Mitochondrien – Wie die geheimen Kraftwerke in unseren Zellen funktionieren

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Ein kurzer Ausflug in die Biochemie deines Körpers, um Gesundheit und Performance zu verstehen. 

Um zu verstehen, wie dein Körper Energie produziert und nutzt, ist ein kurzer Biologie-Exkurs sehr nützlich. Mitochondrien spielen dabei nämlich neben Zellkern, Lysosomen, Ribosomen und Co. eine besonders wichtige Rolle. Mach dir keine Sorgen, wir werden nicht zu tief in dieses Thema eintauchen. Aber weit genug, dass Du verstehst warum Mitochondrien für deine Gesundheit, deinen Energiehaushalt und deine Leistungsfähigkeit essentiell sind. Ich möchte, dass Du auch verstehst, dass Menschen mit chronischen Krankheiten wie das Chronische Müdigkeitssyndrom, Migräne oder Depression meist auch eine sogenannte mitochondriale Dysfunktion haben. Also sind ihre Mitochondrien schlapp oder krank und produzieren nicht genügend Energie. Man fühlt sich dann ausgelaugt, antriebslos, unzufrieden und wird auch öfter krank. Aber auch wenn du gesund bist, dich fit fühlst und deine Leistungsfähigkeit einfach nur steigern möchtest, ist es notwendig, die Mitochondrien zu pflegen. So kannst du dein Energielevel anheben und vom Performer zum High Performer werden. 

ALLES ist Energie und Energie ist ALLES

Der Hauptgrund, warum wir uns fit und stark oder schlapp und müde fühlen, liegt in der entscheidenden Rolle der Mitochondrien bei der Energieproduktion unseres Körpers. Sie sind für die Produktion von mehr als 90 % der Energie verantwortlich, die deine Zellen und alle deine Organe benötigen. Diese Energie wird Adenosintriphosphat, kurz ATP, genannt. Besonders wichtig sind Mitochondrien in Organen mit hohem Energiebedarf bzw. einer hohen Stoffwechselaktivität, wie Herz, Leber, Muskeln und Gehirn. Hier sind sie tatsächlich in sehr hoher Dichte vertreten. 

Beispielsweise machen Mitochondrien etwa 40 % jeder Herzmuskelzelle aus. Oder anders gesagt enthält jede Herzzelle 5.000 – 8.000 Mitochondrien. Dein Herz besteht also zu einem großen Teil aus wertvollen Mitochondrien. Diese faszinierenden Organellen sorgen dafür, dass dein Herz und natürlich alle anderen Systeme die notwendige Energie haben, um alle lebenswichtigen Funktionen auszuführen. [1] Mitochondrien erzeugen den Treibstoff (ATP) unermüdlich und geben dir so den Antrieb für deinen Alltag und halten dich gesund. Abhängig von deinem Fitness- und Gesundheitszustand, produzierst du rund 65 bis 100% deines eigenen Körpergewichtes an ATP. Und das täglich! Ein gut trainierter Triathlet mit rund 75 kg Körpergewicht, produziert bis zu 75 kg ATP am Tag. Das ist eine unglaubliche Leistung der Mitochondrien. Würdest du nur für 5 Sekunden aufhören ATP zu produzieren, würdest du sterben. So wichtig ist ATP für dein Leben! 

Obwohl ich mich nun seit vielen Jahren intensiv mit Mitochondrien beschäftige, bin ich trotzdem immer wieder aufs Neue erstaunt, was diese kleinen Zellorganellen alles in unserem Körper leisten. Ich denke persönlich, dass sie das wichtigste biologische Netzwerk sind, das in uns existiert! Und die absolute Grundlage von Leistung und Gesundheit. Nachdem du meine Artikelserie zu Mitochondrien gelesen hast, denkst du vielleicht ähnlich.

Die Zellkraftwerke des Körpers

Stell dir eine Körperzelle wie eine große Fabrik vor. Innerhalb dieser Fabrik gibt es viele Abteilungen, die verschiedene Aufgaben haben. Auch für die Energieproduktion gibt es eine zellinterne Abteilung: Hier arbeiten die Mitochondrien. Ohne diese kleinen Energielieferanten würde keine deiner Zellen funktionieren. Wichtige biologische Prozesse kämen ins Stocken und Du würdest einen Energiemangel und viele andere gesundheitliche Probleme erleiden. 

Mitochondrien sind frei im Zytoplasma der Zellen verteilt. Das Zytoplasma ist der gelartige Bereich innerhalb der Zelle, der die verschiedenen Organellen umgibt. Man kann es sich wie eine Art Suppe vorstellen, in der alle wichtigen Strukturen der Zelle schwimmen. Diese Organellen sind nicht nur zufällig im Zytoplasma verteilt. In Zellen, die viel Energie benötigen, wie deine Muskelzellen, sind Mitochondrien zahlreich in der Nähe von Strukturen angeordnet, die die Energie sofort nutzen können. Sie bewegen sich tatsächlich fortwährend im Zytoplasma, um ihre wichtige Arbeit zu machen. Das bedeutet, dass die Energie dort produziert wird, wo sie am dringendsten gebraucht wird. Dein Körper strotzt vor Mitochondrien, sie sind überall in jedem Gewebe und Organ vorhanden. Manche Zellen haben nur ein Mitochondrium, während andere, wie Muskelfasern, etwa 1.000 bis 2.000 Mitochondrien pro Zelle besitzen. Im Vergleich dazu haben die Eizellen der Frau jeweils bis zu 100.000 Mitochondrien! [2]

Woraus bestehen Mitochondrien?

Mitochondrien bestehen aus mehreren speziellen Komponenten, die zusammenarbeiten, um diese lebensnotwendige Energieform Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen. Schauen wir uns diese Komponenten genauer an:

Komponente	Beschreibung
Äußere Membran	Umschließt das Mitochondrium, enthält Poren für den Molekülaustausch. Also die Transportwege für Nährstoffe.
Innere Membran	Stark gefaltet, bildet Cristae (innere Falten), enthält Proteine der Atmungskette (einem Teil der Energiegewinnung).
Intermembranraum	Raum zwischen äußerer und innerer Membran. Dieser Bereich ist wichtig, weil hier ein Unterschied in der Anzahl von Protonen (kleine, positiv geladene Teilchen) erzeugt wird. Dieser Protonengradient spielt eine zentrale Rolle bei der Energieerzeugung in der Zelle.
Matrix	Innenraum, enthält Enzyme, mtDNA (mitochondriale DNA), Ribosomen, wichtig für Citratzyklus (zentraler Teil des Energiestoffwechsels) und ATP-Produktion
Mitochondriale DNA	Befindet sich in der Matrix, enthält wichtige Gene. Wird nur von der Mutter vererbt!

Diese detaillierte Struktur ermöglicht es den Mitochondrien, ihre Funktion als Kraftwerke der Zelle effektiv zu erfüllen. Die verschiedenen Komponenten arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass jede Zelle genügend Energie hat, um ihre vielfältigen Aufgaben zu bewältigen. [3] Warum erzähle ich dir die Struktur von Mitochondrien mehr oder weniger detailliert? Mitochondrien sind keine biologische Nebensache, sie sind elementar für deine Gesundheit. Sie besser zu verstehen, hilft uns, ihre Funktionalität und Leistung durch Lebensstil, Ernährung und andere Maßnahmen zu beeinflussen. Und genau das wollen wir ja gemeinsam tun, oder?

Welche Arten von Mitochondrien gibt es?

Mitochondrien sind vielfältiger, als man denkt. Ihre Struktur kann sich je nach Zelltyp und Energiebedarf unterscheiden, was sie besonders effizient in ihrer Funktion macht. Ein besonderes Merkmal der Mitochondrien sind die inneren Membranfalten, die sogenannten Cristae, deren Form und Struktur sich ebenfalls unterscheiden kann. 

Hier sind die wichtigsten Typen von Mitochondrien und ihre spezifischen Merkmale:

1. Cristae-Typ: Diese Mitochondrien haben flache, scheibenförmige Falten. Sie sind häufig in Zellen zu finden, die eine gleichmäßige und konstante Energieproduktion benötigen, wie zum Beispiel Leberzellen. Mitochondrien machen stattliche 25 % jeder Leberzelle aus. 
2. Tubulus-Typ: Hier sind die inneren Membranfalten röhrenförmig. Diese Struktur findet man oft in Steroid-produzierenden Zellen wie den Zellen der Nebennierenrinde und den Gonaden, wo sie eine spezielle Rolle in der Steroidproduktion spielen. Hier wird beispielsweise das wichtige Cortisol bzw Testosteron gebildet. 
3. Prisma-Typ: Dieser Typ hat prismatische oder säulenförmige Falten und kommt in bestimmten hochspezialisierten Zellen vor, die besondere Anforderungen an die Energieproduktion und Stoffwechselprozesse haben. Hierzu zählen zum Beispiel Herzmuskel- und Nervenzellen. 
4. Sacculus-Typ: Diese Mitochondrien haben sackartige Strukturen und sind in Zellen zu finden, die eine intensive Sekretion betreiben, wie zum Beispiel in den Zellen der Speicheldrüsen. [4]

Energiegewinnung durch Mitochondrien: Ein Blick in unseren Stoffwechsel

Ganz klar, die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP), dem universellen Energieträger in unseren Zellen. Diese wertvolle Energie wird durch einen Prozess namens oxidative Phosphorylierung (die Umwandlung von Nährstoffen in Energie) in der inneren Membran der Mitochondrien erzeugt. Die oxidative Phosphorylierung läuft über die Atmungskette, eine Reihe von Proteinkomplexen (Gruppen von Proteinen, die zusammenarbeiten), die Elektronen transportieren und dabei Energie freisetzen. Diese Energie wird genutzt, um ATP zu produzieren. Das ist eine wichtige Grundlage für ein gesundes Leben, ein hohes Leistungsniveau und den Erhalt unserer Zellgesundheit.  [5]

Ich möchte, dass du ein Verständnis dafür bekommst, wie der Energiegewinnungsprozess abläuft, da dieses Wissen dir helfen kann, die Bedeutung eines gesunden Lebensstils besser zu verstehen und gezielt Maßnahmen zur Verbesserung deiner Energielevels und Gesamtgesundheit zu ergreifen. Wenn dir das zu tief geht, überspringe diesen Teil und gehe direkt zu den 10 weiteren Jobs der Mitochondrien.

Hier sind die drei wichtigen Schritte der Energiegewinnung in deinen Mitochondrien:

Schritt 1: Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt in diesem Prozess, bei dem unser Körper Zucker (Glukose) abbaut. Dieser Prozess findet im Inneren der Zelle, im sogenannten Zytoplasma, statt. Dabei wird Glukose in zwei kleinere Moleküle namens Pyruvat aufgespalten. Während dieses Vorgangs wird eine kleine Menge Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) erzeugt, die die Zelle sofort nutzen kann. Außerdem entsteht dabei ein weiteres Molekül namens NADH, das später für die Energiegewinnung in den Mitochondrien wichtig ist.

Um die Glykolyse besser zu verstehen, kann man sie in drei Hauptschritte unterteilen:

1. Aktivierung der Glukose: Zuerst wird die Glukose durch einen chemischen Prozess aktiviert, damit sie weiterverarbeitet werden kann.
2. Aufspaltung der Glukose: Im nächsten Schritt wird die aktivierte Glukose in zwei kleinere Moleküle aufgeteilt.
3. Umwandlung und Energiegewinnung: Schließlich werden diese kleineren Moleküle weiter umgewandelt, wobei Energie in Form von ATP und ein weiteres Molekül namens NADH entsteht.

Auf diese Weise bereitet die Glykolyse den Zucker für die weiteren Schritte der Energiegewinnung in den Mitochondrien vor, nämlich den Citratzyklus und die oxidative Phosphorylierung.

Schritt 2: Citratzyklus (Krebs-Zyklus)

Nach der Glykolyse wird das Pyruvat in den Mitochondrien weiterverarbeitet. Es wird in ein Molekül namens Acetyl-CoA umgewandelt und dann durch eine Serie von Reaktionen im Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus genannt) abgebaut. Dieser Zyklus ist wie eine Maschine, die in mehreren Schritten arbeitet, um Energie aus den Nahrungsstoffen zu gewinnen.

Während dieser Reaktionen entstehen Kohlendioxid (CO₂), das wir ausatmen, und die Moleküle NADH und FADH₂. Diese Moleküle sind wie Energietransporter, die die gewonnene Energie zur nächsten Stufe der Energieproduktion bringen. Diese nächste Stufe ist die oxidative Phosphorylierung (Atmungskette), wo die eigentliche Energieerzeugung in Form von ATP stattfindet.

Schritt 3: Atmungskette

In der Atmungskette, die in der inneren Membran der Mitochondrien stattfindet, werden die Moleküle NADH und FADH₂ aus den vorherigen Schritten verwendet. Diese Moleküle geben ihre gespeicherte Energie ab, um eine Reihe von Reaktionen anzutreiben. Dabei wird eine große Menge ATP produziert, die Hauptenergiequelle der Zellen. Aus einem Molekül Glukose entstehen durch die gesamte Zellatmung etwa 30 bis 38 ATP-Moleküle, wobei die Atmungskette den größten Teil dieser Energie liefert. Dieser Prozess wandelt die Energie aus der Nahrung effizient in nutzbare Energie für den Körper um.

Die vielseitigen Aufgaben der Mitochondrien: Mehr als nur Zellkraftwerke

1. Regulation des Zellstoffwechsels

Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle im Zellstoffwechsel, indem sie verschiedene Metaboliten (Stoffwechselprodukte) und Energieträger produzieren. Sie sind an der Regulierung des Citratzyklus (ein wichtiger Prozess zur Energiegewinnung) beteiligt, der Kohlenhydrate, Fette und Proteine in Energie umwandelt.

2. Gesund durch programmierten Zelltod (Apoptose)

Mitochondrien sind an der Auslösung von Apoptose beteiligt, einem wichtigen Prozess zur Entfernung beschädigter oder überflüssiger Zellen. Sie setzen bei Bedarf Cytochrom c frei, das eine Kaskade von Ereignissen auslöst, die zum Zelltod führen. Cytochrom c bindet im Zytoplasma an das Protein Apaf-1 und bildet das Apoptosom. Dieses aktiviert Enzyme namens Caspasen, die die Zellstruktur zerstören. Die Zelle schrumpft, zerfällt in kleine Fragmente und wird von nahegelegenen Zellen abgebaut. Dieser Prozess hält den Körper sauber und gesund, indem er beschädigte Zellen entfernt und die Erneuerung von Geweben unterstützt.

3. Calcium-Speicherung und -Regulation

Mitochondrien helfen bei der Speicherung und Regulierung von Calciumionen innerhalb der Zelle. Calcium ist ein wichtiger Signalstoff, der viele zelluläre Prozesse wie Muskelkontraktion und Neurotransmitterfreisetzung beeinflusst. Des Weiteren spielt Calcium eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Herzrhythmus und beim Knochenstoffwechsel. 

4. Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (kurz: ROS)

Mitochondrien produzieren reaktive Sauerstoffspezies als Nebenprodukt der Atmungskette. Diese Moleküle spielen eine Rolle in der Zellkommunikation, bei Zellstress (zB  Temperaturstress) und sind an Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger beteiligt. Sie können jedoch auch Schäden verursachen, wenn sie nicht kontrolliert werden.

5. Mitochondrien informieren Zellen über Stress

Ein Bereich der Mitochondrienforschung, der noch viele Geheimnisse birgt, ist die genaue Funktionsweise, wie Mitochondrien zellulären Stress melden. Ein bedeutender Fortschritt wurde jedoch durch eine Entdeckung von Forschern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) erzielt. Diese haben herausgefunden, dass ein Protein namens DELE1 in menschlichen Zellen mitochondrialen Stress erkennt und diese Information an andere Bereiche innerhalb derselben Zelle weiterleitet. Diese Kommunikation zwischen dem Protein und den Zellbereichen kann zu Reparaturmaßnahmen oder zum programmierten Zelltod führen.

6. Mitophagie (Abbau von beschädigten Mitochondrien)

Funktionsunfähige oder beschädigte Mitochondrien stören unser Zellsystem und müssen entfernt werden. Durch den Prozess der Mitophagie werden solche defekten Mitochondrien gezielt erkannt und abgebaut, um die Zellgesundheit zu erhalten.

7. Synthese von Steroidhormonen

In bestimmten Zellen sind Mitochondrien an der Synthese von Steroidhormonen beteiligt. Das kennen wir bereits aus der Beschreibung der Mitochondrien des Tubulus-Typ. In den Zellen der Nebennierenrinde und Gonaden helfen sie bei der Produktion von Hormonen wie Cortisol, Testosteron und Östrogen. Sie greifen somit direkt in die Funktion eines weiteren essentiellen Energiesystems unseres Körpers ein, dem Hormonhaushalt. Mit diesen werden wir uns in weiterführenden Artikeln tiefgründig beschäftigen.  

8. Thermogenese (Wärmeproduktion)

In braunem Fettgewebe sind Mitochondrien für die Erzeugung von Wärme verantwortlich. Dies geschieht durch die Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung. Das bedeutet, dass Energie, die normalerweise zur Produktion von ATP genutzt wird, stattdessen als Wärme freigesetzt wird. Dieser Effekt hilft uns besonders, wenn wir frieren.

9. Regulation des mitochondrialen Erbguts

Mitochondrien besitzen ihre eigene DNA und können wichtige Proteine selbst synthetisieren, die für die Produktion von Enzymen und anderen essentiellen Komponenten der Atmungskette und weiterer mitochondrialer Prozesse benötigt werden.

10. Signaltransduktion

Mitochondrien spielen eine Rolle in der Signalübertragung innerhalb der Zelle. Sie beeinflussen verschiedene Signalwege, die Zellwachstum, Differenzierung und Überleben regulieren.

Fazit zu den Mitochondrien

Ich hoffe, dieser Biologie-Exkurs war nicht zu viel und du bist noch voll beim Thema. Wir haben jetzt zumindest erfahren, wie Mitochondrien als kleine Kraftwerke in unseren Zellen funktionieren. Du weißt jetzt, wie wichtig sie für deine Gesundheit und Energie sind. 

Die drei Hauptschritte der Energiegewinnung – Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette – zeigen, wie unser Körper Zucker in nutzbare Energie umwandelt. Ohne Mitochondrien könnten unsere Zellen nicht die notwendige Energie produzieren, um ihre vielen Aufgaben zu erfüllen. 

Mitochondrien sind besonders wichtig in Zellen, die viel Energie brauchen, wie Herz-, Muskel- und Gehirnzellen. Indem wir unsere Mitochondrien pflegen und unterstützen, können wir unsere Energielevels, Gesundheit und Leistungsfähigkeit verbessern. Ob du nun gesund bist oder mit chronischen Beschwerden kämpfst, starke und gesunde Mitochondrien sind der Schlüssel zu einem höheren Wohlbefinden und mehr Zufriedenheit. 

Im folgenden Artikel beschäftigen wir uns näher mit dem Thema, wie Mitochondrien krank werden. Wir werden in weiteren Artikeln auch die Möglichkeiten der Leistungs- und Gesundheitsdiagnostik sowie Labormessungen rund um Energie und mitochondriale Gesundheit beleuchten. Ein weiterer Schwerpunkt wird sein, was unseren Zellkraftwerken schadet und was sie stärkt. Schließlich werden wir uns mit der optimalen Versorgung durch Nahrung und Nahrungsergänzungsmittel beschäftigen, um die Gesundheit unserer Mitochondrien zu fördern.

Alle Artikel rund um die 5 Energiesysteme deines Körpers findest du auch als Podcast auf Spotify, Apple Podcast etc. und in kurzen Erklärvideos auf Instagram, YouTube Story und TikTok. Viel Spaß dabei 🙂 

Your Performance & Health Optimizer 

Richard Staudner

PS: Deine Gesundheit ist dir wichtig? Besorg dir auf Amazon mein Buch “Drück mal Pause”! Darin erkläre ich, wie Stress entsteht, was er für gesundheitliche Folgen hat und wie du ihn kontrollieren und sogar nutzen kannst. 

Bibliography:

1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23271651/
2. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Cytoplasm
3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1962047
4. https://www.wikilectures.eu/w/Mitochondria
5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33081639/
6. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36849000/
7. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18304445/ 
8. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36323233/
9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32132706/
10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK546695/
11. https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/pyruvate-oxidation-and-the-citric-acid-cycle/a/the-citric-acid-cycle
12. https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/respiratory-chain