Mitochondrien und Energie oder: viele Wege führen nach Rom

Wie sie bereits wissen, brauchen wir für die Gewinnung von Energie intakte gesunde MitochondrienBestandteile der Zelle, die Energie freisetzten in Form von Adenosintriphosphat und eine ganze Menge an CofaktorenSyn. Kofaktoren: Substanzen, die zum Ablauf einer (bio)chemischen Reaktion beitragen. Oftmals handelt es sich um Mikronährstoffe z.B. Kalium (K+), Natrium (Na+), Magnesium (Mg2+), Zink (Zn2+), Kupfer (Cu2+) oder Eisen (Fe2+) (Nährstoffe, Vitamine, Spurenelemente), ohne die der mitochondriale Stoffwechsel aus dem Ruder laufen würde oder dies bei einem Mangel auch tut. Mitochondriopathien sind die Folge und daraus resultiert auch eine Vielzahl chronischer Krankheiten. Doch wie genau produzieren unsere Mitochondrien eigentlich die Energie, die uns antreibt?

Mitochondrien und Energie oder: viele Wege führen nach Rom

Viel Funktion auf wenig Raum – Aufbau der Mitochondrien

Zunächst ein Blick darauf, wie unsere MitochondrienBestandteil innerhalb der Zelle mit eigener Zellmembran. Hautproduzent von Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP)180 aufgebaut sind und wo sie herkommen. Mitochondrien sind kleine „Verpackungswunder“. Sie haben eine glatte äußere Hülle, die für kleine Moleküle, wie z. B. Zucker, durchlässig ist. Größere Moleküle müssen über Kanäle mithilfe von „Trägern“ hineingebracht werden. Mitochondrien haben eine stark aufgefaltete innere Membran mit Einstülpungen. Dadurch wird richtig viel Arbeitsfläche gewonnen. Diese ist auch nötig, denn an der inneren Mitochondrienmembran sind die meisten Enzyme79Biokatalysatoren aus Eiweiß, die zur Beschleunigungen von chemischen Reaktionen beiträgen. Enzyme sind unentbehrlich für unseren Stoffwechsel lokalisiert, die für die Energieproduktion benötigt werden.

Die Hauptbestandteile der Innenmembran sind Proteine und Phospholipide. Das sind Fette, die in diesem Fall sehr hohe Anteile an ungesättigten Fettsäuren aufweisen und für die Funktion und Struktur der Mitochondrien wichtig sind. Die innere Mitochondrienmembran ist nur durchlässig für Wasser und Gase (Sauerstoff O2, Kohlendioxid CO2, Kohlenmonoxid CO und Stickstoffmonoxid NO). Die übrigen Stoffe müssen auch hier mittels Transporter hineingebracht werden. Den Raum der inneren Membran bezeichnet man als Matrix.

Mitochondrien haben eine eigene ringförmige DNA62. Das ist sozusagen ein zweites Erbgut, unabhängig der “Haupt-DNA”, die sich im Zellkern befindet. Der Unterschied ist jedoch, dass die DNA in den Mitochondrien nicht von schützenden Proteinen umgeben ist und dass es keine Reparaturvorgänge gibt, wenn die DNA geschädigt wird. Folglich ist die Mitochondrien DNA sehr anfällig gegenüber Mutationen. Mitochondrien können eigene ProteinbiosyntheseProduktion von Proteinen an den Ribosomen im Zytoplasma unserer Zellen.239 betreiben, d. h. sie können alles, was sie zur Energiegewinnung brauchen, selbst herstellen und sind somit größtenteils unabhängig vom Rest der Zelle.

Wo kommen unsere Mitochondrien eigentlich her?

Alleine aufgrund ihrer ovalen Form und ihrer Größe von nur ca. 2 Mikrometer, kann man mutmaßen, dass sie etwas mit Bakterien zu tun haben. Und tatsächlich, nach der sogenannten Endosymbiontentheorie75Theorie zur Entstehung der Organellen der eukaryotischen Zelle. Durch ein Zusammenleben von Zellen mit Bakterien sind unsere Mitochondrien einst aus einem Zusammenleben mit aeroben, d. h. Sauerstoff benötigenden, Bakterien entstanden. So ist es eigentlich nicht verwunderlich, dass Mitochondrien höchst empfindlich gegenüber Antibiotika sind. Wenn Sie also eine Antibiotika-Therapie erhalten, wird nicht nur Ihre Darmflora dezimiert, sondern auch Ihre Mitochondrien! Mitochondrien können nicht neu entstehen. Ein Mitochondrium wächst und teilt sich immer in zwei gleiche „Nachwuchs“-Mitochondrien.

Wo kommen unsere Mitochondrien eigentlich her?

Alleine aufgrund ihrer ovalen Form und ihrer Größe von nur ca. 2 Mikrometer, kann man mutmaßen, dass sie etwas mit Bakterien zu tun haben. Und tatsächlich, nach der sogenannten Endosymbiontentheorie75Theorie zur Entstehung der Organellen der eukaryotischen Zelle. Durch ein Zusammenleben von Zellen mit Bakterien sind unsere Mitochondrien einst aus einem Zusammenleben mit aeroben, d. h. Sauerstoff benötigenden, Bakterien entstanden. So ist es eigentlich nicht verwunderlich, dass Mitochondrien höchst empfindlich gegenüber Antibiotika sind. Wenn Sie also eine Antibiotika-Therapie erhalten, wird nicht nur Ihre Darmflora dezimiert, sondern auch Ihre Mitochondrien! Mitochondrien können nicht neu entstehen. Ein Mitochondrium wächst und teilt sich immer in zwei gleiche „Nachwuchs“-Mitochondrien.

ATP – zentraler Baustein der Energiegewinnung

ATP (Adenosintriphosphat0) ist die zentrale Energiewährung des Körpers. Ein erwachsener Mensch produziert täglich etwa die Hälfte seines eigenen Körpergewichts an ATP! Dies ist auch notwendig, denn in kurzer Zeit wird ATP für wichtige Körperfunktionen wieder verbraucht und dabei in ADP (Adenosindiphosphat) umgewandelt. Es findet ein ständiges Hin und Her zwischen ATP und ADP statt. Jedes ATP/ADP-Paar wird bis zu 1000 mal am Tag ineinander umgewandelt. Ähnlich einem Kugelstoßpendel mit drei Kugeln: ein ständiger Wechsel zwischen zwei und 3 Bestandteilen. Ohne die Energiebereitstellung aus ATP verliert jede Zelle ihre Funktionsfähigkeit und stirbt schließlich. Der Mensch wird krank – und zwar chronisch! Biologische Mediziner sprechen dann von einer sogenannten erworbenen Mitochondriopathie, die mit Erschöpfung, Müdigkeit und Antriebslosigkeit einhergeht. Mitochondriopathien sind häufig Begleiterscheinungen von chronischen Erkrankungen.

Chronischen Erkrankungen haben sehr häufig mit dem Funktionsverlusten der Mitochondrien zu tun.

Im andrino Beitrag “Mitochondrientherapie – Knotenpunkt in der Biologischen Medizin” erfahren Sie alles Wissenswerte über solch eine Mitochondriopathie2 und wie sie behandelt werden kann.

Energieproduktion am Fließband – Mitochondrien besitzen kleine Turbinen

Mitochondrien sind die größten Energieproduzenten. Sie stellen Energie in Akkordzeit her. Gespeichert wird die Energie in einer ganz speziellen Verbindung – dem AdenosintriphosphatUniverselle Energiewährung im Körper. Die Größte Menge wird durch die Mitochondrien bereitgestellt, kurz ATP. Ausgangsprodukte sind Nahrungsbausteine wie Kohlenhydrate, Fette und Eiweiß. Aber wie funktioniert das? Einzelbestandteile aus der Nahrung – wie Zuckermoleküle (= Kohlenhydrate) – werden über einige Zwischenschritte umgewandelt. Dieser Abbauweg heißt Glykolyse und findet außerhalb des Mitochondriums im Zellinneren statt. Als Endprodukt entsteht ein Traubenzucker, das sogenannte Pyruvat (Brenztraubensäure). Dadurch wird bereits ein kleiner Teil Energie frei, die in Form von ATP gesichert wird. Anschließend wird das Pyruvat in die Mitochondrien eingeschleust. Dort durchläuft es einen vorbestimmten Stoffwechselkreislauf, der Zitronensäurezyklus (Citratzyklus) genannt wird. Im Citratzyklus werden permanent Wasserstoffionen (H+Ionen) vom Pyruvat abgespalten, wodurch viele verschiedene Zwischenverbindungen entstehen. Die H+ Ionen bauen über die Mitochondrienmembran ein Spannungsgefüge (einen chemischen Gradienten) auf. Und genau der wird nun zur Energiegewinnung genutzt, denn er treibt kleine Turbinen an, die in der mitochondrialen Membran sitzen.

Die Wege der Energiegewinnung im Mitochondrium

Im Detail: So geht effiziente Energieproduktion

Die Energieproduktion in den Mitochondrien besteht aus 2 zentralen Schritten:

  1. Der Zitronensäurezyklus
  2. Die Atmungskette

 

Der Zitronensäurezyklus (Citratzyklus)

Der lustige Name Citratzyklus kommt daher, weil als erstes Zwischenprodukt Zitronensäure entsteht. Für diesen ständig ablaufenden sogenannten Citratzyklus wird Sauerstoff (O2) benötigt. Diesen wichtigen Aspekt der Notwendigkeit von Sauerstoff sollte man sich immer vor Augen führen, denn bei vielen chronischen ist die Energieproduktion eingeschränkt, weil Sauerstoff fehlt. Und so läuft der Citratzyklus ab: Das gewonnene Pyruvat aus der Glykolyse wird in die Mitochondrienmatrix transportiert und durch das Enzym79 Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) zu „aktivierter Essigsäure“ abgebaut (Acetyl-CoA). Das Acetyl-CoA wird weiterverarbeitet zu CO2 (Kohlenstoffdioxid), das wir dann mit unserer Atemluft ausatmen.

Da wir Energie nicht nur aus Zucker gewinnen, ist Ihnen klar. Wie sonst würden wir Fettpölsterchen abnehmen können? Auch Fette können für die mitochondriale Energieproduktion genutzt werden. Sei es direkt aus der Verdauung oder unseren bereits angelegten „Fettpölsterchen“: Die Fettsäuren werden zunächst startklar gemacht und über das Transportermolekül CarnitinChemische Verbindnug, die Teil eines Transportsystems für Fettsäuren ist  ins Mitochondrien-Innere geschleust. Dort wird „aktivierte Essigsäure“ (Acetyl-CoA) abgeschnitten und steht jetzt ebenfalls für den bereits beschriebenen Citratzyklus bereit. Auch beim Abbau von Proteinen kann über die Weiterverarbeitung der entstehenden Aminosäuren Material für den Citratzyklus gewonnen werden.

Die Atmungskette

Der eigentliche Energie-bringende Schritt ist die sogenannte„AtmungsketteGrößter Teil der Energiegewinnung unseres Organismus mit dem Ergebnis der ATP-Bildung“. Dort wird ein Phosphat auf ADP übertragen und es entsteht? Genau: ATP! Die Atmungskette findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. Dort liegen 5 Enzymkomplexe (I-V) vor, welche dafür sorgen, dass die im Citratzyklus entstandenen Produkte so umgewandelt werden, dass als Ergebnis das Energiemolekül ATP und Wasser stehen. Auch hierbei spielt Sauerstoff eine entscheidende Rolle, weshalb die Atmungskette auch „innere Atmung“ (aerobSyn. sauerstoffabhängig; Gegenteil von anaerob: Stoffwechselprozesse von Zellen oder Organismen, die nur in Gegenwart von Luft-Sauerstoff ablaufen können ) genannt wird. Als Ergebnis der Atmungskette bekommt man allerdings nicht nur Energie und Wasser, sondern als Nebenprodukt entstehen auch freie Radikale. Je mehr Energie gebildet wird, desto mehr davon werden freigesetzt. Doch was ist eigentlich ein RadikalHochreaktive Substanzen aus dem Zellstoffwechsel, welche Proteine, Enzyme und DNA schädigen können und was kann es anrichten? Erfahren Sie hier mehr dazu: “Was sind oxidativer und nitrosativer Stress?”.

“Wenn Du Hunger hast, wirst Du zur Diva!”

Wie schafft es unser Körper auch in „Hungerzeiten“ die Grundversorgung zu gewährleisten – also auch dann, wenn er weder Zucker noch Fett aus der Nahrung bekommt? Haben Sie gewusst, dass unser Organismus selbst in der Lage ist Glukose zu produzieren (GlukoneogeneseFindet vor allem in der Leber und auch in der Nierenrinde statt; es wird aus Molekülen, die keine Kohlenhydrate sind (z.B. Aminosäuren und Laktat), Glukose synthetisiert.) oder aber auch Produkte des Fettsäureabbaus (Ketonkörperbildung in der Leber) zur Energieversorgung zu nutzen.

Warum sind in unserem Körper eigentlich so viele komplizierte, verzweigte Wege zur Gewinnung von Energie notwendig?

Ginge es nicht einfacher? Klar ginge es einfacher, doch was entsteht bei der Gewinnung von Energie immer? Extreme Wärme! Wir würden einfach überhitzen und könnten unsere Kerntemperatur nicht auf 37 Grad Celsius begrenzen, wenn wir die gesamte Energie in einem Schritt erzeugen würden. Das kennen Sie vielleicht von der „Knallgasreaktion“ aus dem Schulunterricht, bei welcher Wasserstoff und Sauerstoff heftig miteinander reagieren.

Alle energiebringenden Wege in unserem Körper laufen in enger und logischer regulatorischer Verknüpfung ab.

Cofaktoren – Spurenelemente – Vitamine: Wer unterstützt die Mitochondrien?

Bei allen Energie-bringenden Abläufen außerhalb und im Mitochondrium sind verschiedene CofaktorenSubstanz, die zum Ablauf einer (bio)chemischen Reaktion beiträgt. Oftmals handelt es sich um Mikronährstoffe z.B. Kalium (K+), Natrium (Na+), Magnesium (Mg2+), Zink (Zn2+), Kupfer (Cu2+) oder Eisen (Fe2+) notwendig. Das Enzym “Pyruvat-Dehydrogenase (PDH)” zum Beispiel kann seine Arbeit nur dann verrichten, wenn in ausreichender Menge Nährstoffe wie Vitamin B und Magnesium vorhanden sind. Ein Mangel kann zu einem Pyruvat-Stau führen. Darüber hinaus passiert etwas ganz fatales: Das überschüssige Pyruvat wird nicht zu Acetyl-CoA („aktivierte Essigsäure“) abgebaut, sondern zu Milchsäure (Laktat). Dieses Phänomen kennt jeder, der schon einmal richtig heftigen Muskelkater gehabt hat. Auch der Citratzyklus funktioniert nur, wenn entsprechende Cofaktoren (Vitamin B, Calcium, Magnesium, α-Liponsäure) in ausreichender Menge vorhanden sind. In der Atmungskette kommt es zu enormen Problemen, wenn Mikronährstoffe wie Eisen, Vitamin B, Coenzym Q10 oder Omega-3-Fettsäuren fehlen. Wenn sie mehr darüber erfahren möchten, welche Cofaktoren wo benötigt werden und welche Auswirkungen ein Mangel haben kann, wird Sie unser Beitrag “Cofaktoren – Wie Sie Ihre Mitochondrien stärken” interessieren. Eine ausreichende Nährstoffversorgung ist deshalb bei jeder chronischen Erkrankung wichtig und sollte immer Teil einer biologisch-medizinischen Therapie sein. Biologische Experten nennen die Nährstoffsupplementation “Orthomolekulare Therapie“. Auf andrino erfahren Sie alle Informationen über eine ganzheitliche und erfolgreiche mitochondriale Therapie.

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