Birgitt Täuber-Rusch - Mitochondrien

Popp folgerte aufgrund seiner Forschungen und der Tatsache, dass Sonnenlicht eine elementare Nahrungsquelle der meisten Lebewesen ist, dass auch wir Menschen auf zellulärer Ebene Energie und ordnende Signale aus dem Sonnenlicht beziehen. Biophotonen dienen demnach den Zellen zur gegenseitigen Kommunikation, und so werden die chemischen Vorgänge koordiniert. Indem wir Pflanzen essen, nehmen wir ihr gespeichertes Licht und die darin enthaltenen Informationen auf. Nach Popp sind Lebensmittel damit nichts anderes als Lichtinformation, und wir Menschen ernähren uns auf zellulärer Ebene (auch) von Licht.

Nun kann man zu Popps Forschungen stehen, wie man will – die Quantenphysik bestätigt diese Hypothesen. Vom Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger, dem als Erster die Teleportation von Lichtteilchen experimentell gelang, stammt die Aussage: »Richtig vorstellen kann ich mir auch nicht, was bei diesen Vorgängen jenseits von Zeit und Raum vor sich geht.« Gleichwohl könne man »Lichtteilchen als reine Information betrachten«.

Die Mitochondrien – Kraftwerke der Zellen

Die Mitochondrien sind zuständig für die Energieversorgung der Zelle und des gesamten Organismus. Sie wurden bereits im 19. Jahrhundert entdeckt, aber erst seit 1948, als Methoden entwickelt wurden, mit denen die Mitochondrien isoliert werden konnten, wuchs das Verständnis für ihre genaue Funktion.

Normalerweise werden sie als bakterienähnliche, steife Zylinder mit einem Durchmesser von nur 0,5–1 Mikrometer dargestellt. Durch Zeitrafferaufnahmen lebender Zellen wird allerdings deutlich, dass Mitochondrien sehr bewegliche und verformbare Organellen sind, die Netzwerke bilden und ständig ihre Gestalt ändern, fusionieren und sich wieder trennen. Diese Bewegungen werden gewährleistet, indem Mitochondrien mit Mikrotubuli assoziiert sind. Dadurch kann die charakteristische Verteilung der Mitochondrien in verschiedenen Zelltypen erfolgen. Dabei hängt die Anzahl der Mitochondrien in jeder Zelle eines Organs davon ab, wie stoffwechselaktiv und energiebedürftig es ist, und kann dementsprechend angepasst werden. Einen besonders hohen Energiebedarf haben die Muskel-, Nerven- und Sinneszellen sowie die Eizellen.

Verlieren eukaryotische Zellen Mitochondrien, sind sie nicht mehr regenerierbar.

Erythrozyten, die roten Blutkörperchen, haben keine Mitochondrien. Ansonsten besitzen menschliche Zellen durchschnittlich rund 1000–2000 Mitochondrien, die Anzahl kann aber stark variieren; so hat eine reife Eizelle mehrere Hunderttausend Mitochondrien, wohingegen Spermien weniger als 100 kugelförmige Mitochondrien im Mittelstück aufweisen. In manchen Zellen finden sich langkettige, bewegliche Mitochondrien, während in anderen Zellen, in denen sehr viel ATP verbraucht wird, die Mitochondrien eher an einem festen Ort fixiert bleiben und ihn mit ATP beliefern. So finden sich z.B. zwischen benachbarten Myofibrillen einer Herzmuskelzelle, die sehr viel Energie braucht, die Mitochondrien eingezwängt und festsitzend, sodass das ATP direkt in die Herzmuskelzelle abgegeben werden kann. Der Volumenanteil der Mitochondrien in Herzmuskelzellen beträgt bis zu 36 Prozent.

Eine Besonderheit der Mitochondrien stellt ihr eigenes, spezialisiertes, ringförmiges Erbgut dar. Es dient als Vorlage für besonders wichtige Proteine, die aber nur im Zusammenspiel mit den Erbinformationen aus dem Zellkern ihre vorgesehenen Funktionen erfüllen können. Während das Erbgut im Zellkern von beiden Eltern an die Kinder weitergegeben wird, wird die mitochondriale DNA in der Regel von der mütterlichen Seite mit der Eizelle vererbt, da das Spermium bei der Befruchtung nur den Zellkern überträgt. Dass mitochondriale DNA in Einzelfällen auch vom Vater an den Nachwuchs weitergegeben werden kann, haben nun Wissenschaftler um Shiyu Luo vom Cincinnati Children’s Hospital entdeckt.

Eine weitere Besonderheit ist die Doppelmembran der Mitochondrien in Form einer Außen- und einer Innenmembran, was zunächst ungewöhnlich erscheint. Woher kommt die zweite Membran bzw. welchen Nutzen hat sie und woher kommt das eigene Erbgut?

Die Endosymbionten-Theorie

Vor ungefähr 1 bis 3,5 Milliarden Jahren, als Bakterien die ersten Lebewesen auf der Erde waren, setzte ein Ereignis die Entwicklung zu höheren Organismen in Gang. Die Endosymbionten-Theorie erklärt, wie aus diesen einfachen Organismen komplexe pflanzliche und tierische Zellen mit Zellkern und Organellen entstanden. Man geht davon aus, dass ursprünglich zwei Einzeller, ein etwas größeres Urbakterium und ein etwas kleineres Proteobakterium, miteinander fusionierten bzw. dass das Urbakterium, das Wasserstoff als Energiequelle nutzte, das kleinere Bakterium, das Wasserstoff freisetzte, in sich aufnahm, sodass das kleinere Bakterium eine zweite Membran von dem Urbakterium erhielt. Im Lauf mehrerer Jahrmillionen verlor das kleinere Bakterium immer mehr seine Eigenständigkeit und wurde letztendlich zu einem Zellorganell, dem Mitochondrium. Dieses perfektionierte im Lauf der Evolution die Energiegewinnung, indem es nicht mehr nur Wasserstoff als Energiequelle zur Verfügung stellt, sondern den wertvollen Energieträger ATP. Somit entwickelte sich dieses kleine Bakterium zu einem richtigen Kraftwerk. Das Urbakterium bildete einen Zellkern und »verpackte« darin die DNA. Durch die Aufnahme eines weiteren Bakteriums, des Cyanobakteriums, das Photosynthese betreiben kann, entwickelten sich die Chloroplasten der Pflanzen.

Letztendlich sprechen mehrere Indizien für eine Endosymbionten-Theorie: zum einen die Doppelmembran von Mitochondrien und Chloroplasten, zum anderen die von Proteobakterien stammenden Gene in allen eukaryotischen Zellen. Außerdem besitzen Mitochondrien und Chloroplasten ihr eigenes Erbgut in Form von ringförmiger DNA und vermehren sich wie Bakterien durch Teilung.

Aufbau der Mitochondrien

Jedes Mitochondrium ist von zwei hoch spezialisierten, für die Aktivität entscheidenden Membranen umgeben, die aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen aufgebaut sind. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften.

Zwischen den beiden Membranen liegt der Intermembranraum, innerhalb der inneren Membran befindet sich die Matrix.

Die Außenmembranumschließt das Mitochondrium und ist durchlässig für kleine Moleküle und Ionen. Für gefaltete Proteine ist sie undurchlässig; für bestimmte ungefaltete Proteine besitzt sie spezielle Transportkanäle, sogenannte Porine. Weitere Proteine in der Außenmembran sind Enzyme der mitochondrialen Lipidsynthese und Enzyme, die Lipidsubstrate in Formen umwandeln, die dann in der Matrix verarbeitet werden.

Mitochondrium

Die Innenmembranweist starke Faltungen bzw. Einstülpungen in die Matrix hinein auf, die sogenannte Cristae-Faltung; diese kann flächig, unregelmäßig oder tubulusförmig sein. Dadurch ergibt sich eine enorm große Oberfläche.

Nehmen wir z.B. 1 Gramm Lebergewebe: Es enthält 3 Quadratmeter Mitochondrien-Innenmembranfläche. Die Anzahl der Cristae-Faltungen in den Mitochondrien einer Herzzelle ist ca. 3-mal so groß wie in einer Leberzelle, da hier der Energiebedarf kontinuierlich höher ist. Je größer die Fläche ist, desto mehr Platz steht für die ATP-Herstellung, also für die Energiegewinnung, zur Verfügung. Insofern ist sie umso größer, je stoffwechselaktiver die Zelle ist.

Die Innenmembran enthält Proteine aus drei unterschiedlichen Funktionskreisen:

• Proteine, die die Oxidationsreaktionen der Atmungskette durchführen.

• Enzymkomplexe, die als »ATP-Synthase« bezeichnet werden und die in der Matrix ATP herstellen.

• Spezifische Transportproteine, die die Passage von Metaboliten – den Zwischenprodukten des Stoffwechsels – durch die Membran in die Matrix und aus ihr heraus regulieren.