Was sind Mitochondrien
und was machen diese?

Mitochondrien werden häufig als Kraftwerke der Zellen bezeichnet und sind Bestandteile fast aller Zellen. Betrachten wir uns eine menschliche Zelle. Diese ist ein abgeschlossener Bereich, der mit der Umgebung, z.B. Blut oder im Gewebe mit anderen Zellen im Kontakt steht.

Eine Zelle enthält meist Strukturen, die besondere Aufgaben haben und als Organellen bezeichnet werden. Folgende Organellen enthält (fast) jede Zelle:

  • Zellkern. Das ist die große Bibliothek mit dem gesamten Wissen – das menschliche Genoms in Form von Genen, in denen die DNS liegt.
  • Es gibt weiterhin die Post, Telefonnetz, Müllabfuhr und ganz besondere Organellen, die neben dem Zellkern eine eigene DNS haben, die Kraftwerke der Zelle – Mitochondrien. Eigentlich gehören die Mitochondrien nur bedingt zu uns, es sind im Laufe der Evolution eingewanderte Bakterien, die ihre eigene DNS bewahrt haben.
  • Alle Organellen schwimmen in einer wässrigen Zelllösung, die als Cytosol bezeichnet wird.

Je nach Energiebedarf einer Zelle schwankt die Anzahl an Mitochondrien. Eine Fettzelle hat nur relativ wenige Mitochondrien etwa 200, aber Zellen die reichlich Energie benötigen haben bis zu 3000 Mitochondrien pro Zelle.
Zu diesen Zellen mit hohem Energiebedarf zählen:

  • (Herz)-Muskelzellen
  • (Zentral)-Nervenzellen (Gehirn, es leistet ca. 25 Watt, das entspricht etwa 25% der gesamten Energie eines ruhenden Körpers!)
  • Leberzellen und
  • Immunzellen. (Es gibt auch Zellen, die haben keine Mitochondrien, wie z.B. die Erythrozyten – die roten Blutkörperchen)

Mitochondrien haben darüber hinaus weitere Funktionen, die jede für sich lebensnotwendig, wie z.B. Auf- und Abbau von Aminosäuren, sie beinhalten Teile des Harnstoffzyklus, hier beginnt die Steroidhormonsynthese und an den Mitochondrien wird aktiviertes Vitamin B12, Adenosylcobalamin, bereitgestellt.

Eine der Hauptaufgaben der Mitochondrien ist es die Energie der Nahrungsmittel, Fett und Kohlenhydrate in eine Energieform umzuwandeln, mit der die Zellen ihren Energiebedarf decken, bezahlen können – quasi eine spezifische Energiewährung bereitzustellen.

Der biochemische Vorgang mittels dem die Mitochondrien die Zellen mit Energie versorgen wird als Atmungskette bezeichnet. Hier ist der Name Begriff! Kein anderer Vorgang steht so unmittelbar mit dem Leben in Verbindung wie die Atmung. 3 Minuten ohne Luft und unser Leben ist in ernster Gefahr. Mittels Atmung liefert uns dieser Vorgang die Energieform, also die Substanz mit der die Zellen ihren Energiebedarf «bezahlen» können. Diese Substanz heißt ATP (AdenosinTriPhosphat). [Kohlenhydrate oder Fett sind nur Energieträger, diese dienen dazu die passende Energieform, ATP bereitzustellen].

Die Atmungskette auch als innere Atmung bekannt ist letztlich ein Vorgang, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser vereinigt werden. Wir kennen diesen Vorgang aus der Chemie, er wird als Knallgasreaktion bezeichnet und hier wird deutlich, es wird sehr viel Energie freigesetzt. Energie, die letztlich Lebensfreude und Vitalität bedeutet, sofern die Mitochondrien gesund sind.

In der Technik wird die kontrollierte Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle realisiert. Aufgabe ist es, kontrolliert das Elektron des Wasserstoffs auf den Sauerstoff zu übertragen. Es wird Energie in Form von Wärme und Strom frei, der zum Antrieb genutzt werden kann.

Die Atmungskette funktioniert ähnlich, aber es muss eine Herausforderung überwunden werden. Die Zellmembran des Mitochondriums würde verbrennen, wenn das Elektron des «Wasserstoffs,» so wie in der Brennstoffzelle, in einem Schritt auf Sauerstoff übertragen würde. Deshalb wird das Elektron schrittweise auf Sauerstoff übertragen. Und genau in diesem Umstand liegen die Lösung und das Hauptproblem!

Natürlich kommt am Mitochondrium kein elementarer Wasserstoff vor, aber biochemisch ist es das selbe und zwar vereinfacht sind die Wasserstoffträger: reduziertes Niacin (Vitamin B3) und reduziertes Riboflavin (Vitamin B2), die während des biochemischen Abbaus der Hauptenergieträger, Kohlenhydrate und Fette, entstehen. Reduziert bedeutet, diese sind reich an Elektronen, die sie abgeben können an einen Partner der diese haben möchte. Abgabe von Elektronen bedeutet eine Oxidation und Aufnahme von Elektronen eine Reduktion. Sauerstoff nimmt die Elektronen auf, er ist der Elektronenakzeptor und wird zu Wasser reduziert.

(O2 + 4 H+ +4e- 2 H2O)
Aus der Gleichung wird ersichtlich, dass jedes eingeatmete Sauerstoffmolekül 4 e- benötigt um komplett zu Wasser reduziert zu werden.

Zur Übertragung des Wasserstoffs aus den obengenannten Wasserstoffträgern (reduziertes Vitamin B3 und reduziertes Vitamin B2) muss nun ein Trick angewendet werden, damit die mitochondriale Zellmembran nicht verbrennt. Der Vorgang verläuft in mehreren Stufen an den sogenannten Atmungskettenkomplexen. Wir können uns dies vorstellen wie die Stufen einer Treppe. Die Energie des Elektrons vom reduzierten Vitamin B3 und B2 werden stufenweise übertragen und gelangen nach einigen Stufen auf den Sauerstoff.

(Löffler, Petrides, Heinrich, Biochemie und Pathobiochemie, 8. Auflage 2006, Springer Verlag)

Das obere Bild zeigt schematisch die 5 Atmungskettenkomplexe die an der inneren Mitochondrienmenbran lokalisiert sind. Der richtige biochemische Name für reduziertes Vitamin B3 lautet NADH und der korrekte Name für reduziertes Vitamin B2 FADH.

Die Atmungskettenkomplexe sind Enzymkomplexe, wobei die ersten drei Atmungskettenkomplexe Eisen und Schwefel-Verbindungen, Eisen-schwefel-Cluster, enthalten. Interessant ist, das die Atmungskettenkomplexe I, III, IV und V hauptsächlich vom mitochondrialen Genom codiert, der Atmungskettenkomplex II hingegen ausschließlich vom Zellkern codiert wird.

Funktionsweise der Atmungskette:

NADH gibt seine Elektronen am Komplex I ab, FADH am Komplex II. Coenzym Q10 sammelt die Elektronen ein und reicht diese an den Komplex III weiter. Durch die Übertragung der Elektronen auf Sauerstoff wird die elektromotorische Energie freigesetzt, die letztlich dazu führt, dass am Komplex V ATP entsteht, welches unser Leben ermöglicht.

Dies ist also die Lösung, die Stufenweise Übertragung des Elektrons vom «Wasserstoff» auf Sauerstoff.

Aber wo ist das Problem?

Das Problem sind die Atmungskettenkomplexe selbst, in Kombination einer Nebenreaktion dieses oben beschriebenen Vorgangs. Betrachten wir uns die unten gezeigte Illustration der selben mitochondrialen Atmungskette. Es erscheint ein wenig komplex, aber keine Bange…

Es geht jetzt vor allem um die Atmungskettenkomplexe I und III. Diese dienen auch als Syntheseorte für Radikale insbesondere das Superoxid O2*- und das Stickoxid NO. Wir haben oben gelesen, dass jedes Sauerstoffmolekül vier Elektronen benötigt, damit es komplett reduziert wird. Dabei entsteht Wasser. Bei Synthese von einigen Radikalen, übernimmt der Sauerstoff primär nur ein Elektron, und zwar nicht am Komplex IV, wie üblich, sondern am Komplex I und/oder Komplex III. Es entsteht ein Radikal, welches eine negative Ladung trägt, durch die Übernahme von nur einem Elektron und als Superoxid bezeichnet wird.

       O2      +         e        –>    O2*-

Sauerstoff +  Elektronen –> Sauerstoff

Diese Reaktion ist überhaupt nicht besorgniserregend. Radikale grundsätzlich mit etwas Negativem in Verbindung ist unbegründet. So einfach ist das nicht. Radikale haben ihre Daseinsberechtigung; sie dienen der Regeneration oder sind z.B. unerlässlich für unsere Immunfunktion. Ohne Radikale kein Leben.

Scatena R, Bottoni P, Giardina P (eds.) Advances in mitochondrial medicine. Axel Springer Verlag Heidelberg – New York 2012

Bis zu einem gewissen Maß.

Etwa 2% des eingeatmeten Sauerstoffs werden auf diese Weise nicht zu Wasser reduziert, sondern in Radikale umgewandelt. Superoxid selbst ist gar nicht so reaktiv, es sind aber die daraus entstehenden Radikale und hochreaktiven Verbindungen. Damit nicht mehr Radikale entstehen als notwendig gibt es antioxidative Systeme, die dafür sorgen, dass ein Zuviel an Superoxid abgefangen wird. Als eines der wichtigsten Enzyme sind die Superxiddismutasen zu erwähne, es gibt eine Mangan (Mn)-anghängige Superoxiddismutase zu nennen -(MnSOD) und eine Kupfer/Zink (Cu/Zn)-abhängige Superoxiddismutase. Diese wandeln Superoxid in Wasserstoffperoxid (H2O2) um, ein hochreaktives Zellgift, welches unser Immunsystem benutzt, um eingedrungene Keime zu zerstören. Wasserstoffperoxid wiederum wird von anderen Enzymen z.B. der Selenabhängigen Glutathionperoxidase (GSH) in Wasser umgewandelt.

An diesem Besipiel ist die Wichtigkeit von Spurenelementen wie Mangan, Zink, Selen oder Kupfer zu erkennen, die für diese antioxidativen Enzyme essentiell sind!

Neben den Spurenelementen benötigt das Mitochondrium Coenzym Q10, L-Carnitin und D-Ribose um ATP aufzubauen.

Daneben werden grundsätzlich auch B-Vitamine benötigt.

Sind die Atmungskettenkomplexe geschädigt durch chronischen Stress, Fehlernährung oder auch durch Arzneimittel, so werden vermehrt Radikale gebildet. Diese Radikale stören den mitochondrialen Stoffwechsel nachhaltig.

Letztlich ist jede Zivilisationserkrankung Ausdruck eines gestörten mitochondrialen Stoffwechsels, der nicht nur in einem Organ sondern im ganzen Körper auf mitochondrialer Ebene verankert ist. Ausnahme. Keine!