miniatura|300px|Micrografia electrònica de dos mitocondris del teixit pulmonar d'un mamífer en els quals es poden apreciar la matriu i les membranes.
Un mitocondri és un orgànul envoltat per una doble membrana que es troba en la majoria de les cèl·lules eucariotes. A través de la respiració aeròbica, els mitocondris produeixen la major part del trifosfat d'adenosina (ATP) que consumeixen les cèl·lules com a font d'energia química. Albert von Kölliker els descobrí el 1857 en els músculs voluntaris dels insectes. El terme mitocondri fou encunyat per Carl Benda el 1898.
Hi ha organismes multicel·lulars que tenen certs tipus de cèl·lules mancades de mitocondris (com els eritròcits madurs dels mamífers). A més a més de subministrar energia, els mitocondris estan implicats en diferents processos, com ara la comunicació, la diferenciació i l'apoptosi, així com el cicle cel·lular i el seu creixement. Els mitocondris s'han relacionat amb diverses malalties humanes, com ara les malalties mentals, disfuncions cardíaques, i tenen un paper important en el procés de l'envelliment. La paraula «mitocondri» prové dels mots grecs μίτος mitos, 'fil', i χονδρίον khondríon, 'grànul'. La seva descendència no està ben compresa, però, segons la teoria endosimbiòtica, són descendents d'antics bacteris que foren incorporats simbiòticament pels avantpassats de les cèl·lules eucariotes fa més de mil milions d'anys.
Hi ha diverses característiques que fan únics els mitocondris. El nombre de mitocondris en una cèl·lula varia molt segons el tipus d'organisme i de teixit. Moltes cèl·lules tenen un sol mitocondri, mentre que d'altres en poden tenir diversos milers. L'orgànul està compost per compartiments que duen a terme funcions especialitzades. Aquests compartiments o regions inclouen la membrana externa, l'espai intermembranós, la membrana interna, les crestes mitocondrials i la matriu. Les proteïnes mitocondrials varien en funció dels teixits i les espècies. En els humans hi ha 615 tipus de proteïnes que s'identifiquen amb els mitocondris cardíacs, mentre que en els murins se'n troben fins a 940 codificats per diferents gens. Es creu que el proteoma mitocondrial està regulat dinàmicament. Tot i que la major part de l'ADN està continguda dins del nucli, els mitocondris tenen el seu propi genoma independent. A més a més, el seu ADN demostra una similitud significativa amb els genomes bacterians.
Història 1857 - Kölliker descriu les característiques dels mitocondris dels músculs. 1890 - Altmann descriu una tècnica per tenyir els mitocondris i assumeix la seva autonomia metabòlica i genètica. 1920 - Ivan Wallin estén als mitocondris la teoria endosimbiòtica que el 1905 el botànic Konstantin Mereschkowski ja havia hipotetitzat respecte als cloroplasts. 1937 - Hans Adolf Krebs descobreix el sistema del cicle de Krebs, que es dona dins dels mitocondris. 1948-50 - Lehninger i Kennedy mostren que el cicle de Krebs, la beta-oxidació i la fosforilació oxidativa es donen en tots els mitocondris. 1967 - Lynn Margulis recupera les hipòtesis endosimbiòtiques d'Ivan Wallin i Konstantin Mereschkowski i hi afegeix hipòtesis pròpies (l'endosimbiosi dels flagels) que són errònies. Malgrat això, en ser la dona de Carl Sagan aconsegueix un renom que permet donar a conèixer més la teoria.L. Margulis (1967), «On the origin of mitosing cells», Journal of theoretical biology , 14 (3): 225. 1978 - Peter Mitchell rep el premi Nobel per formular la teoria de la química osmòtica. 1981 - Anderson i el seu equip descobreixen l'estructura genètica de l'ADN mitocondrial humà. 1997 -Boyer i Walker reben el premi Nobel pels seus estudis sobre l'estructura i el funcionament de l'ATP.
Estructura miniatura|Estructura del mitocondri: 1) Membrana interna 2) Membrana externa 3) Crestes mitocondrials 4) Matriu miniatura|Estructura d'un mitocondri
Els mitocondris tenen membranes externes i interns compostes per bicapes fosfolípidiques i proteïnes. Tanmateix, les dues membranes tenen propietats diferents. A causa d'aquesta organització de doble membrana, hi ha cinc diferents compartiments dins del mitocondri: la membrana mitocondrial externa, l'espai intermembranós (espai comprès entre la membrana externa i la interna), la membrana mitocondrial interna, l'espai entre les crestes mitocondrials, i la matriu mitocondrial (espai interior de la membrana).
Membrana externa
La membrana mitocondrial externa, és una bicapa fosfolipídica que engloba tot l'orgànul. Té una composició proteïna/fosfolípids semblant a la de la membrana plasmàtica eucariota (aproximadament 1:1 en pes). Conté nombroses proteïnes integrals de membrana com la porina, que conté un canal intern relativament gran (entre 2-3 nm) permeable a totes les molècules inferiors a 5.000 daltons. Les molècules més grans poden travessar la membrana externa mitjançant el transport actiu a través de les proteïnes transportadores de la membrana. La membrana externa també conté enzims implicats en activitats tan diverses com l'elongació d'àcids grassos, l'oxidació de l'epinefrina (adrenalina) i la degradació del triptòfan (aminoàcid aromàtic). L'alteració de la membrana externa permet a les proteïnes sortir de l'espai intermembranós cap al citosol provocant la mort cel·lular.
Espai intermembranós L'espai intermembranós és l'espai que hi ha entre la membrana externa i la interna. Atès que la membrana externa és lleugerament permeable a petites molècules, la seva concentració d'ions i de sucres és la mateixa que la del citosol. Tanmateix, les proteïnes han de tenir una seqüència específica de senyalització per poder ser transportades a través de la membrana externa. La composició de proteïnes d'aquest espai és diferent a la del citosol. Una proteïna que se situa a l'espai intermembranós és coneguda com a citocrom c.
Membrana interna
La membrana interna conté proteïnes amb quatre tipus de funcions:
Les que porten el control de les reaccions d'oxidació-reducció de la fosforilació oxidativa. L'ATP sintasa, que genera ATP a la matriu. Proteïnes de transport específiques que regulen el pas metabòlic d'entrada i de sortida de la matriu. Proteïnes d'importació de maquinària.
Té més de cent pèptids diferents i un alt contingut de proteïnes fosforilatives (més de 3:1 en pes, que és al voltant d'una proteïna per cada quinze fosfolípids). A la membrana interna es troben el voltant d'1/5 del total de proteïnes del mitocondri. A més a més, la membrana interna és rica en fosfolípids i cardiolipines. Aquests fosfolípids foren descoberts als cors de les vaques el 1924, i en general es caracteritzen per les membranes plasmàtiques dels mitocondris i dels bacteris. Les cardiolipines contenen quatre àcids grassos en comptes de dos i ajuden a fer l'interior de la membrana impermeable. A diferència de la membrana externa, la interna no conté porus i és altament impermeable a totes les molècules. Gairebé tots els ions i molècules requereixen transportadors de membrana per poder entrar o sortir de la matriu. Les proteïnes són conduïdes a la matriu per mitjà de complexos de translocasa de membrana interior (TMI) o per mitjà d'Oxa1. A més, existeix un potencial de membrana a través de la membrana interior, format per l'acció d'enzims de la cadena transportadora d'electrons.
Cresta mitocondrial
miniatura|esquerra|Tall en secció de les crestes d'un mitocondri de fetge de rata, mostrant la probable estructura tridimensional i la relació amb la membrana interna. A diferència de la membrana externa, que és llisa, la membrana interna està composta de nombrosos plecs, que reben el nom de crestes mitocondrials. Aquestes crestes amplien la superfície de la membrana interna per poder augmentar-ne la capacitat de produir ATP. Aquest plecs no es formen per atzar, sinó que estan col·locats d'una forma determinada, ja que poden afectar el funcionament de la quimiosmosi. En la disposició típica dels mitocondris del fetge, per exemple, la superfície de les crestes mitocondrials és aproximadament cinc vegades superior a la de la membrana externa. Els mitocondris de les cèl·lules que tenen una major demanda d'ATP, com les cèl·lules musculars, contenen un volum més gran de crestes.
Matriu mitocondrial
La matriu és l'espai tancat per la membrana interna. Conté aproximadament dos terços del total de les proteïnes d'un mitocondri. La matriu és important en la producció d'ATP, amb l'ajuda de l'ATP sintasa situada a l'interior de la membrana. La matriu conté una alta concentració d'una mescla de centenars d'enzims, de ribosomes mitocondrials especials, ARNt i diverses còpies d'ADN del genoma mitocondrial. Les principals funcions dels enzims inclouen l'oxidació del piruvat, d'àcids grassos i el cicle de Krebs.
Els mitocondris tenen el seu propi material genètic, i la maquinària per la fabricació dels seus propis ARN i proteïnes. Un estudi sobre l'ADN mitocondrial va revelar que estava compost de 16.560 parelles de bases codificats en un total de 37 gens, 22 ARNt, 2 ARNr i 13 gens peptídics. Els 13 pèptids mitocondrials en els éssers humans s'integren a la membrana mitocondrial interna, juntament amb les proteïnes codificades pels gens que resideixen a la cèl·lula hoste del nucli.
Organització i localització miniatura|Mitocondris en un macròfag. Els mitocondris es troben dispersos pel citoplasma en gairebé totes les cèl·lules eucariotes. El seu nombre i ubicació varia segon el tipus de cèl·lula. Un nombre considerable de mitocondris es troben al fetge, al voltant de 1.000 - 2.000 per cèl·lula, representant una cinquena part del volum cel·lular. Sovint formen una complexa xarxa en 3D dins del citoesquelet. L'associació amb el citoesquelet determina la forma del mitocondri, cosa que n'afecta la funció. Proves recents suggereixen que la vimentina, un dels components del citoesquelet, és fonamental per la seva associació amb el citoesquelet.
Funcions Les funcions més importants del mitocondri són la producció d'ATP i la regulació del metabolisme cel·lular. El conjunt de reaccions que participen en la producció d'ATP es coneix col·lectivament com el cicle de Krebs.
Conversió de l'energia Com ja s'ha dit anteriorment, un paper important dels mitocondris és la producció d'ATP. Aquest procés es fa per oxidació; els principals productors són: la glucosa, el piruvat i el NADH, que són produïts al citosol. Aquest procés de respiració cel·lular, també conegut com a respiració aeròbica, depèn de la presència d'oxigen. Quan l'oxigen és limitat, els productors glicolítics canvien a una respiració anaeròbica, un procés que és independent del mitocondri. La producció d'ATP a partir d'una molècula de glucosa a través de la respiració aeròbica és de 38 ATPs, mentre que si la respiració és anaeròbica únicament es produeixen 2 ATPs, 19 cops menys.
Piruvats i cicle de Krebs
Cada molècula de piruvat produïda per glucòlisi és transportada activament a través de la membrana interna i dins la matriu, on s'oxida i es combina amb el coenzim A per formar CO₂, Acetil-CoA i NADH.
L'Acetil-CoA és el principal substrat per començar el cicle de Krebs, també conegut com el cicle de l'àcid tricarboxilic (TCA). Els enzims necessaris per a aquest procés estan situats a la matriu mitocondrial, amb l'excepció del succinat deshidrogenasa, que es troba a la membrana interna, com a part del complex II. Durant el cicle de Krebs, l'acetil-CoA s'oxida, produint CO₂ i cofactors reduïts (tres molècules de NADH i una de FADH₂) que són una font d'electrons per la cadena transportadora d'electrons, i una molècula de GTP (que es converteix fàcilment en una d'ATP).
NADH i FADH₂: La cadena transportadora d'electrons
miniatura|400px|Procés de la cadena transportadora d'electrons.