Mitochondrien: Definition, Struktur & Funktion (mit Diagramm)

Die eukaryontischen Zellen lebender Organismen führen ständig eine Vielzahl chemischer Reaktionen durch, um zu leben, zu wachsen, sich zu vermehren und Krankheiten abzuwehren.

Alle diese Prozesse benötigen Energie auf zellulärer Ebene. Jede Zelle, die an einer dieser Aktivitäten teilnimmt, erhält ihre Energie von den Mitochondrien, winzigen Organellen, die als Kraftwerke der Zellen fungieren. Der Singular von Mitochondrien ist Mitochondrium.

Beim Menschen haben Zellen wie rote Blutkörperchen diese winzigen Organellen nicht, aber die meisten anderen Zellen haben eine große Anzahl von Mitochondrien. Muskelzellen können beispielsweise Hunderte oder sogar Tausende haben, um ihren Energiebedarf zu decken.

Fast jedes Lebewesen, das sich bewegt, wächst oder denkt, hat Mitochondrien im Hintergrund, die die notwendige chemische Energie produzieren.

Mitochondrien sind membrangebundene Organellen, die von einer Doppelmembran umgeben sind.

Sie haben eine glatte Außenmembran, die die Organelle umschließt, und eine gefaltete Innenmembran. Die Falten der inneren Membran werden Cristae genannt, deren Singular Crista ist, und in den Falten finden die Reaktionen statt, die mitochondriale Energie erzeugen.

Die innere Membran enthält eine Flüssigkeit, die Matrix, während der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Aufgrund dieser relativ einfachen Zellstruktur haben Mitochondrien nur zwei separate Arbeitsvolumina: die Matrix innerhalb der inneren Membran und den Intermembranraum. Zur Energieerzeugung sind sie auf Transfers zwischen den beiden Volumen angewiesen.

Um die Effizienz zu steigern und das Energieerzeugungspotenzial zu maximieren, dringen die inneren Membranfalten tief in die Matrix ein.

Dadurch hat die innere Membran eine große Oberfläche und kein Teil der Matrix ist weit von einer inneren Membranfalte entfernt. Die Falten und die große Oberfläche unterstützen die mitochondriale Funktion und erhöhen die potenzielle Übertragungsrate zwischen der Matrix und dem Intermembranraum über die innere Membran.

Während sich einzelne Zellen ursprünglich ohne Mitochondrien oder andere membrangebundene Organellen entwickelten, sind komplexe vielzellige Organismen und Warmblüter wie Säugetiere beziehen ihre Energie aus der Zellatmung auf Basis der mitochondrialen Funktion.

Hochenergetische Funktionen wie die des Herzmuskels oder der Vogelflügel haben eine hohe Konzentration an Mitochondrien, die die benötigte Energie liefern.

Durch ihre ATP-Synthesefunktion produzieren Mitochondrien in Muskeln und anderen Zellen die Körperwärme, um Warmblüter auf einer konstanten Temperatur zu halten. Es ist diese konzentrierte Energieproduktionsfähigkeit der Mitochondrien, die die energiereichen Aktivitäten und die Produktion von Wärme bei höheren Tieren ermöglicht.

Der Energieproduktionszyklus in Mitochondrien beruht auf der Elektronentransportkette zusammen mit dem Zitronensäure- oder Krebszyklus.
Lesen Sie mehr über den Krebszyklus.

Der Prozess des Abbaus von Kohlenhydraten wie Glukose zu ATP wird als Katabolismus bezeichnet. Die Elektronen aus der Glucoseoxidation werden entlang einer chemischen Reaktionskette weitergeleitet, die den Zitronensäurezyklus umfasst.

Energie aus den Reduktions-Oxidations- oder Redox-Reaktionen wird verwendet, um Protonen aus der Matrix zu übertragen, in der die Reaktionen stattfinden. Die letzte Reaktion in der mitochondrialen Funktionskette ist eine, bei der Sauerstoff aus der Zellatmung zu Wasser reduziert wird. Die Endprodukte der Reaktionen sind Wasser und ATP.

Die Schlüsselenzyme, die für die mitochondriale Energieproduktion verantwortlich sind, sind Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP), Nicotinamidadenindinukleotid (NAD), Adenosindiphosphat (ADP) und Flavinadenindinukleotid (MODE).

Sie arbeiten zusammen, um Protonen von Wasserstoffmolekülen in der Matrix durch die innere Mitochondrienmembran zu übertragen. Dadurch entsteht ein chemisches und elektrisches Potenzial über die Membran, wobei die Protonen zur Matrix zurückkehren durch das Enzym ATP-Synthase, was zur Phosphorylierung und Produktion von Adenosintriphosphat führt (ATP).
Lesen Sie mehr über die Struktur und Funktion von ATP.

Die ATP-Synthese und die ATP-Moleküle sind die Hauptenergieträger in Zellen und können von den Zellen zur Produktion der für lebende Organismen notwendigen Chemikalien verwendet werden.

•••Wissenschaft

Mitochondrien sind nicht nur Energieproduzenten, sondern können auch bei der Signalübertragung von Zelle zu Zelle durch die Freisetzung von Kalzium helfen.

Mitochondrien haben die Fähigkeit, Kalzium in der Matrix zu speichern und können es freisetzen, wenn bestimmte Enzyme oder Hormone vorhanden sind. Infolgedessen können Zellen, die solche auslösenden Chemikalien produzieren, das Signal des steigenden Kalziums durch die Freisetzung durch die Mitochondrien sehen.

Insgesamt sind Mitochondrien ein lebenswichtiger Bestandteil lebender Zellen, sie helfen bei Zellinteraktionen, verteilen komplexe Chemikalien und produzieren das ATP, das die Energiegrundlage allen Lebens bildet.

Die mitochondriale Doppelmembran hat unterschiedliche Funktionen für die innere und äußere Membran und die beiden Membranen und besteht aus unterschiedlichen Stoffen.

Die äußere Mitochondrienmembran umschließt die Flüssigkeit des Zwischenmembranraums, muss jedoch Chemikalien, die die Mitochondrien benötigen, passieren lassen. Von den Mitochondrien produzierte Energiespeichermoleküle müssen die Organelle verlassen und Energie an den Rest der Zelle abgeben können.

Um solche Übertragungen zu ermöglichen, besteht die äußere Membran aus Phospholipiden und Proteinstrukturen namens Porine die winzige Löcher oder Poren in der Oberfläche der Membran hinterlassen.

Der Intermembranraum enthält Flüssigkeit, die eine ähnliche Zusammensetzung hat wie das Zytosol, aus dem die Flüssigkeit der umgebenden Zelle besteht.

Kleine Moleküle, Ionen, Nährstoffe und das energietragende ATP-Molekül, das durch die ATP-Synthese produziert wird, können Durchdringen der äußeren Membran und Übergang zwischen der Flüssigkeit des Intermembranraums und der Zytosol..

Die innere Membran hat eine komplexe Struktur mit Enzymen, Proteinen und Fetten, die nur Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff ungehindert durch die Membran passieren lassen.

Andere Moleküle, einschließlich großer Proteine, können die Membran durchdringen, jedoch nur durch spezielle Transportproteine, die ihren Durchgang begrenzen. Die große Oberfläche der inneren Membran, die durch die Cristae-Falten entsteht, bietet Platz für all diese komplexen Protein- und chemischen Strukturen.

Ihre große Zahl ermöglicht eine hohe chemische Aktivität und eine effiziente Energiegewinnung.

Der Prozess, bei dem Energie durch chemische Übertragungen durch die innere Membran erzeugt wird, heißt oxidative Phosphorylierung.

Während dieses Prozesses pumpt die Oxidation von Kohlenhydraten in den Mitochondrien Protonen durch die innere Membran von der Matrix in den Intermembranraum. Das Ungleichgewicht der Protonen führt dazu, dass die Protonen durch einen Enzymkomplex, der eine Vorläuferform von ATP ist und als ATP-Synthase bezeichnet wird, über die innere Membran in die Matrix zurückdiffundieren.

Der Protonenfluss durch die ATP-Synthase wiederum ist die Grundlage für die ATP-Synthese und produziert ATP-Moleküle, den wichtigsten Energiespeichermechanismus in Zellen.

Die viskose Flüssigkeit in der inneren Membran wird Matrix genannt.

Es interagiert mit der inneren Membran, um die wichtigsten energieerzeugenden Funktionen der Mitochondrien auszuführen. Es enthält die Enzyme und Chemikalien, die am Krebs-Zyklus teilnehmen, um aus Glukose und Fettsäuren ATP zu produzieren.

In der Matrix befindet sich das mitochondriale Genom, das aus zirkulärer DNA besteht und wo sich die Ribosomen befinden. Das Vorhandensein von Ribosomen und DNA bedeutet, dass die Mitochondrien ihre eigenen Proteine ​​produzieren und sich mit ihrer eigenen DNA vermehren können, ohne auf Zellteilung angewiesen zu sein.

Wenn Mitochondrien für sich genommen winzige, vollständige Zellen zu sein scheinen, liegt das daran, dass sie wahrscheinlich zu einem Zeitpunkt getrennte Zellen waren, als sich einzelne Zellen noch entwickelten.

Mitochondrienähnliche Bakterien traten als Parasiten in größere Zellen ein und durften bleiben, weil die Anordnung für beide Seiten vorteilhaft war.

Die Bakterien konnten sich in einer sicheren Umgebung vermehren und versorgten die größere Zelle mit Energie. Über Hunderte von Millionen Jahren wurden die Bakterien in vielzellige Organismen integriert und entwickelten sich zu den heutigen Mitochondrien.

Da sie heute in tierischen Zellen vorkommen, sind sie ein wichtiger Bestandteil der frühen menschlichen Evolution.

Da sich Mitochondrien unabhängig vom mitochondrialen Genom vermehren und nicht an der Zelle teilnehmen Teilung erben neue Zellen einfach die Mitochondrien, die sich zufällig in ihrem Teil des Zytosols befinden, wenn die Zelle teilt.

Diese Funktion ist für die Fortpflanzung höherer Organismen, einschließlich des Menschen, wichtig, da sich aus einer befruchteten Eizelle Embryonen entwickeln.

Die Eizelle der Mutter ist groß und enthält viele Mitochondrien in ihrem Zytosol, während die befruchtende Samenzelle des Vaters kaum welche hat. Infolgedessen erben Kinder ihre Mitochondrien und ihre mitochondriale DNA von ihrer Mutter.

Durch ihre ATP-Synthesefunktion in der Matrix und durch die Zellatmung über die Doppelmembran Mitochondrien und die mitochondriale Funktion sind ein wichtiger Bestandteil tierischer Zellen und tragen dazu bei, das Leben so zu gestalten, wie es existiert möglich.

Die Zellstruktur mit membrangebundenen Organellen hat eine wichtige Rolle in der menschlichen Evolution gespielt und Mitochondrien haben einen wesentlichen Beitrag geleistet.