Wusstest Du, dass die Energieproduktion für Deinen Körper bereits auf kleinster zellulärer Ebene stattfindet? Das unverzichtbare Energieprotein ATP (Adenin-Triphosphat) wird nämlich in den Mitochondrien hergestellt.
Mitochondrien einfach erklärt
Mitochondrien sind auch als “Kraftwerke der Zelle” bekannt. Sie besitzen eine Doppelmembran, eine eigene DNA und produzieren ATP.
Einfach erklärt handelt es sich bei Mitochondrien um bestimmte Zellorganellen, die in eukaryotischen Zellen vorkommen – Prokaryoten besitzen keine Mitochondrien. Sie sind maßgeblich an der Energieversorgung der Zellen beteiligt und werden deshalb auch Kraftwerke der Zelle genannt.
Mitochondrien kommen sowohl in tierischen als auch in pflanzlichen eukaryotischen Zellen vor. Wenn Du Dich für spezielle Eukaryoten interessierst, schau doch mal auf einer dieser Seiten vorbei: Tierzelle, Pflanzenzelle, Pilzzelle.
Mitochondrien Struktur
Die Struktur der Mitochondrien besteht aus verschiedenen Bestandteilen. Einige dieser Bestandteile machen die Mitochondrien zusammen mit den Chloroplasten einzigartig im Vergleich zu anderen Zellorganellen und geben ihnen dadurch eine gesonderte Stellung in den eukaryotischen Zellen.
Mitochondrien nehmen zusammen mit den Chloroplasten eine gesonderte Stellung ein, weil sie eine doppelte Zellmembran mit einem Intermembranraum, eine eigene DNA, eigene Ribosomen und damit einen eigenen Zellteilungszyklus und Proteinbiosynthese besitzen. Mitochondrien und Chloroplasten könnten also als kleine Zellen in Deinen Zellen angesehen werden.
Diese These wurde in der Endosymbiontentheorie zusammengefasst. Sie führt die Existenz von Chloroplasten in Pflanzenzellen und Mitochondrien in eukaryotischen Zellen auf eine Symbiose durch Endozytose von Zellen in der Erdgeschichte zurück.
Mitochondrien Aufbau
Mitochondrien bestehen aus:
- Innere Zellmembran
- Äußere Zellmembran
- Intermembranraum
- Matrix
- Cristae
- Ribosomen
- Mitochondriale DNA
Der Aufbau der Mitochondrien ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt.
Abb. 1: Aufbau eines Mitochondriums
Mitochondrien Doppelmembran
Mitochondrien werden von einer Doppelmembran begrenzt. Die innere dieser beiden Membranen besitzt eine vergrößerte Oberfläche, da sie viele kleine und große Einstülpungen in den Innenraum, die Matrix, bildet. Diese Einstülpungen werden auch Cristae oder Tubuli genannt. Die äußere Hülle ist hingegen glatt und somit von der Fläche her deutlich kleiner.
Die innere Zellmembran liegt gefaltet in Form der Cristae vor, um die Oberfläche für die vielen Membranproteine der Elektronentransportketten zu vergrößern. So kann mehr Energie in Form von ATP gewonnen werden.
Mitochondrien Matrix & Ribosomen
In der Matrix – oder auch Mitochondrienmatrix – befinden sich sowohl Ribosomen als auch DNA-Fragmente in Ringform. Mitochondrien besitzen dabei ihre eigene spezielle DNA-Art, die mitochondriale DNA (mtDNA). Zwischen den beiden Membranen befindet sich ein Raum, der bis in die Einstülpungen der inneren Membran reicht. Dieser Raum wird Intermembranraum genannt.
Mitochondrien Größe
Mitochondrien haben eine variable Form und Größe, die von der Zellart der umgebenden Zelle abhängt und befinden sich im Cytoplasma der Zelle. Allgemein kommen mehr Mitochondrien in solchen Zellen vor, die einen hohen Energiebedarf besitzen. Dazu gehören unter anderem Muskelzellen oder Nervenzellen.
Mitochondrien haben einen Durchmesser von ca. 0,5 bis 1,5 Mikrometer (µm) und eine Länge von ungefähr 2 bis 5 Mikrometer.
Mitochondrien Vorkommen
Mitochondrien kommen nur in eukaryotischen Zellen vor. Sie werden häufig als Kraftwerke der Zelle betitelt, da sie wie in einem Kohlekraftwerk einen Ausgangsstoff (Pyruvat) verbrennen (oxidieren), wobei die Zelle Energie in Form von ATP gewinnt und Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt produziert wird. Allgemein wird dieser Prozess auch aerobe Zellatmung genannt.
Pyruvat stammt aus dem Abbau von Glucose in der Glykolyse im Zellplasma der umgebenden Zelle.
Mitochondrien sind in allen Zellen, abgesehen von roten Blutkörperchen, zu finden. Wie viele Mitochondrien in einer Zelle vorhanden sind, ist abhängig von der Aufgabe und dem Energiebedarf der jeweiligen Zelle.
Zellen, die einen schnellen Stoffwechsel besitzen und somit einen hohen Energiebedarf besitzen, enthalten mehr Mitochondrien. Dazu gehören unter anderem Muskel- oder Nervenzellen.
Weniger Mitochondrien sind hingegen in Knorpelzellen zu finden – das liegt hauptsächlich daran, dass sich diese eher wenig bewegen.
Die Aufgabe der Mitochondrien ist es also, Energie für die Zelle zugänglich zu machen. Die Energie kann dann wiederum in aufbauenden (anabolen) und abbauenden (katabolen) Stoffwechselprozessen eingesetzt werden.
Aufgaben der Mitochondrien
In Mitochondrien befinden sich neben den Enzymen für die Zellatmung auch andere Enzyme, die z. B. für den Abbau von Fettsäuren entscheidend sind. Generell ermöglichen Mitochondrien durch ihren Bau verschiedene Räume für chemisch unterschiedliche Stoffwechselprozesse und dienen beispielsweise als temporäres Speicherorgan für Calcium.
Hier folgt eine Übersicht über die verschiedenen Aufgaben der Mitochondrien:
- Energieproduktion in Form von ATP
- Beteiligung an der Vererbung
- Intrazellulärer Speicher für Calcium
- Regulierung der Apoptose (programmierter Zelltod)
- Beteiligung an den Reaktionen des Citratzyklus
- Beta-Oxidation von Fettsäuren
- Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern
Zellatmung in Mitochondrien
Bei der aeroben Zellatmung handelt es sich um einen Stoffwechselvorgang, bei dem in Glukose und anderen organischen Substanzen gespeicherte Energie durch das Aufbrechen der chemischen Verbindung gewonnen wird. Dafür werden die Elektronen (Energie) aus den chemischen Bindungen der Verbindung verwendet, um letztlich ein elektrochemisches Potenzial zwischen der inneren Zellmembran und dem Intermembranraum aufzubauen.
In den Mitochondrien spricht man hier von einer protonenmotorischen Kraft, da die Energie der Elektronen für den aktiven Transport der Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum verwendet wird.
Unter einer protonenmotorischen Kraft versteht man den Aufbau eines elektrochemischen Potenzials über eine semipermeable Zellmembran, ausgelöst durch den Transport von Protonen (H+). Das elektrochemische Potenzial entsteht also durch die unterschiedliche Verteilung der Protonen auf beiden Seiten der semipermeablen Zellmembran.
Dabei wird die Zellatmung in unterschiedliche Teilschritte gegliedert, die in unterschiedlichen Regionen der Mitochondrien ablaufen.
Elektronen werden aus den chemischen Bindungen der organischen Substanzen wie Glukose auf unterschiedliche Elektronentransporter wie die Coenzyme NAD+/NADH+H+ oder FAD+/FADH2 im Citratzyklus übertragen. Dabei ist NADH+H+ und FADH2 jeweils die Form, die Elektronen aufgenommen hat. Als Abfallprodukt entsteht dabei Kohlenstoffdioxid (CO₂), da die kohlenstoffhaltigen Verbindungen immer weiter zerlegt werden.
An der inneren Membran der Mitochondrien werden die Elektronen an eine Kette von Protonenpumpen (Elektronentransportkette) abgegeben. Dadurch entsteht ein konstanter Strom von Protonen entgegen einem Konzentrationsgefälle in den Intermembranraum. Der Rückstrom der Protonen durch ein bestimmtes Membranprotein ermöglicht die Synthese des allgemeinen Energiespeichers Adenosintriphosphat (ATP) aus Adenosindiphosphat und einer Phosphatgruppe (ADP+P).
Die Zellatmung findet in Eukaryoten immer mit Sauerstoff als Endoxidationsmittel statt. Das bedeutet, dass die beiden Protonen (H+) des NADH+H+ oder FADH2 nach der Abgabe der Elektronen mit Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) reagieren. Manche Prokaryoten wie Bakterien benutzen allerdings auch andere Oxidationsmittel.
Mitochondrien Pflanzenzelle
Gibt es Mitochondrien in Pflanzenzellen? Die Antwort ist schlicht: Ja, Pflanzenzellen enthalten Mitochondrien. Doch was für Funktionen haben Mitochondrien in Pflanzenzellen? Grundsätzlich unterscheiden sich die Funktionen nicht groß zu denen in tierischen Zellen. Hier findest Du eine Übersicht mit den wichtigsten Aufgaben:
| Hauptfunktion | Zusatzfunktionen |
| Zellatmung | Beteiligung an der Photorespiration (Lichtatmung) |
| Aufrechterhaltung der Redox-Balance |
Mitochondrien – Das Wichtigste
Einfach erklärt handelt es sich bei Mitochondrien um bestimmte Zellorganellen, die in eukaryotischen Zellen vorkommen. Vorkommen tun sie vermehrt in Zellen mit einem hohen Energiebedarf, wie Muskelzellen oder Nervenzellen.
Mitochondrien finden sich sowohl in Tierzellen als auch in Pflanzenzellen.
Eine der Aufgaben der Mitochondrien ist die Energiegewinnung durch den Abbau energiereicher organischer Moleküle. Sie produzieren den allgemeinen Energieträger ATP. Deswegen werden Mitochondrien die Kraftwerke der Zelle genannt.
Mitochondrien Aufbau:
- Mitochondrien erreichen eine Größe von ca. 2 bis 5 Mikrometern.
Nachweise
- Hans-Dieter Triebel (2018), Biologie-Kompakt 1, STARK.
- Sadava et al. (2019), Purves Biologie 10. Auflage, SpringerSpektrum.
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