Mitochondrien

Der MKB Abend im März war ganz den Mitochondrien, den kleinen Kraftwerken in den Zellen zoologischer Eukaryonten, geweidmet. Nach einem interessanten und kurzweiligen Vortrag konnten wir uns unter Anleitung unseres Referenten Thilo Bauer  selbst auf die Suche begeben und in den Zellen von Zwiebelhäutchen nach den mit Janusgrün für die Betrachtung im Hellfeld oder Rhodamin für die Betrachtung im Fluoreszentkontrast gefärbten Organellen suchen.

Das Mitochondrium oder Mitochondrion (aus dem Altgriechischen von μίτος mitos ‚Faden‘ und χονδρίον chondrion ‚Körnchen‘) ist eine Zellorganelle mit Doppelmembran und eigener DNA, die in den Zellen fast aller Eukaryonten vorhanden ist, bei Prokaryoten aber fehlt. Wir betrachten hier die Mitochondrien tierischer Zellen, die eine etwas andere Funktion aufweisen als die pflanzlicher Zellen, da dort die Energiegewinnung über die Photosynthese in den Chloroplasten, einer weiteren Art von Zellorganellen der Eukaryonten, erfolgt.
Mitochondrien regenerieren über die Atmungskette das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat. Neben dieser oxidativen Phosphorylierung erfüllen sie weitere essentielle Aufgaben für die Zelle, beispielsweise sind sie an der Bildung der im Zellstoffwechsel benötigten Eisen-Schwefel-Cluster beteiligt.
Besonders viele Mitochondrien befinden sich in Zellen mit hohem Energieverbrauch, wie zum Beispiel in Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen und in den Eizellen. In Herzmuskelzellen erreicht der Volumenanteil von Mitochondrien um die 36 %, normalerweise liegt er zwischen 20 und 25%. Die Größe der Mitochondrien liegt bei etwa 0,5–1,5 µm und Ihre Form reicht vom namensgebenden Faden über bohnenförmige bis kugelige Gebilde. Mitochondrien vermehren sich durch Wachstum und Sprossung, dabei ist ihre Anzahl dem Energiebedarf der jeweiligen Zelle angepasst. Eukaryotische Zellen, aus denen die Mitochondrien entfernt wurden, können diese nicht mehr regenerieren.
Unter anderem daher kommt die These, dass es sich bei ihnen um Symbionten handelt, die schon früh in der Entwicklungsgeschichte des Lebens in die Zellen aufgenommen wurden (Endosymbiontentheori, erstmals von dem Botaniker Andreas Franz Wilhelm Schimper im Jahr 1883 im Hinblick auf die Chloroplasten veröffentlicht).  

Die Hülle der Mitochondrien besteht aus einer äußeren und einer inneren Membran, die aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen aufgebaut sind. Beide Membranen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften bezüglich der Durchlässigkeit für verschiedene Stoffwechselprodukte. Durch diese Membranen bilden sich fünf unterschiedliche Kompartimente 8Abteilungen, Bereiche): Die äußere Membran, der Intermembranraum (der Raum zwischen den beiden Membranen), die innere Membran, die Cristae und die Matrix (der Raum innerhalb der inneren Membran), siehe auch die Bezeichnungen im Modellbild weiter oben im Artikel. An den inneren Wänden sitzen die Granular und in der Matrix findet sich die mitochondriale DNA.
Entgegen der gängigen Vorstellung treten Mitochondrien in der Zelle überwiegend nicht als separate, bohnen- oder kugelförmige Organellen auf, wie sie der Einfachheit halber in Lehrbüchern dargestellt werden. Stattdessen bilden sie ein dynamisches, mitochondriales Netzwerk, welches die gesamte Zelle durchzieht. Einzelne Mitochondrien sind in der Lage, sich mit diesem Netzwerk zu verbinden (Fusion) und sich wieder abzuspalten (Fission).
Diese Bewegungen machen es möglich, Mitochondrien trotz ihrer geringen Größe mit geeigneten Färbungen auch mit dem normalen Mikroskop oder im Fluoreszenzkontrast zu beobachten. Zum Transport der Mitochondrien auf dem Cytosklett sei auf den Artikel zum AVEC DIC Verfahren hier auf unserer Webseite verwiesen.

Für den praktischen Teil des Abends verlassen wir nun die Welt der zoo- logischen Mitochondrien und wenden uns dem Zwiebelhäutchen zu ... 

Das Zwiebelhäutchen ist eine einzellige Schicht zwischen den Blättern einer Zwiebel. Um es frei zu präparieren, wird eine Zwiebel längs geviertelt und eines der Viertel entlang der Blätter aufgebrochen. An der Innenseite eines Blattes schneidet man mit dem Skalpell ein Rechteck und zieht das Häutchen mit der Pinzette ab.

Nun kann man unter dem Deckglas mit Janusgrün für die Hellfeldbeobachtung oder z.B. mit Rhodamin 123 oder Rhodamin 6b für die Fluores- zenzbeobachtung färben. Die Farben sollten dabei mindestens 15 Minuten, gerne länger, einwirken können.

Anschließend zeigen sich die Mitochondrien vorzugsweise in der Nähe der Zellkerne in blaugrüner Farbe (Hellfeld) oder in grüner Farbe (bei Blau- anregung im Fluoreszenzmikroskop) . Ihre gerichtete Bewegung ist schön zu beobachten und deutlich von der ungerichteten braunschen Bewegung zu unterscheiden. Mit Glück kann man auch Zusammenschlüsse und Trennungen beobachten.

Leider ist das Anfärben der Mitochondrien durchaus kritisch zu sehen, was sicher auch damit zusammen hängt, dass sie von einer doppelten Membran umgeben sind, die Stoffe nur sehr selektiv durch lassen. Aber auch die Umgebungsparameter wie Temperatur und pH-Wert spielen eine Rolle. Im folgenden nun eine Liste von geeigneten Farbstoffen für unterschiedliche Beobachtungsverfahren. Ein Restrisko bleibt aber immer.

Folienvortrag von Thilo Bauer (pdf, 13 MB)
Kurzreferenz "Mitochondrien in Fluoreszenz" von Thilo Bauer (pdf, 200 kB)

Text:	Jörg Weiß
Bilder:	Thilo Bauer Jörg Weiß Andere Autoren jeweils in der Bildunterschrift