Lexikon der Biologie

Mitochondrien



Aufbau der Mitochondrien


Mitochondrienmembranen: Durch die äußere und innere Mitochondrienmembran werden vom Cytoplasma 2 Kompartimente (Kompartimentierung) abgetrennt, nämlich der zwischen diesen Membranen liegende nichtplasmatische Raum und das von der inneren Membran eingeschlossene Mitoplasma (Matrix). Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung kommt bereits im Protein-Lipid-Verhältnis beider Membranen zum Ausdruck (äußere Mitochondrienmembran 1,1 :1; innere Mitochondrienmembran 3,2 :1). Die äußere Mitochondrienmembran enthält neben Phospholipiden bezeichnenderweise relativ viel Cholesterin. Für Metabolite bis zu einer relativen Molekülmasse von 6000 ist sie recht gut permeabel. Diese für Membranen ungewöhnliche Eigenschaft geht auf das Vorhandensein von Membranporen zurück, die den Porinen in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien homolog sind. Spezielle Transportsysteme fehlen der äußeren Mitochondrienmembran. Die eigentliche Permeationsbarriere zum Cytoplasma stellt die innere Mitochondrienmembran dar. Der hohe Proteingehalt steht mit der Fülle der hiermit assoziierten enzymatischen Aktivitäten in Zusammenhang. Neben einem insgesamt geringeren Phospholipidanteil und dem Fehlen von Cholesterin zeichnet sich diese Membran durch den Besitz von Cardiolipin aus, einem typisch bakteriellen Phospholipid (Endosymbiontenhypothese). In Form von integralen Membranproteinen sind die Enzyme der Atmungskette in die innere Mitochondrienmembran eingebettet. Bei den beteiligten Komponenten handelt es sich u.a. um NADH- und Flavin-abhängige Dehydrogenasen, Eisen-Schwefel-Proteine (Fe-S-Zentren), Cytochrome und Ubichinone. Diese Redoxverbindungen können unter Verwendung milder Detergentien in Form von 4 Multiproteinkomplexen isoliert werden: I. NADH-Ubichinon-Oxidoreductase (NADH-Dehydrogenase), II. Succinat-Ubichinon-Oxidoreductase, III. Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreductase (Cytochrom-bc1-Komplex), IV. Cytochrom-c-Sauerstoff-Oxidoreductase (Cytochromoxidase). Einziger nicht membranintegraler Bestandteil ist das Cytochrom c, das als peripheres Membranprotein an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. In einer Folge von Redoxreaktionen werden Elektronen schrittweise vom Niveau des NADH bzw. eines reduzierten Flavoproteins (Succinat-Dehydrogenase, Komplex II) schließlich auf Sauerstoff übertragen, der zu Wasser reduziert wird (Atmungskette). Mit dem Elektronentransport gekoppelt ist in intakten Mitochondrien die Phosphorylierung von ADP zu ATP (Adenosintriphosphat). Essentielle Komponente für die ATP-Bildung ist der mitochondriale Kopplungsfaktor (F1-ATPase), der mit Hilfe der Negativkontrastierungstechnik im Elektronenmikroskop auf der Innenseite der inneren Membran in Form gestielter Partikel („inner membrane spheres“) erkennbar ist (Durchmesser 8,5 nm). Die Verankerung der F1-ATPase in der Membran besorgt der sog. F0-Faktor. Der gesamte Komplex wird als F0/F1-ATP-Synthase bezeichnet. Angetrieben wird die ATP-Synthase von einem elektrochemischen Protonengradienten (protonenmotorische Kraft, proton motive force), der im Verlauf des Elektronentransports über der inneren Mitochondrienmembran aufgebaut wird. Dieser setzt sich zusammen aus dem an der inneren Mitochondrienmembran anliegenden Membranpotential und der pH-Differenz (pH-Wert) über der Membran. Der Protonenrücktransport verläuft durch eine Art Protonenkanal, der von Komponenten des F0-Faktors gebildet wird; er führt letztlich zur ATP-Synthese im F1-Faktor. Die diesen Vorgängen zugrundegelegte chemiosmotische Hypothese der Energiewandlung wurde im wesentlichen von P.D. Mitchell entwickelt. – Neben dem F0-Faktor zur Protonentranslokation und dem Transportapparat für kerncodierte Proteine (Proteintransport) besitzt die innere Mitochondrienmembran eine Menge weiterer spezifischer Transportsysteme (Translokatoren, Membrantransport). Der am intensivsten untersuchte ist der Adenylattranslokator, der ATP und ADP im Antiport transportiert. Weitere Antiport-Systeme existieren für Phosphat (ähnlich dem plastidären Phosphattranslokator), Dicarbonsäuren (Malat, Succinat, Fumarat; Dicarboxylat-Carrier, Malat-Aspartat-shuttle), Tricarbonsäuren (Citrat, Isocitrat, auch Malat; Citrat-Malat-shuttle) sowie Ornithin/Citrullin (Ornithin-Translokator). Der Pyruvattranslokator katalysiert den Symport (Cotransport) von Protonen und Pyruvat (Brenztraubensäure) in die Matrix. Wichtig ist auch das Acylcarnitin/Carnitin-Transportsystem, das Fettsäuren in Form von Acylcarnitin durch die Membran schafft (Carnitin-shuttle, Fettsäure-shuttle). Ein besonderer Translokator ist das uncoupling protein (Thermogenin) in den Zellen des braunen Fettgewebes (braunes Fett) mancher Säuger, das durch Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung die Wärmebildung fördert.

Matrix: Bereits 1949 haben E.P. Kennedy und A.L. Lehninger entdeckt, daß der Citratzyklus sowie die Beta-Oxidation der Fettsäuren in der mitochondrialen Matrix lokalisiert sind (bei Pflanzen findet die Fettsäureoxidation in den Glyoxisomen statt). In den Citratzyklus fließen neben den Produkten des Kohlenhydrat- (Kohlenhydratstoffwechsel) und Fettsäureabbaus (Acetyl-Coenzym A, Fettsäurestoffwechsel) auch verschiedene Derivate des Aminosäurestoffwechsels (Aminosäuren) ein. (Pyruvat aus der Glykolyse wird über den Pyruvattranslokator eingeschleust und über den mitochondrialen Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA umgewandelt.) In Leberzellen ureotelischer Tiere läuft auch ein Teil des Harnstoffzyklus in der Mitochondrien-Matrix ab – das einzutransportierende Ornithin wird durch Carbamylphosphat zum Citrullin umgewandelt. Außerdem befinden sich in der Matrix 70S-Ribosomen (Mitoribosomen), Nucleinsäuren und die sonstigen löslichen Enzyme des mitochondrialen Transkriptions-, Translations- und Replikationsapparats. In elektronenmikroskopischen Bildern kann man neben den Ribosomen oft größere elektronendichte Granula erkennen, die als Ca2+- und Mg2+-Depot angesehen werden.

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