Mitochondrien: Aufgaben, Energiegewinnung und Auswirkungen des Alters

Ein gesunder Erwachsener stellt laut einer Übersichtsarbeit von 2015 täglich etwa 50 kg ATP her, das Molekül, das den Zellen Energie liefert. Der größte Teil stammt aus seinen Mitochondrien. Hier erfahren Sie, wie ein Mitochondrium funktioniert, was sich mit dem Alter verändert und was es laut Studien erhält.

Was ist ein Mitochondrium?

Ein Mitochondrium ist ein Organell: ein spezialisiertes, von zwei Membranen begrenztes Zellkompartiment, das mithilfe von Sauerstoff die Energie aus Lebensmitteln in ATP umwandelt. Es ist im Lichtmikroskop sichtbar und bildet mit seinen Nachbarn häufig ein Netz von Röhren, die sich ständig teilen und miteinander verschmelzen.

Das Bild vom „Kraftwerk der Zelle“ stammt aus dem Jahr 1957. Eine Übersichtsarbeit von 2023 hält es für zu einfach und nennt Dutzende von Funktionen.

Zwei Membranen, Cristae und eine Matrix

Die äußere Membran ist durchlässig: Kanäle lassen Ionen und kleine Moleküle passieren. Die dichte innere Membran lässt nur durch, was ihre Transporter auswählen. An ihr wird eine elektrische Differenz von etwa 180 Millivolt aufrechterhalten. Sie bildet Falten, die Cristae, in denen Atmungskette und ATP-Synthase konzentriert sind. Im Zentrum liegt die proteinreiche Matrix, die die mitochondriale DNA und den Krebszyklus beherbergt.

Eine eigene DNA, von der Mutter vererbt

Ein Mitochondrium besitzt eigene DNA: ein ringförmiges Molekül mit etwa 16.600 Basenpaaren, das in mehreren Kopien vorliegt. Seine 37 Gene codieren 13 Proteine der Atmungskette und der ATP-Synthase sowie 24 RNAs, die zu deren Herstellung dienen. Diese DNA wird von der Mutter vererbt.

Mutationen dieser DNA oder von Genen im Zellkern verursachen mitochondriale Erkrankungen. Das sind seltene genetische Krankheiten mit unterschiedlichen Symptomen, die eine spezialisierte medizinische Betreuung erfordern.

Ein früheres Bakterium wird zum Organell

Das Mitochondrium stammt von einem mit den Alphaproteobakterien verwandten Bakterium ab, das vor etwa 1,6 Milliarden Jahren von einer anderen Zelle aufgenommen wurde. Dies ist die Endosymbiontentheorie. Spuren davon sind seine eigenen Ribosomen und Atmungskomplexe, die denen von Bakterien stark ähneln.

Wie viele Mitochondrien enthält eine Zelle?

Das hängt vom Gewebe ab. Weil Mitochondrien häufig ein Netzwerk bilden, wird eher die Anzahl der Kopien mitochondrialer DNA gemessen, von denen mehrere pro Mitochondrium vorkommen. Laut einer Übersichtsarbeit von 2023 sind es im Allgemeinen 100 bis 5.000 pro Zelle. Eine Herzmuskelzelle enthält durchschnittlich mehr als 6.000, ein weißes Blutkörperchen etwa 350.

Wie produziert ein Mitochondrium ATP?

Es leitet die den Nährstoffen entnommenen Elektronen bis zum Sauerstoff weiter und nutzt die dabei freigesetzte Energie zur ATP-Herstellung. Zu diesen Nährstoffen gehören Glukose, Fettsäuren und bestimmte Aminosäuren. Hier sind die Schritte für Glukose.

Komplex I erhält Elektronen von NADH, Komplex II von Succinat, einem Zwischenprodukt des Krebszyklus. Coenzym Q10 leitet sie zu Komplex III und anschließend Cytochrom c zu Komplex IV. Dieser überträgt sie auf Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Lesen Sie auch den Unterschied zwischen NAD+ und NADH.

Die Komplexe I, III und IV pumpen Protonen aus der Matrix. Beim Rückfluss durch die ATP-Synthase drehen sie einen Ring aus 8 Untereinheiten, den Rotor eines Motors, der ATP zusammensetzt. Insgesamt liefert die vollständige Oxidation eines Glukosemoleküls laut einer Berechnung von 2017 höchstens 33,45 ATP.

Freie Radikale, Calcium und Wärme: weitere Aufgaben der Mitochondrien

Während die Elektronen weitergeleitet werden, entweichen einige und reagieren mit Sauerstoff. So entstehen reaktive Sauerstoffspezies, vor allem an den Komplexen I und III. Lange als bloße Abfallprodukte betrachtet, dienen sie auch als Signale. In einer Humanstudie hoben hoch dosierte Antioxidantien sogar manche Trainingsvorteile auf (siehe oxidativer Stress und Antioxidantien).

Mitochondrien nehmen außerdem Calcium auf und geben es ab. Durch die Freisetzung von Cytochrom c lösen sie den programmierten Zelltod aus. Sie erzeugen Wärme, wenn ein Protein wie UCP1 die Atmung von der ATP-Bildung entkoppelt. In Nebennieren und Keimdrüsen übernehmen sie den ersten Schritt der Herstellung von Steroidhormonen aus Cholesterin.

Wie erhält die Zelle ihre Mitochondrien?

Durch eine kontinuierliche Qualitätskontrolle. Mitochondrien verschmelzen und teilen sich ständig, wodurch ein beschädigter Abschnitt möglicherweise isoliert werden kann. Verliert eines sein elektrisches Potenzial, sammelt sich das Protein PINK1 an seiner Oberfläche und rekrutiert Parkin, das es zur Zerstörung markiert. Dies ist die Mitophagie. Umgekehrt vermehrt die durch das Protein PGC-1α koordinierte Biogenese die bestehenden Mitochondrien.

Was verändert das Alter an den Mitochondrien?

Ihre Fähigkeit zur ATP-Produktion nimmt ab, doch körperliche Inaktivität trägt deutlich dazu bei. Eine Studie von 2008 verglich 42 junge Erwachsene zwischen 18 und 30 Jahren und ältere zwischen 59 und 76 Jahren, die entweder inaktiv oder ausdauertrainiert waren. Bei den inaktiven älteren Personen produzierten die Muskelmitochondrien weniger ATP. Bei den Sportlern war der altersbedingte Unterschied nicht signifikant, obwohl die älteren weiterhin weniger mitochondriale DNA hatten.

Nicht alle Gewebe altern gleich. In einer Studie von 2016 mit 152 obduzierten Personen zwischen 3 Tagen und 96 Jahren nahmen die mitochondrialen DNA-Kopien mit dem Alter im Muskel ab, besonders bei Männern, in der Leber jedoch zu.

Auch Mutationen der mitochondrialen DNA sammeln sich mit dem Alter an. Bei Tieren verlangsamt sich die Mitophagie in einem Hirnbereich, und NAD+, das Elektronen zur Atmungskette transportiert, nimmt in mehreren Geweben ab. Beim Menschen ist dieser Rückgang gewebeabhängig (siehe NAD+ und seine Veränderung mit dem Alter).

Die mitochondriale Alterungstheorie braucht eine differenzierte Betrachtung

Nach der 1956 vorgeschlagenen Theorie der freien Radikale lassen Schäden durch Oxidantien den Körper altern. Die Mitochondrien, die solche Oxidantien bilden, rückten ins Zentrum dieser Idee. Bei Tieren verlängerte ihre Neutralisierung in manchen Modellen das Leben, in anderen nicht. Mitunter verlängerte auch eine größere Menge an Oxidantien das Leben.

„Mutator“-Mäuse, deren mitochondriale DNA Fehler anhäuft, altern vorzeitig. Ihre Mutationen unterscheiden sich jedoch in Art und Anzahl von denen des normalen Alterns. Die Rolle von Mutationen beim Altern bleibt umstritten.

Mitochondrien erhalten: Was zeigen Studien?

Körperliche Aktivität ist der beim Menschen in jedem Alter am besten belegte Ansatz: Sie fördert die mitochondriale Biogenese.

Ausdauer- und Intervalltraining

In einer Studie von 2003 absolvierten 65 Erwachsene zwischen 21 und 87 Jahren 16 Wochen Ausdauertraining, verglichen mit 37 Kontrollpersonen. Die Aktivität zweier mitochondrialer Enzyme im Muskel stieg unabhängig vom Alter um 45 bis 76 %.

2017 wurden in einer Studie Erwachsene zwischen 18 und 30 sowie zwischen 65 und 80 Jahren zufällig drei Programmen über 12 Wochen zugeteilt. Das Intervalltraining kombinierte drei Radtrainingseinheiten pro Woche mit jeweils 4-mal 4 Minuten bei mehr als 90 % der maximalen Sauerstoffaufnahme und zwei Geheinheiten. Es erhöhte die maximale Atmung der Muskelmitochondrien bei den 9 älteren Teilnehmern um 69 % und bei den 14 jungen um 49 %. Das Programm mit moderatem Radfahren und Krafttraining hatte nur bei den Jungen einen signifikanten Effekt (+38 %), Krafttraining allein in keiner Gruppe.

Training erhöht auch NAMPT im Muskel, das Schlüsselenzym der NAD+-Wiederverwertung. Lesen Sie dazu die untersuchten Ansätze zur Erhöhung des NAD+-Spiegels.

Schlaf und Ernährung

Schlafmangel könnte die Mitochondrien beeinträchtigen. In einer kleinen Studie von 2021 mit 24 jungen Männern in drei Gruppen zu je 8 verringerten fünf Nächte mit 4 Stunden im Bett die Glukosetoleranz gegenüber der Gruppe mit 8 Stunden Schlaf. Auch die mitochondriale Atmung im Muskel sank um etwa 18 %, allerdings ohne signifikanten Unterschied zu dieser Gruppe. Bei der Gruppe, die drei Intervalltrainingseinheiten hinzufügte, wurden diese Rückgänge nicht beobachtet.

Zur Ernährung prüfte eine Studie von 2007 6 Monate Kalorienrestriktion bei 36 übergewichtigen Erwachsenen. 25 % weniger Kalorien erhöhten die Menge mitochondrialer DNA im Muskel um 35 %, gegenüber +21 % bei Restriktion mit Bewegung und +2 % bei den Kontrollpersonen. Die Aktivität der mitochondrialen Enzyme veränderte sich nicht. Eine solche Einschränkung sollte nicht eigenständig begonnen werden. Holen Sie Rat bei einer medizinischen Fachperson ein.

Vitamine, Mineralstoffe und Nahrungsergänzung: Welche Aussagen sind erlaubt?

Fünfzehn Vitamine und Mineralstoffe haben eine zugelassene Angabe zum Energiestoffwechsel: Pantothensäure, Biotin, Calcium, Kupfer, Eisen, Jod, Magnesium, Mangan, Niacin, Phosphor, Riboflavin, Thiamin sowie die Vitamine B6, B12 und C. Das Produkt muss nach den gesetzlichen Vorgaben mindestens eine „Quelle“ des Nährstoffs sein.

Mehrere wirken im Mitochondrium. Riboflavin (B2) dient den Flavinenzymen der Atmungskette, Niacin (B3) der NADH-Bildung und Pantothensäure (B5) der Herstellung von Coenzym A. Thiamin (B1) ist für Enzymkomplexe des Krebszyklus unverzichtbar. Eisen ist Bestandteil der acht Eisen-Schwefel-Zentren von Komplex I.

Der genaue Wortlaut lautet: „Riboflavin trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei“, „Niacin trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei“ und „Magnesium trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei“. Lesen Sie unsere Artikel über Vitamin B3 und Magnesiumformen. Für Coenzym Q10, L-Carnitin und Alpha-Liponsäure ist dagegen keine gesundheitsbezogene Angabe zugelassen.

NAD+-Vorläufer bleiben Gegenstand der Forschung. In einer Studie von 2020 mit 40 adipösen und insulinresistenten Männern veränderten täglich 2 g Nicotinamid-Ribosid über 12 Wochen im Vergleich zu einem Placebo weder das NAD+ im Muskel noch seine Mitochondrien hinsichtlich Atmung, Menge oder Form. Weitere Studien finden Sie in unserem Vergleich zwischen NMN und NR.

Häufige Fragen

Hat ein Mitochondrium einen Zellkern?

Nein. Seine DNA ist in kleine Pakete, die Nukleoide, gepackt. Diese enthalten meistens nur eine Kopie des mitochondrialen Genoms.

Warum gilt ein Mitochondrium als semiautonom?

Weil es eigene DNA besitzt, aber nur einen winzigen Teil seiner Proteine herstellt. Im Laufe der Evolution übertrug es bis zu 99 % seiner Gene in den Zellkern. Die meisten seiner Proteine werden im Zytoplasma hergestellt und anschließend importiert.

Haben alle unsere Zellen Mitochondrien?

Fast alle. Rote Blutkörperchen sind eine Ausnahme: Während ihrer Reifung verlieren sie den Zellkern und beseitigen ihre Mitochondrien durch Mitophagie mithilfe eines Proteins namens NIX.

Stammt mitochondriale DNA immer von der Mutter?

Fast immer. 2002 wurde im Muskel eines Patienten mit Myopathie ein Fall väterlicher Herkunft beschrieben. Bei weiteren anschließend untersuchten Patienten fand sich dies jedoch nicht. Diese Vererbung bleibt außergewöhnlich und umstritten.

Lässt sich der Zustand der Mitochondrien messen?

Nicht einfach. Die hier genannten Studien analysieren Mitochondrien aus einer Muskelbiopsie. Die manchmal im Blut gemessene Anzahl mitochondrialer DNA-Kopien unterscheidet sich zwischen den Geweben, häufig ohne Zusammenhang innerhalb derselben Person. Sie gibt daher nicht unbedingt Auskunft über andere Gewebe.

Kann anhaltende Müdigkeit durch eine mitochondriale Erkrankung entstehen?

Das ist möglich, aber unwahrscheinlich: Diese genetischen Erkrankungen sind selten. Länger anhaltende Müdigkeit hat viele andere Ursachen. Wenn sie über einige Wochen hinaus besteht, suchen Sie ärztlichen Rat.

Fazit

Ein Mitochondrium ist weit mehr als ein Kraftwerk: Es bildet den Großteil des ATP, reguliert aber auch Calcium, Zelltod, Wärme und bestimmte Hormone. Mit dem Alter nimmt seine Leistungsfähigkeit ab, teilweise durch Inaktivität. Ausdauer- und Intervalltraining bleiben die am besten belegten Ansätze, auch nach dem 65. Lebensjahr.

Quellen

1. Kühlbrandt W (2015). Structure and function of mitochondrial membrane protein complexes. BMC Biology, 13, 89. doi:10.1186/s12915-015-0201-x
2. Taylor RW, Turnbull DM (2005). Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nature Reviews Genetics, 6(5), 389-402. doi:10.1038/nrg1606
3. Monzel AS, Enríquez JA, Picard M (2023). Multifaceted mitochondria: moving mitochondrial science beyond function and dysfunction. Nature Metabolism, 5(4), 546-562. doi:10.1038/s42255-023-00783-1
4. Wachsmuth M et al. (2016). Age-related and heteroplasmy-related variation in human mtDNA copy number. PLoS Genetics, 12(3), e1005939. doi:10.1371/journal.pgen.1005939
5. Mookerjee SA et al. (2017). Quantifying intracellular rates of glycolytic and oxidative ATP production and consumption using extracellular flux measurements. Journal of Biological Chemistry, 292(17), 7189-7207. doi:10.1074/jbc.M116.774471
6. Sun N, Youle RJ, Finkel T (2016). The mitochondrial basis of aging. Molecular Cell, 61(5), 654-666. doi:10.1016/j.molcel.2016.01.028
7. Lanza IR et al. (2008). Endurance exercise as a countermeasure for aging. Diabetes, 57(11), 2933-2942. doi:10.2337/db08-0349
8. Short KR et al. (2003). Impact of aerobic exercise training on age-related changes in insulin sensitivity and muscle oxidative capacity. Diabetes, 52(8), 1888-1896. doi:10.2337/diabetes.52.8.1888
9. Robinson MM et al. (2017). Enhanced protein translation underlies improved metabolic and physical adaptations to different exercise training modes in young and old humans. Cell Metabolism, 25(3), 581-592. doi:10.1016/j.cmet.2017.02.009
10. Saner NJ et al. (2021). Exercise mitigates sleep-loss-induced changes in glucose tolerance, mitochondrial function, sarcoplasmic protein synthesis, and diurnal rhythms. Molecular Metabolism, 43, 101110. doi:10.1016/j.molmet.2020.101110
11. Civitarese AE et al. (2007). Calorie restriction increases muscle mitochondrial biogenesis in healthy humans. PLoS Medicine, 4(3), e76. doi:10.1371/journal.pmed.0040076
12. Depeint F et al. (2006). Mitochondrial function and toxicity: role of the B vitamin family on mitochondrial energy metabolism. Chemico-Biological Interactions, 163(1-2), 94-112. doi:10.1016/j.cbi.2006.04.014
13. Dollerup OL et al. (2020). Nicotinamide riboside does not alter mitochondrial respiration, content or morphology in skeletal muscle from obese and insulin-resistant men. The Journal of Physiology, 598(4), 731-754. doi:10.1113/JP278752
14. Verordnung (EU) Nr. 432/2012 der Kommission vom 16. Mai 2012 zur Festlegung einer Liste zulässiger gesundheitsbezogener Angaben über Lebensmittel, ausgenommen Angaben über die Verringerung eines Krankheitsrisikos sowie die Entwicklung und Gesundheit von Kindern. Amtsblatt der Europäischen Union, L 136, 1–40 (konsolidierte Fassung vom 19. August 2024). eur-lex.europa.eu

Nahrungsergänzungsmittel ersetzen weder eine abwechslungsreiche, ausgewogene Ernährung noch eine gesunde Lebensweise. Lassen Sie sich bei Medikamenteneinnahme, Schwangerschaft oder Stillzeit von einer medizinischen Fachperson beraten.