ATP

In den letzten Jahren wird zunehmend deutlich, dass zahlreiche Erkrankungen mit Funktionsstörungen der Mitochondrien verbunden sind. Beispiele hierfür sind neurodegenerative Erkrankungen wie Morbus Parkinson und Morbus Alzheimer; außerdem neurologische Erkrankungen wie Migräne, Neuropathien oder Multiple Sklerose; desweiteren Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Kardiomyopathien; sowie Augenerkrankungen wie die Makuladegeneration; nicht zu vergessen das chronische Müdigkeitssyndrom und viele andere Erkrankungen.

Die Mitochondrien sind Zellorganellen und werden gerne auch als die Kraftwerke der Zellen bezeichnet. Sie sind von zentraler Bedeutung für die Energiebildung in der Zelle. Deshalb haben Organe und Zellverbände mit einer hohen Stoffwechselaktivität und einem hohen Energiebedarf auch mehr Mitochondrien. Die meisten Organe enthalten zwischen 800 und 2.000 Mitochondrien pro Zelle. Herzmuskelzellen, Nervenzellen sowie Sinneszellen haben deutlich mehr dieser Kraftwerke der Zellen; Eizellen können mit bis zu 100.000 Mitochondrien enthalten.



In den Mitochondrien laufen wichtige Stoffwechselwege ab. Im Zentrum steht die Atmungskette, die für die Energiebildung, die ATP-Synthese, zuständig ist. Die Atmungskette besteht aus vier Enzymkomplexen. In einem fünften Enzymkomplex wird dann als Endprodukt der Energiegewinnung das Molekül ATP gebildet. ATP ist die Abkürzung für Adenosintriphosphat. ATP liefert im Stoffwechsel die Energie für die grundlegenden energieverbrauchenden Prozesse wie die Bildung von Biomolekülen, die Muskelkontraktion, den Stofftransport durch Biomembranen, die Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts etc. Der ATP-Umsatz im Stoffwechsel ist gewaltig. Pro Tag werden bei Frauen durchschnittlich 67 Kilogramm ATP und bei Männern etwa 87 ATP gebildet. Das ATP wird nach Bildung sofort wieder für Organfunktionen verbraucht, so dass die messbare ATP-Menge im Stoffwechsel sehr gering ist.

Viele Stoffwechselwege laufen ganz oder teilweise in den Mitochondrien ab, z.B. der Citratzyklus, die Betaoxidation der Fettsäuren, der Abbau von Aminosäuren, die Bildung von Harnstoff, der Beginn der Steroidhormonsynthese, die Blutzuckerneubildung etc. Allein für die ATP-Synthese verbrauchen die Mitochondrien über 90 Prozent des zellulären Sauerstoffs, wobei hierbei in einem gewissen Umfang auch Sauerstoffradikale gebildet werden, die permanent entgiftet werden müssen. Die Mitochondrien verfügen über eine eigene DNA, mit deren Hilfe etwa 15 Prozent der mitochondrialen Proteine codiert werden. Die mitochondriale DNA ist besonders anfällig gegenüber Schäden durch freie Radikale. Überhaupt sind die Mitochondrien sehr vulnerable Zellorganellen und können durch zahlreiche Einflüsse geschädigt werden, z.B. durch Umweltgifte, Medikamente oder Stress. Mit zunehmendem Alter kommt es überdies zu einer Funktionseinbuße der Mitochondrien (mitochondriale Dysfunktion). Aufgrund der sehr großen Bedeutung der Mitochondrien im Energiestoffwechsel ist leicht nachvollziehbar, dass eine mitochondriale Dysfunktion zu einem Energiemangel führt, der sich z.B. in Erschöpfung und geringer körperlicher sowie psychischer Belastbarkeit zeigt.

Bei jeder Art von Erschöpfung ist deshalb zunächst die Frage zu stellen, ob der Organismus überhaupt ausreichend Energie bilden kann. Für die Mitochondrienfunktion und die darin ablaufende Stoffwechselwege sind zahlreiche Mikronährstoffe notwendig. Bei einer unzureichenden Verfügbarkeit dieser Mikronährstoffe kommt es deshalb über kurz oder lang zu einer Beeinträchtigung der Mitochondrienfunktion. Anbei Beispiele für die Bedeutung der Mikronährstoffe für die Mitochondrienfunktion.


Spurenelemente

Eisen spielt eine wichtige Rolle für die Elektronenübertragung in der Atmungskette. Es bildet mit Schwefel so genannte Eisen-Schwefel-Cluster, die in den Komplexen I, II und III der Atmungskette vorkommen sowie im Citratzyklus. In der Atmungskette gibt es auch Eisenverbindungen mit einer Hämgruppe.

Kupfer ist ebenfalls für die Funktionsfähigkeit der Atmungskette erforderlich (Cytochrom-c-Oxidase).

Mangan ist Bestandteil der SOD-2, die für den antioxidativen Schutz der Mitochondrien eine große Bedeutung haben. Möglicherweise hat Mangan auch noch andere Funktionen in den Mitochondrien, bis dato ist noch lange nicht alles erforscht oder verstanden, was die Mitochondrienfunktion anbetrifft.

Selen ist als Bestandteil der Glutathionperoxidasen ebenfalls am antioxidativen Schutz der Mitochondrien beteiligt.

Magnesium hat nicht nur eine große Bedeutung im Nervenstoffwechsel, sondern ist auch zentral wichtig für den Energiestoffwechsel, da ATP immer als Magnesium-ATP-Komplex vorliegt und somit bei allen ATP-abhängigen Reaktionen automatisch auch Magnesium beteiligt ist. Magnesium ist zudem wichtig für die Funktionsfähigkeit des Komplexes V, der so genannten ATP-Synthase.


Vitamine

Vitamin B1 ist erforderlich für die Funktionsfähigkeit des Citratzyklus, der hauptsächlich dem oxidativen Abbau organischer Stoffe zum Zwecke der Energiegewinnung dient.

Aus Vitamin B2 werden die Flavin-Coenzyme FMN und FAD gebildet. FADH2 ist ein wichtiger Elektronenüberträger in der Atmungskette und ist auch an der Regeneration von reduziertem Glutathion beteiligt.

Aus Vitamin B3 entstehen NAD/ NADH. NADH ist der bedeutendste Energieüberträger in der Atmungskette.

Auch Vitamin D3 hat einen Einfluss auf die Mitochondrienfunktion. Dies haben Wissenschaftler aus den USA im Januar 2016 veröffentlicht. Bei menschlichen Muskelzellen konnten sie nachweisen, dass Vitamin D3 die Sauerstoffverbrauchsrate der Mitochondrien erhöhte. Auch andere Stoffwechselfunktionen der Mitochondrien wurden verändert. Mitochondrien verfügen, wie viele andere Zellstrukturen auch, über Vitamin-D-Rezeptoren.

Vitamin A ist für die Stoffwechsel-Fitness der Mitochondrien von Bedeutung. Vitamin A ist ein essentieller Cofaktor eines Enzyms, bei dessen Ausfall die Mitochondrienaktivität stark zurückgeht.

Nach neueren Studienergebnissen könnte auch Vitamin K2 für die Energieproduktion in den Mitochondrien von Bedeutung sein. Vitamin E ist grundsätzlich wichtig für den antioxidativen Schutz von Biomembranen, auch der der Mitochondrien.

Das Vitamin B5, die Pantothensäure, ist Bestandteil von Coenzym A, einem der wichtigsten Moleküle im gesamten Stoffwechsel. Coenzym A wird benötigt für alle Auf- und Abbaureaktionen im Stoffwechsel der Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren.

 

Sonstige Mikronährstoffe

Carnitin ist ein Transportmolekül für langkettige Fettsäuren in die Mitochondrien, d.h. bei einem Carnitinmangel ist die Einschleusung der genannten Fettsäuren gestört, wodurch sich auch die Energiebildung reduziert. Neben dem Fettsäuretransport ist Carnitin auch für die Entgiftung der Mitochondrien von Bedeutung.

Coenzym Q10 ist Bestandteil der Atmungskette und wird für die Funktion der Komplexe I bis III benötigt. Carnitin und Coenzym Q10 sind mit die wichtigsten Mikronährstoffe für die Behandlung von Mitochondriopathien.

Auch die Aminosäuren und ihre Derivate sind wichtig für die Mitochondrienfunktion. Wissenschaftler aus Barcelona publizierten 2009, dass das Glutathion in den Mitochondrien die wichtigste Substanz zur Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts in den Mitochondrien ist. Die Bedeutung des mitochondrialen Glutathion besteht nicht nur darin, dass es in relativ hohen Konzentrationen vorkommt, sondern dass es viele verschiedene Substanzen entgiften kann z.B. Xenobiotika, Wasserstoffperoxid und Lipidperoxide.

Zahlreiche Erkrankungen sind durch einen konsistenten Abfall der mitochondrialen GSH-Konzentration gekennzeichnet.

Auch die Aminosäure Taurin wird in verschiedenen Fachartikeln mit dem Aminosäurenstoffwechsel in Verbindung gebracht. 2012 wurde publiziert, dass Taurin als Regulator der mitochondrialen Proteinsynthese wirkt und dadurch die Aktivität der Atmungskette verbessert und die Mitochondrien gegen eine vermehrte Bildung von Superoxidanionen schützt. Wie aus einem weiteren Fachartikel hervorgeht, kann Taurin auch durch eine Verbesserung der Mitochondrienfunktion die Toxizität von Glutamat in Nervenzellen vermindern.

Die Mitochondrien sind Zellorganellen von immenser Bedeutung. Immer mehr Erkrankungen werden mit einer Fehlfunktion der Mitochondrien in Verbindung gebracht. Zur Aufrechterhaltung einer normalen Mitochondrienfunktion und zur Vermeidung einer mitochondrialen Dysfunktion sind Mikronährstoffe von größter Wichtigkeit, wobei die oben erwähnten Mikronährstoffe nicht den Anspruch einer vollständigen Aufzählung erheben.

 

Referenzen:

  • Uwe Gröber: Arzneimittel und Mikronährstoffe; WVS Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 3. Auflage 2014
  • Dr. sc. med. Bodo Kuklinski: Mitochondrien; Aurum in J. Kamphausen Mediengruppe GmbH, 2015
  •  Prof. Dr. med Michael Zimmermann, Hugo Schurgast et al.: Burgerstein Handbuch Nährstoffe, TRIAS Verlag 2012
  • Zachary C. Ryan, Theodore A. Craig et a.: 1α,25-Dihydroxyvitamin D3 Regulates Mitochondrial Oxygen Consumption and Dynamics in Human Skeletal Muscle Cells; J Biol Chem. 2016 15;291(3): 1514-28
  • biotechdayly.com, 21.10.2009: Vitamin A Balance Critical to Proper Mitochondrial Function
  • Jong CJ, Azuma J, Schaffer S et al.: Mechanism underlying the antioxidant activity of taurine: prevention of mitochondrial oxidant production; Amino Acids. 2012 Jun;42(6):2223-32
  • El Idrissi A, Trenkner E et al.: Taurine regulates mitochondrial calcium homeostasis; Adv Exp Med Biol. 2003;526:527-36.
  • Montserrat Marí, Albert Morales et al.: Mitochondrial Glutathione, a Key Survival Antioxidant, Antioxidants & Redox Signaling, Oct. 2009, 11(11): 2685-2700; Mary Ann Liebert, Inc Publisher

Back to top