Aufbau und Funktion der Mitochondrien: Ein Überblick

Funktion der Mitochondrien

In den Mitochondrien findet die zelluläre Atmung statt (insbesondere der Krebs-Zyklus, die β-Oxidation, der Elektronentransport und die oxidative Phosphorylierung). Deren oberstes Ziel ist es, Energie in Form von ATP zu gewinnen. In den Mitochondrien entstehen zudem die Vorläufer der großen anabolen Stoffwechselwege.

Struktur der Mitochondrien

Die Mitochondrien sind wie folgt strukturiert: Eine Doppelmembran, gebildet durch eine äußere und eine innere Membran, begrenzt zwei verschiedene Räume: den Intermembranraum und die mitochondriale Matrix.

Die äußere Mitochondrienmembran

Die äußere Membran der Mitochondrien steht in ständigem Kontakt mit dem Cytosol. Sie enthält zahlreiche Proteine, die den Austausch von Stoffen regulieren, einschließlich Kanalproteinen (Porinen), welche große Poren bilden. Dies macht die Membran sehr durchlässig für kleine Moleküle.

Die innere Mitochondrienmembran

Die innere Mitochondrienmembran ist eine kontinuierliche Membran, die von der äußeren umschlossen wird. Sie weist Falten auf, die senkrecht zur Längsachse verlaufen – die sogenannten mitochondrialen Cristae. Diese dienen dazu, die Oberfläche der Membran zu vergrößern. Sie enthält weniger Lipide und mehr Proteine als die äußere Membran, insbesondere Proteine der oxidativen Phosphorylierung und für den Transport von Metaboliten zwischen dem Cytosol und den Mitochondrien.

Wichtige Proteinkomplexe

Zu den wichtigsten Proteinen gehören jene der Atmungskette sowie die ATPase (ATP-Synthase), die aus zwei Komponenten besteht:

• F1-Teil: Er ist der mitochondrialen Matrix zugewandt und besteht aus sechs peripheren Proteinen, die um eine zentrale Achse angeordnet sind, welche die Membran bindet. Er ist direkt für die an den Elektronentransport gekoppelte ATP-Synthese verantwortlich.
• F0-Teil: Er befindet sich an der Innenseite der inneren Membran der Mitochondrien und besteht aus integralen Membranproteinen. Diese bilden eine Pore für den Durchtritt von Protonen (H+), was die ATP-Synthese durch den F1-Teil stimuliert.

Diese Membran ist undurchlässig für die meisten Ionen und kleinen Moleküle und hält den Protonengradienten aufrecht, der die oxidative Phosphorylierung antreibt.

Intermembranraum und mitochondriale Matrix

Intermembranraum: Dies ist ein schmaler Raum zwischen der äußeren und der inneren Membran der Mitochondrien. Aufgrund der Permeabilität der äußeren Membran ist seine Zusammensetzung ähnlich der des Cytosols.

Mitochondriale Matrix: Dies ist der von der inneren Membran umschlossene Raum im Zentrum der Mitochondrien. Hier werden folgende Bestandteile unterschieden:

• Mitochondriale DNA (ringförmige DNA): Ähnlich wie bakterielle DNA ist sie für die Codierung der Synthese von etwa 5 % der mitochondrialen Proteine verantwortlich. Die Existenz der mitochondrialen DNA verleiht eine gewisse Unabhängigkeit vom Zellkern, macht die Mitochondrien jedoch nicht völlig autark, da sie viele Proteine benötigen, die von der Kern-DNA kodiert werden. Zudem sind hier zwei rRNA-Typen der mitochondrialen Ribosomen sowie 22 tRNAs für die Translation der mitochondrialen mRNAs kodiert.
• Mitochondriale Ribosomen: Diese besitzen einen Sedimentationskoeffizienten von 70S (wie bakterielle Ribosomen). Die Proteine der Ribosomen stammen aus dem Cytosol.
• Granula sowie Calcium- und Phosphat-Ionen, ADP, ATP und Coenzym A.
• Wichtige Enzyme für katabole Wege: oxidative Decarboxylierung von Pyruvat, Krebs-Zyklus und β-Oxidation von Fettsäuren.