Mitochondrien: Aufbau und Funktion verstehen

Mitochondrien kommen in Zellen mit Zellkern vor, also in eukaryotischen Zellen. Tier- und Pflanzenzellen besitzen sie; Prokaryoten besitzen keine Mitochondrien.

Ein Mitochondrium besitzt vier wichtige Strukturbereiche:

• Die äußere Membran grenzt das Organell vom Zellplasma ab und ermöglicht einen geregelten Stoffaustausch.
• Der Intermembranraum liegt zwischen äußerer und innerer Membran.
• Die innere Membran enthält die Proteinkomplexe der Atmungskette und die ATP-Synthase. Ihre Falten heißen Cristae.
• Die Matrix ist der Innenraum innerhalb der inneren Membran. Dort liegen unter anderem Enzyme des Citratzyklus, mitochondriale Ribosomen und die mitochondriale DNA.

Membranen trennen somit Reaktionsräume voneinander. Diese Aufteilung heißt Kompartimentierung. Sie ermöglicht unterschiedliche Bedingungen in Matrix und Intermembranraum.

Adenosintriphosphat (ATP) ist ein kurzfristig nutzbarer Energieträger der Zelle. Es besteht aus Adenin, einem Zucker und drei Phosphatgruppen.

Wird eine Phosphatgruppe abgespalten, entsteht Adenosindiphosphat (ADP). Dabei wird Energie für Zellvorgänge verfügbar, etwa für Muskelbewegungen oder aktive Transportprozesse. Mit neu zugeführter Energie kann ADP wieder eine Phosphatgruppe erhalten und zu ATP werden.

Bei der Zellatmung wird die Energie energiereicher Stoffe schrittweise nutzbar gemacht. Der Gesamtweg umfasst verschiedene Reaktionsräume:

1. Die Glykolyse findet im Zellplasma statt. Dabei wird Glucose gespalten.
2. Der Citratzyklus läuft in der Mitochondrienmatrix ab.
3. Die Atmungskette befindet sich an der inneren Mitochondrienmembran. Hier entsteht der größte ATP-Anteil.

Beim gesamten aeroben Abbau werden Glucose und Sauerstoff genutzt; als Endstoffe entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Energie wird nicht auf einmal freigesetzt, sondern über mehrere gekoppelte Reaktionen auf ATP übertragen.

Der Protonengradient treibt die ATP-Synthase an

In der Atmungskette werden Elektronen zwischen Proteinkomplexen weitergegeben. Die dabei nutzbare Energie treibt den Transport von Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum an.

Dadurch entsteht ein Protonengradient: Im Intermembranraum befinden sich mehr Protonen als in der Matrix. Die innere Membran verhindert einen beliebigen Rückstrom.

Protonen können kontrolliert durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix strömen. Dieses Membranprotein nutzt die Energie des Rückstroms, um aus ADP wieder ATP zu bilden. Am Ende der Atmungskette nimmt Sauerstoff Elektronen auf; dabei entsteht Wasser.

Zellen unterscheiden sich in ihrem Energiebedarf. Muskelzellen benötigen viel ATP für Bewegung, Nervenzellen unter anderem für ihre Signalprozesse. Solche Zellen besitzen besonders viele Mitochondrien oder ausgedehnte mitochondriale Netzwerke.

Mitochondrien sind dabei keine starren Bohnen. Sie können sich teilen, miteinander verschmelzen und veränderliche Netzwerke bilden. Ihre Anzahl, Form und Aktivität können sich deshalb dem Zustand der Zelle anpassen.

In der Matrix liegt die meist ringförmige mitochondriale DNA, kurz mtDNA. Sie enthält Bauanleitungen für einen kleinen Teil der mitochondrialen Proteine. Viele weitere benötigte Proteine werden dagegen durch die DNA im Zellkern codiert, außerhalb des Mitochondriums hergestellt und anschließend importiert.

Mitochondrien gelten deshalb als semiautonom: Sie besitzen eigene DNA und Ribosomen und können sich durch Teilung vermehren, sind aber für ihre vollständige Funktion auf die übrige Zelle und den Zellkern angewiesen.

Die Doppelmembran, die eigene ringförmige DNA und die bakterienähnliche Teilung gelten als Hinweise auf diese Erklärung. Sie bedeuten jedoch nicht, dass ein heutiges Mitochondrium außerhalb seiner Zelle selbstständig leben könnte.

Mitochondrien übernehmen außerdem weitere Aufgaben. Sie speichern und regulieren Calcium, wirken an zellulären Signalwegen mit und sind an der Apoptose, dem programmierten Zelltod, beteiligt.