Mitochondrien können Ca2+ durch einen energieabhängigen Prozess akkumulieren
Dabei ist kein spezifischer ATPase-Transporter wie beim ER beteiligt, sondern Ca2+ wird über einen elektrogenen Ca2+-Kanal akkumuliert. Die Energie für die Akkumulation von Ca2+ stammt aus dem hohen mitochondrialen Membranpotenzial. Dieses Potenzial wird durch den großen Protonengradienten erzeugt, der von der Elektronentransportkette aufgebaut wird und für die Kopplung der Atmung an die ATP-Synthese erforderlich ist. Experimentell kann die mitochondriale Akkumulation von Ca2+ entweder durch ein Substrat für den oxidativen Stoffwechsel oder durch ATP angetrieben werden. Im letzteren Fall treibt die Hydrolyse von ATP die H+-Akkumulation an und erzeugt ein Membranpotenzial durch Umkehrung der H+-ATPase. Medikamente, die entweder in den Elektronentransport eingreifen (z. B. Antimycin) oder den Protonengradienten kollabieren lassen (z. B. Protonophor-Entkoppler), blockieren die mitochondriale Aufnahme von Ca2+. Sorgfältige Experimente mit subzellulären Fraktionen, durchlässigen Zellen oder In-situ-Bildgebung von sequestriertem Ca2+ haben gezeigt, dass die Kinetik der Ca2+-Aufnahme durch Mitochondrien nicht mit einer signifikanten Akkumulation von Ca2+ durch diese Organelle unter Ruhebedingungen vereinbar ist (Abb. 23-2). Sobald jedoch der Schwellenwert für die Aufnahme erreicht ist, ist die treibende Kraft für die Ca2+-Akkumulation beträchtlich, und wenn i über einen längeren Zeitraum erhöht ist, können Mitochondrien Ca2+ in beachtlichen Konzentrationen akkumulieren. Diese Ca2+-Aufnahme kann als Schutz für die Zelle vor den schädlichen Auswirkungen einer längeren i-Erhöhung dienen. Während die Aufnahme von Ca2+ durch Mitochondrien ein elektrogener Prozess ist, ist der Abfluss neutral, entweder ein Ca2+ für 2H+ oder 2Na+ Austausch, und verläuft langsamer als die Pufferung durch Zytoplasma und Plasmamembran. Daher wird Ca2+, das sich während längerer Stressperioden angesammelt hat, mit einer ausreichend langsamen Rate an das Zytoplasma abgegeben, so dass der Überschuss aus der Zelle entfernt werden kann, ohne die Ca2+-Konzentration im Zytoplasma zu erhöhen.
Abbildung 23-2
ATP-abhängige Aufnahme von Kalzium in das endoplasmatische Retikulum und die Mitochondrien als Funktion der extraorganellaren Ca2+-Konzentration. Stilisierte Daten aus den ursprünglich in Burgess et al. berichteten Ergebnissen. Wie bereits erwähnt, wurde die ATP-abhängige Ca2+-Aufnahme (mehr…)