Mitochondrien sind zelluläre Organellen, die in den meisten eukaryotischen Zellen vorkommen und oft als die "Kraftwerke der Zelle" bezeichnet werden. Ihre Hauptfunktion besteht in der Erzeugung von Adenosintriphosphat (ATP) durch den Prozess der Zellatmung. ATP ist die primäre Energiequelle für nahezu alle zellulären Prozesse, von der Muskelkontraktion über den aktiven Transport von Molekülen bis hin zur Synthese komplexer Makromoleküle. Ohne eine effiziente ATP-Produktion könnten Zellen ihre lebenswichtigen Funktionen nicht aufrechterhalten, was die zentrale Bedeutung der Mitochondrien unterstreicht.

Mitochondrien sind typischerweise ovale oder wurstförmige Strukturen, deren Größe und Anzahl je nach Zelltyp und Energiebedarf variieren. Sie sind von einer Doppelmembran umgeben. Die äußere Mitochondrienmembran ist glatt und relativ permeabel für kleine Moleküle und Ionen, dank spezieller Proteinkanäle namens Porine. Die innere Mitochondrienmembran hingegen ist stark gefaltet und bildet zahlreiche Einstülpungen, die als Cristae bezeichnet werden. Diese Faltungen vergrößern die Oberfläche der inneren Membran erheblich, was für die Effizienz der ATP-Produktion entscheidend ist. Der Raum zwischen der äußeren und der inneren Membran wird als Intermembranraum bezeichnet. Der von der inneren Membran umschlossene Innenraum wird als Mitochondrienmatrix bezeichnet.

Die Zellatmung, der Prozess, bei dem ATP produziert wird, findet in verschiedenen Kompartimenten der Mitochondrien statt. Die Glykolyse, der erste Schritt des Glukoseabbaus, erfolgt im Zytoplasma. Die Produkte der Glykolyse, Pyruvatmoleküle, werden dann in die Mitochondrienmatrix transportiert. Dort werden sie zu Acetyl-CoA umgewandelt, welches in den Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus genannt) eintritt. Im Citratzyklus werden weitere ATP-Moleküle sowie die reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 produziert. Diese Coenzyme sind entscheidend für den letzten und energieintensivsten Schritt der Zellatmung, die oxidative Phosphorylierung.

Die oxidative Phosphorylierung findet an der inneren Mitochondrienmembran statt und besteht aus zwei Hauptkomponenten: der Elektronentransportkette und der Chemiosmose. Die Elektronentransportkette ist eine Reihe von Proteinkomplexen, die Elektronen von NADH und FADH2 auf Sauerstoff übertragen. Während dieses Elektronentransports wird Energie freigesetzt, die genutzt wird, um Protonen (H+-Ionen) aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen. Dies erzeugt einen elektrochemischen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran. Die Chemiosmose nutzt diesen Protonengradienten: Protonen fließen durch das Enzym ATP-Synthase zurück in die Matrix. Dieser Protonenfluss treibt die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat an. Dies ist der Hauptmechanismus der ATP-Produktion in den meisten Zellen.

Ein faszinierendes Merkmal der Mitochondrien ist ihre semiautonome Natur. Sie besitzen ihre eigene ringförmige DNA (mtDNA), die sich von der Kern-DNA der Zelle unterscheidet, sowie eigene Ribosomen, die denen von Bakterien ähneln. Mitochondrien vermehren sich durch Teilung, ähnlich wie Bakterien, und sind nicht neu aus zellulären Komponenten synthetisierbar. Diese Eigenschaften stützen die Endosymbiontentheorie, die besagt, dass Mitochondrien ursprünglich freilebende Prokaryoten waren, die vor Milliarden von Jahren von einer größeren Wirtszelle aufgenommen wurden und eine symbiotische Beziehung eingingen. Im Laufe der Evolution haben Mitochondrien einen Großteil ihrer Gene an den Zellkern abgegeben, aber ihre grundlegende Autonomie und viele bakterielle Merkmale beibehalten.

Neben der ATP-Produktion spielen Mitochondrien auch eine entscheidende Rolle bei anderen wichtigen zellulären Prozessen. Dazu gehören die Regulierung des Kalziumspiegels in der Zelle, die Apoptose (programmierter Zelltod), die Synthese von Steroidhormonen in bestimmten Zelltypen und die Beteiligung am Stoffwechsel von Lipiden und Aminosäuren. Fehlfunktionen der Mitochondrien sind mit einer Vielzahl von Krankheiten verbunden, darunter neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und bestimmte Krebsarten, was ihre fundamentale Bedeutung für die Gesundheit des gesamten Organismus unterstreicht.