Lee Know - Die Mito-Medizin

Metabolisch aktive Zellen wie die Herz-, Muskel- oder Gehirnzellen enthalten Tausende Mitochondrien. Die Eizelle (Oozyte) enthält die atemberaubende Zahl von 100 000 Mitochondrien, Spermien hingegen nicht einmal 100. Rote Blutkörperchen und Hautzellen haben allenfalls ein paar wenige. Gewichtsmäßig besteht der menschliche Körper zu bis zu zehn Prozent aus Mitochondrien. Zahlenmäßig sind das etwa zehn Billiarden, wofür die „Macht der Menge“ ziemlich passend erscheint.

Abbildung 1.1Struktur eines einzelnen Mitochondriums. Erkennbar ist die Doppelmembran, wobei die innere Membran viele Male gefaltet ist, um die Oberfläche zu vergrößern.

Erscheinungsbild und Größe der Mitochondrien erinnern nach wie vor an jene Bakterien, die sie einst waren. Im Gegensatz zu Bakterien sind Mitochondrien allerdings nicht durch eine Zellwand vom Rest der Zelle getrennt, sondern durch eine durchgehende, glatte Außenmembran. Die Innenmembran ähnelt der Bakterienmembran, ist jedoch in enge Falten gelegt, die sogenannten Cristae (siehe Abbildung 1.1).

Diese Cristae vervielfachen die Oberfläche der Innenmembran in der Organelle. Energie wird in erster Linie in dieser Innenmembran erzeugt, und die Struktur der Cristae optimiert diesen Bereich. Die Energieproduktion auf der Membran erfolgt durch die Übertragung von Elektronen entlang einer Molekülkette. Diese Atmungskette, die auch als mitochondriale Elektronentransportkette bezeichnet wird, befindet sich ebenso wie die verschiedenen Enzyme für die Energiesynthese in und auf der inneren Membran.

Der Innenraum (die Matrix – nein, nicht der Film, sondern der innerste Teil der Mitochondrien) enthält die Enzyme des Zitronensäurezyklus‘ (auch: Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus oder Citratzyklus). Die im Zitronensäurezyklus entstehenden Moleküle (NaDH und FADH 2) werden in die Elektronentransportkette eingespeist. Beide Enzymsysteme liegen dicht nebeneinander, sodass all dies reibungslos und ohne Verzögerung ablaufen kann.

Jedes Kind weiß, dass wir atmen und essen müssen, um zu überleben. Aber warum eigentlich? Warum (beziehungsweise wie) gewinnen wir lebensspendende Energie, wenn wir den Körper mit Sauerstoff und Nahrung versorgen? Die Zellatmung ist die wichtigste Aufgabe der Mitochondrien. Die Enzyme des Citratzyklus und der Elektronentransportkette nehmen Moleküle auf, die bei der Verdauung unserer Nahrung entstehen, und kombinieren sie mit Sauerstoff (O 2). Dabei wird Energie frei. Dieser Kombinationsprozess kann in der Zelle nur in den Mitochondrien ablaufen. Nur so erhält die Zelle ihre Energie.

Den meisten Menschen würde diese Erklärung ausreichen. Um zu begreifen, wie wichtig dieser Vorgang für Gesundheit und Krankheit ist – der Grund, weshalb Sie dieses Buch lesen –, müssen wir an dieser Stelle jedoch weiter in die Tiefe gehen.

Beginnen wir mit den Ausgangsstadien des Glukosestoffwechsels, der Glykolyse, die im Zytosol abläuft. Hier wird die Glukose (also der Zucker) über eine bestimmte Abfolge chemischer Reaktionen in das Molekül Pyruvat umgewandelt. Das Pyruvat wird anschließend in die Matrix der Mitochondrien transportiert, wo es über eine weitere Reaktionskette zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) wird. Danach beginnt die eigentliche Magie, denn Acetyl-CoA ist das Ausgangsprodukt für den Zitronensäurezyklus, in dem die abschließende Energiegewinnung aus der Nahrung optimiert wird. Bei diesem Schritt entsteht Kohlendioxid (CO 2), das wir ausatmen, sowie zwei Energiemoleküle: NADH und FADH 2. Auch beim Abbau von Fettsäuren entsteht Acetyl-CoA, das gleichfalls den Zitronensäurezyklus durchläuft.

Die nächste Phase nennt sich oxidative Phosphorylierung und findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. Die reaktionsfreudigen Elektronen aus NADH und FADH 2werden über diverse Carrier in der Transportkette weitergereicht und reagieren letztlich mit Sauerstoff. Dabei entsteht Wasser. Bei jedem Schritt in der Atmungskette pumpt die Energie, die bei diesen Transferreaktionen von den Elektronen abgegeben wird, Protonen (Wasserstoffatome) aus der Matrix in den Intermembranraum. Dabei entsteht eine hohe Protonenkonzentration zwischen den Membranen und eine niedrige Konzentration in der Matrix. Dieser Konzentrationsunterschied (der Gradient) ist gespeicherte potenzielle Energie. Die hohe Protonenkonzentration im Intermembranraum will „stromabwärts“ in die Matrix fließen. Das erfolgt über spezialisierte Kanäle, die dann Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen, die universelle Energiewährung, die alle Zellen verwenden, um ihren Aufgaben nachzugehen. Dieser Vorgang entspricht einem Reservoir (Intermembranraum) hinter einem Staudamm (innere Membran), in das Wasser (Protonen) gepumpt wird. Wenn das Wasser über einen Kanal im Damm abgeleitet wird, treibt es die Turbinen an, die hydroelektrische Energie produzieren (siehe Abbildung 1.2).

Abbildung 1.2Der Prozess der Energieproduktion in den Mitochondrien entspricht den Grundprinzipien eines Wasserkraftwerks. Wenn Wasser (Protonen) in ein Reservoir (Intermembranraum) läuft, das von einem Damm (innere Membran) abgesperrt ist, baut sich Druck auf. Dieser Druck bringt das Wasser dazu, durch einen Kanal im Damm abzufließen, wobei es die Turbinen antreibt, damit hydroelektrische Energie entsteht.

Das ist ein sehr effizienter Weg, die in der Nahrung gespeicherte Energie zur ATP-Produktion zu nutzen. Letztlich dienen all die unverzichtbaren Prozesse, über die sich der Körper am Leben hält (z. B. Atmen und Essen), dem Zweck, die Mitochondrien mit den Substanzen zu versorgen, aus denen sie Energie erzeugen. Aus etwas ernüchternder, reduktionistischer Sicht könnte man auch behaupten, wir wären nur dazu da, um unsere Mitochondrien am Leben zu erhalten.

In den Mitochondrien wurden vier membrangebundene Komplexe identifiziert. Drei davon werden als Protonenpumpen bezeichnet. Jeder dieser Komplexe ist eine ungemein komplizierte Struktur, die in die innere Membran eingebettet ist. Die verschiedenen Komponenten der Elektronentransportkette – auch Atmungskette – sind in der folgenden Abbildung 1.3dargestellt. Man erkennt, wohin die Protonen (H +) gepumpt werden, wenn man den Fluss der Elektronen (e –) entlang der Elektronentransportkette verfolgt. Komplex I nimmt Elektronen von NADH auf und gibt sie an Coenzym Q10 weiter (CoQ10, in der Abbildung als Q gekennzeichnet). CoQ10 erhält auch über Komplex II Elektronen. Danach gibt CoQ10 diese Elektronen an Komplex III weiter, der sie an Cytochrom c abgibt. Cytochrom c gibt seinerseits Elektronen an Komplex IV weiter. Dieser Komplex übernimmt die Elektronen und zwei Wasserstoffionen (H +) und lässt sie mit Sauerstoff (O 2) zu Wasser (H 2O) reagieren.

Entscheidend ist an dieser Stelle, dass die Weitergabe der Elektronen entlang dieser Kette nicht immer hundertprozentig funktioniert. Einige Elektronen gehen bei diesem „Heiße-Kartoffel-Spiel“ verloren und treten in die Matrix über. Solche ungebundenen Elektronen reagieren dort vorzeitig mit Sauerstoff und erzeugen so Superoxid, ein potenziell gefährliches freies Radikal. Freie Radikale sind hoch reaktionsfreudige Moleküle, die zu oxidativem Stress beitragen. Dieser Prozess scheint an diversen Krankheiten und dem Alterungsprozess selbst beteiligt zu sein, was ich noch genauer darstellen werde.