Die zelluläre Energieerzeugung und ihre Bedeutung für die Gesundheit

von | Jun 27, 2019 | Biochemie-Grundlagen, Blog

Lerne hier, weshalb die Energieerzeugung in unseren Zellen die grundlegendste Funktion des Körpers ist, was „Mitochondrien“ und „ATP“ sind und wie du die Energieerzeugung deines Körpers unterstützen kannst.

Von der Energieproduktion zweigen nahezu alle weiteren Funktionen des Körpers ab. Alle Zellen benötigen Energie, um ihre Funktion ausführen zu können: Nerven (Bildung von Neurotransmittern), Muskeln, Immunsystem, Entgiftung, Verdauung, etc. Eine gestörte Energieproduktion kann sich daher im und am ganzen Körper einschließlich sehr unspezifischen Symptomen manifestieren.

Hier ein kurzer Überblick über den Artikel:

Gesamt-Lesezeit: ca. 10 Minuten

1) Energie aus den Mitochondrien

Wenn du dich schon mit Gesundheitsthemen oder mit der Biochemie des menschlichen Körpers auseinandergesetzt hast, bist du sicher schon mal über den Begriff „Mitochondrien“ (oder Einzahl: Mitochondrium) gestolpert.

Mitochondrien sind deshalb so wichtig für die menschliche Gesundheit, weil sie für unsere Zellen Energie bereit stellen.

… und das nicht wenig.

Mitochondrien sind damit quasi unsere Energie-Kraftwerke.  Sie verbrennen für uns Fette und Kohlenhydrate zu sogenanntem „ATP“, kurz für Adenosintriphosphat. 

ATP ist die Universalwährung für Energie in unserem Körper. 

Du möchtest genauer wissen, wie diese ATP-Herstellung funktioniert?

Hier mal in kompliziert (und auf englisch), was beim Abbau von Glukose passiert:

Grafik zu Glykolyse, Citratzyklus, Elektronentransportkette

Du musst dir einfach nur merken, dass in den Mitochondrien zwei wichtige aufeinanderfolgende Prozesse stattfinden, um aus Glukose/Fettsäuren das gewünschte ATP herzustellen.

Der erste Schritt zur Energiebereitstellung sind die Glykolyse oder die Lipolyse (Zucker-/Fettspaltung) noch innerhalb einer Zellen. Erst danach werden die Produkte daraus in die Mitochondrien eingeschleust, wo dann diese Prozesse passieren:

  • Citratzyklus (auch Zitronensäure-Zyklus, englisch krebs cycle genannt)
  • Elektronentransportkette (Atmungskette)

Gehen Fettsäuren/Glukose den ganzen Weg, kommt am Schluss ATP dabei raus. Etwas bildhafter gesprochen könnte man auch sagen:

Dieser Prozess quetscht quasi das ATP aus den Fettsäuren/der Glukose.

Schauen wir uns in der folgenden schematischen Darstellung einer menschlichen Zelle mal genauer an, wo sich diese Mitochondrien befinden:

Zellen, Mitochondrien und Energieerzeugung

Die Mitochondrien sind als (4) abgebildet. Unter (1) siehst du die Zellmembran, die zur Abgrenzung von anderen Zellen dient, unter (2) den Zellkern oder auch Nukleus genannt und (3) sind mehr oder weniger die Ein- und Ausgänge der Zellen (Kanäle). 

Du siehst also in der ersten Grafik, dass die Mitochondrien sich innerhalb der menschlichen Zellen befinden.

Doch wie kamen sie dorthin?

Rückblickend war das Einwandern der Mitochondrien (die eigentlich Bakterien sind) in Zellen ein großer Schritt innerhalb der Evolution des Menschen, aber auch anderer Tiere. Erst durch diese Entwicklung konnte die Evolution voranschreiten, die eben viel Energie benötigte. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte nur ein kleiner Teil ATP vom Zellplasma (Zytosol) gebildet werden, was für höhere Lebensformen nicht ausreicht.

Jede Zelle verfügt über eine Vielzahl an Mitochondrien, manche mehr (zB Leberzellen), manche weniger. Eben je nach Funktion der Zelle.

Die einzigen Zellen ohne Mitochondrien sind rote Blutkörperchen. Die Mitochondriendichte, dh die Anzahl der Mitochondrien pro Zelle (ca. 500 bis 2000), ergibt sich durch den Energiebedarf der jeweiligen Zellart. Nerven- und Muskelzellen enthalten deshalb weit mehr als beispielsweise Knorpelzellen.

Du kannst dir sicherlich vorstellen, dass es nicht gut ist für unsere Gesundheit, wenn die Mitochondrien Schaden erleiden oder nicht richtig arbeiten können.

Und tatsächlich ist es wichtig, sich mit den Mitochondrien auszukennen, wenn man Biochemie verstehen will und die eigene Gesundheit langfristig und nachhaltig verbessern will.

Wie schon angedeutet, zweigt von der Energieproduktion in den Mitochondrien jede weitere Funktion des Körpers ab. Nahezu alle biochemischen Vorgänge des Körpers benötigen ATP, sei es nun für/zur …

  • Nervenstoffwechsel (Bildung von Neurotransmittern),
  • Muskelkontraktion,
  • Bildung von Gewebe (Binde- und Muskelgewebe),
  • Immunsystem (braucht sehr viel Energie),
  • Entgiftung (Entgiftungsenyzme werden durch ATP aktiviert),
  • Verdauung,
  • Bildung und Wirkung von Hormonen,
  • etc.

Kurzgefasst sind alle Prozesse von ATP abhängig, die enzymatisch verlaufen, weil die Aktivierung der meisten Enzyme von ATP abhängig ist (Enzyme = Stoffwechsel). Aber ganz generell auch für die Genexpression (also das Ablesen der DNA zur Synthese von Proteinen für Muskelzellen, Bindegewebe und Enzyme) ist ATP notwendig.

Eine gestörte Energieproduktion und ein Mangel an ATP (*) kann sich daher im und am ganzen Körper einschließlich – leider auch – sehr unspezifischen Symptomen manifestieren.

Um seine Aufgaben zu erfüllen, müssen die Mitochondrien daher gesund sein und ausreichend Nährstoffe der Energieversorgung zur Verfügung haben.

Für die Energieerzeugung benötigen Mitochondrien insbesondere so gut wie alle B-Vitamine, Magnesium und antioxidative Spurenelemente wie Zink, Kupfer, Mangan sowie Sauerstoff (inkl. Eisen).

2) Oxidativer Stress und Antioxidantien

Wie bereits erwähnt, werden in den Mitochondrien Energiesubstrate (das sind Glukose und Fettsäuren) verbrannt, genauergesagt mithilfe von Sauerstoff oxidiert. Bei diesem lebensnotwendigen Prozess entstehen freie Radikale, die in einem Übermaß Mitochondrien und die Zelle (insbesondere deren Membrane) an sich schädigen können.

Gerät die Energieproduktion (also die Oxidation) aus der Balance und steht sie folglich nicht mehr in ausreichendem Verhältnis zur Antioxidation, sprechen wir vom sogenannten „oxidativen Stress“.

Damit oxidativer Stress nicht Überhand gewinnen kann, brauchen die Mitochondrien und die Zelle Schutzmechanismen.

Der körpereigene Schutzmechanismus ist SOD.

SOD steht kurz für Superoxid-Dismutase. Das ist ein Enzym, das dafür sorgt, das freie Radikale (genauer Sauerstoffradikale wie Superoxid) neutralisiert und unschädlich gemacht werden, die aus der Energieerzeugung resultieren.

Und wer es genauer wissen will: SOD wandelt Superoxid zu einem anderen Radikal namens Wasserstoffperoxid um, welches über ein weiteres Enzym namens Katalase (enthält Selen) zu unschädlichem Wasser umgewandelt wird.

SOD ist jedenfalls ein wichtiger Teil des antioxidativen Systems im Körper, das für seine Bildung/Funktion ausreichend Zink, Kupfer und Mangan benötigt.

Die Anfälligkeit für oxidativen Stress und damit Zellschäden steigt sehr stark, wenn Prozesse viel Energie verbrauchen. Das ist zum Beispiel der Fall bei chronischen Entzündungen, bei der das Immunsystem sehr viel Energie über einen langen Zeitraum für sich beansprucht. Das gleiche gilt für auch für psychischen Stress, übermäßigen Sport und durch Exposition von Umweltschadstoffe. 

(Falls du mehr über das körpereigene System der Antioxidation erfahren willst, kann ich dir dieses Interview (englischsprachig und eher für Fortgeschrittene) zwischen den Gesundheitsexperten Ari Whitten und dem Biochemiker Chris Masterjohn sehr ans Herz legen. )

3) Mitochondrien und Schilddrüsenhormone

Schon im Artikel zu ständig kalten Händen und Füßen mache ich aufmerksam auf den Zusammenhang zwischen Schilddrüse und der Steuerung der mitochondrialen Energieerzeugung. Kurzgefasst gibt die Schilddrüse mit ihren Hormonen (insbesondere das Hormon T3) vor, wie intensiv Energie gebildet werden soll.

Bei einer Schilddrüsenunterfunktion beispielsweise arbeiten die Mitochondrien weniger, weshalb auch weniger Energie erzeugt und verbrannt wird. Damit steigert sich auch die Wahrscheinlichkeit an Übergewicht zu leiden. 

Nebenbei bemerkt können wir anhand der Bildung von Schilddrüsenhormonen erkennen, dass Oxidantien eine wichtige Funktion ausüben. Denn die Bildung dieser Hormone in den Zellen der Schilddrüse hängt vom freien Radikal Wasserstoffperoxid ab. 

4) Transport von Zucker und Fett in die Mitochondrien

Abschließend möchte ich noch auf den etwas weiter gefassten Zusammenhang zum Transport von Energiesubstraten (Glukose und Fettsäuren) kurz eingehen.

Damit Zucker in die Zellen und damit weiter zu den Mitochondrien gelangen kann, wird ausreichend vom Hormon Insulin (und eine gute Insulinsensitivität der Zelle) benötigt. Das heißt, das Hormon Insulin muss „funktionieren“, was es beispielsweise bei einer Insulinresistenz nicht tut.

Um hingegen Fett in den Zellen verbrennen zu können, muss es von Cholin von der Leber in die Zellen transportiert werden. 

Ich hoffe, du hast in diesem Artikel einen Überblick über die Bedeutung der mitochondrialen Energieerzeugung und der Wichtigkeit der Balance zwischen Oxidation und Antioxidation erlangen können.

Die „Mitochondrien“ sind die Energiekraftwerke in (fast) jeder Zelle des menschlichen Körpers und damit lebensnotwendig. 

Alles Gute

Daniel

(*) PS.: Die Gesundheit von Mitochondrien und die Bildung von ATP lässt sich im Labor messen (zB Parameter wie Mitochondriale Aktivität, ATP intrazellulär oder generell organische Säuren im Urin).

 

Bildquellen:

RegisFrey [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

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