Kurs 3: Das Mitochondrium

Mehr als nur ein Zellkraftwerk

Vor etwa 1,5 Milliarden Jahren tat die Evolution einen gewaltigen Schritt. Zwei Zellen gingen eine Symbiose ein, das Mitochondrium entstand. Hochenergetische Stoffe, wie Zucker, konnten nun durch die sogenannte oxidative Phosphorylierung sehr viel effizienter genutzt werden als bisher. Dieser Schritt bildete die Grundlage für wohl alle eukaryontischen Zellen auf dem Planeten.

Mitochondrien haben sich von einem vollständigen Organismus hin zum Kraftwerk der Zelle drastisch gewandelt. Sie besitzen zwar noch immer ein eigenes, ringförmiges DNA Genom und die zugehörige Maschinerie für die Proteinbiosynthese, allerdings produziert das Mitochondrium nur 13 verschiedene Proteine selbst. Mehr als 1.000 weitere Proteine, deren Baupläne im Genom des Zellkerns liegen, werden über die mitochondrialen Membranen in das Organell importiert. Wie konnten so viele Gene aus dem Mitochondrium ausgelagert werden und wie entstand das fein balancierte Gleichgewicht zwischen Zellplasma, Zellkern und Mitochondrium?

Mitochondrien formen Netzwerke in Zellen. Menschliche Hautzellen, Zellkern in blau, Mitochondrien in rot. (Quelle: Zeiss Campus)

Mitochondrien formen Netzwerke in Zellen. Menschliche Hautzellen, Zellkern in blau, Mitochondrien in rot. (Quelle: Zeiss Campus)

Das Mitochondrium ist nicht nur Drehscheibe im Energiehaushalt der Zelle, es spielt auch eine zentrale Rolle im Kalziumgleichgewicht und ist damit direkt am programmierten Zelltod beteiligt. Warum hat das Organell diese Funktionen angenommen und wie werden sie kontrolliert?

Dieser Kurs diskutiert zum einen grundlegende Fragen der Evolution von Mitochondrien, indem verschiedene anerkannte und selbst entwickelte Hypothesen gegenübergestellt werden. Zum anderen wird die molekulare Funktionsweise der Mitochondrien in den Mittelpunkt gestellt. Wie funktioniert deren Proteinbiosynthese, wie wird die mitochondriale DNA vervielfältigt und wieso gibt es so viele DNA Moleküle pro Organell? Außerdem betrachtet dieser Kurs die Integration des Mitochondriums in den zellulären Kontext und untersucht, wie das Organell mit seiner Umgebung kommunizieren kann und von ihr gesteuert wird.

Der Kurs soll nicht nur von der Diskussion von Hypothesen und der Betrachtung der Molekularbiologie leben, er soll auch einen Eindruck über die Forschungsmethoden geben, mit denen man die Funktionsweise der Mitochondrien aufzuklären versucht. Das reicht von den Grundlagen der genetischen Modifizierung bis hin zum Messen der mitochondrialen Aktivität. Die Teilnehmenden werden dabei mit einigen wissenschaftlichen Ergebnissen konfrontiert. Sie versuchen selbst, das Gelernte mit dem Beobachteten zu verknüpfen und präsentieren ihre Gedanken abschließend in einer fiktiven wissenschaftlichen Konferenz.

Florian Schober, Uta Hardt

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