mini|hochkant=1.35|Detaillierter Aufbau eines (tierischen) Mitochondriums: • Matrix • Innen- und Außenmembran • Membranzwischenraum (Intermembranraum), • ATP-Synthase-Komplexe • Cristae • mitochondriale Ribosomen (Mitoribosomen) • Granula • vielfach vorhandene zirkuläre mitochondriale DNA (mtDNA)
Als Mitochondrium oder Mitochondrion (altgriechisch mitos ‚Faden‘ und chondrion ‚Körnchen‘;Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965. veraltet ChondriosomEmil Heitz: Die strukturellen Beziehungen zwischen pflanzlichen und tierischen Chondriosomen. In: Zeitschrift für Naturforschung. 12b/1957, S. 576–578, doi:10.1515/znb-1957-8-916) wird ein Zellorganell bezeichnet, das von einer Doppelmembran umschlossen ist und eine eigene Erbsubstanz enthält, die mitochondriale DNA. Mitochondrien kommen als kugel- oder röhrenförmige Gebilde in den Zellen fast aller Eukaryoten vor, nicht aber bei Prokaryoten.
Mitochondrien regenerieren über die Atmungskette das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (ATP). Neben dieser oxidativen Phosphorylierung erfüllen sie weitere essentielle Aufgaben für die Zelle, beispielsweise sind sie an der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern beteiligt. Zudem betreiben sie eine eigene Fettsäuresynthese (mtFASII), welche essentiell für die mitochondriale Biogenese und Zellatmung ist.
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 %.J. Schrader, M. Kelm: Das Herz. In: Rainer Klinke, Hans-Christian Pape, Stefan Silbernagl (Hrsg.): Physiologie. 3. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2005, S. 147. Sie haben einen Durchmesser von etwa 0,5–1,5 Mikrometer 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 auch Eukaryoten ohne Mitochondrien, z. B. einige Protozoen. Die Anzahl der Mitochondrien pro Zelle liegt typischerweise bei einer Größenordnung von 1000Esther Neumann: Kraftwerke unserer Zellen. In: Top Life Aktuell. 10/2005. bis 2000 bei einem Volumenanteil von 25 %, jedoch können diese Werte je nach Zelltyp und Organismus sehr stark variieren.Jan Koolman: Taschenatlas der Biochemie. 3. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2003, S. 210. So liegt die Anzahl in der reifen Spermazelle des Menschen bei etwa vier bis fünf im Mittelstück („Hals“) gelegenen Mitochondrien,Wissenschaft online, Kompaktlexikon der Biologie: Spermium. Spektrum Akademischer Verlag, 2007. bei der reifen Eizelle dagegen bei mehreren hunderttausend.Rolf Knippers: Molekulare Genetik. 9. Auflage. Thieme Verlag, Konstanz 2006, S. 455.
Mitochondrien werden über das Plasma der Eizelle in der Regel nur von der Mutter vererbt, was Anlass zur Erforschung mütterlicher Verwandtschaftslinien (Matrilinien) war. Krankheiten, die durch Mutationen in mitochondrialen Genen verursacht werden, werden also normalerweise auch nur von der Mutter weitervererbt.Medizinische Forschung: Briten schaffen Embryo mit drei Eltern. auf: stern.de, 6. Februar 2008. Siehe auch Mitochondriale DNA.
Mittlerweile hat sich herausgestellt, dass auch durch das Spermium einige männliche Mitochondrien in das Plasma der befruchteten Eizelle (Zygote) importiert werden. Diese „männlichen“ Mitochondrien werden aber normalerweise recht schnell eliminiert. Es gibt jedoch einige wenige Fälle, in denen Mediziner nachweisen konnten, dass die Mitochondrien des Kindes aus der väterlichen Linie stammten.
Bislang sind etwa 50 Krankheiten (Mitochondriopathien) bekannt, die durch mitochondriale Fehlfunktionen hervorgerufen werden können.M. Zeviani, S. di Donato: Mitochondrial disorders. In: Brain. 127 (2004), S. 2153–2172; PMID 15358637. (PDF; 789 kB)
Der deutsche Pathologe und Histologe Richard Altmann entdeckte das Mitochondrium 1886. Die populärwissenschaftlich oft verwendete Bezeichnung „Kraftwerk der Zelle“ () für das Mitochondrium wurde 1957 von Philip Siekevitz geprägt.
Aufbau Die Hülle der Mitochondrien besteht aus einer äußeren und einer inneren Membran, die aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen aufgebaut sind. Beide Membranen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. Durch diese Membranen existieren vier unterschiedliche Kompartimente: Die äußere Membran, der Intermembranraum (der Raum zwischen den beiden Membranen), die innere Membran/die Cristae und die Matrix (der Raum innerhalb der inneren Membran).
Mitochondrien sind in der Lage, sich (durch Fusion) zu verbinden und (durch Fission) wieder zu teilen; bei Hefezellen laufen pro Minute etwa zwei Mitochondrienfusionen bzw. -fissionen ab. Daher ist keine genaue Bestimmung der aktuellen Mitochondrienanzahl einer Zelle möglich.Stefan Jakobs: Mitochondrien – Dynamische Kraftwerke der Zelle. (PDF; 4,9 MB); Max-Planck Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen. In: MPIbpc News. 10 (2004), Heft 12, S. 1–4.
Jedoch treten Mitochondrien nicht nur als separate, bohnenförmige Organellen auf. Stattdessen können sie auch tubuläre, also röhrenförmige, und teilweise verzweigte Netzwerke bilden. Form und Funktion stehen hierbei in einer engen Beziehung. Sie unterliegen vielfältigen Einflüssen und einer dynamischen Regulation.S. M. Rafelski: Mitochondrial network morphology: building an integrative, geometrical view. In: BMC biology. Band 11, Juni 2013, S. 71, , PMID 23800141, (Review). Solche mikrotubulären Extensionen, die größer als die T-Tubuli in Skelettmuskeln sind, und die über teilweise größere Distanzen Mitochondrien miteinander verbinden, ermöglichen einen intermitochondrialen Elektrolytaustausch und eine Stabilisierung des Membranpotentials. Sie werden vor allem bei mitochondrialen Myopathien beobachtet, können aber viel seltener auch in normalen Muskelzellen auftreten. Möglicherweise dienen sie dem Überleben der Mitochondrien unter Stress, wie bei der Stress-induzierten Mitophagie.Silverio Perrotta, Domenico Roberti, Debora Bencivenga, Paola Corsetto, Katie A. O’Brien, Martina Caiazza, Emanuela Stampone, Leanne Allison, Roland A. Fleck, Saverio Scianguetta, Immacolata Tartaglione, Peter A. Robbins, Maddalena Casale, James A. West, Clara Franzini-Armstrong, Julian L. Griffin, Angela M. Rizzo, Antonio A. Sinisi, Andrew J. Murray, Adriana Borriello, Federico Formenti, Fulvio Della Ragione: Effects of Germline VHL Deficiency on Growth, Metabolism, and Mitochondria. New England Journal of Medicine 2020, Band 382, Ausgabe 9 vom 27. Februar 2020, Seiten 835–844, DOI: 10.1056/NEJMoa1907362
Außenmembran 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 mitochondriale Außenmembran, die das gesamte Organell umschließt und nicht gefaltet ist, besitzt ein Gewichtsverhältnis von Phospholipid zu Protein von 1:1 und ist damit der eukaryotischen Plasmamembran ähnlich. Sie enthält zahlreiche integrale Proteine, die Porine. Porine bilden Kanäle, die freie Diffusion von Molekülen mit einer Masse von bis zu 5000 Dalton durch die Membran ermöglichen. Größere Proteine können in die Mitochondrien eindringen, wenn eine Signalsequenz an ihrem N-Terminus an eine große Proteinuntereinheit der Translokase bindet, von der sie dann aktiv durch die Membran bewegt werden. Treten Risse in der äußeren Membran auf, so können Proteine aus dem Intermembranraum ins Cytosol austreten, was zum Zelltod führen kann. Die mitochondriale Außenmembran kann sich mit der des Endoplasmatischen Retikulum (ER) zusammenschließen. Diese mitochondrien-assoziierten Membranstrukturen (MAM, ) sind wichtig für den Signalaustausch zwischen ER und Mitochondrium und spielen eine Rolle beim Lipidtransfer. Die Fusion wird katalysiert durch Mitofusine (MFN). Dabei handelt es sich um GTPasen der Dynamin-Superfamilie. Bei Säugetieren sind die Mitofusine MFN1 und MFN2 weit verbreitet. Beide Proteine haben eine zu 80 % identische Sequenz. Mutationen von MFN2 können beim Menschen die neurodegenerative Erkrankung Morbus Charcot-Marie-Tooth Typ 2A (CMT2A) hervorrufen.
Intermembranraum Der Intermembranraum (Membranzwischenraum) ist der Raum zwischen der äußeren Membran und der inneren Membran. Da die äußere Membran frei durchlässig für kleine Moleküle ist, ist die Konzentrationen von kleinen Molekülen wie Ionen und Zuckern im Intermembranraum identisch mit der im Cytosol. Große Proteine allerdings benötigen eine spezifische Signalsequenz, um durch die Membran transportiert zu werden, sodass sich die Zusammensetzung der Proteine zwischen Intermembranraum und Cytosol unterscheidet. Ein Protein, das auf diese Art im Intermembranraum gehalten wird, ist Cytochrom c.
Innere Membran Die Proteine der inneren Membran lassen sich nach ihrer Funktion in fünf Gruppen einteilen:
Proteine der Komplexe für den Elektronentransport der Atmungskette, die Redox-Reaktionen durchführen ATP-Synthasen für die Synthese von ATP in der Matrix Transport-Proteine für den Eintritt und Austritt von Metaboliten Proteine der Membrankomplexe für den Einbau und Transport von Proteinen Proteine für die Verschmelzung (Fusion) und für die Teilung (Fission) von Mitochondrien
Die innere Membran enthält die verschiedenen Proteinkomplexe der Atmungskette für die oxydative Phosphorylierung und hat ein Gewichtsverhältnis von Phospholipid zu Protein von 1:3. Mehr als 150 verschiedene Arten von Polypeptiden und rund ein Fünftel aller Proteine eines Mitochondriums sind in der inneren Membran lokalisiert. Ihre lipidhaltige Doppelschicht ist reich an Cardiolipin. Dieses 1942 zuerst in Rinderherzen entdeckte Phospholipid ist kennzeichnend für mitochondriale und bakterielle Plasmamembranen und so auch in Prokaryoten zu finden. Cardiolipin enthält vier Fettsäuren anstelle von sonst zwei und trägt zur Ionenundurchlässigkeit der Membran bei. Im Gegensatz zur äußeren Membran enthält die innere Membran keine Porine und ist für wasserlösliche Moleküle nahezu undurchlässig. Fast alle Ionen und Moleküle benötigen daher für den Durchtritt spezielle Membrantransporter. Proteine werden mittels Oxa1 in die innere Membran transportiert und via der Translokase der inneren Membran (TIM) in die Matrix. Darüber hinaus existiert zwischen dem Intermembranraum und der Matrix ein Membranpotential, aufgebaut durch die Enzymaktivität der Atmungskette.
Die innere Membran umschließt den internen Flüssigkeitsraum des Mitochondriums, dessen Matrix. Diese entspricht dem Cytosol von Bakterien und enthält die mitochondriale DNA (mtDNA), die Enzyme des Citratzyklus und eigene mitochondriale Ribosomen (Mitoribosomen).
Aufbau der inneren Membran Der Cristae-Typ (von lateinisch crista „Kamm“) besitzt an der inneren Membran zahlreiche Einstülpungen, die Cristae. Dadurch wird die Oberfläche der inneren Membran, an der chemische Reaktionen stattfinden können, erheblich vergrößert und ihre Fähigkeit, ATP zu produzieren, erhöht. Die innere Membran enthält große Proteinkomplexe der Atmungskette, welche für die Energiegewinnung zuständig sind. Der andere Mitochondrien-Typ heißt Tubuli-Typ und findet sich beispielsweise in steroidproduzierenden Zellen; bei ihm bildet die innere Membran Röhren (Tubuli mitochondriales) aus.