Mitochondrien

Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle

Hast du dich schon einmal gefragt, wie unsere Zellen die Energie bereitstellen, die sie für ihre vielen Funktionen benötigen? Das schaffen sie mithilfe der Mitochondrien. Diese kleinen Organellen sind entscheidend dafür, dass unser Gehirn denken, unser Herz schlagen und unsere Muskeln sich bewegen können. In diesem Lerntext erfährst du, was Mitochondrien sind, wie sie aufgebaut sind und welche wichtige Rolle sie für unseren Körper spielen.

Was sind Mitochondrien?

Mitochondrien sind spezielle Organellen in eukaryotischen Zellen, also Zellen mit einem echten Zellkern. Sie kommen jedoch nicht in allen eukaryotischen Zellen in gleicher Anzahl vor. Besonders viele Mitochondrien finden sich in Zellen, die viel Energie benötigen, wie Muskelzellen oder Nervenzellen. Ihre Hauptaufgabe ist es, die Energie bereitzustellen, die für lebenswichtige Prozesse notwendig ist. Diese Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt. ATP ist wie eine Art „Energiewährung“ für die Zelle.

Mitochondrien – Aufbau

Der Begriff „Mitochondrium“ leitet sich von den griechischen Wörtern für „Faden“ (mitos) und „Körnchen“ (chondros) ab. Diese Bezeichnung beschreibt das Aussehen der Mitochondrien, da sie in der Zelle oft als körnchenartige oder fadenförmige Strukturen erscheinen. Ihre Form und Größe können je nach Zelltyp variieren. Der grundlegende Aufbau ist jedoch bei allen Mitochondrien gleich.

Mitochondrium – Beschriftung

Hier siehst du eine Skizze des Mitochondriums mit Beschriftungen, die die einzelnen Bestandteile und deren Lage verdeutlichen.

Mitochondrien – Doppelmembran

Mitochondrien besitzen eine Doppelmembran, die aus zwei Biomembranen besteht. Diese spezielle Struktur ermöglicht es ihnen, verschiedene Aufgaben in getrennten Bereichen zu erfüllen: den Raum zwischen den Membranen (Intermembranraum) und das Innere des Mitochondriums (Matrix).

• Äußere Membran: Sie ist glatt und bildet die Grenze zu den anderen Zellbestandteilen. In dieser Membran befinden sich viele Proteine, die als Poren dienen. Sie lassen kleine Moleküle wie Wasser oder Ionen hindurch.
• Innere Membran: Diese Membran ist stark gefaltet und bildet Strukturen, die als Cristae bezeichnet werden. Cristae vergrößern die Oberfläche, sodass mehr Platz für die chemischen Reaktionen zur ATP-Bereitstellung vorhanden ist.
• Intermembranraum: Der Raum zwischen den beiden Membranen spielt eine wichtige Rolle bei der Zellatmung, da hier Protonen gesammelt werden, die für die Energiegewinnung genutzt werden.

Mitochondrien-Matrix

Die Matrix ist der zentrale Bereich im Inneren des Mitochondriums. Sie ist eine gelartige Substanz, die zahlreiche Enzyme enthält, die wichtige biochemische Prozesse wie den Citratzyklus durchführen. Außerdem enthält die Matrix die DNA des Mitochondriums.

Mitochondriale DNA

Mitochondrien besitzen eine eigene, ringförmige DNA, die sogenannte mtDNA. Diese wird ausschließlich von der Mutter vererbt, da nur die Eizelle Mitochondrien an die nächste Generation weitergibt. Spermien enthalten zwar auch Mitochondrien, aber diese werden bei der Befruchtung nicht weitergegeben, weil nur der Kopf des Spermiums in die Eizelle eindringt und das Mittelstück mit den Mitochondrien außen bleibt. Es gab Studien, die nahelegten, dass mtDNA auch vom Vater stammen könnte, aber diese Behauptungen wurden später widerlegt.
Die mtDNA ist entscheidend für die Fähigkeit der Mitochondrien, sich eigenständig zu teilen. Ähnlich wie Bakterien können sie unabhängig von der Zellteilung neue Mitochondrien bilden. Dadurch stellen sie sicher, dass die Zelle auch bei steigendem Energiebedarf ausreichend ATP produzieren kann.

Mitochondrien – verschiedene Typen

Es gibt unterschiedliche Typen von Mitochondrien, die sich in ihrer Form, Funktion und ihrem Vorkommen unterscheiden:

• Cristae-Typ: Die innere Membran bildet zahlreiche Einstülpungen (Cristae), die die Oberfläche erheblich vergrößern. Diese Faltungen sind besonders in Zellen mit hohem ATP-Bedarf, wie Muskelzellen, zu finden.
• Tubulus-Typ: Bei diesem Typ bildet die innere Membran Röhren (Tubuli). Diese Struktur ist insbesondere in steroidproduzierenden Zellen zu finden, wie zum Beispiel in den Zellen der Nebennierenrinde.
• Sacculus-Typ: Hier bilden die Einstülpungen der inneren Membran schlauchförmige Aussackungen. Dieser Typ ist oft in Zellen mit weniger Energiebedarf zu finden.

Mitochondrien – Funktion

Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle in unserem Körper.

Mitochondrien – Energiegewinnung

Mitochondrien wandeln Nährstoffe in Energie um, die die Zelle für ihre Aufgaben nutzen kann. Mitochondrien werden deshalb als die „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Doch wie funktioniert dieser Prozess genau?
Die Antwort liegt in der Zellatmung, einem mehrstufigen Prozess, bei dem Energie in Form von ATP bereitgestellt wird:

1. Glykolyse: Im Zytoplasma der Zelle wird Glukose in kleinere Moleküle aufgespalten, die in die Mitochondrien transportiert werden.
2. Citratzyklus: In der Matrix der Mitochondrien werden diese Moleküle weiter abgebaut, wobei Elektronenträger entstehen.
3. Atmungskette: In der inneren Membran der Mitochondrien werden Elektronen entlang einer Kette von Proteinen transportiert. Dabei wird ein Protonengradient im Intermembranraum aufgebaut, der schließlich zur ATP-Synthese genutzt wird.

Mitochondrien – Stoffwechsel

Neben der Bereitstellung von ATP übernimmt das Mitochondrium auch andere wichtige Aufgaben zum Beispiel im Stoffwechsel:

• Fettabbau: Mitochondrien sind entscheidend für den Abbau von Fettsäuren, insbesondere wenn der Körper auf gespeicherte Fettreserven zugreifen muss, etwa bei längeren körperlichen Aktivitäten oder während Phasen des Hungers.
• Aminosäurestoffwechsel: Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen. Mitochondrien sorgen dafür, dass überschüssige oder nicht mehr benötigte Aminosäuren abgebaut und in Energie umgewandelt werden.

Mitochondrien – Regulation des Zellwachstums und des Zelltodes

Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Zellwachstums und sind auch an einem Prozess namens Apoptose beteiligt, der auch als „programmierter Zelltod“ bezeichnet wird. Bei der Apoptose bauen sich beschädigte oder überflüssige Zellen selbst ab. Dieser kontrollierte Zelltod ist wichtig, damit schadhafte Zellen, die zum Beispiel Krebs verursachen könnten, nicht unkontrolliert wachsen.

Mitochondrien – Calcium-Speicherung

Neben der Energieproduktion spielen Mitochondrien auch eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Calcium. Calcium ist ein lebenswichtiger Stoff, der für viele Prozesse benötigt wird, wie die Muskelkontraktion, die Signalweiterleitung in Nervenzellen und die Regulation des Zellstoffwechsels. Die Mitochondrien helfen dabei, den Calciumspiegel in der Zelle zu kontrollieren und dienen als eine Art „Calcium-Speicher“.

Mitochondrien – eine tabellarische Übersicht

Hier findest du eine Übersicht über die wichtigsten Bestandteile der Mitochondrien und ihre Funktionen:

Zusammenhang zwischen Mitochondrien und Gesundheit

Mitochondriale Funktionsstörungen können zu einer Vielzahl von Krankheiten führen, darunter Diabetes, Herzkrankheiten und neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer. Da Mitochondrien für die Energieversorgung unserer Zellen verantwortlich sind, kann eine Störung ihrer Funktion auch die allgemeine Gesundheit beeinträchtigen.

Mitochondrien – Bedeutung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mitochondrien die „Kraftwerke der Zellen“ sind. Sie stellen Energie in Form von ATP bereit, die unsere Zellen für Wachstum, Reparatur und alltägliche Funktionen benötigen.

Ausblick – das lernst du nach dem Mitochondrium

Möchtest du mehr über die Energiegewinnung erfahren? Dann lerne mehr über den Prozess der Zellatmung. Oder interessiert du dich eher für weitere Zellorganellen, z. B. für die Chloroplasten?

Häufig gestellte Fragen zu Mitochondrien