19.2: Mitochondriale Membranen

Ein einzelnes Mitochondrium ist eine bohnenförmige Organelle, die von einem Doppelmembransystem umschlossen ist. Die äußere Membran der Mitochondrien ist glatt und enthält viele Porine – die integralen Membrantransporter. Porine ermöglichen die freie Diffusion von Ionen und kleinen ungeladenen Molekülen durch die äußere Mitochondrienmembran, begrenzen jedoch den Transport von Molekülen, die größer als 5000 Dalton sind. Des Weiteren bildet die äußere Mitochondrienmembran eine einzigartige Struktur, die als Membrankontaktstellen mit anderen subzellulären Organellen bezeichnet wird, wie dem endoplasmatischen Retikulum, dem Peroxisom, dem Endosom, dem Lysosom und der Plasmamembran.

Die äußere Mitochondrienmembran unterscheidet sich strukturell und funktionell von der inneren Mitochondrienmembran, die viele Einstülpungen aufweist, die als Cristae-Membran bezeichnet werden. Die Crista beherbergen viele Proteinkomplexe und Enzyme für die oxidative Phosphorylierung (OXPOS) oder die Atmungsfunktionen. Die Anordnung der inneren Membran in Cristae-Zellen hängt von den membranformenden Proteinen wie den mitochondrialen Kontaktstellen und dem Cristae-Organisationssystem (MICOS) ab.

Die charakteristische Form der mitochondrialen Membranen ist entscheidend für ihre Funktionen, einschließlich der ATP-Synthese, der Autophagie (oder Mitophagie), der Stammzelldifferenzierung und der angeborenen Immunantwort. Um jedoch bestimmte Funktionen zu erleichtern, werden die Mitochondrienmembranen strukturell verändert. Wenn beispielsweise respiratorische Reaktionen ausgelöst werden, nimmt die Cristae-Dichte zu, um mehr Enzyme und Metaboliten aufzunehmen, wodurch die Rate der oxidativen Phosphorylierung verbessert wird.

Außerdem können die mitochondrialen Membranen fusioniert oder gespalten werden, um die zellulären Bedürfnisse zu orchestrieren. Zum Beispiel können viele Mitochondrien fusionieren, um ihre Enzyme, Cofaktoren und andere Ressourcen zu kombinieren, um die Effizienz der ATP-Produktion bei Bedarf zu erhöhen. Im Gegensatz dazu können einzelne Mitochondrien gespalten (oder fragmentiert) werden, um reaktivere Sauerstoffspezies zu produzieren, die einen effizienten Abbau der inneren Organellen in einer sterbenden Zelle vermitteln können. Darüber hinaus ist die Fragmentierung des Mitochondriums ein kritischer Mechanismus, der für eine gleichmäßige Verteilung der Mitochondrien in die Tochterzellen während der Zellteilung notwendig ist.