Alle Prozesse in unserem Körper brauchen Energie. Diese Energie heißt Adenosintriphosphat (kurz ATP). Unsere Zellen produzieren aus den Energieträgern, die wir mit Nahrung zu uns genommen haben, die gespeichert ist oder die wir selbst produzieren, am Ende ATP. Denn das ist die generell gültige Währung unseres gesamten Körpers.
Wenn ATP nun so wichtig ist, wäre es dann nicht spannend zu wissen, wie die meisten Zellen das produzieren? Und kann man mit diesem Wissen dann auch die Energieproduktion beeinflussen?
Ja. Fangen wir an.
ATP wird durch verschiedene Prozesse produziert. Hauptsächlich wird es in den Mitochondrien produziert. Bestimmte Bakterienarten und unsere roten Blutkörperchen haben keine Mitochondrien. Diese greifen auf eine andere ATP-Produktion zurück.
In dem heutigen Artikel schauen wir uns die Mitochondrien genauer an und somit die Produktionsstätten, die am meisten ATP herstellen können. Über 90% unsere Zellenergie wird dort produziert.
Was sind Mitochondrien?
Mitochondrien sind Zellorganellen und wie oben erwähnt in fast allen Zellen unseres Körpers vorhanden. Manche kennen sie noch aus dem Biologieunterricht als „Kraftwerke der Zelle“. Und das ist auch ziemlich richtig. Denn wir brauchen sie unter anderem, um ATP zugewinnen. Neben dieser wichtigen Aufgabe haben die Mitochondrien noch ein paar weitere Dinge zu tun:
Calciumspeicherung und -regulation
Induktion von Apoptose (Zelltod) --> sie setzten Signale frei um den Zelltod einzuleiten !!! wichtig, um z.B. eigene fehlerhafte Zellen zu eliminieren
Produktion von freien Radikalen
Wärmeproduktion --> Thermogenese (Aufrechterhaltung der Körpertemperatur)
Nun aber zurück zur ATP-Produktion:
Wir versuchen es ganz simpel zu halten und gehen von folgendem Beispiel aus: Wir haben Nahrung aufgenommen und in Zuckermoleküle aufgespalten. Was passiert, wenn diese Zuckermoleküle (Glukose) in eine Zelle kommen?
Glukose kommt in das Zellinnere ins Zytoplasma. Dort wird es bei ausreichender Deckung direkt in Glykogen umgewandelt und in unseren Fettzellen gespeichert. Oder es wird im sogenannten Pentose-Phosphatweg umgewandelt und als Baustein verwendet. Das ist jetzt doch sehr biochemisch…Deswegen widmen wir uns dem 3.Weg - wenn die Glukose direkt zur Energiegewinnung genutzt wird:
Zunächst wird die Glukose im Zytoplasma ohne Sauerstoff fermentiert und über einige Schritte in die Brenztraubensäure (Pyruvat) umgebaut. Dies nennt man oft „anaerobe Glykolyse“, bei der 2 ATP am Ende zur Verfügung stehen.
Das entstandene Pyruvat wird entweder direkt in die bekannte Milchsäure (Laktat) umgewandelt und unter anderem als Energieträger oder Signalgeber verwendet. Oder das Pyruvat geht weiter in das Mitochondrium, wo die aerobe Glykolyse (Krebszyklus/Citratzyklus und Atmungskette) stattfindet. Dieser Zyklus läuft mit Sauerstoff ab. Dabei wird das Pyruvat in Acetyl-CoA umgewandelt und dies hält den Citratzyklus am Laufen. Im Citratzyklus wird eine Substanz in eine andere Substanz umgewandelt und wieder weiter umgewandelt. Dabei entsteht etwas Energie und viel NADH (Vorläufer von ATP). Wenn dann erneut Acetly-CoA hinzukommt, kann der Kreislauf immer weiter NADH produzieren.
Was passiert mit dem entstandenen NADH?
Wir bleiben im Mitochondrium und schauen auf das Spannungsverhältnis zwischen der inneren und äußeren Membran. Dort wird NADH in der Elektronentransportkette (Atmungskette) weiterverwendet. Vereinfacht: durch die Abgabe von Elektronen und Protonen entsteht mit dem Ausgangsstoff NADH weiteres ATP. Das Besondere ist, dass in der Atmungskette 34 ATP entstehen. Nur durch die Zuführung von Sauerstoff und dem im Citratzyklus entstandenen Wasserstoff kann dies stattfinden. Als Abfallprodukt entsteht Wasser und CO2.
Wenn wir nun nochmal vergleichen: Ohne Sauerstoff können wir aus 1 Glukosemolekül nur 2 ATP gewinnen. Mit Sauerstoff in einem Mitochondrium können wir am Ende insgesamt 36 ATP gewinnen. Auch wenn der zweite Weg langsamer ist, ist er für eine ausreichende Abdeckung von Energie unerlässlich.
Bei all diesen Prozessen braucht der Körper die Mithilfe von Mikronährstoffen und Vitaminen. Dies ist wieder ein Grund mehr, sich vielfältig und mit ausreichenden Nährstoffen zu ernähren.
Ist es dann wichtig richtig viele Mitochondrien zu haben, um dauernd ausreichend Energie zu produzieren und das auf dem ergiebigsten Weg?
Ja. Vor allem verringert sich die Energieproduktion der Mitochondrien mit zunehmendem Alter. Auch produzieren sie dann vermehrt freie Radikale, die zu vermehrten Entzündungen beitragen und den Alterungsprozess beschleunigen können. Auch kann die von der nukleären DNA unabhängige mitochondriale DNA (hauptsächlich durch die Mutter vererbt) mit höherem Alter beschädigt oder beeinträchtigt werden. Diese Veränderungen können zur allgemeinen Abnahme der Zellfunktion und zur Entstehung von altersbedingten Erkrankungen beitragen. Daher wird die Forschung zu Mitochondrien und deren Funktion im Alter als wichtiges Feld angesehen, um potenzielle Therapien für altersbedingte Erkrankungen zu entwickeln.
Das heißt, ab jetzt anfangen die eigenen Mitochondrien zu „trainieren“.
Um einen Eindruck zu gewinnen, sieht man auf der nebenstehenden Tabelle eine Auswahl an Zellen und mit ihrer durchschnittlichen Anzahl an Mitochondrien. Sie vermehren sich durch Teilung.
Wenn beispielweise der Sauerstoffdruck sinkt und mehr Mitochondrien für mehr Energie benötigt werden, dann gibt es das Signal zur Teilung der Mitochondrien. Dies erfolgt jedoch nicht plötzlich, sondern ist eine langsame Anpassung des Körpers nach wiederkehrenden Reizen. Wenn das Gewebe im Körper mit Sauerstoff versorgt ist und der pO2 (Sauerstoffpartialdruck) sich im physiologischen Bereich befindet, spricht man von Normoxie. Wenn das Gewebe oder andere Körperpartien mit Sauerstoff unterversorgt sind, wird bezeichnet man das als Hypoxie. Dies zeigt sich durch verringertem pO2 im Blut und Gewebe. Ziel ist ein Wechselspiel zwischen den verschiedenen Stadien. Der Körper kann diese Veränderungen wieder ausgleichen. Aber wie so oft: Nur wenn wir den Körper ab und zu in solche Situationen begeben, kann er adäquat reagieren, die Mitochondrienanzahl anpassen und sich bestmöglich „wappnen“. Use it or loose it.
Weitere Begrifflichkeiten und Stadien: Anoxie: Bezeichnet das Vollständige Fehlen von Sauerstoff in Gewebe oder anderen Körperanteilen. Hyperkapnie: Bezeichnet einen erhöhten Kohlendioxidgehalt im Blut. Dadurch steigt der pCO2 (Kohlendioxidpartialdruck). Hypokapnie: Bezeichnet einen verringerten Kohlendioxidgehalt im Blut. Dadurch sinkt der pCO2 (Kohlendioxidpartialdruck).
Was können wir also machen? Hier ein paar Beispiele:
Intensive Sporteinheiten
Ausdauereinheiten/ aktive Bewegung
Hoch in die Berge
in der Höhe trainieren/laufen/wandern
übernachten in höheren Lagen
Atemübungen (z.B. mit verringertem Sauerstoff)
Kältereize --> fordern/fördern die braunen Fettzellen
Braune Fettzellen haben viele Mitochondrien und bei den Prozessen innerhalb der Mitochondrien entsteht Wärme. Diese dient uns zur Aufrechterhaltung unserer Körpertemperatur. (Thermogenese)
Wärmereize --> (Infrarot-) Sauna
Ausgewogene Ernährung mit ausreichenden Nährstoffen, Vitaminen, Spurenelementen
Es gibt auch Kabinen, indenen der Sauerstoffgehalt und Sauerstoffpartialdruck künstlich erzeugt werden kann
Des Weiteren bedarf es individuelle Lösungen - je nach gegebener Situation.
Zum direkten Ausprobieren
Atemübung für das Reizen der Mitochondrien:
(Hypoxie mit Hypokapnie)
Einatmen – ausatmen – einatmen – ausatmen – so lange wie möglich halten – dann wieder Einatmen – ausatmen – einatmen – ausatmen - so lange wie möglich halten….für 5-10 min wdh
Und denk dran: it`s all about energy!
Notiz:
Die Inhalte sind auf das essenziellste Fachwissen reduziert und an einigen Stellen verkürzt, da dies sonst den Beitrag an Fülle sprengen würde. Für tiefergehendes Wissen gebe ich gerne persönliche Literaturempfehlungen auf Anfrage.
Quellen:
doi: 10.1002/path.2697
doi: 10.3389/fphys.2023.1114231
Neuroforum 2017