Mitochondrien: Die unterschätzten Kraftwerke unserer Zellen

Inhaltliche Qualitätssicherung: Dr. rer. nat. Till Schumacher (Apotheker)

Mitochondrien befinden sich in großen Mengen in beinahe allen Körperzellen. Da sie für die Energieversorgung des gesamten Organismus von grundlegender Bedeutung sind, werden sie auch als die Kraftwerke unserer Zellen bezeichnet. Ohne die ununterbrochene Arbeit der Mitochondrien könnten die meisten Körperprozesse nicht ablaufen.

Eine gute Gesundheit der Mitochondrien bildet die Grundvoraussetzung für ein hohes Energielevel und Wohlbefinden im Alltag. Wenn die zellinternen Kraftwerke nicht richtig funktionieren, kommt es in der Regel zu zunehmender Müdigkeit und nachlassender Leistungsfähigkeit. Darüber können sich mit der Zeit zahlreiche weitere Symptome entwickeln, die den ganzen Körper betreffen können. Durch einen gesunden Lebensstil und die Versorgung mit allen essentiellen Nährstoffen ist es jedoch möglich, die Funktionsfähigkeit der Mitochondrien langfristig zu fördern und Beschwerden effektiv entgegenzuwirken.

Was sind Mitochondrien?

Bei einem Mitochondrium handelt es sich um ein Zellorganell, also einen abgrenzbaren Bereich innerhalb einer Zelle. In beinahe allen Zellen des menschlichen Körpers befinden sich zahlreiche Mitochondrien. Die genaue Anzahl kann in Abhängigkeit des Zelltyps jedoch stark variieren.

Innerhalb der Mitochondrien befindet sich ein eigenes Genom, die mitochondriale DNA (mtDNA). Forscher gehen deshalb davon aus, dass Mitochondrien einst eigenständige Organismen waren, die sich im Laufe der Evolution mit mehrzelligen Lebewesen zusammenschlossen. Heute sind die Zellorganelle jedoch nicht mehr in der Lage, eigenständig zu überleben. Stattdessen nehmen sie innerhalb unseres Körpers eine so wichtige Rolle ein, dass wir Menschen ohne Mitochondrien nicht überlebensfähig wären.

Der Aufbau von Mitochondrien

Mitochondrien haben eine Größe von ungefähr 1 Mikrometer, wodurch sie unter einem Elektronenmikroskop gut sichtbar sind. In der Regel weisen sie eine ovale, bohnenähnliche Form auf. Die Zellorganelle zeichnen sich durch ihre charakteristische Doppelmembran aus. Diese setzt sich aus einer äußeren und einer inneren Membran zusammen.

Die äußere Membran der Mitochondrien ist beinahe glatt und bildet sozusagen eine Schutzhülle für deren innere Struktur. Zwischen den beiden Membranen liegt der Intermembranraum, in dem sich verschiedene Enzyme und andere Stoffe befinden. Die innere Membran ist stark gefaltet und weist somit eine große Oberfläche auf, die für die Energieproduktion in den Mitochondrien benötigt wird. Die Strukturen, die durch diese Einfaltungen entstehen, werden als Cristae bezeichnet. Innerhalb der inneren Membran liegt die sogenannte Matrix. Dabei handelt es sich um einen Bereich, in dem chemische Reaktionen zur Energieherstellung ablaufen.

Funktionen von Mitochondrien

Mitochondrien werden häufig auch als die Kraftwerke unserer Zellen bezeichnet. Dies liegt daran, dass sie Energie bereitstellen, die die Zellen für die Aufrechterhaltung lebenswichtiger Prozesse benötigen. Neben der Energiebereitstellung im Rahmen der ATP-Produktion sind sie für die Zellatmung, die Calcium-Homöostase und die Apoptose verantwortlich. Darüber hinaus sind sie an Erbprozessen beteiligt.

ATP-Produktion

Die wohl wichtigste Aufgabe der Mitochondrien besteht in der sogenannten ATP-Produktion. ATP oder Adenosintriphosphat ist ein Nukleotid, also ein Baustein der RNA und DNA. Es handelt sich um den wichtigsten Regulator energieliefernder Prozesse und Energieträger in allen Zellen. Er besteht aus drei Phosphatgruppen sowie einem Zucker und der DNA-Base Adenin.

Die ATP-Produktion in den Mitochondrien erfolgt durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe vom APT, wodurch ADP beziehungsweise Adenosindiphosphat entsteht. Im Rahmen der sogenannten Phosphorylierung wird eine Phosphatgruppe an das ADP angehängt, wodurch es sich wieder in ATP verwandelt. Dieser Vorgang läuft innerhalb der Mitochondrien durchgehend und in großer Geschwindigkeit ab. Die Zellen benutzen die auf diese Weise hergestellte Energie als Treibstoff für beinahe alle lebenswichtigen Körperprozesse – darunter beispielsweise die Gehirnfunktion oder die Muskelbewegung.

Zellatmung

Die Zellatmung wird auch als innere Atmung oder biologische Oxidation bezeichnet und ist eine weitere wichtige Aufgabe der Kraftwerke der Zellen. Es handelt sich um einen Stoffwechselprozess, der in beinahe allen lebenden Organismen erfolgt. Ziel der Zellatmung ist die Gewinnung von Energie in Form von ATP aus Nährstoffen wie Glukose.

Im Rahmen der Zellatmung können aus einem Glukosemolekül 30 bis 32 ATP gewonnen werden. Dies erfolgt in einem mehrstufigen Prozess, bei dem Zucker und Sauerstoff nach und nach in Kohlenstoffdioxid, Wasser und nutzbare Energie in Form von ATP abgebaut werden. Die Reaktion kann in vier Schritte unterteilt werden: die Glykolyse, die oxidative Decarboxylierung, der Citratzyklus und die Atmungskette. Die Glykolyse läuft im Zytoplasma der Zellen ab, alle anderen Schritte dagegen in den Mitochondrien.

Calcium-Homöostase

Im Rahmen der Calcium-Homöostase wird die Konzentration von Calcium im Blut und in anderen Zellen auf einem konstanten Niveau erhalten. Die Mitochondrien leisten einen entscheidenden Beitrag zu diesem lebenswichtigen Prozess, indem sie Calcium-Ionen aufnehmen und speichern können. Bei Bedarf geben sie diese erneut an die Zellen ab.

Apoptose

Bei der Apoptose handelt es sich um eine Art des vorprogrammierten Zelltods, also ein Selbstzerstörungsprogramm der Zellen. Dabei wird die äußere Membran der Mitochondrien durchlässig, wodurch nach und nach die gesamte Zelle zerfällt. Die Apoptose tritt beispielsweise ein, wenn das Immunsystem Zellschäden oder Infektionen registriert. Um gravierenden Folgeschäden für den Organismus vorzubeugen, kann eine Zerstörung geschädigter Zellen und damit auch eine Entsorgung potentiell schädlicher Abbauprodukte veranlasst werden. Zudem erfolgt die Apoptose im Rahmen der Entsorgung alter und nutzloser Körperzellen. In jeder Sekunde entsorgt der Körper auf diese Weise Millionen von Zellen.

Besonderheiten von Mitochondrien in verschiedenen Zelltypen

In den meisten Körperzellen befinden sich ungefähr 1500 Mitochondrien. Lediglich die Zellen der oberen Hautschicht sowie die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) enthalten keinerlei Mitochondrien. Letztere benötigen die Zellkraftwerke für ihre Funktion nicht, da sie ihre Energie auf anderem Wege beziehen. Einige Zellarten wie Eizellen, Muskelzellen, Nervenzellen und Leberzellen enthalten dagegen bis zu 8000 Mitochondrien.

Die Konzentration an Mitochondrien in verschiedenen Zellentypen variiert insbesondere in Abhängigkeit von deren Energiebedarf, aber auch von deren Funktion und Stoffwechseltyp. Da eine höhere Konzentration an Mitochondrien zu einer erhöhten Energieproduktion in der entsprechenden Zelle führt, enthalten Zellen mit einem hohen Energiebedarf in der Regel auch überdurchschnittlich viele von ihnen. Herzmuskelzellen benötigen beispielsweise besonders viel Energie, weshalb Mitochondrien bis zu 36 Prozent ihres Volumens ausmachen. Auch Eizellen enthalten eine große Menge an Mitochondrien, die von der Mutter an die Nachkommen vererbt werden. Fettzellen und Hautzellen weisen dagegen eine geringe Stoffwechselaktivität auf und benötigen deshalb auch weniger ATP zur Deckung ihres Energiebedarfs. Aus diesem Grund kommen sie mit einem deutlich geringeren Anteil an Mitochondrien aus.

Mitochondriale Dysfunktion und mitochondriale Erkrankungen

Im Normalfall steht dem Körper dank der durchgehenden Aktivität der Mitochondrien ausreichend Energie für die Aufrechterhaltung aller lebenswichtiger Prozesse zur Verfügung. Bei einigen Menschen ist die Funktion der zellinternen Kraftwerke jedoch beeinträchtigt, wodurch die Energiebereitstellung nachlässt. In diesem Fall spricht man von einer mitochondrialen Dysfunktion. Es gibt zahlreiche mitochondriale Erkrankungen, die auf einer beeinträchtigten Funktion der Zellkraftwerke basieren. Diese verlaufen in der Regel chronisch und können entweder von Geburt an auftreten oder sich erst im Laufe des Lebens bemerkbar machen.

Funktionsstörungen der Mitochondrien resultieren häufig aus einer genetischen Veränderung oder Mutation. Diese kann sowohl vererbt werden als auch spontan auftreten. Im Falle einer vererbten chronischen Störung spricht man von einer primären mitochondrialen Erkrankung. Wenn eine mitochondriale Dysfunktion aus einer anderen Erkrankung resultiert, spricht man dagegen von einer sekundären mitochondrialen Dysfunktion. Diese kann im Zusammenhang mit zahlreichen Erkrankungen auftreten, darunter beispielsweise Krebs, Diabetes, Alzheimer und Muskeldystrophie. Es wird davon ausgegangen, dass darüber hinaus Umweltfaktoren wie Giftstoffe sowie die Einnahme bestimmter Medikamente die Entstehung einer mitochondrialen Dysfunktion begünstigen können.

Symptome von Erkrankungen der Mitochondrien

Fehlfunktionen der Mitochondrien können sich je nach betroffenen Körperzellen und Schweregrad durch zahlreiche verschiedene Symptome von unterschiedlicher Intensität äußern. Da sich die Kraftwerke in beinahe allen Zellen des Körpers befinden, können die Beschwerden den gesamten Organismus betreffen. Durch ihre Vielfältigkeit gelten mitochondriale Erkrankungen als besonders schwer diagnostizierbar. Bis heute gibt es kein einheitliches Testverfahren zu ihrer zuverlässigen Diagnose. Mithilfe verschiedener Untersuchungen ist es in der Regel jedoch möglich, eine Dysfunktion der Mitochondrien zu erkennen. Es gibt medizinische Einrichtungen, die auf die Erkennung und Behandlung von Erkrankungen der Mitochondrien spezialisiert sind.

Eine mitochondriale Dysfunktion geht mit einer verminderten APT-Produktion in den Zellen einher. Aus diesem Grund äußert sie sich oft zunächst durch chronische Müdigkeit und Erschöpfung. Viele Betroffene empfinden einen anhaltenden Energiemangel, der trotz zunehmenden Schlafs nicht nachlässt. Die Symptome einer geminderten Funktion der Mitochondrien können also den typischen Beschwerden von Burn-out und Stresserkrankungen gleichen.

Da viele Organe auf eine hohe Energieversorgung angewiesen sind, kommt es im Rahmen von Funktionsstörungen der Mitochondrien häufig zu einer Beeinträchtigung energieintensiver Körperfunktionen. Zu den möglichen Symptomen gehören eine nachlassende Muskelfunktion, Gedächtnis- und Konzentrationsprobleme, Verdauungsbeschwerden und Herzprobleme. In Abhängigkeit der betroffenen Organe und Gewebe können die Beschwerden jedoch beinahe im gesamten Körper auftreten.

Zu den möglichen Folgen einer mitochondrialen Dysfunktion beziehungsweise mitochondrialen Erkrankungen gehören:

• Chronische Müdigkeit und Erschöpfung
• Muskelschwäche, Muskelschmerzen
• Magen-Darm-Beschwerden wie Durchfall, Verstopfung, Krämpfe, Reflux und Erbrechen
• Diabetes
• Herz-, Nieren- oder Leberbeschwerden
• Seh- und Hörprobleme
• Entwicklungsstörungen
• Konzentrationsschwäche, Gedächtnisprobleme
• Autismus
• Bewegungsstörungen
• Migräne
• Krampf- und Schlaganfälle
• Erhöhtes Infektionsrisiko
• Funktionsstörungen der Schilddrüse
• Atemprobleme
• Demenz

Mitochondriale Dysfunktion und Alterungsprozesse

Mit zunehmendem Alter nimmt die Energieproduktion im Körper und somit auch die Leistung der Mitochondrien unweigerlich ab. Darüber hinaus lässt sich beobachten, dass es bei älteren Menschen im Rahmen der Zellatmung in den Mitochondrien vermehrt zur Entstehung freier Sauerstoffradikale kommt. Es wird vermutet, dass die nachlassende Funktion der Zellkraftwerke gemeinsam mit vermehrtem oxidativen Stress zu einer Beschleunigung des Alterungsprozesses beiträgt.

Insbesondere bei älteren Menschen mit mitochondrialer Dysfunktion lassen sich häufig auch neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Demenz beobachten. Verminderte kognitive Leistungen können jedoch auch bei Betroffenen in jungem Alter auftreten.

Ein gesunder Lebensstil zur Förderung der mitochondrialen Gesundheit

Bislang gibt es kein allgemein anerkanntes Heilverfahren für mitochondriale Erkrankungen. Nach aktuellem Stand der Schulmedizin handelt es sich um chronische Erkrankungen, die Betroffene ein Leben lang begleiten. Dennoch gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die auftretenden Beschwerden zu lindern und die allgemeine Leistungsfähigkeit der Mitochondrien langfristig zu fördern. Ein gesunder Lebensstil und eine ausgewogene Ernährung bieten die Grundvoraussetzung für eine gute mitochondriale Gesundheit.

Ausreichende Bewegung und Stressmanagement

Wissenschaftliche Studien legen nahe, dass regelmäßige körperliche Bewegung sowohl die Anzahl als auch die Aktivität der Mitochondrien erhöhen kann. Durch ausreichend Bewegung im Alltag kann die Energieproduktion im Körper also gesteigert werden. Zur Förderung der Ausdauer empfiehlt sich Ausdauersport wie Joggen, Radfahren, Schwimmen oder Tanzen. Um einer nachlassenden Muskelfunktion entgegenzuwirken, empfehlen sich Kraftübungen wie Gewichtheben, Sit-Ups oder Liegestützen. Auch Behandlungen wie Ergotherapie, Physiotherapie oder Logopädie können sich positiv auf bestehende Beschwerden sowie die allgemeine Funktion der Mitochondrien auswirken.

Da eine mitochondriale Dysfunktion oftmals mit verminderter Leistungsfähigkeit einhergeht, sollten Betroffene zu intensives Training und jegliche Art der Überanstrengung vermeiden. Chronischer Stress und Schlafmangel können jedoch auch bei gesunden Menschen negative Auswirkungen auf die Aktivität Mitochondrien zeigen. Es empfiehlt sich deshalb, auf ausreichend Ruhe zu achten und Entspannungstechniken wie Meditation oder Atemübungen in den Alltag zu integrieren.

Eine gesunde und ausgewogene Ernährung

Bekanntermaßen bildet eine gesunde und ausgewogene Ernährung das Fundament für eine gute Gesundheit. Eine Unterversorgung mit Nährstoffen und eine Belastung mit Schadstoffen können eine nachlassende Funktion der Mitochondrien zur Folge haben. Zur Förderung der mitochondrialen Gesundheit empfiehlt es sich also, vorzugsweise frische, qualitativ hochwertige Lebensmittel zu verzehren und auf die Versorgung mit allen wichtigen Nährstoffen zu achten. Entzündungshemmende Nahrungsmittel, die reich an Antioxidantien oder Omega-3-Fettsäuren sind, können besonders positive Auswirkungen auf die Energieversorgung zeigen. Es empfiehlt sich, ausreichend frisches Obst und Gemüse, Nüsse und Samen, Vollkorngetreide sowie Fisch in die tägliche Ernährung zu integrieren.

Alkohol- und Zigarettenkonsum, Geschmacksverstärker, Konservierungsstoffe und zahlreiche weitere Substanzen können sich nach und nach im Körper ansammeln und die Energieproduktion zunehmend beeinträchtigen. Es ist also empfehlenswert, den Konsum schädlicher Stoffe im Vorfeld zu vermeiden. Durch Fasten ist es jedoch möglich, die natürliche Regenerierung des Körpers und die Funktion der Mitochondrien zu fördern. So kann beispielsweise durch das 16:8-Fasten die Apoptose angekurbelt werden, wodurch Giftstoffe und unnütze Zellreste vermehrt ausgeschieden werden. In Folge werden geschädigte Mitochondrien durch neue, leistungsstärkere ersetzt.

Wichtige Nährstoffe für die Gesundheit der Mitochondrien

Einige Nährstoffe sind für eine normale Funktion der Mitochondrien von besonders großer Bedeutung. Dazu gehören beispielsweise Antioxidantien wie Vitamin A und E, die Mineralstoffe Kupfer, Zink und Selen sowie Coenzym Q10. Durch ihre antioxidative Wirkung schützen sie die Zellkraftwerke vor oxidativem Stress und wirken beispielsweise Schäden der Zellmembranen entgegen. Coenzym Q10 ist darüber hinaus am Elektronentransport der Mitochondrien beteiligt und unterstützt somit deren interne Energieproduktion. Auch die Vitamine des B-Komplexes, darunter insbesondere Vitamin B1 (Thiamin), B2 (Riboflavin), B3 (Niacin), B5 (Pantothensäure) und B12 (Cobalamine), sind für die Energiebereitstellung in den Zellkraftwerken von unerlässlicher Bedeutung.

Bei einem Verdacht auf mitochondriale Dysfunktion empfiehlt es sich, vermehrt auf die Aufnahme der genannten Nährstoffe zu achten. Bei vielen Betroffenen lässt sich ein Mangel an einem oder mehreren dieser Mikronährstoffe feststellen. Eine Untersuchung mittels Bluttest kann Aufschluss über mögliche Nährstoffmängel geben. Im Falle eines diagnostizierten Mangels ist es ratsam, diesen schnellstmöglich durch eine Ernährungsumstellung sowie die Einnahme entsprechender Nahrungsergänzungsmittel auszugleichen.

Fazit: Mitochondriale Gesundheit für ein hohes Energielevel

Mitochondrien gelten als die Kraftwerke unserer Zellen. Sie sind dafür verantwortlich, den Körper mit ausreichend Treibstoff für die Aufrechterhaltung unzähliger lebenswichtiger Prozesse zu versorgen. In beinahe allen Körperzellen befinden sich mindestens Tausend, oftmals aber auch mehrere Tausend dieser kleinen unterschätzten Kraftwerke.

Im Falle einer Funktionsstörung oder Erkrankung kann es jedoch vorkommen, dass die Energiebereitstellung in den Mitochondrien nachlässt. In Folge können zahlreiche Beschwerden wie chronische Müdigkeit, eine nachlassende Leistungsfähigkeit oder eine verminderte Organfunktion auftreten. Da Mitochondrien im gesamten Körper auftreten, kann eine Beeinträchtigung in ihrer Funktion eine enorme Bandbreite an Symptomen nach sich ziehen. Aufgrund ihrer Vielfalt lassen sich mitochondriale Erkrankungen nur schwer diagnostizieren. Zudem gelten sie bis heute als nicht heilbar.

Glücklicherweise gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Funktion der Mitochondrien zu stärken und Symptomen einer mitochondrialen Fehlfunktion entgegenzuwirken. Ausreichend Bewegung und Schlaf, das Vermeiden von Stress und eine gesunde Lebensweise bieten die Grundvoraussetzung für ein hohes Energielevel. Darüber hinaus gibt es einige Nährstoffe, die für die Funktion der Mitochondrien besonders wichtig sind. Um Beschwerden vorzubeugen und entgegenzuwirken, empfiehlt es sich also, Wert auf ausreichend hohe Nährstoffspiegel zu legen und eventuelle Mängel umgehend zu behandeln.