Mitochondrien – Aufbau, Funktion und Bedeutung für Gesundheit und Krankheit
Mitochondrien werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie helfen dabei, die Energie, die wir aus der Nahrung aufnehmen, in Energie umzuwandeln, die die Zelle nutzen kann. Aber Mitochondrien sind nicht nur für die Energieproduktion zuständig.
Die Mitochondrien, die in fast allen menschlichen Zelltypen vorhanden sind, sind für unser Überleben unerlässlich. Sie erzeugen den Großteil unseres Adenosintriphosphats (ATP), der Energiewährung der Zelle.
Sie sind außerdem an anderen Aufgaben beteiligt, z. B. an der Signalübertragung zwischen Zellen und am Zelltod, auch bekannt als Apoptose.
Aufbau
Mitochondrien sind klein, oft zwischen 0,75 und 3 Mikrometern groß und unter dem Mikroskop nicht sichtbar, es sei denn, sie werden angefärbt. Im Gegensatz zu anderen Organellen (Miniaturorganen innerhalb der Zelle) haben sie zwei Membranen, eine äußere und eine innere. Jede Membran hat unterschiedliche Funktionen.
Mitochondrien sind in verschiedene Kompartimente oder Regionen unterteilt, von denen jede unterschiedliche Aufgaben erfüllt.
Äußere Membran: Kleine Moleküle können die äußere Membran frei passieren. Dieser äußere Teil enthält Proteine, sogenannte Porine, die Kanäle bilden, durch die Proteine hindurchtreten können. 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: In dieser Membran befinden sich 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 mit Hilfe spezieller Membrantransporter 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.
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 in der Regel eine größere Anzahl von Mitochondrien. Etwa 40 Prozent des Zytoplasmas in Herzmuskelzellen wird von Mitochondrien eingenommen.
Obwohl Mitochondrien oft als ovale Organellen bezeichnet werden, teilen sie sich ständig und schließen sich zusammen. Sie sind also in sich ständig verändernden Netzwerken miteinander verbunden.
Mitochondriale DNA
Obwohl der größte Teil unserer DNA im Zellkern jeder Zelle gespeichert ist, verfügen die Mitochondrien über einen 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 Hilfsmitteln in 37 Genen.
Das menschliche Genom, das in den Kernen unserer Zellen gespeichert ist, umfasst etwa 3,3 Milliarden Basenpaare, während die mtDNA aus weniger als 17.000 Basenpaaren besteht.
Bei der Fortpflanzung stammt die DNA eines Kindes zur Hälfte vom Vater und zur Hälfte von der Mutter. Die mtDNA erhält das Kind jedoch immer von seiner 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, der sogenannten mitochondrialen Eva, abstammt.
Obwohl die bekannteste Rolle der Mitochondrien die Energieproduktion ist, erfüllen sie auch andere wichtige Aufgaben.
Tatsächlich werden nur etwa 3 Prozent der Gene, die für die Herstellung eines Mitochondriums benötigt werden, für die Energieproduktion eingesetzt. Die überwiegende Mehrheit ist an anderen Aufgaben beteiligt, die spezifisch für den Zelltyp sind, in dem sie zu finden sind.
Im Folgenden werden einige der Aufgaben der Mitochondrien beschrieben.
Erzeugung von Energie
ATP, eine komplexe organische Chemikalie, die in allen Lebensformen vorkommt, wird oft als molekulare Währungseinheit bezeichnet, da sie Stoffwechselprozesse antreibt. Das meiste ATP wird in den Mitochondrien durch eine Reihe von Reaktionen erzeugt, die als Zitronensäurezyklus oder Krebs Zyklus bekannt sind. Die Energieproduktion findet hauptsächlich in den Falten oder Cristae der inneren Membran statt.
Die Mitochondrien wandeln die chemische Energie aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen, in eine Energieform um, die die Zelle nutzen kann. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Im Krebszyklus wird eine Chemikalie namens NADH erzeugt. NADH wird von Enzymen in den Cristae verwendet, um ATP zu erzeugen. 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 entfernt und zerstört. Die Mitochondrien entscheiden darüber, 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 Calcium
Kalzium ist für eine Reihe von zellulären Prozessen unerlässlich. So kann beispielsweise die Freisetzung von Calcium in eine Zelle die Freisetzung des Neurotransmitters aus einer Nervenzelle oder von Hormonen aus endokrinen Zellen auslösen. Calcium ist unter anderem auch für die Muskelfunktion, die Befruchtung und die Blutgerinnung erforderlich.
Da Calcium so wichtig ist, wird es von der Zelle streng reguliert. Die Mitochondrien spielen dabei eine Rolle, indem sie Calciumionen schnell aufnehmen und speichern, bis sie gebraucht werden.
Weitere Aufgaben von Calcium in der Zelle sind die Regulierung des zellulären Stoffwechsels, die Steroidsynthese und die Hormonsignalisierung.
Wärmeproduktion
Wenn uns kalt ist, zittern wir, um uns warm zu halten. Der Körper kann aber auch auf andere Weise Wärme erzeugen, unter anderem mit Hilfe des braunen Fettgewebes. Das braune Fettgewebe war früher nur bei Neugeborenen bekannt und wurde erst vor Kurzem bei Erwachsenen gefunden. Im Gegensatz zum weißen Fett verbraucht das braune Fett Energie und gibt diese in Form von Wärme ab. Dies geschieht durch die Entkopplung der Atmungskette der Mitochondrien. Diese einzigartige Funktion machen sich Säuglinge zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur zunutze. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als zitterfreie Wärmebildung (adaptive Thermogenese).
Mitochondriale Störung/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 die DNA schädigen können. Außerdem verfügen die Mitochondrien nicht über die gleichen Schutzmechanismen wie der Zellkern. Viele mitochondriale Erkrankungen sind auch auf Mutationen in der Kern-DNA zurückzuführen, die sich auf Stoffe auswirken, die in die Mitochondrien gelangen. Diese Mutationen können zum Beispiel vererbt werden.
Wenn die Mitochondrien nicht mehr einwandfrei funktionieren, fehlt der Zelle, in der sie sich befindet, die Energie. Daher können die Symptome je nach Zelltyp sehr unterschiedlich sein. In der Regel sind die Zellen mit dem höchsten Energiebedarf, wie Herzmuskelzellen und Nerven, am stärksten von defekten Mitochondrien betroffen.
Da Mitochondrien so viele verschiedene Funktionen in unterschiedlichen Geweben erfüllen, gibt es buchstäblich Hunderte von verschiedenen mitochondrialen Krankheiten. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen den Hunderten von Genen und Zellen, die zusammenarbeiten müssen, damit unsere Stoffwechselmaschinerie reibungslos funktioniert, ist es ein Merkmal mitochondrialer Störungen, dass identische mtDNA-Mutationen nicht unbedingt identische Krankheiten hervorrufen. Krankheiten, die unterschiedliche Symptome hervorrufen, aber auf die gleiche Mutation zurückzuführen sind, werden als Genokopien bezeichnet.
Umgekehrt werden Krankheiten, die dieselben Symptome aufweisen, aber durch Mutationen in verschiedenen Genen verursacht werden, als Phänokopien bezeichnet. Ein Beispiel für eine Phänokopie ist das Leigh-Syndrom, dem in der Regel eine Störung des mitochondrialen Energiestoffwechsels zugrunde liegt und das durch mehrere verschiedene Mutationen verursacht werden kann.
Eine mitochondriale Erkrankung kann sich in sehr unterschiedlichen Symptomen äußern:
● Verlust der Muskelkoordination und Muskelschwäche
● Seh- oder Hörprobleme
● Lernschwierigkeiten
● Herz-, Leber- oder Nierenerkrankungen
● Gastrointestinale Probleme
● Neurologische Probleme (Demenz)
Andere Erkrankungen, von denen man annimmt, dass sie mit einer mitochondrialen Dysfunktion einhergehen, sind unter anderem:
● Parkinson
● Alzheimer
● Bipolare Störung
● Schizophrenie
● Chronisches Erschöpfungssyndrom
● Huntington-Krankheit
● Diabetes
● Autismus
In den letzten Jahren haben Forscher außerdem einen Zusammenhang zwischen der mitochondrialen Dysfunktion und dem Altern untersucht.
Demnach entstehen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) in den Mitochondrien als Nebenprodukt der Energieproduktion. 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 einwandfrei funktionieren können, werden mehr ROS produziert, was die Schäden weiter verschlimmert.
Obwohl Zusammenhänge zwischen der Aktivität der Mitochondrien und dem Alterungsprozess bereits festgestellt werden konnten, gibt es noch keine einheitliche Meinung zu der genauen Rolle, die Mitochondrien im Alterungsprozess spielen.