Für alles, was in unserem Körper passiert, benötigen wir Energie. Kein Wunder also, dass unsere Zellen eigene „Kraftwerke“ besitzen, um den ständigen Treibstoffbedarf sicherzustellen. Dies sind die sogenannten Mitochondrien. Wir erklären Dir, wie Deine Mitochondrien es schaffen, aus unserer Nahrung Energie bereitzustellen und warum ihre Power mit zunehmendem Alter nachlässt.
Definition: Was sind Mitochondrien?
Mitochondrien sind dynamische Zellorganellen, die, mit Ausnahme der roten Blutkörperchen, in allen eukaryotischen Zellen vorkommen und für den Energiestoffwechsel verantwortlich sind. Als „Kraftwerk der Zelle“ sind Mitochondrien nämlich in der Lage, aus Nahrungsenergie eine für die Zelle nutzbare Stoffwechselenergie herzustellen: das ATP (Adenosintriphosphat). Der Vorgang der Energieproduktion wird auch als Zellatmung bezeichnet.
Interessanterweise sind nicht in allen menschlichen Zellen gleich viele Mitochondrien vorhanden. Ihre Anzahl variiert vielmehr entsprechend des Energiebedarfs der Zelle. Besonders viele Mitochondrien finden sich in Muskelzellen, Nervenzellen, Keimzellen oder Leberzellen. In einer einzigen Herzmuskelzelle beispielsweise arbeiten mehrere Tausende, in einer reifen Eizelle sogar bis zu 100.000.
Forschungsarbeiten der letzten Jahre weisen allerdings darauf hin, dass mit zunehmendem Alter die Aktivität der Mitochondrien, und damit unsere Energie, abnimmt. Dies scheint u. a. darauf zurückzuführen zu sein, dass die altersbedingte Anhäufung freier Radikale die mitochondrialen Proteine und die DNA schädigt, so dass es in der Zelle zu mitochondrialen Funktionsstörungen kommt. Diese sogenannte Mitochondriale Dysfunktion (engl.: Mitochondrial Dysfunction) wiederum scheint beim Alterungsprozess und bei der Entstehung altersbedingter Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes oder neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle zu spielen. Mit einer gesunden Lebensweise, regelmäßigem Sport und einer ausgewogenen, pflanzenbetonten Ernährung kannst Du Deine Mitochondrien glücklicherweise unterstützen.
Mit einer Größe von nur 0,75 bis 3 µm gehören Mitochondrien zu den kleinsten Zellorganellen. Trotzdem machen die kleinen Kraftwerke der Zelle in manchen Geweben einen beträchtlichen Teil des Zellvolumens aus (z. B. 36 % in Herzmuskelzellen). Der Mitochondrien Aufbau hingegen ist eher schlicht. Ihr meist oval dargestellter Körper ist von einer Doppelmembran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht und Protein besteht.
Die äußere Membran hüllt das Mitochondrium ein und umschließt dabei den Intermembranenraum, der zwischen der äußeren und inneren Membran liegt. Sie enthält verschiedene Proteinkanäle, die den Transport von kleinen Molekülen und Ionen ins Zytosol ermöglichen. Darüber hinaus kann sich die äußere mitochondriale Membran mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) zum Austausch von Signalen zusammenschließen. Diese mitochondrien-assoziierte ER-Membran ist ferner für den Transfer von Lipiden von Bedeutung.
Da die äußere Membran für kleinere Moleküle wie z. B. Zucker oder Ionen frei passierbar ist, enthält der Intermembranenraum eine ähnliche Konzentration dieser Substanzen wie das Zyotsol. Die Zusammensetzung großer Proteine unterscheidet sich jedoch, da diese nur dann ins Zytosol transportiert werden können, wenn sie eine bestimmte Struktur aufweisen. Auf diese Weise wird z. B. Cytochrom C im Mitochondrium konzentriert und nur unter bestimmten Bedingungen freigesetzt.
Die innere Mitochondrienmembran zeichnet sich durch Einstülpungen aus, die weit in das Innere der Mitochondrien (Matrix) hereinragen und für eine enorme Oberflächenvergrößerung sorgen. Entsprechend der Art der „Faltungen“ wird zwischen Mitochondrien vom Cristae-Typ (kammerartige Einstülpungen), Tubulus-Typ (röhrenförmige Einstülpungen), Sacculus-Typ (Einstülpungen mit runden Aussackungen) und Prisma-Typ („dreieckige Einstülpungen) unterschieden.
Die Oberflächenvergrößerung ist insofern wichtig, als in der inneren Membran u. a. Proteine liegen, die für den Elektronentransport der Atmungskette verantwortlich sind. Sie ermöglicht der Zelle also eine erhöhte ATP-Produktion. In der inneren Membran sind neben den Proteinkomplexen für die Zellatmung noch weitere Proteine angesiedelt. Zu diesen gehören ATP-Synthasen für die ATP-Bildung, Transportproteine sowie Proteine für die Verschmelzung und Teilung von Mitochondrien.
In der mitochondrialen Matrix, die sich jenseits der inneren Membran befindet, ist ein Großteil der mitochondrialen Proteine enthalten (rund 60 %). Sie beherbergt neben Hunderten von Enzymen, die mitochondrialen Ribosomen, transfer RNA (tRNA) sowie die mitochondriale DNA (mtDNA) in mehreren Kopien.
Die mitochondrialen Ribosomen sind darauf spezialisiert, den genetischen Code, den sie über die tRNA angeliefert bekommen, in eine bestimmte Abfolge von Protein Bausteinen (Aminosäuren) zu übertragen und diese schließlich zu Protein zusammenzusetzen.
Mitochondrien: Aufgaben und Funktionen
Deine Mitochondrien sind wahre Kraftpakete, denn bezogen auf ihr Gewicht produzieren sie 10.000 bis 50.000-mal mehr Energie als die Sonne. Für uns Menschen bedeutet dies, dass unsere Mitochondrien täglich ca. die Menge an ATP bilden, die unserem Körpergewicht entspricht. Doch neben dieser enormen Leistung erfüllen Mitochondrien in unserem Körper noch weitere wichtige Aufgaben:
Energieproduktion
Als Kraftwerk der Zelle liegt die Hauptaufgabe der Mitochondrien darin, Nahrungsenergie in Energie für den Zellstoffwechsel (ATP) umzuwandeln. Die lebenswichtige ATP-Produktion erfolgt im Rahmen der Zellatmung, welche sich in verschiedene Stoffwechselwege gliedert. Die ATP-Produktion in den Mitochondrien läuft wie folgt ab:
- Als erstes wird im Rahmen der Glykolyse, die im Zytosol stattfindet, Glucose in mehreren Schritten zu Pyruvat verstoffwechselt und in die Mitochondrienmatrix transportiert. Die dabei freiwerdende Energie wird als ATP gespeichert.
- Im Mitochondrium wird nun durch oxidative Decarboxylierung aus Pyruvat das Molekül Acetat gebildet und dieses anschließend in Acetly-CoA umgewandelt.
- Nachfolgend setzt der Citratzyklus (Krebs-Zyklus) ein. Hier wird aus Acetly-CoA Energie in Form von GTP (Guanosintriphosphat) bzw. ATP, sowie NADH bzw. FADH bereitgestellt. Acetyl-CoA wird nicht nur durch den Abbau von Kohlenhydraten, sondern auch aus Lipiden oder Proteinen gewonnen.
- Im letzten Schritt der Zellatmung, der Atmungskette, werden, mithilfe von NADH und FADH, Elektronen entlang der Mitochondrienmembran transportiert. An dieser Reaktionskette sind neben vier Proteinkomplexen, auch freie Wasserstoff- und Elektronenüberträger wie Coenzym Q10 und Cyctochrom C beteiligt. Während des Elektronentransfers werden gleichzeitig Protonen (positiv geladene Teilchen) befördert, so dass auf den beiden Seiten ein Ladungsunterschied entsteht. Dieser sogenannte Protonengradient veranlasst das Enzym ATP-ase, Energie für die Zelle in Form von ATP zu bilden (oxidative Phosphorylierung).
Für einen reibungslosen Ablauf der Atmungskette benötigt das Mitochondrium eine Reihe von Mikronährstoffen, darunter B-Vitamine wie Vitamin B1 und Vitamin B12 sowie verschiedene Mineralstoffe. Auch das Coenzym Q10 hat eine wichtige Funktion: Es wird in Deinen Mitochondrien gebraucht, um dem Körper genug Energie zur Verfügung zu stellen. Mit zunehmendem Alter sinkt jedoch der Coenzym Q10 Spiegel Deiner Zellen. Daher solltest Du darauf achten, dass Du Deine Mitochondrien durch eine gesunde Ernährung unterstützt. Folgende Lebensmittel enthalten Coenzym Q10: fetter Fisch, Fleisch, Hülsenfrüchten, Samen und Nüsse, sowie daraus hergestellte Pflanzenöle.
Redox-Homöostase
Bei der Zellatmung entstehen freie Radikale, die in physiologischer Menge für verschiedene Prozesse in unserem Körper wichtig sind. Im Übermaß führen sie allerdings zu oxidativem Stress, der die Zelle und ihre Organellen schädigt. Um dies zu verhindern, sind Mitochondrien mit einem guten Schutzsystem (u. a. Antioxidantien) ausgestattet, dessen Aktivität durch die Produktion freier Radikale mitreguliert wird.
Darüber hinaus verfügen die kleinen Kraftwerke unserer Zelle über weitere Mechanismen, um die Redox-Balance zu erhalten. Sie können z. B. überschüssige Elektronen „veratmen“, die Aktivität der Atmungskette regulieren oder „hyperaktive Mitochondrien“ gezielt abbauen (sogenannte Mitophagie).
Calcium-Homöostase
Eine weitere Funktion der Mitochondrien liegt in der Speicherung von Calcium, welches in unserem Körper der Signalübertragung dient.
Regulation der Apoptose
Die Apoptose ist ein lebenswichtiger Mechanismus, um potenziell gefährliche oder nicht benötigte Zellen zu zerstören. Durch die Ausschüttung von Cytochrom C aus den Mitochondrien in das Zytoplasma wird der programmierte Zelltod unumkehrbar eingeleitet.
Fettsäureoxidation
Das Mitochondrium, im Speziellen die mitochondriale Matrix, ist auch der Ort, an dem Fettsäuren im Rahmen der β-Oxidation abgebaut werden. Bevor dieser Prozess in Gang gesetzt werden kann, müssen die Fettsäuren durch Coenzym A aktiviert und anschließend mithilfe von L-Carnitin in das Mitochondrium transportiert werden.
Steroid Synthese
Die innere Membran der Mitochondrien besitzt zudem bestimmte Enzyme, die für die Herstellung Steroidhormonen wie Cortisol oder Sexualhormonen benötigt werden. Damit sind Mitochondrien wichtig für das hormonelle Gleichgewicht unseres Körpers.
Zellkommunikation
Mitochondrien können Veränderungen in der Umgebung der Zelle erkennen und durch die Aussendung von Signalen verschiedenen Zellprozesse inklusive der Genexpression beeinflussen.
Häm-Synthese
Rote Blutkörperchen enthalten den „Blutfarbstoff“ Hämoglobin, der für den Sauerstofftransport in unserem Körper verantwortlich ist. Die Bildung der im Hämoglobin enthaltenen Häm-Gruppen beginnt und endet in den Mitochondrien, allerdings nicht in den roten Blutkörperchen (die selbst keine Mitochondrien enthalten), sondern in speziellen Zellen im Knochenmark und in den Leberzellen.
Stoffwechselregulation
Die Steuerung des Zellstoffwechsels basiert auf einem perfekten Zusammenspiel von Zellkern und Mitochondrien. Letztere produzieren dafür wichtige Stoffwechselprodukte, die die genetische Funktion im Zellkern stärken. Das in den Mitochondrien produzierte ATP ist zudem Cofaktor für verschiedene Proteinkinasen, die bei der Stoffwechselregulation eine Schlüsselrolle spielen.
Zellwachstum und Zelldifferenzierung
Aus den komplexen Stoffwechselvorgängen der Mitochondrien gehen zahlreiche Grundbausteine hervor, die für das Zellwachstum benötigt werden. Darüber hinaus wird vermutet, dass Mitochondrien das Schicksal der Stammzellen bestimmen und somit eine Funktion bei der Zelldifferenzierung haben. Wie genau diese Prozesse von statten gehen, wird noch erforscht.
Immunantwort
Mitochondrien unterstützen das Immunsystem gleich auf mehreren Ebenen. Neben ihrer Funktion bei der Apoptose, steuern sie z. B. Signalwege der angeborenen Abwehr, die zur Ausschaltung von Viren und Bakterien beitragen oder Entzündungsprozesse regulieren.
Mitochondrien haben eine eigene DNA
Im Gegensatz zu anderen Organellen besitzen Mitochondrien ihre eigene DNA (mtDNA). Diese ist zwar um einiges kürzer als die DNA im Zellkern, dafür aber in mehreren Kopien vorhanden. Die ringförmige mtDNA enthält insgesamt 37 Gene, in denen Informationen für die 13 Proteinstrukturen der Atmungskette sowie verschiedene rRNAs und tRNAs enthalten sind.
Dank des eigenen Genoms können sich Mitochondrien selbstständig und unabhängig von der Zelle vermehren. Zur Bildung neuer Mitochondrien findet, ähnlich wie bei Bakterien, eine Querteilung statt, bei der die mitochondriale DNA gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt wird. Eine Neuanordnung des genetischen Materials erfolgt dabei nicht, vielmehr wird eine exakte Kopie der Erbinformation weitergegeben.
