25 tysięcy genów. Podczas zapłodnienia połowę DNA genomowego dziecko dziedziczy po matce, a połowę po ojcu. Jednakże mtDNA dziedziczone jest tylko po matce. Wiedza ta umożliwiła śledzenie pochodzenia genetycznego ludzi.

Mitochondrialne DNA jest dużo bardziej podatne na uszkodzenia, w porównaniu do reszty genomu. Związane jest to z wolnymi rodnikami. Powstają one w dużej ilości podczas produkcji energii w czasie etapów oddychania komórkowego zachodzących w mitochondrium (cykl Krebsa oraz łańcuch oddechowy). Rodniki te mogą powodować uszkodzenia w DNA mitochondrialnym. Ponadto w mitochondrium nie występują mechanizmy ochronne takie, jak w jądrze komórkowym, będącym miejscem występowania DNA genomowego. Ograniczona możliwość naprawy uszkodzeń oznacza, że mutacje narastają, przyczyniając się do powstawania nowotworów oraz chorób związanych z wiekem. Dodatkowo zwiększone jest wówczas  ryzyko chorób  serca, Alzheimera, Parkinsona, choroby dwubiegunowej, schizofrenii, choroby Huntingtona, bądź autyzmu. Uszkodzenia mitochondrium mogą być również związane z mutacjami powstającymi z innych przyczyn w DNA mitochondrialnym lub w DNA kodującym białka specyficzne dla mitochondriów. Mutacje te mogą być zarówno dziedziczne, jak i spontaniczne. Te spontaniczne mogą wystąpić podczas całego życia człowieka i nie są przekazywane kolejnym pokoleniom. Do chorób dziedzicznych związanych z obecnością  mutacji punktowych w mtDNA zaliczyć można m.in.:  

Dziedziczną neuropatię nerwu wzrokowego Lebera (LHON). Jest ona schorzeniem okulistycznym, dotyczącym zaniku nerwu wzrokowego. 

Zespół MELAS, związany jest przede wszystkim z deficytami energetycznymi komórek, uszkodzeniem mięśni, kwasicy mleczanowej oraz z incydentami udaropodobnymi. 

 Zespół MERRF, jest związany z padaczką miokloniczną z występowaniem czerwonych poszarpanych włókien w mięśniach. 

Zespół   NARP, związany jest z neurogenną miopatią z ataksją i zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki. Zmiany dotykają najczęściej narząd wzroku, układ nerwowy i mózgu. 

Dziedziczenie mutacji w DNA mitochondrialnym odbywa się tylko w linii żeńskiej, czyli matczynej. W związku z tym tylko chora kobieta jest odpowiedzialna za przekazanie mutacji całemu swojemu potomstwu. 

Wystąpienie mutacji doprowadzających do nieprawidłowej pracy organellum powoduje wystąpienie objawów, które różnią się w zależności od rodzaju komórki, w której nastąpiło uszkodzenie. Można jednak zaobserwować wspólne cechy chorób mitochondrialnych. Są to: słabość mięśni, utrata koordynacji, problemy z poruszaniem, cukrzyce, niewydolność nerek, choroby serca i wątroby, utrata funkcji intelektualnych (demencja), utrata słuchu, nieprawidłowości dotyczące oczu oraz widzenia, a nawet problemy żołądkowo-jelitowe. Najbardziej dotknięte przez wady mitochondrialne są komórki potrzebujące największej ilości energii. Są to komórki mięśni oraz neurony.