Inhalt
- Struktur der Mitochondrien
- Warum sind Mitochondrien wichtig?
- Mitochondriale Funktionen
- Die inneren und äußeren Mitochondrienmembranen
- Was ist in der Matrix?
Die eukaryotischen Zellen lebender Organismen führen kontinuierlich eine Vielzahl chemischer Reaktionen durch, um Krankheiten zu leben, zu wachsen, sich zu vermehren und abzuwehren.
All diese Prozesse erfordern Energie auf zellulärer Ebene. Jede Zelle, die an einer dieser Aktivitäten beteiligt ist, bezieht ihre Energie aus den Mitochondrien, winzigen Organellen, die als Kraftwerke der Zellen fungieren. Der Singular der Mitochondrien ist Mitochondrion.
Beim Menschen haben Zellen wie rote Blutkörperchen diese winzigen Organellen nicht, aber die meisten anderen Zellen haben eine große Anzahl von Mitochondrien. Beispielsweise können Muskelzellen 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.
Struktur der Mitochondrien
Mitochondrien sind membrangebundene Organellen, die von einer Doppelmembran umgeben sind.
Sie haben eine glatte äußere Membran, die die Organelle umschließt, und eine gefaltete innere Membran. Die Falten der inneren Membran heißen Cristae, deren Singular Crista ist, und in den Falten finden die Reaktionen statt, die mitochondriale Energie erzeugen.
Die innere Membran enthält eine Flüssigkeit, die als Matrix bezeichnet wird, während der zwischen den beiden Membranen befindliche Zwischenmembranraum ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Aufgrund dieser relativ einfachen Zellstruktur haben Mitochondrien nur zwei getrennte Arbeitsvolumina: die Matrix innerhalb der inneren Membran und den Zwischenmembranraum. Sie stützen sich auf Übertragungen zwischen den beiden Volumina zur Energieerzeugung.
Um die Effizienz zu steigern und das Energieerzeugungspotential zu maximieren, dringen die inneren Membranfalten tief in die Matrix ein.
Infolgedessen 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 Mitochondrienfunktion und erhöhen die potenzielle Übertragungsrate zwischen der Matrix und dem Zwischenmembranraum über die innere Membran.
Warum sind Mitochondrien wichtig?
Während sich einzelne Zellen ursprünglich ohne Mitochondrien oder andere membrangebundene Organellen entwickelten, beziehen komplexe mehrzellige Organismen und Warmblüter wie Säugetiere ihre Energie aus der Zellatmung, basierend auf der Mitochondrienfunktion.
Hochenergetische Funktionen wie die der Herzmuskulatur oder der Vogelflügel weisen eine hohe Konzentration von Mitochondrien auf, die die benötigte Energie liefern.
Durch ihre ATP-Synthesefunktion produzieren Mitochondrien in Muskeln und anderen Zellen die Körperwärme, um warmblütige Tiere auf einer konstanten Temperatur zu halten. Es ist diese geballte Energieproduktionsfähigkeit der Mitochondrien, die die energiereichen Aktivitäten und die Erzeugung von Wärme bei höheren Tieren ermöglicht.
Mitochondriale Funktionen
Der Energieproduktionszyklus in Mitochondrien beruht auf der Elektronentransportkette zusammen mit dem Zitronensäure- oder Krebszyklus.
Lesen Sie mehr über den Krebs-Zyklus.
Der Abbau von Kohlenhydraten wie Glukose zu ATP wird als Katabolismus bezeichnet. Die Elektronen der Glucoseoxidation werden entlang einer chemischen Reaktionskette geleitet, die den Zitronensäurezyklus umfasst.
Energie aus den Reduktions-Oxidations- oder Redoxreaktionen wird verwendet, um Protonen aus der Matrix zu transferieren, wo die Reaktionen stattfinden. Die letzte Reaktion in der mitochondrialen Funktionskette ist eine, bei der Sauerstoff aus der Zellatmung reduziert wird, um Wasser zu bilden. Die Endprodukte der Reaktionen sind Wasser und ATP.
Die Schlüsselenzyme, die für die Energieerzeugung in den Mitochondrien verantwortlich sind, sind Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP), Nicotinamidadenindinukleotid (NAD), Adenosindiphosphat (ADP) und Flavinadenindinukleotid (FAD).
Sie arbeiten zusammen, um den Transfer von Protonen von Wasserstoffmolekülen in der Matrix über die innere Mitochondrienmembran zu unterstützen. Dies erzeugt ein chemisches und elektrisches Potential über die Membran, wobei die Protonen durch das Enzym ATP-Synthase zur Matrix zurückkehren, was zur Phosphorylierung und Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) führt.
Lesen Sie mehr über die Struktur und Funktion von ATP.
Die ATP-Synthese und die ATP-Moleküle sind die wichtigsten Energieträger in Zellen und können von den Zellen zur Herstellung der für lebende Organismen erforderlichen Chemikalien verwendet werden.
••• WissenschaftMitochondrien sind nicht nur Energieproduzenten, sondern können auch die Signalübertragung von Zelle zu Zelle durch die Freisetzung von Kalzium unterstützen.
Mitochondrien haben die Fähigkeit, Kalzium in der Matrix zu speichern und es freizusetzen, wenn bestimmte Enzyme oder Hormone vorhanden sind. Infolgedessen können Zellen, die solche auslösenden Chemikalien produzieren, das Signal eines Calciumanstiegs von der Freisetzung durch die Mitochondrien sehen.
Insgesamt sind Mitochondrien ein wesentlicher Bestandteil lebender Zellen, sie helfen bei Zellinteraktionen, verteilen komplexe Chemikalien und produzieren das ATP, das die Energiebasis für alles Leben bildet.
Die inneren und äußeren Mitochondrienmembranen
Die mitochondriale Doppelmembran hat unterschiedliche Funktionen für die Innen- und Außenmembran sowie die beiden Membranen und besteht aus unterschiedlichen Substanzen.
Die äußere Mitochondrienmembran umschließt die Flüssigkeit des Zwischenmembranraums, muss jedoch Chemikalien zulassen, die die Mitochondrien durchdringen müssen. 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, die als Porine die winzige Löcher oder Poren in der Oberfläche der Membran hinterlassen.
Der Zwischenmembranraum enthält Flüssigkeit, deren Zusammensetzung der des Cytosols ähnelt, aus dem die Flüssigkeit der umgebenden Zelle besteht.
Kleine Moleküle, Ionen, Nährstoffe und das durch ATP-Synthese erzeugte energietragende ATP-Molekül können in die äußere Membran eindringen und zwischen der Flüssigkeit des Zwischenmembranraums und dem Zytosol übergehen.
Die innere Membran hat eine komplexe Struktur mit Enzymen, Proteinen und Fetten, so dass nur Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff ungehindert durch die Membran gelangen können.
Andere Moleküle, einschließlich großer Proteine, können die Membran durchdringen, jedoch nur durch spezielle Transportproteine, die ihre Passage begrenzen. Die große Oberfläche der inneren Membran, die sich aus den Kristallfalten ergibt, bietet Platz für all diese komplexen Protein- und chemischen Strukturen.
Ihre große Anzahl ermöglicht eine hohe chemische Aktivität und eine effiziente Energieerzeugung.
Der Prozess, durch den Energie durch chemische Transfers über die innere Membran erzeugt wird, wird als. Bezeichnet oxidative Phosphorylierung.
Während dieses Prozesses pumpt die Oxidation von Kohlenhydraten in den Mitochondrien Protonen über die innere Membran von der Matrix in den Zwischenmembranraum. Das Ungleichgewicht der Protonen bewirkt, dass die Protonen durch einen Enzymkomplex, der eine Vorläuferform von ATP ist und ATP-Synthase genannt wird, über die innere Membran in die Matrix zurück diffundieren.
Der Protonenfluss durch die ATP-Synthase ist wiederum die Grundlage für die ATP-Synthese und produziert ATP-Moleküle, den wichtigsten Energiespeichermechanismus in Zellen.
Was ist in der Matrix?
Die viskose Flüssigkeit in der inneren Membran wird als Matrix bezeichnet.
Es interagiert mit der inneren Membran, um die wichtigsten Energie erzeugenden Funktionen der Mitochondrien zu erfüllen. Es enthält die Enzyme und Chemikalien, die am Krebszyklus zur Herstellung von ATP aus Glucose und Fettsäuren beteiligt sind.
In der Matrix befindet sich das aus zirkulärer DNA bestehende Mitochondriengenom und die Ribosomen. Das Vorhandensein von Ribosomen und DNA bedeutet, dass die Mitochondrien ihre eigenen Proteine produzieren und sich unter Verwendung ihrer eigenen DNA reproduzieren können, ohne auf die Zellteilung angewiesen zu sein.
Wenn Mitochondrien winzige, vollständige Zellen zu sein scheinen, liegt dies daran, dass es sich wahrscheinlich um getrennte Zellen zu einem Zeitpunkt handelte, als sich einzelne Zellen noch entwickelten.
Mitochondrien-ähnliche Bakterien drangen als Parasiten in größere Zellen ein und durften dort bleiben, da die Anordnung für beide Seiten vorteilhaft war.
Die Bakterien konnten sich in einer sicheren Umgebung vermehren und versorgten die größere Zelle mit Energie. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren haben sich die Bakterien in vielzellige Organismen integriert und zu heutigen Mitochondrien entwickelt.
Da sie heute in tierischen Zellen vorkommen, sind sie ein wichtiger Bestandteil der frühen menschlichen Evolution.
Da sich Mitochondrien unabhängig vom Mitochondriengenom vermehren und nicht an der Zellteilung teilnehmen, erben neue Zellen einfach die Mitochondrien, die sich zufällig in ihrem Teil des Cytosols befinden, wenn sich die Zelle teilt.
Diese Funktion ist wichtig für die Reproduktion höherer Organismen, einschließlich des Menschen, da sich aus einem befruchteten Ei Embryonen entwickeln.
Die Eizelle der Mutter ist groß und enthält viel Mitochondrien im 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 sind Mitochondrien und die Mitochondrienfunktion ein Schlüsselbestandteil tierischer Zellen und tragen dazu bei, das Leben zu ermöglichen, wie es existiert.
Die Zellstruktur mit membrangebundenen Organellen hat eine wichtige Rolle in der menschlichen Evolution gespielt, und Mitochondrien haben einen wesentlichen Beitrag geleistet.