Mitochondrien: Aufbau, Funktion und was sie für deine Gesundheit tun

Mitochondrien liegen im Zytoplasma, dem Zellplasma rund um den Zellkern. Sie sind etwa einen halben bis einen Mikrometer dick und einige Mikrometer lang, also nur unter dem Mikroskop zu sehen. Im Schulbuch sind sie bohnenförmig gezeichnet. In lebenden Zellen bilden sie oft ein bewegliches Netz, das sich ständig teilt und wieder verschmilzt.

Wie viele Mitochondrien hat eine Zelle? Das hängt vom Energiebedarf ab. Die meisten Körperzellen enthalten einige hundert bis einige tausend. Besonders viele haben Herzmuskel, Leber, Nervenzellen und Skelettmuskel; im Herzmuskel machen Mitochondrien rund ein Drittel des Zellvolumens aus. Reife rote Blutkörperchen haben gar keine, sie gewinnen ihre Energie allein im Zellplasma.

Von außen nach innen besteht ein Mitochondrium aus vier Bereichen:

• Äußere Membran: eine glatte Hülle mit vielen Poren, durch die kleine Moleküle frei hindurchtreten.
• Intermembranraum: der schmale Spalt zwischen den beiden Membranen. Hierhin pumpt die Atmungskette Protonen und baut so eine Spannung auf.
• Innere Membran mit Cristae: Sie ist dicht und zu Falten eingestülpt, den Cristae (Einzahl: Crista). Die Falten vergrößern die Fläche, auf der die Atmungskette und die ATP-Synthase sitzen. Ein eigenes Fett dieser Membran, das Cardiolipin, hält die Falten in Form.
• Matrix: der Innenraum. Hier laufen der Citratzyklus und der Abbau von Fettsäuren, hier liegen die eigene DNA und die eigenen Ribosomen. Im Elektronenmikroskop sieht man dort auch dichte Körnchen, die Matrixgranula, in denen Kalzium gespeichert wird.

Wer eine Skizze zeichnet, malt eine Bohne mit doppelter Linie, die innere Linie in Zickzackfalten, und setzt in den Innenraum einen kleinen Ring für die DNA und Punkte für die Ribosomen. Je mehr Energie ein Gewebe braucht, desto dichter stehen die Cristae.

Mitochondrien waren einmal eigenständige Bakterien. Vor anderthalb bis zwei Milliarden Jahren nahm eine einfache Wirtszelle ein Bakterium auf, das mit Sauerstoff Energie gewinnen konnte. Aus dem Gast wurde ein Partner, und erst diese Partnerschaft lieferte genug Energie für große, komplexe Zellen mit Zellkern, aus denen später Pflanzen, Pilze und Tiere wurden (Zelle; Lane & Martin, 2010). Diese Endosymbiontentheorie stützt sich auf mehrere Spuren: die doppelte Membran, die ringförmige DNA, die Teilung wie bei Bakterien und die eigenen Ribosomen, die bakteriellen Ribosomen ähneln.

Die mitochondriale DNA (mtDNA) ist ein kleiner Ring mit 37 Genen. 13 davon tragen den Bauplan für Teile der Atmungskette, die übrigen für die Werkzeuge, mit denen das Mitochondrium diese Teile selbst herstellt (Mensch; Taylor & Turnbull, 2005). Diese Werkzeuge sind die mitochondrialen Ribosomen, kleine Proteinfabriken in der Matrix. Die allermeisten der über tausend Proteine eines Mitochondriums stammen dagegen aus dem Zellkern und werden hineintransportiert.

Die mtDNA erbst du fast ausschließlich von deiner Mutter, denn die Mitochondrien des Spermiums werden nach der Befruchtung abgebaut. Darum lassen sich mütterliche Linien weit zurückverfolgen, bis zu einer gemeinsamen Ahnin aller heute lebenden Menschen, die in der Forschung „mitochondriale Eva“ heißt.

Die Energie in deinem Körper beginnt im Sonnenlicht. Pflanzen fangen es ein und speichern es in Ketten aus Kohlenstoff und Wasserstoff: Zucker, Stärke, Fett. Wenn du isst, zerlegt dein Körper diese Ketten. Der erste Schritt, die Glykolyse, läuft im Zytoplasma und liefert nur wenig Energie. Der große Rest geschieht in den Mitochondrien. Das ist der Kern deines Energiestoffwechsels.

In der Matrix löst der Citratzyklus die Elektronen aus dem Brennstoff und übergibt sie an Träger wie NAD+. Die Träger bringen sie zur Elektronentransportkette in der inneren Membran. Dort fließen die Elektronen wie Strom durch eine Reihe von Proteinkomplexen; Coenzym Q10 trägt sie dabei von einem Komplex zum nächsten. Mit der frei werdenden Energie pumpen die Komplexe Protonen in den Intermembranraum. So entsteht an der hauchdünnen Membran eine Spannung von etwa 150 bis 180 Millivolt, wie in einem geladenen Kondensator. Fachleute nennen das den Protonengradienten.

Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück, eine winzige Turbine, die sich dabei dreht und ATP zusammensetzt. Peter Mitchell beschrieb dieses Prinzip 1961 und erhielt dafür 1978 den Nobelpreis für Chemie. Am Ende der Kette nimmt Sauerstoff die Elektronen auf, und es entsteht Wasser. Darum atmest du Sauerstoff ein, und der Kohlenstoff deines Essens verlässt dich als Kohlendioxid über die Lunge.

Über den Tag setzt dein Körper etwa so viel ATP um, wie du wiegst, denn jedes Molekül wird ständig verbraucht und neu beladen (Mensch; Lehrbuchwissen). Das Gehirn braucht rund ein Fünftel davon, obwohl es nur etwa zwei Prozent des Körpergewichts ausmacht.

Neben ATP haben Mitochondrien weitere Aufgaben. Vier davon zeigen, wie weit ihre Rolle reicht (Zelle; Nunnari & Suomalainen, 2012):

• Signale: Bei der Atmung entstehen in kleinen Mengen reaktive Sauerstoffverbindungen. Lange galten sie nur als Abfall, doch in geringer Menge sind sie Botenstoffe, die Schutzprogramme der Zelle anschalten. Erst im Übermaß schaden sie (Zelle und Tier; Ristow & Schmeisser, 2014).
• Wärme: Im braunen Fettgewebe lassen Mitochondrien die Protonen gezielt ungenutzt zurückfließen. Statt ATP entsteht Wärme.
• Zelltod: Ist eine Zelle schwer geschädigt, setzen ihre Mitochondrien das Startsignal für den geplanten Zelltod frei, das Cytochrom c. So schützt der Körper das Gewebe vor kaputten Zellen.
• Gefahrenmeldung: Gelangt mtDNA aus einem verletzten Mitochondrium in die Zelle oder ins Blut, erkennt das Immunsystem darin die alte Bakterienherkunft und schlägt Alarm.

Mitochondrien sind deshalb eher Schaltstelle als Ofen. Sie verrechnen, was die Zelle braucht, mit dem, was sie gerade bedroht.

Was passiert, wenn ein Mitochondrium die Lage als Gefahr liest, etwa bei einer Infektion, einer Verletzung, einem Gift oder lang anhaltender Überforderung? Der Biochemiker Robert Naviaux beschreibt dafür ein Schutzprogramm, in der Forschung Cell Danger Response, auf Deutsch zelluläre Gefahrenantwort (Modell nach Naviaux, 2014). Die Mitochondrien drosseln dann die Energie für Wachstum und Alltag, verteilen um zur Abwehr und senden Alarmsignale an die Nachbarzellen. Das ist kein Defekt. Das ist ein alter, sinnvoller Schutz.

Nach dem Modell verläuft das Programm in Phasen: erst Abwehr, dann Reparatur, dann die Rückkehr ins gesunde Zusammenspiel des Gewebes. Entscheidend ist der Abschluss. Naviaux vermutet, dass manche chronischen Beschwerden und Teile des Alterns entstehen, wenn dieser Heilungszyklus nicht zu Ende läuft und Zellen im Schutz verharren (Modell nach Naviaux, 2019). Das ist ein Modell, das viele Befunde ordnet, kein Beleg am einzelnen Menschen.

Auch seelische Belastung kommt bei den Mitochondrien an. Eine systematische Übersicht fand in den meisten Studien, überwiegend an Tieren, dass akuter und anhaltender psychischer Stress Funktion, Form und Zahl der Mitochondrien verändert (Tier und Mensch; Picard & McEwen, 2018). Für die Zelle zählt, ob eine Lage als Gefahr gilt, nicht, woher sie kommt.

Weil jede Zelle Mitochondrien hat, zeigt sich ihre Lage nie nur an einem Organ. Störungen fallen zuerst dort auf, wo der Energiebedarf am höchsten ist: in Gehirn, Herz, Muskeln und Sinnesorganen (Mensch; Wallace, 2005). Die Regenerationsmedizin schaut darum auf drei Regelsysteme, die aus demselben Energiehaushalt schöpfen, und auf die Stellen, an denen sie sich berühren:

• Nervensystem und Stoffwechsel (Neurometabolismus): Das Gehirn ist der größte Energieverbraucher im Verhältnis zu seinem Gewicht. Wird die Energie knapp, merkst du es oft zuerst am Denken: Konzentration und Klarheit lassen nach.
• Immunsystem und Stoffwechsel (Immunmetabolismus): Aktivierte Immunzellen stellen ihren eigenen Stoffwechsel um und brauchen viel Energie. Ein Infekt kostet Kraft, die an anderer Stelle fehlt.
• Nervensystem und Immunsystem (Neuroimmunologie): Stresshormone verändern die Mitochondrien, und Alarmsignale aus Zellen und Mitochondrien erreichen das Gehirn. Das Krankheitsgefühl bei einem Infekt, mit Rückzug und Müdigkeit, ist ein Teil dieses Gesprächs.

Mit den Jahren nimmt die Leistung der Mitochondrien in vielen Geweben ab; die Alternsforschung zählt das zu den Kennzeichen des Alterns (Zelle, Tier und Mensch; López-Otín et al., 2013). Wie schnell, ist nicht festgelegt.

Mitochondriopathie ist eine ärztliche Diagnose. Gemeint sind erbliche Erkrankungen, bei denen eine Genveränderung in der mtDNA oder in der DNA des Zellkerns einen Teil der Atmungskette ausfallen lässt (Mensch; Taylor & Turnbull, 2005). Bekannte Beispiele sind das MELAS-Syndrom, das Leigh-Syndrom und die Lebersche hereditäre Optikusneuropathie. Sie sind selten, beginnen oft in Kindheit oder Jugend und betreffen meist mehrere Organe mit hohem Energiebedarf: Muskeln, Gehirn, Augen, Ohren, Herz. Ob eine Veränderung der mtDNA krank macht, hängt auch davon ab, wie groß ihr Anteil an allen Kopien in einem Gewebe ist; Fachleute nennen das Heteroplasmie. Festgestellt wird eine Mitochondriopathie in der Neurologie oder in Zentren für mitochondriale Erkrankungen, mit Laborwerten, Gewebeproben und Genanalysen.

Mitochondriale Dysfunktion im weiteren Sinn meint etwas anderes: Mitochondrien ohne Gendefekt, die weniger leisten, weil die Bedingungen nicht stimmen, etwa bei Bewegungsmangel, Schlafmangel, Entzündung, Nährstoffmangel oder anhaltender Belastung. Diese funktionelle Drosselung ist keine eigene Diagnose und lässt sich bisher mit keinem einzelnen Test sicher messen. Sie ist eher eine Antwort der Zelle als ein Schaden und kann sich zurückbilden, wenn sich die Bedingungen ändern (Modell; Wallace, 2005).

Wenn Muskelschwäche, hängende Augenlider, Hör- oder Sehprobleme schon früh begonnen haben oder in der Familie mütterlicherseits gehäuft vorkommen, gehört die Frage nach einer Mitochondriopathie zu deiner Neurologin. Sie leitet die passende Abklärung ein.

In der Forschung meint mitochondriale Medizin zweierlei: die Versorgung der erblichen Mitochondriopathien und die Frage, welche Rolle Mitochondrien bei häufigen Krankheiten spielen (Mensch; Wallace, 2005). Im Alltag begegnet dir das Wort auch als Mitochondrientherapie, oft mit Infusionen, Nahrungsergänzung oder Messungen, deren Nutzen für den einzelnen Menschen selten in Studien geprüft ist. Unbewiesen ist nicht widerlegt. Es heißt aber, genau hinzuschauen.

Die Regenerationsmedizin setzt an den Signalen an, die Mitochondrien lesen: Was hält die Zellen im Schutzmodus, und was lässt sie wieder aufbauen? Diagnose und Behandlung bleiben dabei bei deiner Ärztin.

Mitochondrien lassen sich nicht aufladen wie ein Akku. Sie wachsen an Reizen, die sie als Herausforderung lesen, und an der Erholung danach. Dieses Prinzip heißt Hormesis, bei Mitochondrien Mitohormesis: Ein kurzer, passender Stress setzt kleine Signale frei, die Schutz- und Aufbauprogramme anschalten (Zelle und Tier; Ristow & Schmeisser, 2014). Ein zentraler Schalter ist das Eiweiß PGC-1α, das die Neubildung von Mitochondrien steuert. Schon eine einzelne Ausdauereinheit erhöhte es in der Muskulatur von Mäusen, bis hinein in die Mitochondrien (Tier; Safdar et al., 2011). Beim Menschen ist gut belegt, dass regelmäßiges Ausdauertraining die Menge an Mitochondrien im Muskel erhöht (Mensch; Lehrbuchwissen).

Genauso wichtig ist das Aufräumen. Geschädigte Mitochondrien werden markiert und abgebaut, ein Vorgang namens Mitophagie, und aus gesunden Teilen wachsen neue nach (Zelle; Youle & Narendra, 2011). Mitochondrien werden also weniger repariert als erneuert. Sie sterben nicht wie ein Lebewesen, sondern werden laufend ausgetauscht.

Damit ein Reiz als Herausforderung ankommt, muss die Grundlage stimmen. Die Reihenfolge lautet: erst Sicherheit, dann Ressource, dann Herausforderung. Wer erschöpft ist und im Schutzmodus steckt, liest einen harten Reiz eher als weitere Gefahr. Und wer jedes Signal abfängt, etwa mit sehr hohen Mengen an Antioxidantien direkt nach dem Training, kann die Anpassung sogar schwächen (Mensch; Ristow & Schmeisser, 2014). Welche Reize in welcher Reihenfolge zu einem Menschen passen, lässt sich nicht aus einem Rezept ablesen.

Dein Körper lernt, was du wiederholst. Mitochondrien zeigen das besonders deutlich: Was eine Zelle Tag für Tag braucht, baut sie aus, was sie nicht braucht, baut sie ab. Wiederholte Herausforderung mit Erholung wird so zur Eigenschaft, wiederholte Gefahr ebenso. Krankheit kann chronisch werden. Gesundheit auch.

Welche Signale die Mitochondrien lesen, ordnen wir nach den sechs Ärzten der Regeneration plus Dr. Pharma, kurz 6 + 1. Bei den Mitochondrien sprechen alle sechs:

• Nahrung: Brennstoff und Bausteine wie Eisen, B-Vitamine und Magnesium, die die Atmungskette braucht.
• Atmung: Sauerstoff am Ende der Kette und ein ruhiger Atemrhythmus, der Sicherheit meldet.
• Bewegung: der am besten untersuchte Reiz für neue Mitochondrien.
• Naturkraft: Licht, Kälte und Wärme, die den Tagesrhythmus setzen und kurze Anpassungsreize geben.
• Story: wie du eine Lage deutest, als lösbare Aufgabe oder als Bedrohung.
• Verbindung: Menschen, bei denen du dich sicher fühlst. Sicherheit ist für die Zelle ein Signal.

Und Dr. Pharma heißt: Deine ärztliche Behandlung läuft weiter. Manche Medikamente wirken auch auf Mitochondrien; ob das bei dir eine Rolle spielt, klärt deine Ärztin.