Mitochondrien
Die Kraftwerke unseres Körpers
Funktionen der Mitochondrien
Energie ist für alle Vorgänge in unserem Körper unerlässlich. Daher ist es nicht überraschend, dass unsere Zellen eigene „Kraftwerke“ haben, um den kontinuierlichen Energiebedarf zu decken. Diese Kraftwerke sind die Mitochondrien. In diesem Text erfährst du, wie Mitochondrien aus unserer Nahrung Energie gewinnen und warum ihre Leistungsfähigkeit im Alter abnimmt.
Was sind Mitochondrien
Mitochondrien sind dynamische Zellorganellen, die in allen eukaryotischen Zellen vorkommen, mit Ausnahme der roten Blutkörperchen. Sie sind für den Energiestoffwechsel verantwortlich und werden oft als „Kraftwerk der Zelle“ bezeichnet, da sie Nahrungsenergie in für die Zelle nutzbare Energie umwandeln, konkret in Adenosintriphosphat (ATP). Dieser Prozess wird als Zellatmung bezeichnet.
Die Anzahl der Mitochondrien variiert je nach Energiebedarf der Zelle. Besonders viele Mitochondrien finden sich in Muskelzellen, Nervenzellen, Keimzellen und Leberzellen. Zum Beispiel arbeiten in einer einzelnen Herzmuskelzelle mehrere Tausend Mitochondrien, während in einer reifen Eizelle sogar bis zu 100.000 vorhanden sein können.
Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen, dass die Aktivität der Mitochondrien mit dem Alter abnimmt, was zu einem Rückgang unserer Energie führt. Dies könnte unter anderem daran liegen, dass sich mit dem Alter freie Radikale ansammeln, die die mitochondrialen Proteine und die DNA schädigen, was zu Funktionsstörungen führt. Diese sogenannte mitochondriale Dysfunktion spielt eine bedeutende Rolle im Alterungsprozess und bei der Entstehung altersbedingter Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und neurodegenerativen Erkrankungen. Eine gesunde Lebensweise, regelmäßige Bewegung und eine ausgewogene, pflanzenreiche Ernährung können jedoch dazu beitragen, die Mitochondrien zu unterstützen.
Menschliche Zelle
Aufbau eines Mitochondriums
Mitochondrien sind mit einer Größe von nur 0,75 bis 3 µm eines der kleinsten Zellorganellen. Dennoch machen sie in bestimmten Geweben, wie beispielsweise in Herzmuskelzellen, einen erheblichen Teil des Zellvolumens aus (bis zu 36 %). Der Aufbau der Mitochondrien ist relativ einfach. Ihr meist ovaler Körper ist von einer Doppelmembran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht und Proteinen besteht.
Die äußere Membran umschließt das Mitochondrium und bildet den Intermembranenraum, der zwischen der äußeren und inneren Membran liegt. Sie enthält verschiedene Proteinkanäle, die den Transport kleiner Moleküle und Ionen ins Zytosol ermöglichen. Zudem kann sich die äußere Membran mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) verbinden, um Signale auszutauschen und Lipide zu transferieren. Da die äußere Membran für kleinere Moleküle wie Zucker oder Ionen durchlässig ist, hat der Intermembranenraum eine ähnliche Konzentration dieser Substanzen wie das Zytosol. Die Zusammensetzung größerer Proteine unterscheidet sich jedoch, da diese nur unter bestimmten Bedingungen ins Zytosol transportiert werden können. So wird beispielsweise Cytochrom C im Mitochondrium konzentriert und nur bei Bedarf freigesetzt.
Die innere Mitochondrienmembran weist Einstülpungen auf, die weit in die mitochondriale Matrix hineinragen und die Oberfläche erheblich vergrößern. Je nach Art der Faltungen unterscheidet man zwischen verschiedenen Typen von Mitochondrien: Cristae-Typ (kammerartige Einstülpungen), Tubulus-Typ (röhrenförmige Einstülpungen), Sacculus-Typ (Einstülpungen mit runden Aussackungen) und Prisma-Typ (dreieckige Einstülpungen). Diese Oberflächenvergrößerung ist entscheidend, da in der inneren Membran Proteine liegen, die für den Elektronentransport in der Atmungskette verantwortlich sind. Dadurch kann die Zelle mehr ATP produzieren. Neben den Proteinkomplexen für die Zellatmung befinden sich in der inneren Membran auch ATP-Synthasen zur ATP-Bildung, Transportproteine sowie Proteine, die an der Verschmelzung und Teilung von Mitochondrien beteiligt sind. In der mitochondrialen Matrix, die sich hinter der inneren Membran befindet, sind etwa 60 % der mitochondrialen Proteine enthalten. Hier finden sich Hunderte von Enzymen, mitochondriale Ribosomen, transfer RNA (tRNA) sowie mehrere Kopien der mitochondrialen DNA (mtDNA).
Die mitochondrialen Ribosomen sind darauf spezialisiert, den genetischen Code, den sie über die tRNA erhalten, in eine spezifische Reihenfolge von Aminosäuren umzuwandeln und diese zu Proteinen zusammenzusetzen.
Mitochondrium
Mitochondrien: Aufgaben und Funktionen
Mitochondrien sind die Kraftpakete unseres Körpers und produzieren im Vergleich zu ihrem Gewicht 10.000 bis 50.000-mal mehr Energie als die Sonne. Täglich erzeugen sie eine Menge an Adenosintriphosphat (ATP), die unserem Körpergewicht entspricht. Neben der Energieproduktion sind Mitochondrien für die Zellatmung verantwortlich und steuern den Zellstoffwechsel. Sie spielen auch eine wichtige Rolle im programmierten Zelltod (Apoptose), indem sie Signale aussenden, die beschädigte Zellen zum Absterben bringen. Zudem speichern sie Calciumionen, die für viele zelluläre Prozesse wichtig sind, und sind am Fettsäurestoffwechsel sowie der Wärmeproduktion beteiligt.
Insgesamt sind Mitochondrien entscheidend für unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden.
Energieproduktion in Mitochondrien
Die Hauptaufgabe der Mitochondrien, als die Kraftwerke der Zelle, besteht darin, Nahrungsenergie und ionisierten Sauerstoff in ATP für den Zellstoffwechsel umzuwandeln. Diese lebenswichtige ATP-Produktion erfolgt im Rahmen der Zellatmung, die in verschiedene Stoffwechselwege unterteilt ist. Der Prozess der ATP-Produktion in Mitochondrien verläuft folgendermaßen:
Zunächst wird in der Glykolyse, die im Zytosol stattfindet, Glukose in mehreren Schritten zu Pyruvat abgebaut und in die Mitochondrienmatrix transportiert. Dabei wird Energie in Form von ATP gespeichert. Im Mitochondrium wird Pyruvat durch oxidative Decarboxylierung in Acetat umgewandelt, das dann zu Acetyl-CoA weiterverarbeitet wird. Anschließend beginnt der Citratzyklus (Krebs-Zyklus), in dem aus Acetyl-CoA Energie in Form von GTP (Guanosintriphosphat) oder ATP sowie NADH und FADH generiert wird. Acetyl-CoA kann nicht nur aus Kohlenhydraten, sondern auch aus Lipiden und Proteinen gewonnen werden.
Im letzten Schritt der Zellatmung, der Atmungskette, werden Elektronen mithilfe von NADH und FADH entlang der Mitochondrienmembran transportiert. An dieser Reaktionskette sind vier Proteinkomplexe sowie Elektronentransporter wie Coenzym Q10 und Cytochrom C beteiligt. Während des Elektronentransfers werden Protonen (positiv geladene Teilchen) transportiert, was einen Ladungsunterschied auf beiden Seiten der Membran erzeugt. Dieser Protonengradient aktiviert das Enzym ATP-Synthase, das Energie in Form von ATP (oxidative Phosphorylierung) für die Zelle bereitstellt.
Wissenswert
Für einen optimalen Ablauf der Atmungskette sind Mitochondrien auf eine Vielzahl von Mikronährstoffen angewiesen. Dazu gehören B-Vitamine wie Vitamin B1 und B12 sowie verschiedene Mineralstoffe. Eine weitere wichtige Rolle spielt das Coenzym Q10, das in den Mitochondrien benötigt wird, um dem Körper ausreichend Energie bereitzustellen. Mit dem Alter nimmt jedoch der Coenzym Q10-Spiegel in den Zellen ab. Daher ist es wichtig, die Mitochondrien durch eine ausgewogene Ernährung zu unterstützen. Zu den Lebensmitteln, die Coenzym Q10 enthalten, zählen fetter Fisch, Fleisch, Hülsenfrüchte, Samen, Nüsse und die daraus gewonnenen Pflanzenöle.
Redox-Homöostase
Bei der Zellatmung entstehen freie Radikale, die in geringen Mengen für wichtige Prozesse im Körper unerlässlich sind. Wenn sie jedoch im Übermaß auftreten, verursachen sie oxidativen Stress, der die Zellen und deren Organellen schädigen kann. Um dem entgegenzuwirken, verfügen Mitochondrien über effiziente Schutzmechanismen, darunter Antioxidantien, deren Aktivität durch die Produktion freier Radikale beeinflusst wird.
Zusätzlich besitzen Mitochondrien weitere Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Redox-Balance. Sie können überschüssige Elektronen in der Atmungskette neutralisieren, deren Aktivität anpassen oder überaktive Mitochondrien durch Mitophagie gezielt abbauen.
Weitere Funktionen
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Desweiteren speichern Mitochondrien Calcium
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Regulieren die Apoptose
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unterstützen die Fettsäureoxidation
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beteiligt an der Cortisol Produktion
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wichtiger Teil der Zellkommunikation
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Enthalten Hemmstoffe für das Hämoglobin
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Stoffwechselregulation
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produziert wichtige Stoffe für das Zellwachstum
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Unterstützen das Immunsystem in der Kommunikation
Mitochondrien haben eine eigene DNA
Mitochondrien besitzen ihre eigene DNA, die sogenannte mitochondriale DNA (mtDNA), was sie von anderen Organellen unterscheidet. Diese mtDNA ist deutlich kürzer als die DNA im Zellkern, liegt jedoch in mehrfacher Ausführung vor. Die ringförmige mtDNA umfasst 37 Gene, die Informationen für 13 Proteine der Atmungskette sowie verschiedene rRNAs und tRNAs enthalten.
Durch ihr eigenes Genom können Mitochondrien unabhängig von der Zelle eigenständig replizieren. Ähnlich wie Bakterien teilen sie sich durch Querteilung, wobei die mitochondriale DNA gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt wird. Das genetische Material wird dabei nicht neu angeordnet, sondern exakt kopiert und weitergegeben.