Die Biochemie ist ein wichtiges Grundlagenfach in der Medizin und vermittelt das Wissen darüber, wie der Stoffwechsel auf molekularer Ebene abläuft, und welche Moleküle, zum Beispiel auch Mikronährstoffe, hierbei eine Rolle spielen. Von grundlegender Bedeutung ist, dass die meisten Stoffwechselreaktionen ohne Zufuhr von Energie überhaupt nicht ablaufen können. ATP (Adenosintriphosphat) ist im Stoffwechsel aller Organismen der weitaus wichtigste Energieträger. Die Energie, die in ATP enthalten ist, ermöglicht fortlaufend die molekularen Prozesse, die für das Leben erforderlich sind. In dem neu erschienenen Fachbuch „Biochemie“ von Rassow, Netzker und Hauser, erschienen im Thieme Verlag, Duale Reihe, ist schon im ersten Kapitel ein interessanter Merksatz nachzulesen: „In dem der Energiestoffwechsel mit der Bereitstellung des ATP alles weitere erst möglich macht, bildet er das Zentrum der gesamten Biochemie“.
In den Zellen des Menschen sind insgesamt nur 50 g ATP enthalten. Die 50 g ATP werden ständig für die verschiedensten biochemischen Prozesse benötigt. Das ATP wird dabei zu ADP (Adenosindiphosphat) abgebaut, aus dem dann in der Zelle sofort wieder ATP aufgebaut wird. Dieser Recyclingprozess läuft etwa zweitausendmal am Tag ab, so dass insgesamt pro Tag etwa 100 kg ATP gebildet werden. Bei starker körperlicher Beanspruchung kann es noch deutlich mehr sein. ATP kann auch aus Stoffwechselbausteinen neu synthetisiert werden. Der ganz überwiegende Teil des ATP entsteht aber durch das Anheften einer Phosphatgruppe an ADP. Insgesamt gibt es im Stoffwechsel nur drei biochemische Prozesse, in denen ATP gebildet wird. Der erste Stoffwechselweg ist die Glykolyse, ein Abbauweg für Einfachzucker, für den kein Sauerstoff notwendig ist. Der zweite und dritte Stoffwechselweg sind der Citratcyclus und die Atmungskette, die unter Sauerstoffverbrauch in den Mitochondrien ablaufen. Die Atmungskette besteht aus vier Enzymkomplexen. In einem fünften Komplex wird dann das ATP-Molekül gebildet. Über 90 Prozent des ATPs werden in den Mitochondrien gebildet. Deshalb ist die Funktionsfähigkeit der Mitochondrien von zentraler Bedeutung für den Energiestoffwechsel. Die meisten Organe enthalten zwischen 800 und 2.000 Mitochondrien pro Zelle. Bei Herzmuskelzellen, Nervenzellen sowie Sinneszellen ist die Zahl deutlich höher. Eine hohe Stoffwechselaktivität erfordert mehr Energie und dadurch auch mehr Mitochondrien. Für die Energiebildung in den Mitochondrien sind zahlreiche Mikronährstoffe erforderlich, die alle in ausreichender Menge vorhanden sein müssen. Den Energiestoffwechsel kann man durchaus mit einem Räderwerk vergleichen, indem jedes Rädchen in das andere greifen muss. Die Mitochondrien sind sehr vulnerable Zellorganellen und können durch eine ganze Reihe von Faktoren geschädigt werden. Dazu gehören neben Mikronährstoff-Mängeln auch eine Belastung mit Toxinen, intrazelluläre Infektionen, besonders mit Viren, oxidativer und nitrosativer Stress, chronische Entzündungen, ionisierende Strahlung oder UV-Strahlung. Auch die Einnahme von Medikamenten, wie zum Beispiel Antibiotika, Cholesterinsenker, Antidiabetika, Schmerzmittel etc. können zu einer Schädigung der Mitochondrien führen. Mit zunehmendem Alter kommt es zu einer Funktionseinbuße der Mitochondrien, hauptsächlich bedingt durch eine Schädigung der mitochondrialen DNA. Die Hinweise mehren sich, dass eine Fehlfunktion der Mitochondrien für die Entstehung vieler Erkrankungen eine Rolle spielt. Die Symptome beim Post-COVID oder Long COVID-Syndrom dürften wesentlich auf eine Mitochondrienschädigung durch die Coronaviren zurückzuführen sein.
💡 Bei jeder Form von Erschöpfung,
rascher Ermüdbarkeit oder Energielosigkeit
ist immer die Frage von Bedeutung,
ob der Organismus überhaupt in der Lage ist,
ausreichend Energie zu bilden.
Erschöpfung und Müdigkeit sind weit verbreitete Symptome und können sehr vielfältige Ursachen haben. Ein Ausgleich bestehender Mikronährstoff-Defizite ist aber immer zentrale Voraussetzung für eine nachhaltige Besserung dieser Symptome. Im Folgenden werden die Mikronährstoffe vorgestellt, die für die Mitochondrienfunktion benötigt werden. Die Mitochondrien heißen nicht umsonst Kraftwerke der Zelle und haben eine herausragende Bedeutung für die Bereitstellung des Energieträgers ATP.
Vitamine
Vitamin B1 spielt eine zentrale Rolle beim Abbau von Kohlenhydraten. Es ist essenziell für die Einschleusung von Kohlenhydraten in den Citratcyklus. Vitamin B1 ist Teil des Enzyms Pyruvat-Dehydrogenase (PDH), mit dessen Hilfe Pyruvat in Acetyl-CoA umgewandelt wird. Auch eine weitere Stoffwechselreaktion im Citratcyclus ist Vitamin-B1-abhängig. Bei hoher Kohlenhydratzufuhr ist auch der Vitamin-B1-Bedarf erhöht, und es kam relativ schnell zu einem Vitamin-B1-Mangel kommen, da die Speicherkapazitäten für Vitamin B1 eher gering sind. Bei Erschöpfungszuständen und Müdigkeit ist eine Vitamin-B1-Therapie meist auch dann von Nutzen, wenn kein Mangel im Blut festgestellt wird.
Aus Vitamin B2 entstehen die Flavoproteine FAD und FMN. Es sind mehr als 100 Flavoenzyme bekannt; die meisten enthalten FAD. Letzteres ist ein wichtiger Elektronenüberträger in der Atmungskette und damit von zentraler Bedeutung für die ATP- Synthese. Vitamin B2 ist auch wichtig für den Stoffwechsel andere Mikronährstoffe wie zum Beispiel Eisen, Folsäure, Vitamin B3 und Vitamin B6. Vitamin B2 ist auch beteiligt an der Hämsynthese und an der Bildung von Steroidverbindungen sowie von Schilddrüsenhormonen. Das FAD-Enzym Glutathionreduktase spielt eine wichtige Rolle für die Regenerierung von oxidiertem Glutathion.
Vitamin B3 (Niacin) ist ein Sammelbegriff für Nikotinsäure und Nikotinamid, einschließlich der Coenzyme NAD(H) und NADP(H). Diese sind die zentralen Elektronentransporter der Zelle und an ungefähr 500 biochemischen Reaktionen beteiligt. NAD(H) ist in mehrfacher Hinsicht wichtig für die ATP-Synthese und wird in der Glykolyse, im Citratzyklus und in der Atmungskette benötigt. Erschöpfung, Energiemangel und Abgeschlagenheit sind häufig Symptome einer unzureichenden Vitamin-B3-Versorgung. Vitamin B3 kann in einem gewissen Umfang auch aus der Aminosäure Tryptophan im Stoffwechsel synthetisiert werden, hierbei ist das Vitamin B6 ein essenzieller Cofaktor.
Biotin: In den Mitochondrien gibt es vier Enzymreaktionen, an denen Biotin beteiligt ist. Eines dieser Reaktionen dient auch als Zulieferungsreaktion, um den Ablauf des Citratcyclus zu gewährleisten. Insofern hat Biotin auch eine wichtige Funktion im Energiestoffwechsel.
Die Pantothensäure, auch Vitamin B5 genannt, 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.
Vitamin A: Retinol fungierte als Elektronen-Carrier in den Mitochondrien und hat einen regulierenden Effekt auf die Aktivität der Atmungskette.
Vitamin D: Der Vitamin-D-Rezeptor spielt eine wichtige Rolle für die Regulierung der Mitochondrienaktivität. Britische Wissenschaftler publizierten 2013, dass eine Vitamin-D- Therapie bei Personen mit Vitamin-D-Mangel die Mitochondrienaktivität in der Muskulatur verbessern konnte.
Vitamin K2 könnte auch für die Energieproduktion in den Mitochondrien von Bedeutung sein. Vitamin K2 hat eine ähnliche chemische Struktur wie Coenzym Q10 und kann anstelle von Q10 als Elektronenüberträger fungieren.
Vitamine C und E: Für die ATP-Synthese verbrauchen Mitochondrien über 90 Prozent des zellulären Sauerstoffs. Davon werden bis zu fünf Prozent in Superoxidanionen umgewandelt. Die Mitochondrien sind also eine bedeutende Quelle für freie Radikale, deren Freisetzung durch antioxidative Mikronährstoffe wie Vitamin C und E begrenzt werden muss.
Spurenelemente und Mineralstoffe
Eisen spielt eine wichtige Rolle für die Elektronenübertragung in der Atmungskette. Eisen bildet mit Schwefel sogenannte Eisen–Schwefel-Cluster, die in den Komplexen I, II, III und der Atmungskette vorkommen sowie im Citratcyclus. Eisen ist von größter Bedeutung für den Energiestoffwechsel, da ja auch die Sauerstoffaufnahme und der Sauerstofftransport von einer ausreichenden Eisenverfügbarkeit abhängen. Im Hämoglobin und Myoglobin liegt Eisen in Form einer Hämgruppe vor. Solche Eisenverbindungen gibt es auch in der Atmungskette.
Das Spurenelement Kupfer ist ebenfalls für die Funktionsfähigkeit der Atmungskette erforderlich. Die Mitochondrien können in ihrer Matrix Kupfer anreichern zur Bildung der Kupferenzyme Cytochrom-C-Oxidase und Superoxidismutase.
Mangan ist Bestandteil der SOD-2, die für den antioxidativen Schutz der Mitochondrien eine große Bedeutung hat. Wie bereits erwähnt, entstehen schon bei einer normalen Aktivität der Atmungskette Superoxidanionen, für deren Neutralisierung die Superoxiddismutasen eine zentrale Bedeutung haben.
Auch Zink ist ein Cofaktor der SODs.
Selen ist als Bestandteil der Glutathionperoxidasen ebenfalls am antioxidativen Schutz der Mitochondrien beteiligt.
Magnesium ist zentral wichtig für den Energiestoffwechsel, da ATP immer als Magnesium-ATP-Komplex vorliegt. Somit ist in allen ATP-abhängigen Reaktionen automatisch auch Magnesium beteiligt. Magnesium ist außerdem erforderlich für die Funktionsfähigkeit der ATP-Synthase.
Andere Mikronährstoffe
Carnitin ist ein Transportmolekül für langkettige Fettsäuren in die Mitochondrien. Bei einem Carnitin-Mangel ist die Einschleusung der genannten Fettsäuren vermindert, was zu einer Verminderung der Energiebildung führen kann. Carnitin ist auch wichtig für die Entgiftung der Mitochondrien und für die Bereitstellung von Acetyl-Coenzym-A. Letzteres ist eine Art Schlüsselsubstanz im gesamten Stoffwechsel.
Coenzym Q10 ist Bestandteil der Atmungskette und wird für die Funktion der Komplexe I - III benötigt. Außerdem ist Coenzym Q10 ein wichtiges fettlösliches Antioxidans. Carnitin und Coenzym Q10 sind mit die wichtigsten Mikronährstoffe für die Behandlung von Mitochondriopathien.
Glutathion ist ein Tripeptid, das aus den Aminosäuren Glutamin, Glycin und Cystein gebildet wird. Glutathion ist das wichtigste intrazelluläre Antioxidans und spielt auch für die Aufrechterhaltung des Redoxstatus der Mitochondrien eine zentrale Rolle.
Taurin ist eine schwefelhaltige Aminosäure mit sehr vielfältigen Eigenschaften. Zu den Funktionen von Taurin gehört auch die Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion. Ein Taurinmangel kann möglicherweise die Zusammensetzung der Komplexe der Atmungskette stören. Taurin reguliert auch die Calcium-Homöostase und die intrazelluläre antioxidative Aktivität.
Schlussbemerkung
Alle Stoffwechselaktivitäten und auch alle mentalen Prozesse wie Denken, Fühlen und Handeln sind elementar von einer ausreichenden Verfügbarkeit von Energie abhängig. Große Teile des Stoffwechsels dienen der Bereitstellung des Energiemoleküls ATP, sodass der Energiestoffwechsel mit Recht als Zentrum der Biochemie bezeichnet werden muss. Aus medizinischer Sicht muss es zur Gesunderhaltung oder auch zur Behandlung von Erkrankungen eigentlich immer darum gehen, eine ausreichende Energiebildung sicherzustellen. Am Energiestoffwechsel sind zahlreiche Mikronährstoffe beteiligt. Die Versorgung mit Mikronährstoffen sollte also von Zeit zu Zeit überprüft werden, insbesondere dann, wenn Erschöpfung, Müdigkeit, verminderte Belastbarkeit etc. vorliegen.
Referenzen beim Verfasser.