Mitochondrium

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Organell
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Membran Intermembranraum Matrix Nukleoid Proteinkomplexe
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Modell eines Mitochondriums (im Überseemuseum Bremen)

Schematische Darstellung des Mitochondriums: (1) Innere Membran, (2) Äußere Membran, (3) Cristae, (4) Matrix.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Mitochondrien.

Detaillierter Aufbau.

Das Mitochondrium (auch Mitochondrion, Plural Mitochondrien; von altgriechisch μίτος mítos ‚Faden‘ sowie χόνδρος chóndros ‚Korn‘)^[1] ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell mit eigener Erbsubstanz. Mitochondrien kommen in den Zellen fast aller Eukaryoten vor. Bei Prokaryoten kommen sie nicht vor.

Mitochondrien fungieren u.a. als „Energiekraftwerke“, indem sie das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat bilden. Darüber hinaus erfüllen sie weitere essentielle Funktionen für die Zelle, sind beispielsweise an der Bildung der Eisen-Schwefel-Cluster beteiligt.

Allgemeines

Besonders viele Mitochondrien befinden sich in Zellen mit hohem Energieverbrauch; das sind unter anderem Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen und Eizellen. In Herzmuskelzellen erreicht der Volumenanteil von Mitochondrien 36 %.^[2] Sie haben einen Durchmesser von etwa 0,5 - 1,5 µm und sehr unterschiedliche Formen, von Kugeln bis zu komplexen Netzwerken. Mitochondrien vermehren sich durch Wachstum und Sprossung, die Anzahl von Mitochondrien wird dem Energiebedarf der Zelle angepasst. Eukaryotische Zellen, die ihre Mitochondrien verlieren, können diese nicht mehr regenerieren. Es gibt jedoch auch Eukaryoten ohne Mitochondrien, so zum Beispiel bei einigen Protozoen.

Mitochondrien werden über das Plasma der Eizelle nur von der Mutter vererbt, was Anlass zur Erforschung mütterlicher Verwandtschaftslinien (Matrilinien) war. Es hat sich mittlerweile herausgestellt, dass auch durch das Spermium einige männliche Mitochondrien in das Plasma der befruchteten Eizelle (Zygote) importiert werden. Diese „männlichen“ Mitochondrien werden jedoch wahrscheinlich recht schnell eliminiert, denn sie sind, so wird inzwischen angenommen, schon von vornherein als potentiell gefährlicher „Zellmüll“ markiert worden. Es gibt jedoch einige wenige Fälle, in denen Mediziner nachweisen konnten, dass die Mitochondrien des Kindes aus der väterlichen Linie stammten.^[3]

Durch defekte Funktionen der Mitochondrien können etwa 50 Krankheiten (Mitochondriopathien) hervorgerufen werden.^[4]

Aufbau

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 beim Cristae-Typ (von lat. crista „Kamm“) aus Cristae genannten Einstülpungen, wodurch die Oberfläche, an der die chemischen Reaktionen stattfinden können, erheblich vergrößert wird. Die Membran enthält große Proteinkomplexe der Atmungskette, welche für die eigentliche Energiegewinnung zuständig sind.

Der andere Mitochondrien-Typ heißt Tubuli-Typ und findet sich beispielsweise in steroidproduzierenden Zellen.

Die innere Membran umschließt die Matrix, die interne Flüssigkeit des Mitochondriums. Sie entspricht dem Cytosol von Bakterien und enthält die mitochondriale DNA, die Enzyme des Citratzyklus und eigene Ribosomen, die sich von den Ribosomen im Cytosol (aber auch von denen von Bakterien^[5]) unterscheiden. Der Intermembranraum zwischen den beiden Membranen enthält Enzyme, die Nukleotide unter ATP-Verbrauch phosphorylieren können.

Außerdem zeigt das elektronenmikroskopische Bild an der Membraninnenseite gestielte Köpfchen mit einem Durchmesser von 8,5 nm, die Elementarpartikel oder ATP-Synthase-Partikel. Hier findet im Verlauf der Zellatmung die ATP-Bildung statt.

Außerdem spricht man bei schlauchförmigen Einstülpungen mit perlenartigen runden Aussackungen noch vom Sacculi-Typ.

Entgegen der gängigen Vorstellung treten Mitochondrien in der Zelle überwiegend nicht als separate, bohnenförmige Organellen auf, wie sie noch oft in Lehrbüchern dargestellt werden. Stattdessen bilden sie ein tubuläres, mitochondriales Netzwerk, welches die gesamte Zelle durchzieht. Einzelne Mitochondrien sind in der Lage, sich mit diesem Netzwerk zu verbinden (Fusion) und sich wieder abzuspalten (Fission). ^[6]

Funktion

• Wichtige Abbauwege: Citratzyklus, hierzu wird Pyruvat aus dem Cytosol in die Mitochondrien-Matrix eingeschleust. Durch die Pyruvat-Dehydrogenase wird dann Pyruvat zu Acetyl-CoA decarboxyliert. Eine andere Quelle des Acetyl-CoA ist der Fettsäureabbau (β-Oxidation), welcher in tierischen Zellen in Mitochondrien stattfindet, in pflanzlichen Zellen jedoch nur in den Glyoxysomen und den Peroxisomen ^[7]. Hierzu wird Acyl-CoA aus dem Cytosol über Bindung an Carnitin durch die innere Mitochondrienmembran geschleust und zu Acetyl-CoA umgesetzt. Aus Acetyl-CoA wird im Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäure-Zyklus genannt) der überwiegende Teil der Reduktionsäquivalente (NADH+H⁺, FADH₂) gewonnen, die dann innerhalb der Atmungskette in ATP umgewandelt werden.
• Atmungskette: Dabei wird mit Hilfe von Elektronen-Transportvorgängen und durch Anreicherung von Protonen ein elektrochemischer Gradient zwischen dem Intermembranraum und der mitochondrialen Matrix aufgebaut, der dazu dient, mittels der ATP-Synthase, ATP herzustellen (siehe chemiosmotische Kopplung). Die zum Aufbau des Gradienten benötigten Elektronen und Protonen werden durch oxidativen Abbau aus den vom Organismus aufgenommenen Nährstoffen (z. B. Glucose) gewonnen. Zunächst läuft im Zytoplasma die Glykolyse ab.
• Apoptose (Programmierter Zelltod)
• Calcium-Speicher: durch die Fähigkeit Calciumionen aufzunehmen und später wieder abzugeben, greifen Mitochondrien in die Calcium-Homöostase der Zelle ein.
• Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern, die unter anderem von vielen Enzymen der Atmungskette benötigt werden. Diese Funktion wird inzwischen als die essentielle Funktion der Mitochondrien angesehen, d. h. als der Grund, warum fast alle eukaryotischen Zellen zum Überleben auf Mitochondrien angewiesen sind.^[8]

Ursprung

Nach der Endosymbiontentheorie geht man davon aus, dass die Mitochondrien aus einer Symbiose von aeroben Bakterien (aus der Gruppe der α-Proteobakterien, Gattung Rickettsia) mit den Vorläufern der heutigen Eukaryoten hervorgegangen sind. Ein alternativer Vorschlag ist die Aufnahme eines fakultativen anaeroben Bakteriums (Symbiont) durch ein methanogenes Archaeon (Wirt).^[9] Hinweise auf eine wie auch immer gestaltete Endosymbiose sind der Besitz eigener genetischer Information (MtDNA, Chondriom), eine eigene Proteinsynthese (mit eigenen Ribosomen und tRNAs) und das Vorhandensein einer inneren Membran, die sich deutlich vom Bau der äußeren Membran unterscheidet und die der Synthese von ATP aus ADP dient. Die Mitochondrien sind jedoch so spezialisiert, dass sie allein nicht lebensfähig sind. Sie sind relativ eng mit anderen, seltener auftretenden Organellen, den Hydrogenosomen verwandt.^[10]

Genom

Schematische Darstellung des Mitochondriengenoms.

→ Hauptartikel: Mitochondriale DNA

Die Mitochondrien besitzen ein eigenes Genom (Chondriom), das sich, häufig mehrfach kopiert, in der mitochondrialen Matrix befindet. Das Genom ist als zirkuläre und doppelsträngige DNA (mtDNA) geformt (siehe auch Plasmid) und besitzt einen eigenständigen Verdopplungszyklus. Mitochondrien werden als semiautonom bezeichnet, ihr Genom kodiert selbst nur einen kleinen Teil der vom Mitochondrium benötigten Proteine. Beim Menschen kontrollieren 37 mitochondriale Gene die Synthese von 13 der ca. 80 Protein-Untereinheiten der Atmungskette, die restlichen 800–1000 verschiedenen mitochondrialen Proteine werden im Kerngenom kodiert.

Die nicht für Proteine kodierenden Gene der mtDNA kodieren für die rRNA und für alle benötigten tRNAs.

Veränderungen im Mitochondriengenom werden in der Forschung zur Aufklärung von Abstammungslinien der Arten, sowie verschiedener ethnischer Gruppen des Menschen genutzt, so etwa vom Genographic-Projekt.

Neubildung

Mitochondrien werden nicht neu gebildet, sondern entstehen durch Wachstum und Sprossung. Der Großteil der mitochondrialen Proteine wird im Cytosol synthetisiert und anschließend in die Mitochondrien transportiert. Der Transport dieser Proteine in die Mitochondrien erfolgt über die äußere Membran durch den TOM-Komplex (engl. translocase of outer mitochondrial membrane) und über die innere Membran durch den TIM-Komplex (engl. translocase of inner mitochondrial membrane) und beinhaltet die Funktion von Chaperonen, besonders Hsp70.^[11] Die Vermehrung der Mitochondrien hängt jeweils vom Bedarf ab. Bei der Zellteilung werden sie von der Mutterzelle auf die Tochterzellen verteilt. Verbrauchte Mitochondrien werden mit Hilfe des endoplasmatischen Retikulums, des Golgi-Apparats und den Lysosomen abgebaut.

Zitate

Gottfried Schatz über Mitochondrien als wärmespendende „Energiekraftwerke“:

• „Halte jemandes Hand und fühle ihre Wärme. Gramm für Gramm wandelt sie 10.000 Mal mehr Energie um als die Sonne. Schwer zu glauben? Hier sind die Zahlen: Im Durchschnitt wiegt ein Mensch 70 Kilogramm und verbraucht täglich etwa 12.600 Kilojoule; das ergibt etwa 2 Millijoule / Gramm und Sekunde, oder 2 Milliwatt / Gramm. Für die Sonne sind es nur mickrige 0,2 Mikrojoule / Gramm und Sekunde. Einige Bakterien, wie etwa das Bodenbakterium Azotobacter, können sogar bis zu 10 Joule / Gramm und Sekunde umwandeln und übertreffen die Sonne also um einen Faktor von 50 Millionen. Ich bin warm, weil im Inneren jeder meiner Körperzellen Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Mitochondrien die von mir verzehrte Nahrung verbrennen.“
  • (engl. Original): „Hold somebody’s hand and feel its warmth. Gram per gram, it converts 10 000 times more energy per second than the sun. You find this hard to believe? Here are the numbers: an average human weighs 70 kilograms and consumes about 12 600 kilojoules / day; that makes about 2 millijoules / gram.second, or 2 milliwatts / gram. For the sun it’s miserable 0.2 microjoules / gram.second. Some bacteria, such as the soil bacterium “Azotobacter” convert as much as 10 joules / gram.second, outperformung the sun by a factor of 50 million. I am warm because inside each of my body cells there are dozens, hundreds or even tousands of mitochondria that burn the food I eat“.^[12]

Siehe auch

• Mitochondropathie
• Zellatmung
• Atmungskette
• Hydrogenosom
• Mitochondriale Eva

Literatur

• B. Alberts u. a.: Molecular Biology of the Cell; 2002⁴; ISBN 0-8153-3218-1
• M. W. Gray u. a.: The origin and early evolution of mitochondria; in: Genome Biology, Band 2, Nr. 6, 2001, reviews1018.1–1018.5 PMID 11423013 PDF
• Gottfried Schatz: Mitochondria: beyond oxidative phosphorylation; in: Biochimica et Biophysica Acta, Band 1271 (1995), S. 123–126. PMID 7599197.
• I. E. Scheffler: A century of mitochondrial research: achievements and perspectives; in: Mitochondrion, Band 1 (2001), Nr. 1, S. 3–31. PMID 16120266 PDF

Weblinks

• www.zytologie-online.net: Mitochondrium-Graphik
• MitoP2 – englischsprachige Datenbank für mitochondriale Gene, Proteine und Krankheiten
• MITOMAP – A human mitochondrial genome database – englischsprachige Seite zum mitochondrialen Genom
• Uni Mainz: Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Mitochondrien

Einzelnachweise

1. ↑ Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965.
2. ↑ J. Schrader, M. Kelm: Das Herz; in: Rainer Klinke, Hans-Christian Pape, Stefan Silbernagel (Hrsg.): Physiologie; Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 2005³; S. 147.
3. ↑ stern.de: Medizinische Forschung: Briten schaffen Embryo mit drei Eltern ; Meldung vom 6. Februar 2008. Siehe auch Mitochondriale DNA.
4. ↑ M. Zeviani, S. di Donato: Mitochondrial disorders; in: Brain 127 (2004); S. 2153–2172; PMID 15358637
5. ↑ O'Brien TW: Properties of human mitochondrial ribosomes. In: IUBMB Life.. 55, Nr. 9, 2003 September, S. 505–13. doi:10.1080/15216540310001626610. PMID 14658756.
6. ↑ Stefan Jakobs: Mitochondrien – Dynamische Kraftwerke der Zelle; Göttingen: Max-Planck Institut für biophysikalische Chemie; MPIbpc News 10 (2004), Heft 12, S. 1–4.
7. ↑ Elmar W. Weiler; Lutz Nover.: Allgemeine und molekulare Botanik. Thieme, Stuttgart [u.a.] 2008, 978-3-13-147661-6, S. 80
8. ↑ R. Lill u. a.: The essential role of mitochondria in the biogenesis of cellular iron-sulfur proteins; in: Biological Chemistry, Band 380 (1999), S. 1157–1166. PMID 10595578
9. ↑ W. Martin, M. J. Russell: On the Origin of Cells: a Hypothesis for the Evolutionary Transitions from Abiotic Geochemistry to Chemoautotropic Prokaryotes, and from Prokaryotes to Nucleated Cells; in: Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci., Ausgabe vom 23. Januar 2003; 358(1429):59–83; Diskussion S. 83–85.
10. ↑ B. Boxma u. a.: An anaerobic mitochondrion that produces hydrogen; in: Nature, Bd. 434 (2005), Nr. 7029, S. 74–79. PMID 15744302 doi:10.1038/nature03343
11. ↑ J. M. Herrmann: Proteintransportmaschinen in Mitochondrien. In: Naturwissenschaftliche Rundschau 58 (2005), S. 525–530.
12. ↑ Gottfried Schatz: Jeff’s view on science and scientists; Amsterdam: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2006; ISBN 978-0-444-52133-0, ISBN 0-444-52133-X; Kapitel 5: „The tragic matter“, S. 43 f.