Mitochondrien

Prokaryoten und Eukaryoten

In der Natur finden sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Zellarten, die sich vor allem darin unterscheiden, dass bestimmte Zellbestandteile vorhanden sind oder fehlen.

Prokaryoten (Bakterien, Archaen) sind in der Regel Einzeller und sehr klein (ca. 1–2 µm). Eukaryoten sind meist mehrzellige Organismen (es gibt Ausnahmen), deren Zellen deutlich größer sind (10–100 µm) als die der Prokaryoten. Prokaryoten sind Lebewesen, deren Zellen keinen Zellkern aufweisen und hinsichtlich ihrer Architektur einfach organisiert sind. Die Erbinformation, die DNA, befindet sich bei Prokaryoten frei im Zellplasma, während sie bei Eukaryoten im Zellkern sitzt. Zusätzlich besitzen sie DNA in Form von Plasmiden. Prokaryotische Zellen enthalten im Gegensatz zu Eukaryoten keine Zellorganellen und Kompartimente. Aus dem Zusammenschluss von prokaryotischen Zellen sind im Lauf der Evolution komplexe eukaryotische Zellen hervorgegangen (➧ Teil 1 ➧ »Die Endosymbionten-Theorie«).

Zellforschung am Rand der etablierten Wissenschaft

Sind wir durch unsere Gene bestimmt? Die Geheimnisse unserer Gene werden wissenschaftlich immer weiter entschlüsselt; wir wissen immer mehr über die Informationen, die sie enthalten. Wissenschaft und Schulmedizin sehen in der Genetik die riesige Chance, um langfristig bestimmte genetisch mitbestimmte Krankheiten frühzeitig zu erkennen und mittels gezielter Eingriffe in das Erbgut Krankheiten zu verhindern und zu heilen. In verschiedenen Ländern werden im Rahmen groß angelegter Studien (z.B. seit 2018 die »Estonian Personalized Medicine Initiative« in Estland) die genetischen Informationen der Bevölkerung erforscht, um zugleich Daten über Gendefekte, genetische Krankheitsdispositionen usw. zu erhalten. Genetische Risiken sollen frühzeitig erkannt sowie der Ausbruch der Krankheiten mithilfe gezielter Maßnahmen zur Lebensführung zumindest verzögert werden.

Aber sind es wirklich »nur« die in der DNA der Zelle codierten Gene, die uns bestimmen und die über Gesundheit und Krankheit entscheiden? Die festlegen, wer und was wir sind?

Schauen wir dazu auf die Ergebnisse einiger Forscher, die entgegen den landläufigen Meinungen alternative Ansichten zur Zelle vertreten.

Die Zelle aus Sicht des Entwicklungsbiologen und Zellforschers Dr. Bruce Lipton

Fakt ist, dass nicht jede genetische Krankheitsdisposition zwangsläufig zum Ausbruch einer Krankheit führen muss. Der Einfluss unserer eigenen Erwartungen, Ängste und Glaubenssätze kann eine wichtige, oft unterschätzte Rolle spielen.

Der Zellbiologe Bruce Lipton hat bereits vor vielen Jahren das Dogma infrage gestellt, wir würden von unseren Genen bestimmt. Aufgrund seiner eigenen sowie vielerlei anderer Forschungsergebnisse postuliert er, dass es nicht die Genetik ist, die unser Schicksal bestimmt; also sind wir auch nicht die Opfer unserer Gene. Viel wichtiger sei die Zellmembran, das heißt die Wand der Zelle, und dort die Transportmechanismen, die Informationen und Stoffe in die Zelle und aus der Zelle befördern. In der Membran sitze demnach die eigentliche Intelligenz der einzelnen Zellen.

Bruce Lipton geht noch einen Schritt weiter, indem er sagt, dass wir auf der Grundlage unserer Wahrnehmung der Umwelt die Zelle und unsere Gene steuern – nicht umgekehrt. Anders ausgedrückt sind es unsere eigenen Überzeugungen, die auf unsere Gene einwirken und sie aktivieren, lenken oder hemmen. Genau so, wie wir die Umwelt wahrnehmen, reagieren unsere Zellen.

Bekanntlich hegen wir alle unsere ureigenen Glaubenssysteme und Überzeugungen. Die größte Prägung erfolgt in den ersten Lebensjahren: durch die Überzeugungen und Glaubenssätze unserer Eltern, durch unser soziales, kulturelles und geografisches Umfeld, durch die Religion usw. So entsteht in dieser Kindheitsphase der Grundstock für unser persönliches Glaubens- und Wertesystem.

Erst später fangen wir an, den Wahrheitsgehalt von Botschaften zu hinterfragen, und können – glücklicherweise – unsere Muster allmählich auch wieder verändern.

Laut Bruce Lipton haben unsere Gedanken, Gefühle und Überzeugungen – nicht unsere Gene – den entscheidenden Einfluss auf die Funktion unserer Zellen.

Wenn das so ist, sind wir nicht länger Opfer unserer genetischen Herkunft. Ganz im Gegenteil, wir selbst sind Schöpfer unserer Realität und können diese Schöpferkraft aktiv und bewusst einsetzen: für unseren Energiezustand, für unsere Lebensenergie, für unsere Gesundheit, für unser Bewusstsein, für unser Leben, für alles, was wir erreichen wollen.

Wir brauchen dazu Mittel und Wege, um uns aus unseren alten, krank machenden, beschränkenden Überzeugungen zu lösen und sie durch neue, gesunderhaltende, stärkende, visionäre, grenzüberschreitende Ansichten und Überzeugungen zu ersetzen. Wir brauchen die innere Überzeugung, dass wir uns aus allen Begrenzungen lösen und ungeahnte Kräfte und Energien in uns aktivieren können, indem wir uns mit allen Energiequellen in und um uns verbinden und die Energie optimal für uns und unser Leben nutzen.

Die Frage stellt sich also, ob wir unseren Genen die Macht geben, indem wir an den alten Dogmen festhalten, oder ob wir an die Macht unseres Bewusstseins sowie an die These von der unbegrenzten Lebensenergie glauben. Nutzen wir unsere Schöpferkraft und die unbegrenzten Energiequellen optimal und sinnvoll oder lassen wir uns von unseren Genen, alten Glaubenssätzen und Überzeugungen fremdbestimmen und determinieren?

Mitochondrien und EZ-Wasser

Nach bisheriger wissenschaftlicher Lehrmeinung kommt Wasser in drei unterschiedlichen Zuständen vor: fest (gefroren/Eis), flüssig und gasförmig (Wasserdampf).

Bereits 1949 gab es jedoch Hinweise, dass sich Flüssigkeiten, also auch Wasser, grundsätzlich an hydrophilen Oberflächen verändern. Gerald Pollack, ein Forscher der Universität von Washington in Seattle, stellte die Theorie auf, dass es einen bisher verborgenen, gelartigen, vierten Aggregatzustand des Wassers gebe: Er tritt zwischen dem flüssigen und dem gefrorenen Zustand auf und bildet sich laut Pollack an hydrophilen Grenz- bzw. Oberflächen, einer sogenannten Exklusionszone (EZ-Zone), die wir überall im Körper haben. Dementsprechend nannte Pollack dieses Wasser »Exclusion Zone Water« bzw. »EZ-Wasser«.

Dieser Zustand tritt immer beim Abkühlen von Wasser kurz vor dem Gefrieren oder beim Erhitzen kurz vor dem Übergang vom gefrorenen in den flüssigen Zustand auf.

EZ-Wasser ist negativ geladenes, kolloidales Zellwasser. Die chemische Formel lautet H₃O₂. Sobald Wasser in die Nähe von hydrophilen Oberflächen gelangt, beginnt es sich selbst zu strukturieren und zu ordnen und geht in den Aggregatzustand des EZ-Wassers über. Diese Wassermoleküle sind stabiler als normale Wassermoleküle. Sie ordnen sich in einer Art geschichteter Wabenstruktur an, die helixartig (schraubenförmig) aufgebaut ist. Neben dem EZ-Wasser finden wir in der Zelle mehrere Strukturen, die helixartig angeordnet sind, z.B. Faserproteine, die DNA und die RNA.

Faszinierend am EZ-Wasser ist, dass es sich selbst reinigt: Es schiebt dabei alle gelösten Stoffe in die »normale« Wasserschicht ab. Dadurch entsteht diese absolut reine Exklusionszone.

Das EZ-Wasser bildet sich im Körper aus dem Wasser, das wir trinken. Dank des Gelzustands können Makromoleküle und Zellmembranen erst richtig funktionieren. Laut Pollack ist vor allem das EZ-Wasser in der Zelle essenziell für ihre gute Funktion. Hätten wir nur normales Wasser in den Zellen, würde es aus den Zellen ausfließen.

Was hat das EZ-Wasser nun mit dem Thema »Mitochondrien« und der Energie zu tun?

Pollack postuliert, dass unsere Zellen dank des EZ-Wassers negativ geladen sind. Die negative Ladung ist hier für viele Funktionen bedeutsam: Fehlt es Zellen an negativer Ladung, dann ist z.B. die Zellkommunikation eingeschränkt, vor allem auch in den Nervenzellen. Durch Oxidation verlieren unsere Zellen ihre negative Ladung; deshalb ist es unter anderem so wichtig, dass genügend Antioxidantien im Körper vorhanden sind. Alle Abfallstoffe im Körper sind positiv geladen und werden durch Schweiß, Urin und Stuhl ausgeschieden, ebenso durch Ausatmung von Kohlendioxid (CO₂). Für unseren Körper und seine Funktionen ist die negative Ladung also essenziell. Wir können unseren Körper z.B. durch »Erdung« negativ aufladen (➧ Teil 3 ➧ »Erdung sorgt für Entspannung«); durch Lichttherapie und Infrarotlicht, durch Aufenthalt im Sonnenlicht kann EZ-Wasser gebildet werden. Licht erhöht die Leistungsfähigkeit der Mitochondrien, schützt vor Entzündungen und hilft ihnen, schneller Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren.

Sie können sich EZ-Wasser zuführen, indem Sie rohe Gemüsesäfte, frisches Quellwasser oder Gletscherwasser trinken. Leitungs- oder Flaschenwasser kann mithilfe von Schwingungen, Strahlung und Infrarotlicht in EZ-Wasser umgewandelt werden.

EZ-Wasser funktioniert laut Pollack wie eine Art Akku und kann durch Sonneneinstrahlung oder Infrarotlicht Energie aufnehmen, speichern und wieder abgeben.

Das EZ-Wasser weist also einige bisher unbekannte Eigenschaften auf: die gelartige Viskosität, einen veränderten elektrischen Widerstand, einen veränderten pH-Wert, die starke Absorption von Infrarotlicht und die deutlich negative Ladung.

Die Lichtquanten in den Zellen

In den Siebzigerjahren erforschte Fritz-Albert Popp an der Universität Marburg die Fotoreparatur von Zellen. 1975 gelang ihm erstmals der experimentelle, mittlerweile unumstrittene Nachweis der Biophotonen.

Lebende Zellen strahlen mit einem schwachen Leuchten wenige Lichtquanten pro Sekunde und Quadratzentimeter ab. Für unser Auge entspricht dies der Intensität eines Kerzenscheins in ungefähr 20 Kilometern Entfernung. Popps Versuche ergaben, dass bei lebenden Systemen die Lichtstrahlung langsamer abklingt als bei bereits toten Zellen, bei denen die Strahlung zudem immer schwächer wird. Die Biophotonen werden von Elektronen erzeugt, die vom Sonnenlicht angeregt wurden. Wenn die Elektronen dann von ihrem höheren Energieniveau herabfallen, strahlen sie Licht ab. Popp vermutete, dass in lebenden Systemen die Quanten nicht unabhängig voneinander agieren. Die Elektronen sind sozusagen voneinander informiert und »kommunizieren« miteinander.

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 Außenmembran umschließt 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 Innenmembran weist 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.

Über die Innenmembran wird ein Protonengradient – ein Konzentrationsunterschied – errichtet, der die ATP-Synthase antreibt. Die Membran muss für die meisten kleinen Ionen undurchlässig sein, da der Gradient sonst nicht aufrechterhalten werden kann. Einzig Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid können frei diffundieren.

Die Innenmembran ist hoch spezialisiert und enthält unter anderem große Mengen des Doppel-Phospholipids Cardiolipin, das mit seinen vier Fettsäuren wahrscheinlich dazu beiträgt, die Membran besonders Ionen-undurchlässig zu machen. Zudem enthält sie eine Reihe unterschiedlicher Transportproteine; sie machen die Membran sehr selektiv durchlässig für spezifische kleine Moleküle, die in der Matrix verstoffwechselt werden sollen oder von den vielen Mitochondrien-Enzymen im Matrixraum benötigt werden.

Der Intermembranraum, also der Bereich zwischen den beiden Membranen, enthält verschiedene Enzyme, die das aus der Matrix entlassene ATP zur Phosphorylierung anderer Nukleotide verwenden. Da die äußere Membran für kleine Moleküle frei durchlässig ist, ist die Konzentration von kleinen Molekülen wie Ionen und Zucker identisch mit deren Konzentration im Zytosol. Große Proteine benötigen eine spezifische Signalsequenz, um durch die Membran transportiert zu werden.

Somit unterscheidet sich die Zusammensetzung der Proteine zwischen dem Intermembranraum und dem Zytosol. So ist z.B. das Cytochrom C ein Protein, das im Intermembranraum gehalten wird. Proteine des Intermembranraumes sind für viele mitochondriale und zelluläre Prozesse bedeutend, unter anderem für den Energiestoffwechsel, die Apoptose und den Transport von Metaboliten und Proteinen.

Die Matrix enthält ein hoch konzentriertes Gemisch aus Hunderten von Enzymen, unter anderem die für die Oxidation von Pyruvat und Fettsäuren sowie für den Zitronensäurezyklus benötigten Enzyme. Auch enthält sie mehrere identische Kopien des mitochondrialen DNA-Genoms, spezielle mitochondriale Ribosomen, t-RNAs und verschiedene Enzyme für die Expression, also für die Realisierung der Information, die in der DNA der Mitochondrien-Gene gespeichert ist.

Die Hauptarbeit der Mitochondrien findet in der Matrix und in der Innenmembran statt.

Funktionen der Mitochondrien im Überblick

Energieproduktion (➧ Teil 2)

• Umwandlung von Pyruvat aus der Glykolyse in Acetylex-CoA durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

• Bildung von Acetyl-CoA durch Beta-Oxidation der Fettsäuren

• Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (NADH/H⁺ und FADH₂) aus Acetyl-CoA im Zitronensäurezyklus

• Übertragung der Elektronen und Protonen aus den Reduktionsäquivalenten (NADH/H⁺ und FADH₂) auf Enzymkomplexe der Atmungskette – Entstehung eines Protonengradienten

• Bildung von ATP durch den Protonengradienten, der die ATP-Synthase antreibt, bei der oxidativen Phosphorylierung

• Erstreaktionen der Glukoneogenese (Bildung von Glukose aus dem Zuckerspeicher Glykogen)

• Ketonkörpersynthese

Weitere Stoffwechselwege, die zum Teil in den Mitochondrien ablaufen:

• Die Synthese von Häm als Zentralbestandteil von Hämoglobin und Bestandteil von anderen Stoffen ist wichtig für den Sauerstofftransport im Blut. Sie findet zum Teil im Intermembranraum der Mitochondrien statt.

• Mitochondrien sind für die Bildung von Steroidhormonen in bestimmten hormonbildenden Geweben mitverantwortlich. Sie stellen den Startort der Synthese aus Cholesterin und den Endpunkt bei der Bildung des Stresshormons Cortisol und des Dursthormons Aldosteron dar.

• Außerdem entstehen Aminosäuren aus Intermediaten des Zitronensäurezyklus, die zum Teil für Enzyme der Atmungskette gebraucht werden, aber auch aus der Zelle heraustransportiert werden können, um für weitere Proteinbildungen zur Verfügung zu stehen.

• Ein Teil des Harnstoffzyklus läuft unter Energieverbrauch in den Mitochondrien ab. Dabei wird z.B. der giftige Ammoniak, der unter anderem beim Abbau von Aminosäuren entsteht, zu harmlosem Harnstoff abgebaut.

Zusätzliche Funktionen:

• Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern, den Bestandteilen der Proteinkomplexe der Atmungskette.

• Speicherort für Kalzium: Mitochondrien sind in der Lage, Kalzium-Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben, und spielen daher eine Rolle bei der für die Zelle wichtigen Kalzium-Homöostase (Gleichgewicht).

• Apoptose (programmierter Zelltod): Das im Intermembranraum befindliche Cytochrom C, das als Elektronenüberträger der Atmungskette unverzichtbar ist, hat zusätzlich eine wichtige Funktion für den programmierten Zelltod. Liegen in der Außenmembran der Mitochondrien Schäden vor, so kann Cytochrom C ins Zytoplasma der Zelle gelangen und Enzyme aktivieren, die den programmierten Zelltod einleiten.

Die Hauptaufgabe der Mitochondrien ist die Energiegewinnung durch die Zellatmung. Die dafür notwendigen Bestandteile sind Sauerstoff und Nahrung. Dabei wird die Nahrungsenergie in kleine »Energiepäckchen« (das ATP, die Energiewährung des Körpers) umgewandelt.

Doch wie gelangen der Sauerstoff und die Nährstoffe in die Zelle und zu den Mitochondrien?

Die Reise des Sauerstoffs zu den Zellen

Sauerstoff ist für die Energiegewinnung in unseren Mitochondrien essenziell. Als Bestandteil der Luft ist er überall in unserem Lebensraum reichlich vorhanden. Der Sauerstoffgehalt in der Luft bleibt weitgehend konstant bei 21 Prozent. Sie enthält außerdem 78 Prozent Stickstoff, ca. 0,9 Prozent Argon – ein Edelgas –, Spurengase wie Kohlendioxid, Neon, Helium, Krypton und Xenon. Problematisch für unsere Gesundheit und für die Umwelt ist dabei der stetige Anstieg der primären Luftschadstoffe, z.B. Kohlendioxid, Stickoxide, Ammoniak, Schwefeloxide, Stoffpartikel wie Staub, Rauch, Ruß und Aerosole (Gemische aus festen und flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas).

Ein erwachsener Mensch atmet ungefähr 17.000 bis 21.000 Mal am Tag ein und aus. Der komplexe Atemvorgang ist notwendig für den Gasaustausch: Blut wird mit Sauerstoff angereichert, und Kohlendioxid wird aus dem Blut abtransportiert.

Das wichtigste Organ für die Atmung und den Gasaustausch ist die Lunge. Die sauerstoffreiche Luft strömt beim Einatmen über die oberen Atemwege (Nase, Mund, Kehlkopf und Rachen) zu den unteren Atemwegen (Luftröhre, Lunge mit Bronchien und Bronchiolen) und den dort sitzenden Lungenbläschen, den Alveolen. Die Alveolen sind mit einem feinen Kapillarnetz – den kleinsten Blutgefäßen – umzogen; dort findet der eigentliche Gasaustausch statt. Das durch die Kapillaren fließende Blut nimmt Sauerstoff aus den Alveolen auf und gibt gleichzeitig in die Alveolen CO₂ ab, das dann bei der Ausatmung nach draußen strömt.

Da sich Sauerstoff schlecht im Wasser bzw. im Blut löst, braucht es ein Transportmedium, um zu den Zielzellen und dort zu den Mitochondrien transportiert zu werden. Diese Aufgabe übernehmen im Blut die roten Blutkörperchen, die mit Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, verbunden sind. Hämoglobin kann sehr gut Sauerstoff binden und bei Bedarf auch wieder abgeben. So fungieren das Hämoglobin und die roten Blutkörperchen wie ein Taxidienst, der den Sauerstoff abholt, ihn aufnimmt und zum Zielort transportiert. Das Kohlendioxid wiederum, das als Abfallprodukt bei der Energiegewinnung in den Mitochondrien entsteht, löst sich wesentlich besser in Wasser und im Blut. So wird es zum einen von den »Taxis« – den roten Blutkörperchen mit dem Hämoglobin – zu den Alveolen zurücktransportiert und dort abgeatmet. Zum anderen kann es in Hydrogencarbonat umgewandelt werden, das in Blut sehr gut löslich ist. So wird es zur Lunge transportiert und dort vor dem Ausatmen wieder in CO₂ verwandelt. Wie für alle Körpervorgänge benötigt und verbraucht der Körper dabei Energie, die die Mitochondrien zur Verfügung stellen.

Der Sauerstoffgehalt der Ausatemluft enthält immer noch 16 Prozent Sauerstoff. Wir nehmen also nur 5 Prozent des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs auf. Der CO₂-Gehalt in der Ausatemluft beträgt 4 Prozent; also atmen wir 40 Milliliter CO₂ pro Liter Luft aus.

Verdeutlichen wir uns diese Dimension des Atemvorgangs, wird dessen essenzielle Bedeutung ersichtlich. Ein erwachsener Mensch atmet im Durchschnitt pro Minute 12- bis 15-mal ein und aus. Dabei werden ca. 8 Liter Luft in uns hinein- und hinausbewegt. Am Tag sind das über 12.000 Liter Luft. Pro Minute setzen wir 0,4 Liter Sauerstoff um.

Saubere Luft ist lebenswichtig

Saubere Luft ist essenziell für unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden. Die Luftverschmutzung, also die Anreicherung der Atemluft mit verschiedensten Schadstoffen, hat aber seit Beginn der Industrialisierung immer mehr zugenommen. Gerade in etlichen Ballungsgebieten mit hohem Verkehrsaufkommen und in Industriegebieten hat die Konzentration von verschiedensten gesundheitsschädlichen Stoffen trotz vieler Bemühungen zur Luftreinhaltung längst bedenkliche Werte erreicht oder überschritten. Unser menschlicher Körper benötigt dann mehr Energie, um Schadstoffe wieder auszuleiten und physische Schäden zu reparieren bzw. die Funktion bereits geschädigter Bereiche aufrechterhalten zu können. Dadurch steht weniger Energie für andere Aufgaben zur Verfügung. Luftreinhaltung ist daher bekanntlich kein Luxus, sondern grundlegend notwendig für Menschen, Tiere, ja die gesamte Natur und für die Aufrechterhaltung gesunder, funktionierender Lebensgrundlagen, da auch Pflanzen, Böden, Gewässer, Gebäude und Materialien unter den vielen Luftschadstoffen leiden.

Zusammen mit Wind, Wärme und Sonnenlicht reagieren die primären Schadstoffe miteinander, sie vermischen sich – es entstehen sekundäre Luftschadstoffe wie Feinstaub, Ozon usw.

Ozon reizt die Atemwege und ist in höheren Konzentrationen giftig.

Die Feinstaubpartikel sind so klein, dass sie über die Lungenbläschen in den Blutkreislauf und von dort weiter zu Körperzellen gelangen. Dort können sie zu unkontrollierten Reaktionen führen – sie gelten unter anderem als krebserregend. Rauch und Ruß setzen sich in der Lunge ab und beeinträchtigen deren Funktion.

Stickstoffdioxid (NO₂) schädigt Pflanzen und wirkt als Reizgas buchstäblich reizend auf uns Menschen, was z.B. besonders problematisch für Asthmatiker ist. Aufgrund der starken Oxidationswirkung kann es zu Entzündungsreaktionen in den Atemwegen kommen.

Stickstoffmonoxid (NO) reagiert weniger in den Lungen, sondern geht ins Blut über und hat eher einen systemischen Effekt. Es beeinflusst die Spannung der Blutgefäße und ruft eine Gefäßerweiterung hervor. Zudem ist Stickstoffmonoxid ein körpereigener Botenstoff, aber das von außen zugeführte NO kann massiv in verschiedene Mechanismen wie die Blutdruck-Regulierung oder die Signalübertragung an das Gehirn und das periphere Nervensystem eingreifen und sie empfindlich stören. Zudem werden Heilreaktionen verhindert, da sich die Blutplättchen und weißen Blutkörperchen nicht mehr an die Gefäßwände anheften können.

Kohlenmonoxid (CO) entsteht immer bei einer unvollständigen Verbrennung von Brenn- und Treibstoffen, besonders im Fall von Sauerstoffmangel bei Verbrennungsprozessen. Es handelt sich um ein starkes Atemgift, verhindert die Aufnahme von Sauerstoff bei Menschen und Tieren und kann starke Auswirkungen auf unser zentrales Nervensystem haben.

Stickoxide (NO_x) entstehen bei der Verbrennung von Kohle und Öl. Sie reizen Schleimhäute, Augen und Atemwege.

Die Reise der Nährstoffe zu den Zellen

Genauso wie der Sauerstoff müssen auch die in der Nahrung enthaltenen und für die Energiegewinnung notwendigen Stoffe zu den Mitochondrien gelangen. Sind die Nahrungsaufnahme und/oder die Verdauung gestört, werden möglicherweise weniger Nährstoffe resorbiert; in der Folge fehlen die notwendigen Stoffe, sodass unser Körper nicht genügend Energie bereitstellen kann.

Aber woher weiß unser Körper, wann er welche notwendigen Verdauungsschritte ankurbeln soll, damit die Nahrungsverwertung optimal funktioniert?