Mitochondrien: Räume, Membranen und Energieumwandlung

Auf einen Blick

Ein Mitochondrium besitzt eine äußere und eine innere Membran. Dazwischen liegt der Intermembranraum. Die innere Membran umschließt die Matrix und bildet nach innen gerichtete Falten, die Cristae. In der Matrix laufen wichtige Schritte des Nährstoffabbaus ab. Die Atmungskette und die ATP-Synthase sitzen in der inneren Membran. Eine eigene kleine DNA ergänzt die genetische Information des Zellkerns. Die meisten für Mitochondrien benötigten Proteine entstehen anhand von Genen im Zellkern. [2][3][5][6]

Wo Mitochondrien liegen

Mitochondrien befinden sich im Zellplasma zahlreicher menschlicher Zelltypen. Ihre Anzahl und Verteilung passen zu den Aufgaben der jeweiligen Zelle. In Herzmuskelzellen ist der Bedarf an kontinuierlicher ATP-Bereitstellung hoch. Entsprechend umfangreich ist ihre Ausstattung mit Mitochondrien. Auch in Skelettmuskelfasern und transportaktiven Zellen werden viele benötigt. [1][2]

Die Organellen können ihre Gestalt verändern. Die typische ovale Darstellung einer Lehrabbildung zeigt ihren inneren Aufbau besonders übersichtlich. In lebenden Zellen können sie längliche oder verzweigte Formen annehmen. Reife menschliche rote Blutkörperchen besitzen keine Mitochondrien; ihre ATP-Bildung erfolgt über die Glykolyse im Zellplasma. [1][2]

Zwei Membranen schaffen unterschiedliche Arbeitsräume

Die äußere Membran bildet die Grenze zum übrigen Zellplasma. Durch eingebaute Proteine können zahlreiche kleinere Stoffe diese Grenze passieren. Die innere Membran kontrolliert den Austausch mit der Matrix wesentlich genauer. Bestimmte Transportproteine übernehmen beispielsweise den Austausch von ATP und ADP sowie den Transport weiterer benötigter Moleküle. Die beiden Membranen erfüllen somit unterschiedliche Aufgaben beim Stoffaustausch. [3][7]

Zwischen ihnen befindet sich ein schmaler Raum. Dieser Intermembranraum setzt sich in die Innenräume der Cristae fort. Die Cristae entstehen dadurch, dass sich die innere Membran einfaltet. In einem Schnitt sehen sie wie Leisten oder gewundene Taschen aus. Ihre Membran bleibt mit der übrigen inneren Membran verbunden. [3]

Im Inneren liegt die Matrix. Sie enthält Wasser, gelöste Stoffe und zahlreiche Enzyme. Hier befinden sich auch mitochondriale DNA und Bestandteile der eigenen Proteinsynthese. Die räumliche Trennung hält verschiedene Reaktionen und Konzentrationsverhältnisse aufrecht. Gerade für die ATP-Bildung ist diese Organisation entscheidend. [3][2]

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Wie Nährstoffe an die Energieumwandlung angeschlossen werden

Der Abbau eines Nährstoffs verteilt sich auf mehrere Schritte und Zellräume. Beim Abbau von Glukose beginnt die Glykolyse im Zellplasma. Dabei entstehen unter anderem Pyruvat und bereits etwas ATP. Pyruvat kann anschließend in die Mitochondrien gelangen und dort zu Acetyl-CoA umgewandelt werden. Auch aus dem Abbau von Fettsäuren entstehen Verbindungen, die in die weiteren Stoffwechselwege eingehen. [1][4]

Der Citratzyklus verarbeitet Acetyl-CoA in einer Folge miteinander verbundener Reaktionen. Dabei entstehen Kohlendioxid und energiereiche Elektronenüberträger, vor allem NADH und FADH₂. Diese Überträger verbinden die Abbaureaktionen mit der Atmungskette. So wird die chemische Energie der Nährstoffe schrittweise in eine für die Zelle nutzbare Form überführt. Die beteiligten Reaktionen werden von spezialisierten Enzymen ermöglicht. [4][3]

Die innere Membran als Ort der Atmungskette

In der inneren Membran liegen mehrere Proteinkomplexe, die Elektronen weiterreichen. Die Energie dieses Elektronentransports treibt an mehreren Stellen den Transport von Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum an. Dadurch entsteht über der inneren Membran ein elektrochemischer Gradient: Konzentration und elektrische Ladungsverteilung unterscheiden sich zwischen den beiden Seiten. [4][3]

Die ATP-Synthase nutzt den Rückstrom von Protonen zur Matrix. Sie verbindet ADP mit anorganischem Phosphat zu ATP. Für diesen gekoppelten Ablauf wird die Bezeichnung oxidative Phosphorylierung verwendet. Die vielen Cristae schaffen Membranfläche für die beteiligten Proteine. Ihre räumliche Anordnung gehört damit unmittelbar zur Funktion des Organells. [4][3]

Sauerstoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf. Zusammen mit Protonen entsteht dabei Wasser. Auf diesem Weg hängen Sauerstoffversorgung und mitochondriale ATP-Bildung zusammen. Die Lunge ermöglicht die Aufnahme von Sauerstoff ins Blut, der Kreislauf bringt ihn zu den Geweben und die Mitochondrien verwenden ihn in der Zellatmung. [4]

Wofür die Zelle ATP verwendet

ATP wird bei zahlreichen Vorgängen in ADP und Phosphat umgesetzt. Die damit gekoppelten Reaktionen ermöglichen beispielsweise Muskelarbeit, den Aufbau von Molekülen und den Transport von Ionen durch Membranen. ADP kann erneut zur ATP-Bildung genutzt werden. In einer arbeitenden Zelle findet daher ein ständiger Umsatz zwischen diesen Formen statt. [4]

Das erklärt den engen Zusammenhang zwischen Zellaufgabe und Energieversorgung. Eine transportaktive Epithelzelle muss Konzentrationsunterschiede aufrechterhalten. Eine Muskelzelle benötigt ATP für den Kontraktionsablauf und weitere Vorgänge der Erregung und Erholung. Im Organismus verbindet sich der jeweilige Bedarf mit der Versorgung durch Nährstoffe und Sauerstoff. [1][2]

Eine eigene DNA und die Zusammenarbeit mit dem Zellkern

Mitochondrien enthalten ein kleines, gewöhnlich ringförmig dargestelltes DNA-Molekül. Dieses trägt Information für einen Teil ihrer RNA-Moleküle und Proteine. Der größere Anteil der mitochondrialen Proteine wird anhand der Information im Zellkern hergestellt und anschließend in das Organell eingeschleust. Eigene DNA und die genetische Ausstattung des Zellkerns wirken somit zusammen. [5][6]

Die mitochondriale DNA wird beim Menschen in der Regel über die Eizelle weitergegeben. Veränderungen dieser DNA können deshalb charakteristische Vererbungsmuster aufweisen. Auch Gene im Zellkern können die Funktion von Mitochondrien beeinflussen. Für die Einordnung einer mitochondrialen Erkrankung sind die jeweils betroffenen Gene und Zellfunktionen entscheidend. [8][9]

Häufige Fragen

Warum besitzt die innere Membran Falten? Die Cristae vergrößern die innere Membranfläche. Auf dieser Fläche befinden sich wesentliche Komponenten der oxidativen Phosphorylierung. [2][3]

Was unterscheidet Matrix und Intermembranraum? Die Matrix liegt innerhalb der inneren Membran. Der Intermembranraum liegt zwischen innerer und äußerer Membran und ist mit den Innenräumen der Cristae verbunden. Die getrennten Räume ermöglichen unterschiedliche chemische und elektrische Verhältnisse. [3]

Wie gelangt die Energie zu anderen Arbeitsorten in der Zelle? ATP und ADP werden über spezialisierte Transportproteine ausgetauscht. Das gebildete ATP kann anschließend an vielen Orten der Zelle für gekoppelte Reaktionen verwendet werden. [7]

Im Zusammenhang weiterlesen

Vertiefe die Zusammenhänge in diesen Kapiteln: Die Zelle, Zellmembran und Stofftransport, ATP, Nährstoffe und Energieumsatz, Alveolen und Gasaustausch, Kapillaren und Mikrozirkulation sowie Skelettmuskeln.