Mitochondrien
Warum werden Mitochondrien als die „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet? Das erfährst du hier im Beitrag und im Video!
Inhaltsübersicht
Was sind Mitochondrien?
Mitochondrien sind Zellorganellen, also wichtige Bestandteile von Zellen mit Zellkern. Du nennst die Mitochondrien auch „Kraftwerke der Zelle“, weil sie der Zelle die notwendige Energie für alle lebenswichtigen Prozesse bereitstellen.
Die Energie wird in Form von ATP (Adenosintriphosphat) gespeichert. Das ist ein Molekül, das die Zellen als Treibstoff nutzen. Mitochondrien sind also unverzichtbar, weil sie die Energie für zahlreiche Abläufe im Körper bereitstellen — zum Beispiel für die Muskelbewegung und die Funktion des Gehirns.
Übrigens: Mitochondrien kommen in fast allen Zellen vor. Besonders viele gibt es in Zellen mit hohem Energiebedarf, wie den Muskelzellen und Nervenzellen.
Mitochondrien Aufbau
Mitochondrien sind kleine Zellorganellen mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer. Das macht sie zwar winzig, aber unter einem Elektronenmikroskop ist ihr spezieller Aufbau gut erkennbar.
Die Organellen sind meist oval geformt und von einer Biomembran umgeben. Sie besteht aus zwei Membranen — einer äußeren und einer inneren. So eine Struktur nennst du auch „Doppelmembran“.
Sie ähnelt der von anderen Organellen in Pflanzenzellen, wie dem Zellkern oder den Plastiden. Daher ist die Doppelmembran ein Hinweis darauf, dass Mitochondrien ursprünglich eigenständige Lebewesen waren. Das erklären Experten mithilfe der Endosymbiontentheorie.
Die Theorie besagt, dass Mitochondrien ursprünglich eigenständige, bakterienähnliche Lebewesen waren (Prokaryoten). Sie sollen von größeren Zellen (Eukaryoten) aufgenommen worden sein. Die Prokaryoten haben damals als „Endosymbionten“ im Inneren der größeren Zelle gelebt und dort von der Umgebung profitiert, während sie gleichzeitig die Zelle mit Energie versorgten. Dadurch könnte es sein, dass Mitochondrien ihre eigene DNA behalten haben. Bis heute können sie daher einige ihrer Funktionen unabhängig von der Zelle steuern.
Die äußere Membran hüllt die Mitochondrien schützend ein. Die innere Membran ist stark gefaltet und bildet Strukturen, die du Cristae nennst. Die Falten vergrößern die Oberfläche der Membran und helfen den Mitochondrien Energie effizient zu produzieren. Innerhalb der inneren Membran befindet sich die Matrix — ein Bereich, in dem viele wichtige chemische Reaktionen für die Herstellung von ATP ablaufen.
Zwischen der äußeren und der inneren Membran liegt der Intermembranraum. Der Raum enthält Stoffe und Enzyme, die über die äußere Membran mit der Umgebung ausgetauscht werden und wichtige Prozesse innerhalb der Mitochondrien unterstützen.
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Energieproduktion
Die wichtigste Aufgabe der Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle, ist die Produktion von ATP (Adenosintriphosphat) — dem Energieträger der Zelle. Durch die ATP-Synthese stellen Mitochondrien die Energie bereit, die deine Zellen für fast alle lebenswichtigen Prozesse benötigen.
ATP gehört zu den Nukleotiden, also den Bausteinen der DNA und RNA. Es besteht aus drei Phosphatgruppen, einem Zucker und der Base Adenin. Die Energie wird freigesetzt, wenn sich eine der drei Phosphatgruppen vom ATP abspaltet. Dabei entsteht ADP (Adenosindiphosphat). Dieser Prozess läuft im Körper sehr schnell und oft ab. Damit sich ADP wieder in ATP verwandeln kann, braucht es eine neue Phosphatgruppe, die es durch einen Vorgang namens Phosphorylierung erhält.
Zellatmung
Eine weitere Aufgabe der Mitochondrien ist die Zellatmung. Sie ist ein Prozess, bei dem Mitochondrien Energie aus Nährstoffen wie Zucker gewinnen. Durch eine Reihe von chemischen Reaktionen wird dabei ATP erzeugt, und Kohlendioxid wird als Abfallprodukt freigesetzt.
Der Stoffwechselprozess innerhalb der Zellen kann in drei Schritte unterteilt werden:
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Glykolyse:
Die Glykolyse läuft im Zellplasma ab. Dabei wird Glucose (Zucker) in zwei kleinere Moleküle, die sogenannten Pyruvat-Ionen, gespalten und ATP wird gebildet. Die Energie aus dem Glucosemolekül wird so auf das ATP übertragen.
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Citratzyklus:
Der Citratzyklus findet in der Mitochondrienmatrix statt. In diesem Kreislauf wird ATP freigesetzt.
- Atmungskette: In der Atmungskette wird die Nahrungsenergie mithilfe von Sauerstoff in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Dabei entsteht der größte Teil des ATP. Die Enzyme, die dafür gebraucht werden, befinden sich hauptsächlich in der Mitochondrienmatrix.
Übrigens: Dieses Wissen kannst du auch in der Praxis anwenden. Je besser dein Körper aufgenommene Nahrung nämlich verarbeiten kann, desto mehr ATP erhält er während der Zellatmung. Dadurch kann mehr ATP in ADP umgewandelt werden und du hast mehr Energie. Und das merkst du dann vor allem beim Sport.
Speichern von Calcium
Auch eine Aufgabe der Mitochondrien ist die Speicherung von Calcium. Es dient in den Zellen als Botenstoff und spielt eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung. Dabei kann es viele verschiedene Prozesse auslösen, wie zum Beispiel den programmierten Zelltod (Apoptose). Wenn der Körper schädliche Zellen erkennt, kann er durch die Apoptose dafür sorgen, dass diese Zellen schrumpfen und unwirksam werden.
Vererbung
Eine Besonderheit und Funktion der Mitochondrien ist, dass sie ihre eigene DNA besitzen. Diese sogenannte mitochondriale DNA (mtDNA) ist in der Matrix enthalten und meist ringförmig aufgebaut. Dadurch können Mitochondrien ihre eigenen Proteine herstellen und sich unabhängig von der Zelle teilen.
Bei der üblichen Vererbung gibt es eine sogenannte Rekombination. Dabei wird das genetische Material in der Zelle neu angeordnet. Bei der mtDNA findet diese Neuanordnung nicht statt. Stattdessen wird eine exakte Kopie der DNA weitergegeben.
Übrigens: Früher wurde angenommen, dass die mitochondriale DNA nur von der Mutter vererbt wird. Heute ist aber bekannt, dass sie auch vom Vater stammen kann.
Verschiedene Bauarten der Mitochondrien
Die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die Energieproduktion. Um die maximale Menge an Energie zu produzieren, brauchen sie eine möglichst starke Oberflächenvergrößerung der inneren Mitochondrienmembran. Deshalb unterscheidest du zwischen mehreren Grundtypen.
Die wichtigsten Mitochondrien Typen sind:
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Cristae-Typ
Der Cristae-Typ ist der häufigste Typ von Mitochondrien. Er hat kammartige Falten, die du Cristae nennst. Durch die Form sorgt es für eine große Oberfläche zur Energieproduktion.
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Sacculus-Typ
Der Sacculus-Typ hat runde Einstülpungen, die wie kleine Säcke aussehen. Er kommt vor allem in den Zellen der Nebennierenrinde vor.
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Tubulus-Typ
Der Tubulus-Typ hat breite, röhrenförmige Einstülpungen und findet sich hauptsächlich in Zellen, die Steroide produzieren. Zum Beispiel in den Hoden und der Nebennierenrinde.
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Prisma-Typ
Der Prisma-Typ ist der seltenste Typ. Seine Einstülpungen haben eine dreieckige Form und kommen vor allem in Leberzellen vor.
Mitochondrien — häufigste Fragen
(ausklappen)
Mitochondrien — häufigste Fragen
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Wie funktionieren Mitochondrien?Mitochondrien funktionieren, indem sie bei der Zellatmung Energie aus Zucker mit Hilfe von Sauerstoff in ATP umwandeln. Ein Teil der Schritte passiert in der Matrix, und an der stark gefalteten inneren Membran entsteht besonders viel ATP. Dabei werden auch Kohlendioxid und Wasser gebildet.
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Wie ist das Mitochondrium aufgebaut?Ein Mitochondrium ist von einer Doppelmembran umgeben, also einer äußeren und einer inneren Membran. Die innere Membran ist stark gefaltet und bildet Cristae, die die Oberfläche vergrößern. Innen liegt die Matrix, dazwischen der Intermembranraum. In der Matrix befindet sich auch mitochondriale DNA.
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Wo befinden sich Mitochondrien in der Zelle?Mitochondrien befinden sich im Zellplasma (Cytoplasma) der Zelle, also außerhalb des Zellkerns. Sie liegen dort verteilt und können je nach Zelltyp in unterschiedlicher Anzahl vorkommen. Zellen mit hohem Energiebedarf, zum Beispiel Muskel- und Nervenzellen, enthalten besonders viele Mitochondrien.
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Was passiert, wenn die Mitochondrien nicht mehr funktionieren?Wenn Mitochondrien nicht mehr funktionieren, produziert die Zelle zu wenig ATP und hat damit zu wenig nutzbare Energie. Dadurch laufen wichtige Prozesse langsamer oder brechen ab, zum Beispiel Bewegung in Muskelzellen oder Signalweitergabe in Nervenzellen. Bei starkem Energiemangel kann die Zelle sogar absterben.
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Wie unterscheide ich Ribosomen von Mitochondrien, wenn beide etwas mit Energie zu tun haben?Mitochondrien erkennst du daran, dass sie größer sind und eine Doppelmembran mit Falten im Inneren haben, weil sie ATP herstellen. Ribosomen dagegen sind sehr kleine Punkte ohne Membran und bauen Proteine. Ribosomen liefern also Bausteine für die Zelle, aber sie produzieren nicht direkt ATP.
DNA einfach erklärt
Jetzt weißt du, was „das Kraftwerk der Zelle“ ist. Aber was genau ist eigentlich die DNA? Das und alles, was du dazu wissen musst, erklären wir dir in diesem Video!
