Mitochondrien: Aufbau, Funktion und Bedeutung der Zellkraftwerke

Ein Mitochondrium enthält zwei Membranen. Diese sind aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen aufgebaut. Die beiden Membranen haben unterschiedliche Eigenschaften. Aufgrund dieser Doppelmembranorganisation gibt es innerhalb des Mitochondrions fünf verschiedene Kompartimente. Das sind diese Kompartimente:

1. der äußeren Mitochondrienmembran,
2. der Intermembranraum (der Raum zwischen der äußeren und inneren Membran),
3. der inneren Mitochondrienmembran,
4. der Cristae-Raum (gebildet durch Einfaltungen der inneren Membran), und
5. die Matrix (Raum innerhalb der inneren Membran). Mitochondrien sind kleine, kugelförmige oder zylindrische Organellen. Im Allgemeinen ist ein Mitochondrium 2,8 Mikrometer lang und etwa 0,5 Mikrometer breit. Es ist etwa 150 Mal kleiner als der Kern. In jeder Zelle gibt es etwa 100-150 Mitochondrien.

Die Hauptaufgabe der Mitochondrien in der Zelle besteht darin, Glukose aufzunehmen und die in ihren chemischen Bindungen gespeicherte Energie zur Herstellung von ATP in einem Prozess namens Zellatmung zu nutzen. Dieser Prozess besteht aus 3 Hauptschritten: der Glykolyse, dem Zitronensäurezyklus oder Krebszyklus und der ATP-Synthese. Dieses ATP wird aus den Mitochondrien freigesetzt und von den anderen Organellen der Zelle abgebaut, um ihre eigenen Funktionen zu gewährleisten.

Es wird vermutet, dass die Mitochondrien einst unabhängige Bakterien waren und durch Verschlucken, einen Prozess, der Endosymbiose genannt wird, Teil der eukaryotischen Zellen wurden.

Der größte Teil der DNA einer Zelle befindet sich im Zellkern, aber das Mitochondrium hat sein eigenes unabhängiges Genom. Außerdem weist seine DNA erhebliche Ähnlichkeit mit bakteriellen Genomen auf.

Die Abkürzung für mitochondriale DNA lautet entweder mDNA oder mtDNA. Beide wurden von Forschern verwendet.

Mitochondrien teilen sich durch binäre Spaltung ähnlich der bakteriellen Zellteilung. Bei einzelligen Eukaryonten ist die Teilung der Mitochondrien mit der Zellteilung verbunden. Diese Teilung muss so gesteuert werden, dass jede Tochterzelle mindestens ein Mitochondrium erhält. Bei anderen Eukaryonten (z.B. beim Menschen) können die Mitochondrien ihre DNA replizieren und sich als Reaktion auf den Energiebedarf der Zelle teilen, und nicht in Phase mit dem Zellzyklus.

Die mitochondrialen Gene eines Individuums werden nicht über den gleichen Mechanismus vererbt wie nukleäre Gene. Die Mitochondrien, und damit die mitochondriale DNA, stammen in der Regel nur aus der Eizelle. Die Mitochondrien der Spermien gelangen in die Eizelle, sind aber für eine spätere Zerstörung markiert. Die Eizelle enthält relativ wenige Mitochondrien, aber es sind diese Mitochondrien, die überleben und sich teilen, um die Zellen des erwachsenen Organismus zu besiedeln. Die Mitochondrien werden daher in den meisten Fällen in der weiblichen Linie vererbt, was als mütterliche Vererbung bezeichnet wird. Dieser Modus gilt für alle Tiere und die meisten anderen Organismen. Bei einigen Nadelbäumen werden die Mitochondrien jedoch väterlich vererbt, nicht jedoch bei Kiefern oder Eiben.

Ein einzelnes Mitochondrium kann 2-10 Kopien seiner DNA enthalten. Aus diesem Grund geht man davon aus, dass sich die mitochondriale DNA durch binäre Spaltung vermehrt und somit exakte Kopien erzeugt. Es gibt jedoch einige Hinweise darauf, dass sich tierische Mitochondrien rekombinieren können. Wenn keine Rekombination stattfindet, stellt die gesamte mitochondriale DNA-Sequenz ein einziges haploides Genom dar, was sie für die Untersuchung der Evolutionsgeschichte von Populationen nützlich macht.

Populationsgenetische Studien

Die fast vollständige Abwesenheit von Rekombination in mitochondrialer DNA macht sie für die Populationsgenetik und Evolutionsbiologie nützlich. Wenn die gesamte mitochondriale DNA als eine einzige haploide Einheit vererbt wird, können die Beziehungen zwischen mitochondrialer DNA von verschiedenen Individuen als ein Genbaum betrachtet werden. Aus den Mustern in diesen Genbäumen kann auf die Evolutionsgeschichte von Populationen geschlossen werden. Das klassische Beispiel hierfür ist, dass die molekulare Uhr dazu verwendet werden kann, ein Datum für den so genannten mitochondrialenVorabend anzugeben. Dies wird oft als starke Unterstützung für die Ausbreitung des modernen Menschen aus Afrika heraus interpretiert. Ein weiteres Beispiel für den Menschen ist die Sequenzierung der mitochondrialen DNA aus Neandertaler-Knochen. Der relativ große evolutionäre Abstand zwischen den mitochondrialen DNA-Sequenzen von Neandertalern und lebenden Menschen ist ein Beweis für einen generellen Mangel an Kreuzungen zwischen Neandertalern und anatomisch-modernen Menschen.

Die mitochondriale DNA spiegelt jedoch nur die Geschichte von Frauen in einer Population wider. Sie repräsentiert möglicherweise nicht die Geschichte der Population als Ganzes. Bis zu einem gewissen Grad können väterliche Gensequenzen aus dem Y-Chromosom verwendet werden. Im weiteren Sinne können nur Studien, die auch Kern-DNA einschließen, eine umfassende Evolutionsgeschichte einer Population liefern.

• Zelluläre Atmung
• Glykolyse
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