Mitochondrien: Form, Funktion und Krankheit

Mitochondrien werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie helfen, die Energie, die wir aus der Nahrung aufnehmen, in Energie umzuwandeln, die die Zelle nutzen kann. Aber die Mitochondrien sind mehr als nur Energieproduzenten.

Die Mitochondrien, die in fast allen menschlichen Zelltypen vorhanden sind, sind lebenswichtig für unser Überleben. Sie erzeugen den Großteil unseres Adenosintriphosphats (ATP), der Energiewährung der Zelle.

Mitochondrien sind auch an anderen Aufgaben beteiligt, wie der Signalübertragung zwischen Zellen und dem Zelltod, auch bekannt als Apoptose.

In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie Mitochondrien funktionieren, wie sie aussehen und erklären, was passiert, wenn sie ihre Aufgabe nicht mehr richtig erfüllen.

Die Struktur der Mitochondrien

Mitochondrien sind klein, oft zwischen 0,75 und 3 Mikrometern und sind unter dem Mikroskop nicht sichtbar, es sei denn, sie sind gefärbt.

Anders als andere Organellen (Miniaturorgane innerhalb der Zelle) haben sie zwei Membranen, eine äußere und eine innere. Jede Membran hat unterschiedliche Funktionen.

Mitochondrien sind in verschiedene Kompartimente oder Regionen aufgeteilt, von denen jede unterschiedliche Aufgaben erfüllt.

Einige der wichtigsten Regionen sind die:

Äußere Membran: Kleine Moleküle können frei durch die äußere Membran passieren. Dieser äußere Teil enthält Proteine, die Porine genannt werden und Kanäle bilden, die es Proteinen ermöglichen, diese zu passieren. Die äußere Membran beherbergt auch eine Reihe von Enzymen mit einer Vielzahl von Funktionen.

Intermembranraum: Dies ist der Bereich zwischen der inneren und der äußeren Membran.

Innere Membran: Diese Membran beherbergt Proteine, die verschiedene Funktionen haben. Da es in der inneren Membran keine Porine gibt, ist sie für die meisten Moleküle undurchlässig. Moleküle können die innere Membran nur in speziellen Membrantransportern passieren. Die innere Membran ist der Ort, an dem das meiste ATP gebildet wird.

Cristae: Dies sind die Falten der inneren Membran. Sie vergrößern die Oberfläche der Membran und damit den Raum, der für chemische Reaktionen zur Verfügung steht.

Matrix: Dies ist der Raum innerhalb der inneren Membran. Sie enthält Hunderte von Enzymen und ist wichtig für die Produktion von ATP. Die mitochondriale DNA ist hier untergebracht (siehe unten).

Verschiedene Zelltypen haben eine unterschiedliche Anzahl von Mitochondrien. Reife rote Blutkörperchen haben zum Beispiel gar keine, während Leberzellen mehr als 2.000 haben können. Zellen mit einem hohen Energiebedarf haben tendenziell eine größere Anzahl von Mitochondrien. Rund 40 Prozent des Zytoplasmas in Herzmuskelzellen werden von Mitochondrien eingenommen.

Obwohl Mitochondrien oft als ovale Organellen gezeichnet werden, teilen sie sich ständig (Fission) und schließen sich zusammen (Fusion). In Wirklichkeit sind diese Organellen also in sich ständig verändernden Netzwerken miteinander verbunden.

Auch in Spermien sind die Mitochondrien in der Mitte spiralförmig angeordnet und liefern Energie für die Schwanzbewegung.

Mitochondriale DNA

Obwohl der größte Teil unserer DNA im Kern jeder Zelle aufbewahrt wird, haben die Mitochondrien ihren eigenen DNA-Satz. Interessanterweise ähnelt die mitochondriale DNA (mtDNA) eher der bakteriellen DNA.

Die mtDNA enthält die Anweisungen für eine Reihe von Proteinen und anderen zellulären Hilfsgeräten in 37 Genen.

Das menschliche Genom, das in den Kernen unserer Zellen gespeichert ist, enthält etwa 3,3 Milliarden Basenpaare, während die mtDNA aus weniger als 17.000 besteht.

Bei der Fortpflanzung stammt die DNA eines Kindes je zur Hälfte vom Vater und von der Mutter. Die mtDNA erhält das Kind jedoch immer von der Mutter. Aus diesem Grund hat sich die mtDNA als sehr nützlich für die Rückverfolgung genetischer Linien erwiesen.

So haben mtDNA-Analysen ergeben, dass der Mensch möglicherweise erst vor relativ kurzer Zeit, vor etwa 200.000 Jahren, in Afrika entstanden ist und von einem gemeinsamen Vorfahren abstammt, der als mitochondriale Eva bekannt ist.

Was machen Mitochondrien?

Obwohl die bekannteste Rolle der Mitochondrien die Energieproduktion ist, erfüllen sie auch andere wichtige Aufgaben.

Tatsächlich gehen nur etwa 3 Prozent der Gene, die für die Herstellung eines Mitochondriums benötigt werden, in die Ausrüstung zur Energieproduktion. Die überwiegende Mehrheit ist an anderen Aufgaben beteiligt, die spezifisch für den Zelltyp sind, in dem sie sich befinden.

Im Folgenden behandeln wir einige der Aufgaben der Mitochondrien:

Erzeugung von Energie

ATP, eine komplexe organische Chemikalie, die in allen Formen des Lebens vorkommt, wird oft als molekulare Währungseinheit bezeichnet, da sie Stoffwechselprozesse antreibt. Das meiste ATP wird in den Mitochondrien durch eine Reihe von Reaktionen produziert, die als Zitronensäurezyklus oder Krebszyklus bekannt sind.

Die Energieproduktion findet hauptsächlich in den Falten oder Cristae der inneren Membran statt.

Mitochondrien wandeln chemische Energie aus der Nahrung, die wir essen, in eine Energieform um, die die Zelle nutzen kann. Dieser Prozess wird oxidative Phosphorylierung genannt.

Der Krebszyklus produziert eine Chemikalie namens NADH. NADH wird von Enzymen, die in den Cristae eingebettet sind, verwendet, um ATP zu produzieren. In ATP-Molekülen ist die Energie in Form von chemischen Bindungen gespeichert. Wenn diese chemischen Bindungen aufgebrochen werden, kann die Energie genutzt werden.

Zelltod

Der Zelltod, auch Apoptose genannt, ist ein wesentlicher Bestandteil des Lebens. Wenn Zellen alt oder kaputt werden, werden sie abgeräumt und zerstört. Mitochondrien helfen zu entscheiden, welche Zellen zerstört werden.

Mitochondrien setzen Cytochrom C frei, das die Caspase aktiviert, eines der wichtigsten Enzyme, die an der Zerstörung von Zellen während der Apoptose beteiligt sind.

Da bei bestimmten Krankheiten, wie z. B. Krebs, die normale Apoptose gestört ist, geht man davon aus, dass die Mitochondrien eine Rolle bei der Krankheit spielen.

Speicherung von Kalzium

Kalzium ist für eine Reihe von zellulären Prozessen lebenswichtig. Zum Beispiel kann die Freisetzung von Kalzium zurück in eine Zelle die Freisetzung eines Neurotransmitters aus einer Nervenzelle oder von Hormonen aus endokrinen Zellen initiieren. Calcium ist unter anderem auch für die Muskelfunktion, die Befruchtung und die Blutgerinnung notwendig.

Weil Kalzium so wichtig ist, wird es von der Zelle streng reguliert. Die Mitochondrien spielen dabei eine Rolle, indem sie Kalzium-Ionen schnell aufnehmen und halten, bis sie gebraucht werden.

Weitere Aufgaben von Kalzium in der Zelle sind die Regulierung des zellulären Stoffwechsels, die Steroid-Synthese und die Hormonsignalisierung.

Wärmeproduktion

Wenn uns kalt ist, zittern wir, um uns warm zu halten. Aber der Körper kann auch auf andere Weise Wärme erzeugen, unter anderem durch ein Gewebe namens braunes Fett.

Während eines Prozesses, der Protonenleck genannt wird, können die Mitochondrien Wärme erzeugen. Dies ist als nicht-erschütternde Thermogenese bekannt. Der Anteil an braunem Fett ist bei Säuglingen am höchsten, wenn wir empfindlicher gegenüber Kälte sind, und nimmt mit zunehmendem Alter langsam ab.

Mitochondriale Erkrankung

Die DNA in den Mitochondrien ist anfälliger für Schäden als der Rest des Genoms.

Das liegt daran, dass bei der ATP-Synthese freie Radikale entstehen, die Schäden an der DNA verursachen können.

Außerdem fehlen in den Mitochondrien die gleichen Schutzmechanismen wie im Zellkern.

Die meisten mitochondrialen Erkrankungen sind jedoch auf Mutationen in der Kern-DNA zurückzuführen, die Produkte beeinflussen, die in die Mitochondrien gelangen. Diese Mutationen können entweder vererbt werden oder spontan auftreten.

Wenn Mitochondrien aufhören zu funktionieren, wird die Zelle, in der sie sich befinden, mit Energie ausgehungert. Daher können die Symptome je nach Zelltyp sehr unterschiedlich sein. Generell gilt, dass Zellen mit dem größten Energiebedarf, wie z. B. Herzmuskelzellen und Nerven, am stärksten von defekten Mitochondrien betroffen sind.

Die folgende Passage stammt von der United Mitochondrial Disease Foundation:

„Weil Mitochondrien so viele verschiedene Funktionen in verschiedenen Geweben erfüllen, gibt es buchstäblich Hunderte von verschiedenen mitochondrialen Krankheiten. […] Wegen des komplexen Zusammenspiels zwischen den Hunderten von Genen und Zellen, die zusammenarbeiten müssen, damit unsere Stoffwechselmaschinerie reibungslos funktioniert, ist es ein Kennzeichen mitochondrialer Krankheiten, dass identische mtDNA-Mutationen nicht unbedingt identische Krankheiten hervorrufen.“

Krankheiten, die unterschiedliche Symptome erzeugen, aber auf die gleiche Mutation zurückzuführen sind, werden als Genokopien bezeichnet.

Umgekehrt werden Krankheiten, die die gleichen Symptome haben, aber durch Mutationen in unterschiedlichen Genen verursacht werden, als Phänokopien bezeichnet. Ein Beispiel für eine Phänokopie ist das Leigh-Syndrom, das durch mehrere verschiedene Mutationen verursacht werden kann.

Obwohl die Symptome einer mitochondrialen Erkrankung sehr unterschiedlich sind, können sie Folgendes umfassen:

• Verlust der Muskelkoordination und Schwäche
• Probleme mit dem Sehen oder Hören
• Lernschwierigkeiten
• Herz-, Leber- oder Nierenerkrankung
• gastrointestinale Probleme
• Neurologische Probleme, einschließlich Demenz

Andere Erkrankungen, von denen man annimmt, dass sie mit einer mitochondrialen Dysfunktion einhergehen, sind unter anderem:

• Parkinson-Krankheit
• Alzheimer-Krankheit
• bipolare Störung
• Schizophrenie
• Chronisches Müdigkeitssyndrom
• Huntington-Krankheit
• Diabetes
• Autismus

Mitochondrien und Alterung

In den letzten Jahren haben Forscher einen Zusammenhang zwischen der Dysfunktion der Mitochondrien und dem Altern untersucht. Es gibt eine Reihe von Theorien über das Altern, und die Theorie der freien Radikale in den Mitochondrien ist in den letzten zehn Jahren populär geworden.

Die Theorie besagt, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) in den Mitochondrien als Nebenprodukt der Energieproduktion produziert werden. Diese hochgeladenen Partikel schädigen DNA, Fette und Proteine.

Aufgrund der durch ROS verursachten Schäden werden die funktionellen Teile der Mitochondrien beschädigt. Wenn die Mitochondrien nicht mehr so gut funktionieren können, werden mehr ROS produziert, was die Schäden weiter verschlimmert.

Obwohl Zusammenhänge zwischen der Aktivität der Mitochondrien und dem Alterungsprozess gefunden wurden, sind nicht alle Wissenschaftler zu den gleichen Schlussfolgerungen gekommen. Ihre genaue Rolle im Alterungsprozess ist noch unbekannt.

Kurz und bündig

Die Mitochondrien sind wohl die bekannteste Organelle. Und obwohl sie im Volksmund als das Kraftwerk der Zelle bezeichnet werden, führen sie eine Vielzahl von Aktionen aus, über die weit weniger bekannt ist. Von der Kalziumspeicherung bis zur Wärmeerzeugung sind Mitochondrien für die alltäglichen Funktionen unserer Zellen von enormer Bedeutung.