Mitochondrium

Ein Mitochondrium (auch: "Mitochondrion", Plural: Mitochondrien) ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das als "Kraftwerk" der eukaryontischen Zelle fungiert. Die Hauptfunktion des Mitochondriums ist es, im Rahmen der Zellatmung unter Sauerstoff-Verbrauch ATP, die universelle Energiewährung der Zelle, herzustellen.

Mitochondrien kommen verteilt im Cytosol der meisten Eukaryoten vor. Außerdem spielen Mitochondrien eine wichtige Rolle bei der Apoptose.

In den Mitochondrien verlaufen wichtige Abbauwege (Citratzyklus, beta-Oxidation der Fettsäuren) sowie die Atmungskette. Bei letzterer wird mit Hilfe von Elektronen-Transportvorgängen und durch Anreicherung von Wasserstoffionen ein elektrochemischer Gradient aufgebaut, der dazu dient, an speziellen Knopfpartikeln, die in der inneren Mitochondrienmembran liegen, ATP herzustellen. Die zur Herstellung des Gradienten benötigten Elektronen und Wasserstoffatome werden durch oxidativen Abbauausaus den vom Organismus aufgenommenen Nährstoffen (z.B. Glucose) gewonnen:

• zunächst läuft im Cytoplasma die Glykolyse ab, bevor im Krebs-Zyklus (Zitrat-Zyklus, Tricarbonsäure-Zyklus) in der Mitochondrien-Matrix der überwiegende Teil der Reduktionsäquivalente (NADH,H⁺, FADH₂, Succinat) gewonnen werden, die dann in der Mitochondrienmembran innerhalb der Atmungskette bzw. im Q-Zyklus in Zellenergie (ATP) umgewandelt werden.

Nach der Endosymbiontenhypothese geht man davon aus, dass sowohl die Mitochondrien als auch die Chloroplasten aus einer Symbiose mit Eukaryonten hervorgegangen sind. Hinweise darauf sind der Besitz eigener genetischer Information (mtDNA), eine eigene Proteinsynthese (mit Ribosomen, tRNA ...) und das Vorhandensein einer inneren Membran, die sich deutlich vom Bau der äußeren Membran unterscheidet und die der Erzeugung von ATP aus ADP dient.

• Die äußere Membran umschließt das gesamte Mitochondrium und enthält Kanäle aus Proteinkomplexen, welche den Austausch von Molekülen und Ionen zwischen dem Mitochondrium und dem Cytosol ermöglichen. Große Moleküle können die Membran nicht passieren.
• Die innere Membran besteht aus Cristae genannten Einstülpungen, wodurch die Oberfläche, an der die chemischen Reaktionen stattfinden können, erheblich vergrößert wird. Sie umschließt die Matrix, die interne Flüssigkeit des Mitochondriums. Die Membran enthält große Proteinkomplexe, welche für die eigentliche Energiegewinnung zuständig sind.
• Der Intermembranraum zwischen den beiden Membranen enthält Enzyme, die Nukleotide unter ATP-Verbrauch phosphorylieren können.

Abbildung 1 : Mitochondrion. 1. Innere Membran. 2. Äußere Membran. 3. Cristae. 4. Matrix.

Besonders viele Mitochondrien finden sich in Zellen, die viel Energie verbrauchen (z.B. Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen). Bis vor kurzem nahm man an, dass Mitochodrien über das Plasma der Eizelle nur von der Mutter vererbt werden, was Anlass zur Erforschung mütterlicher Verwandtschaftslinien gab; doch hat sich mittlerweile herausgestellt, dass auch bei der Befruchtung durch das Spermium einige männliche Mitochondrien in das Plasma der befruchteten Eizelle (Zygote) importiert werden. Der Transport von Proteinen in die Mitochondrien erfolgt durch den Mitochondrial Outer Membrane (MOM) Komplex und den Mitochondrial Inner Membrane (MIM) Komplex. Durch eine defekte Mitochondrien-Funktion (Mitochondriopathien) können Krankheiten hervorgerufen werden.