Mitochondrien – die Kraftwerke der Zellen

Mitochondrien – die Kraftwerke der Zellen – sind kleine Zellorganellen, die unter anderem für die Produktion von ATP (Adenosintriphosphat) verantwortlich sind. ATP ist der Energieträger, den all unsere Zellen benötigen, um richtig zu funktionieren. Diese Energie, die Adenosintriphosphat oder ATP genannt wird, dient dazu, jede Funktion in unserem Körper zu unterstützen.

Mitochondrien sind die Orte, an denen der Sauerstoff verarbeitet wird. Mitochondrien sind Zellen in der Zelle mit Sauerstoffwechsel. Mitochondrien sind wichtige Energiequellen für unseren Körper. Sie sind winzige Fabriken in unseren Zellen, die die Nahrung, die wir essen, und den Sauerstoff, den wir atmen, in Energie umwandeln.

Pro Zelle hast Du nicht nur ein Mitochondrium, sondern tausende, von denen jedes einzelne individuell vom Energiebedarf der Zelle abhängig ist. Wie der Körper, der sich im ständigen Ab- und Aufbau befindet (Katabol und Anabol), befinden sich auch Mitochondrien in einem fortwährenden Prozess, in dem sie sich vermehren, verbrauchen, wachsen oder abbauen.

Je grösser der Energiebedarf einer Zelle, desto mehr Mitochondrien werden gebildet und umgekehrt.
Jede Zelle enthält Hunderte oder Tausende von Mitochondrien; sie finden sich in grösseren Konzentrationen in aktiven Organen und Geweben, wie Herz, Gehirn und Muskeln.
Tatsächlich haben wir mehr als 100’000 Billionen Mitochondrien in unseren Körpern, und jede enthält 17’000 kleine Fliessbänder zur Herstellung von ATP. Mitochondrien sind, wo Stoffwechsel stattfindet.

Aufbau der Mitochondrien

Mitochondrien sind etwa 1 µm (Mikrometer) lang. Die Form von Mitochondrien ist variabel, die Zellen bewegen sich im Cytoplasma und können dabei verschiedene Formen annehmen. Genau wie die Chloroplasten und der Zellkern sind Mitochondrien von zwei Zellmembranen umgeben. Durch die zwei Zellmembranen ergeben sich ein Matrixraum im Inneren des Mitochondriums und ein Intermembranraum. Die äussere Mitochondrienmembran ist für den Stoffaustausch und den Schutz des Organells zuständig. In ihr sitzen sogenannte Porine, spezielle Transmembranproteine, durch die Stoffe aufgenommen und abgegeben werden können. Die innere Mitochondrienmembran liegt in Falten, dadurch kommt es zu einer starken Oberflächenvergrösserung. Hier befinden sich die Proteine der Atmungskette.

Im Matrixraum liegt die Erbinformation. Mitochondrien haben ihre eigene DNA, die mtDNA. Sie fungieren als autonomes Organell und teilen sich unabhängig vom Zellzyklus der Zelle. Die mitochondriale DNA ist ringförmig und stammt evolutionär gesehen wahrscheinlich von der Einwanderung eines Bakteriums in einen Vorgänger der eukaryotischen Zelle ab.

Funktion der Mitochondrien

Die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die Produktion von Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat); dies geschieht über die Atmungskette. Die Atmungskette besteht aus einer Reihe von Enzymen, welche in der inneren Mitochondrienmembran liegen. Diese Enzyme liegen nebeneinander und bilden eine Kette, über die Elektronen transportiert werden. Dadurch entsteht als Nebeneffekt ein Konzentrationsgefälle von Protonen, welches von der ATP-Synthetase zur Herstellung von ATP genutzt wird.

Neben der Energieproduktion stellen die Mitochondrien durch ihre Unterteilung in verschiedene Kompartimente Raum für den Ablauf von chemischen Auf-und Abbauprozessen, die räumlich getrennt voneinander stattfinden müssen, zur Verfügung. So befinden sich in der Mitochondrienmatrix Enzyme, die für den Zitronensäurezyklus und den Abbau von Fettsäuren wichtig sind. Darüber hinaus dienen die Mitochondrien als Calciumspeicher. Sie können Calciumionen für einen bestimmten Zeitraum speichern. Wird Calcium benötigt, geben die Mitochondrien die aufgenommenen Calciumionen wieder ab und tragen so zur Aufrechterhaltung der Zelle (Homöostase) bei.

Mitochondrien entstehen durch bakterienähnliche Zweiteilung aus sich selbst. Nahrung, die in den Körper aufgenommen wird, wird zunächst verdaut und dann ins Blut aufgenommen. Dort wird sie wiederum an die Zellen verteilt, in denen sie durch Zellatmung oder Oxidation in Speicherenergie umgewandelt wird.

Da in den Mitochondrien die chemischen Funktionen der Atmungskette ablaufen, wird dort die freigesetzte Energie verwandelt, in einem Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert und kann so jederzeit verwendet werden. Sind die Mitochondrien einmal verbraucht, werden sie vom Endoplasmatischen Retikulum, dem Golgi-Apparat und den Lysosomen abgebaut.

Der Feinaufbau und die genauen Funktionen von Mitochondrien sind erst seit rund 60 Jahren bekannt. Damals wurden Mitochondrien erstmals mithilfe eines Elektronenmikroskops untersucht und sichtbar gemacht.
Mitochondrien finden sich ausschliesslich in den Zellen von Eukaryoten; bei prokaryotischen Zellen fehlen sie hingegen vollständig. Bei Mitochondrien handelt es sich um jene Zellorganellen, welche als Kraftwerke („Kraftwerke der Zellen“) fungieren und somit für die Energieproduktion zuständig sind. Diese besonderen Organellen kommen in den meisten eukaryotischen Zellen vor. Je nach Zelltyp kann ein einzelnes, sehr grosses Mitochondrium vorliegen oder bis zu 2’000 kleine Mitochondrien. Beim Menschen enthalten die roten Blutkörperchen beispielsweise keinerlei Mitochondrien, wohingegen in den stoffwechselaktiven Leberzellen bis zu 2’000 Mitochondrien pro Zelle vorhanden sein können.

Lange wurde angenommen, dass Mitochondrien einzelne, linsenförmige Organellen sind. Mittlerweile ist bekannt, dass sie ein dynamisches Netzwerk aus verzweigten Röhren bilden, das sich immer wieder umbaut. Zellen, die einen hohen Energiebedarf haben (z. B. Hepatozyten), besitzen ein sehr grosses mitochondriales Netzwerk.

Mitochondrien besitzen eine Doppelmembran. Die äussere Membran (häufig abgekürzt mit OMM für outer mitochondrial membrane) grenzt das Mitochondrium nach aussen ab und enthält Kanäle für die Durchlässigkeit von Molekülen. Die innere Membran (häufig abgekürzt mit IMM für inner mitochondrial membrane) bildet grosse Einfaltungen, die zisternenförmig das Innere des Mitochondriums ausfüllen. In der Membran der Cristae befinden sich die Enzymkomplexe der Atmungskette und die ATP-Synthase, ein Transmembranprotein, dessen Funktion die Produktion von ATP ist.

Im inneren Membranraum findet sich die mitochondriale Matrix. In der Matrix findet man die ringförmige DNA des Mitochondriums und Ribosomen.

Es sind zwei verschiedene Grundtypen der Mitochondrien bekannt.

• Sacculus-Typ (mit Cristae)
• Tubulus-Typ (in steroidproduzierenden Zellen vorherrschend)

Atmungskette der Mitochondrien

In den Mitochondrien laufen die chemischen Reaktionen der Atmungskette ab. Dadurch ist es möglich, aufgenommene Glucose mit einem hohen Effizienzgrad zur Synthese von ATP zu verwenden. ATP wird im Intermembranraum (zwischen den beiden Membranen der Doppelmembran) synthetisiert und kann von dort ins Zytosol der Zelle abgegeben werden.

Weiterhin sind die Mitochondrien an den Reaktionen des Citratzyklus und der Beta-Oxidation beteiligt. Sie besitzen Enzyme für die Synthese von bestimmten Membranlipiden (darunter auch Cholesterol) und sind der Ort für die Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien stellen einen intrazellulären Speicher für Calcium dar und dienen so auch der Homöostase der Zelle. Weitere Funktionen der Mitochondrien sind die Regulation des programmierten Zelltods (Apoptose) und die Produktion von ROS („reactive oxygen species“), die der Signaltransduktion dienen.

Vermehrung der Mitochondrien

Mitochondrien haben einen ähnlichen Teilungsvorgang wie Bakterien. Es findet eine Querteilung statt, dabei wird die mitochondriale DNA unter den Tochtermitochondrien gleich verteilt. Den Prozess der Bildung neuer Mitochondrien bezeichnet man als mitochondriale Biogenese.

Um zu überleben, braucht der menschliche Körper Energie. Diese wird aus der Nahrung gewonnen und gelangt dann über das Blut in die Zellen. Um dort genutzt oder gespeichert werden zu können, muss sie jedoch erst „verbrannt“ werden – ähnlich wie Benzin in einem Motor. Dies ist Aufgabe der Mitochondrien, die deshalb auch als Kraftwerke des Körpers bezeichnet werden.

Mitochondriopathie

Der Begriff der Mitochondriopathie ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene neuromuskuläre Syndrome, denen eine Funktionsstörung der mitochondrialen Atmungskette zu Grunde liegt. Eine Mitochondriopathie ist eine Erkrankung bestimmter Strukturen der Körperzellen, den Mitochondrien. Diese winzigen „Zellorganellen“ bezeichnet man auch als „Kraftwerke der Zelle“. Sie kommen in fast allen menschlichen Zellen vor. In ihnen finden Stoffwechselvorgänge, wie die sogenannte Atmungskette, statt. Über diesen Prozess gewinnt der Körper aus zum Beispiel Zucker (Glucose) oder Fettsäuren etwa 90 Prozent der Körperenergie. Bei einer Mitochondriopathie sind die Eiweisse (Proteine), die an der Atmungskette beteiligt sind, nicht funktionstüchtig. Daher wird nur relativ wenig Energie gewonnen. Grund dafür ist eine Veränderung im Erbgut (Mutation). Das beeinträchtigt vor allem Organe, die viel Energie benötigen. Dazu zählen unter anderem das Gehirn oder die Augenmuskeln.

Wenn Deine Mitochondrien nicht richtig funktionieren, läuft Dein Stoffwechsel weniger effizient und kann sogar praktisch zum Stillstand kommen. Probleme treten auf, weil diese leistungsstarken Energieerzeuger SEHR empfindlich sind und leicht beschädigt werden. Wenn sie beschädigt sind, leiden wir unter geringer Energie, Müdigkeit, Gedächtnisverlust, Schmerzen, schneller Alterung und mehr.

Müdigkeit ist das häufigste Symptom für schlecht funktionierende Mitochondrien. Deshalb neigen wir dazu, uns müde im Alter zu fühlen. Alte Menschen hatten mehr Zeit, sich zu vergiften, als jüngere.

Mitochondrien sind wirklich wichtig, und viele Dinge können sie beschädigen, hauptsächlich durch unkontrollierten oxidativen Stress. Das mag kompliziert klingen, aber in Wirklichkeit sind wir alle mit „oxidativem Stress“ vertraut, auch wenn einige von uns nicht wissen, was dieser Begriff bedeutet.

Oxidation ist der Rost auf unseren Autos, die braune Farbe, die auf einem Apfel erscheint, wenn er geschnitten und der Luft ausgesetzt wird, das ranzige Pflanzenöl in unseren Schränken, sogar die Falten, die sich auf unserer Haut bilden. Was die meisten von uns nicht erkennen, ist, dass unsere eigenen Gewebe rosten, unsere eigenen Fette ranzig werden und unsere Gehirne schmelzen, während wir durch unser tägliches Leben gehen.

Was diesen Prozess auslöst, sind „Gifte“, wie zu viele Kalorien, Rauchen (Industrie-Tabak), Sonnenbrand, Giftstoffe, Anti-Nährstoffe, wie Zucker u. v. a. Die „Gifte“ führen zu Verletzungen, indem man das Gleichgewicht kippt und eine Kettenreaktion von Schäden an Zellen und Geweben auslöst, die uns den Weg zur Gewichtszunahme und chronischen Krankheit weisen.

Warum sollten wir unsere Mitochondrien stärken?

Das ATP wird von den Mitochondrien aus den bekannten Makronährstoffen „Kohlenhydrate“ und „Fette“ gebildet, wobei die Verbrennung von Glukose (Kohlenhydrate) für Mitochondrien als energetisch „einfacher“ gilt. Allerdings entstehen bei der „Glukoseoxidation“, also der Verbrennung von Glukose, mehr freie Radikale als bei der Fettverbrennung.

Deswegen wird der Alterungsprozess der Mitochondrien durch diese Art der Energiegewinnung beschleunigt. Veraltete Mitochondrien verlieren nach und nach die Fähigkeit, effektiv Fettsäuren zu verbrennen und sind so immer mehr auf Glukose zur Energiegewinnung angewiesen.

Hierbei kann es zu einem Teufelskreis kommen, da der Selbstzerstörungsprozess durch glukosebedingt entstehenden freien Radikalen immer schneller voran getrieben wird. Die daraus resultierenden Folgen sind unter anderem starke Abhängigkeit von Zucker und Kohlenhydraten sowie wachsende Fettablagerungen. Im steigenden Alter wird die Fähigkeit des Körpers zur effektiven Energiegewinnung beeinträchtigt.

Symptome und später auch Krankheit(en), wie Diabetes mellitus, Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankung(en) und Adipositas, sind Erkrankung(en), an denen eine mitochondriale Schädigung wesentlich beteiligt ist.

Wie vermehren wir Mitochondrien?

Erhöht sich der Energiebedarf oder sinkt die Energiezufuhr in den Zellen, wird ein spezielles Protein aktiv, das die Zelle schützt und die Energieproduktion erhöht (zusätzlich kann die Vermehrung der Mitochondrien „angeordnet“ werden).

Anders ausgedrückt: eine Zelle reagiert flexibel auf äussere Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Nahrungsknappheit, denn es muss immer eine gewisse minimale ATP-Produktion garantiert werden, um das Überleben des Organismus zu gewährleisten.

Der Name dieses speziellen Proteins ist AMPk. Es dient als Sensor für den aktuellen Energiestatus der Zelle. Zusammen mit Sirt1 aktiviert AMPk das sogenannte PGC1-alpha. Ein Protein, das für die Vermehrung der Mitochondrien verantwortlich ist und Gene aktiviert, die für den Fettstoffwechsel zuständig sind.

Grundvoraussetzung für gesunde Mitochondrien und ATP-Bildung

Für die Produktion von ATP – also Energie – sind Enzyme, Calcium, Magnesium und Phosphor wichtig.

Die Enzyme enthalten Eisen und können nur dann gebildet werden, wenn eine ausreichend grosse Menge davon im Körper vorhanden ist. Im Zweifelsfall kannst Du Deine Eisenwerte beim Arzt checken lassen.

Calcium und Phosphor werden in der Regel genügend durch die Ernährung aufgenommen. Ist allerdings der Vitamin D-Wert zu niedrig, kann es zu einer Störung der Aufnahme von Calcium und Phosphor im Darm kommen. Dies kann zu einer möglichen Unterversorgung führen.

Magnesium ist ein weiterer wichtiger Bestandteil im Energiestoffwechsel. Führe aus diesem Grund immer genügend Magnesium zu. Eine Magnesiumverbindung, die vom Körper gut aufgenommen und sehr preiswert erworben werden kann, ist Magnesiumcitrat oder besser noch eine Kombination aus Magnesiumcitrat und -Bisglycinat.

Kälteexposition

Der Gedanke, durch Kälteexposition die richtigen Reize zu setzen und den Körper auf Zellebene zu trainieren, ist eine der Möglichkeiten.
Die vielen hormonellen und gesundheitlichen Vorteile sind sehr überzeugend. Man hat darüber hinaus festgestellt, dass durch die Kälte PGC-1 induziert werden kann, welches über mehrere Wege die mitochondriale Biogenese und Atmung in den Muskelzellen stimuliert.

Darüber hinaus spielt bei regelmässiger Kälteexposition die chemische, beziehungsweise kalte, Thermogenese eine grössere Rolle. Dabei handelt es sich um die Fettoxidation im braunen Fettgewebe. Dieses Fettgewebe ist besonders bei Babys ausgeprägt und bildet sich im Erwachsenenalter immer weiter zurück.

Der Clou: Dieses Fettgewebe besitzt, im Gegensatz zum weissen Fettgewebe (Bauch, Po etc.), eine Vielzahl an Mitochondrien, die direkt das Fett oxidieren und dadurch Wärme erzeugen. Trotz Rückbildung hat man in vielen Studien herausfinden können, dass dieses braune Fettgewebe wieder aktiviert werden kann und somit für die Wärmeerzeugung im Körper eine grosse Rolle spielt.

Höhentraining

Das Höhentraining ist eine, gerade bei Sportmannschaften und Leistungssportlern, weitgehend bekannte Trainingsform, die sich durch eine „sauerstoffarme Trainingsumgebung“ auszeichnet. Die geringe Sauerstoffsättigung sorgt dafür, dass unter anderem Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems, Atmungssystems und des Blutsystems stattfinden.

In bergigen Regionen haben heimische Tibeter beispielsweise zehnmal so viel Stickstoffmonoxid (NO) im Blut wie Menschen, die knapp über dem Meeresspiegel leben. Diese hohe Stickstoffmonoxidanreicherung führt zu einer Verdopplung des Blutflusses im Vergleich zu deutschen Verhältnissen und zu einer optimierten Versorgung mit Sauerstoff.

Tatsächlich finden wir auch beim Höhentraining interessante Anpassungsmechanismen dieser kleinen Energiespender: bereits nach Minuten und wenigen Stunden zeigen sie Veränderungen, die weit vor denen der Blutneubildung liegen.

Sie passen sich den Umwelteinflüssen an, um so den Körper in einem physiologisch vorteilhaften Bereich zu halten. Man konnte unter anderem feststellen, dass Höhentraining die mitochondriale Fähigkeit der Fettsäure-Oxidation steigert, also der Fettverbrennung.

Wird im Höhentraining – auch Hypoxietraining – ein optimaler Belastungsbereich eingehalten, verläuft der Anpassungsprozess der Mitochondrien so, dass eine Leistungssteigerung entsteht.

Wenn allerdings der Umfang und die Intensität dieser Belastung in einem nicht physiologischen Bereich abläuft, bleiben die erwarteten Effekte aus. Um dieser Schwierigkeit etwas zu umgehen und dennoch in höheren Intensitäten trainieren zu können, hat man sich zur Optimierung der „Zell-Kraftwerke“ ein ganz besonderes Trainingsprogramm ausgedacht, das den wunderschönen Namen „Intermittierendes Hypoxytraining“ trägt.

Der Vorteil an dieser Methode ist, dass ein starker Trainingsreiz gesetzt wird, der eine Kaskade von den genannten vorteilhaften Anpassungsmassnahmen auslöst.

Ausdauertraining

Ausdauertraining fördert die Bildung neuer Mitochondrien in den Muskelfasern. Wenn wir uns an die Mechanismen der Neubildung von Mitochondrien erinnern, ist folgender Schluss nur logisch: Erhöht sich der Energiebedarf der Zelle, müssen mehr Mitochondrien gebildet werden, um die „oxidative Kapazität“ zu erhöhen und genügend Energie bereitstellen zu können.

Zusammenfassung:

• Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen.
• Sie stellen aus Fett und Kohlenhydraten ATP her.
• Die Mitochondrien sollten gepflegt werden, weil eine Einschränkung einen Leistungsabfall und diverse Krankheit(en) zur Folge hat.
• Mitochondrien vermehren sich, um immer genug Energie zur Verfügung stellen zu können.
• Grundvoraussetzung für gesunde Mitochondrien müssen gegeben sein (Enzyme, Calcium, Magnesium, Phosphor).
• Es gibt viele Möglichkeiten zur Optimierung der Mitochondrien (Kälteexposition, Höhentraining, Ausdauertraining, ketogene Diät, Kalorienrestriktion, Intermittierendes Fasten, Supplemente).
• Optimierung der Mitochondrien ist auch gleich Optimierung des Immunsystems.