Mitochondrien: Aufbau und Funktion verstehen

Mitochondrien liegen in Zellen mit Zellkern, also in eukaryotischen Zellen. Tier- und Pflanzenzellen besitzen sie; Prokaryoten haben keine Mitochondrien. Die äußere Membran grenzt das Organell vom Zellplasma ab und regelt den Stoffaustausch. Zwischen ihr und der inneren Membran liegt der Intermembranraum. Die innere Membran trägt die Proteinkomplexe der Atmungskette und die ATP-Synthase. Ihre Falten heißen Cristae. Im Innenraum, der Matrix, liegen Enzyme des Citratzyklus, mitochondriale Ribosomen und mitochondriale DNA. Die Membranen schaffen getrennte Reaktionsräume; das heißt Kompartimentierung.

ATP (Adenosintriphosphat) ist ein kurzfristiger Energieträger. Es enthält Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen. Bei der Hydrolyse zu ADP und Phosphat wird Energie für gekoppelte Zellarbeit verfügbar. Unter Energiezufuhr kann aus ADP und Phosphat wieder ATP entstehen. Die Membranarchitektur der Mitochondrien hilft beim Aufbau dieses ATP.

Die Zellatmung nutzt Glucose und Sauerstoff; am Ende entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Glykolyse läuft im Zellplasma. Pyruvatoxidation und Citratzyklus laufen in der Mitochondrienmatrix. An der inneren Membran liegt die Atmungskette; dort entsteht mithilfe der ATP-Synthase der größte ATP-Anteil.

NADH und FADH₂ bringen Elektronen zur Atmungskette. Deren Weitergabe liefert Energie, um Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu transportieren. So entsteht ein Protonengradient mit unterschiedlicher Protonenkonzentration und Ladung auf beiden Seiten der inneren Membran. Sie verhindert einen freien Rückstrom. Protonen strömen durch die ATP-Synthase kontrolliert in die Matrix zurück; das Protein koppelt diesen Rückfluss an die ATP-Bildung aus ADP und Phosphat. Sauerstoff nimmt am Ende Elektronen auf; mit Protonen entsteht Wasser.

Zellen unterscheiden sich in ihrem ATP-Bedarf. Muskelzellen brauchen ATP für Bewegung, Nervenzellen unter anderem für Signale. Solche Zellen können viele Mitochondrien oder ausgedehnte mitochondriale Netzwerke besitzen. Zahlreiche Mitochondrien und Cristae bieten eine hohe mögliche Kapazität zur ATP-Bildung. Aus ihrer Zahl allein lässt sich die genaue Aufgabe einer Zelle jedoch nicht bestimmen.

Mitochondrien sind keine starren Bohnen: Sie können sich teilen, miteinander verschmelzen und ihre Netzwerke verändern. Anzahl, Form und Aktivität können sich dem Zustand einer Zelle anpassen.

In der Matrix liegt meist ringförmige mitochondriale DNA (mtDNA). Sie enthält Bauanleitungen für einen kleinen Teil der benötigten Proteine. Viele weitere Proteine sind im Zellkern codiert, werden außerhalb des Mitochondriums hergestellt und anschließend importiert. Mitochondrien besitzen auch Ribosomen und können sich teilen, bleiben aber für ihre Funktion von der Zelle abhängig. Deshalb heißen sie semiautonom.

Die Endosymbiontentheorie erklärt sie als Nachfahren bakterienähnlicher Zellen, die von einer Vorläuferzelle aufgenommen wurden. Doppelmembran, eigene meist ringförmige DNA und bakterienähnliche Teilung sind Hinweise darauf. Heutige Mitochondrien können trotzdem nicht dauerhaft unabhängig von ihrer Wirtszelle leben. Weitere Aufgaben sind die Speicherung und Regulation von Calcium, Signalwege und die Apoptose, der programmierte Zelltod.