Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen. In ihnen verbrennt der Körper Zucker und Fett mit Sauerstoff und gewinnt daraus fast die ganze Energie, die er braucht. Je nach Gewebe stecken in einer einzigen Zelle Hunderte bis Tausende von ihnen, am meisten in Herz, Muskeln, Gehirn und Leber.
Doch Mitochondrien liefern nicht nur Energie. Sie entscheiden mit, ob sich eine Zelle teilt, ob sie ausreift und ruht oder ob sie stirbt. Darum sind sie für die Leistungsfähigkeit ebenso wichtig wie für die Frage, wie Krebs entsteht.
Bau und AufgabenWoraus ein Mitochondrium besteht und was es neben der Energie leistet
Mitochondrien haben eine eigene, ringförmige Erbsubstanz und eigene Ribosomen; sie stammen von Bakterien ab, die vor rund zwei Milliarden Jahren in unsere Vorläuferzellen eingewandert sind. Sie sind beweglich und wandelbar: Sie wachsen, schrumpfen, teilen sich und verschmelzen wieder miteinander.
Neben der Energie erledigen sie eine Reihe weiterer Aufgaben:
- Bildung von ATP, der Energiewährung der Zelle
- Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) und Fettverbrennung (Beta-Oxidation)
- Bildung von Ketonkörpern und Neubildung von Zucker
- Harnstoffzyklus und Stoffwechsel der Aminosäuren
- Bildung des Häm, des roten Blutfarbstoffs
- Bildung der Steroidhormone
- Speicher und Regler für Calcium
Die Energie entsteht an der inneren Membran, die in vielen Falten, den Cristae, liegt. Dort sitzt die Atmungskette. Sie braucht Eisen in ihren Eisen-Schwefel-Zentren, dazu Coenzym Q10, Magnesium, Mangan, die Vitamine B1, B2 und B3, Pantothensäure und Liponsäure. Ein besonderes Fett, das Cardiolipin, kommt nur in Mitochondrien vor: Es hält die Cristae in Form, bindet die Komplexe der Atmungskette aneinander und dichtet die Membran ab, damit keine Protonen verloren gehen.
Bei der Atmung entstehen auch freie Radikale. In kleiner Menge sind sie Signale, im Übermass schädigen sie. Die Zelle wehrt sich mit Enzymen, die Mangan, Kupfer, Zink und Selen brauchen. Umweltgifte, Schwermetalle, gewisse Medikamente wie Statine und chronische Entzündungen können die Mitochondrien zusätzlich belasten, unter anderem über Stickstoffradikale, den sogenannten nitrosativen Stress.
Zwei Wege zur EnergieSchnell und knapp mit Gärung oder langsam und ergiebig mit Sauerstoff
Jede Zelle baut Zucker zuerst in der Zelle zu Pyruvat ab, die Glykolyse. Dann gabelt sich der Weg. Ohne Sauerstoff wird Pyruvat zu Laktat vergoren: Das geht schnell, liefert aber nur 2 ATP pro Zuckermolekül. Mit Sauerstoff wandert Pyruvat in die Mitochondrien und wird dort vollständig zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt: Das ist langsamer, liefert aber rund 30 ATP.
Der schnelle Weg ist für kurze, heftige Belastungen da, für Kampf oder Flucht. Er führt zu Laktat und Übersäuerung. Der Weg über die Mitochondrien ist der Weg der Ausdauer; er verbrennt auch Fett.
Zellteilung und DifferenzierungWie die Mitochondrien mitbestimmen, ob eine Zelle sich teilt, ausreift oder stirbt
Sich zu teilen ist der Grundzustand jeder Zelle, so wie bei allen Mikroorganismen. In einem vielzelligen Körper muss diese Teilung gebremst werden, damit die Zellen ausreifen, sich spezialisieren und ihre Aufgabe erfüllen. Hier spielen die Mitochondrien eine Schlüsselrolle: Die Atmung in den Mitochondrien fördert die Signale, welche die Teilung hemmen. Damit sichert die Atmung die Differenzierung und die Ruhe der Zelle.
Das zeigt sich am Weg einer Zelle durch ihr Leben. Stammzellen und Zellen des Embryos teilen sich rasch. Ihre Mitochondrien sind klein, rund und wenig gefaltet, und sie gewinnen ihre Energie vor allem aus der Glykolyse. Das hat einen Grund: Wer sich teilt, braucht nicht nur Energie, sondern Baumaterial für eine neue Zelle, und die Zwischenprodukte der Glykolyse liefern es. Reift die Zelle aus, schaltet sie um. Die Mitochondrien werden zahlreicher, länger und stärker gefaltet, die Zelle atmet und ruht.
Mit dieser Umstellung geht ein zweiter Wechsel einher. Das Enzym Telomerase, das die Enden der Chromosomen verlängert und so beliebig viele Teilungen erlaubt, ist in jungen, embryonalen Zellen hoch aktiv. In ausgereiften Zellen mit intakter Atmung ist es kaum noch aktiv.
Die Mitochondrien sprechen mit dem Zellkern
Mitochondrien und Zellkern stehen in ständigem Austausch. Gerät die Atmung ins Stocken, melden das die Mitochondrien an den Kern, die retrograde Antwort. Kurzfristig ist das eine Überlebenshilfe: Der Kern schaltet Enzyme ein, die Energie ohne Sauerstoff bereitstellen. Hält die Störung an, werden dabei aber Gene wie Myc, Ras, HIF-1α, Akt und mTOR dauerhaft verstärkt, die Wachstum und Gärung antreiben. Es entstehen mehr freie Radikale, und der Wächter des Erbguts, das Protein p53, wird geschwächt. Das Erbgut wird instabil.
Apoptose: der geordnete Zelltod
Die Mitochondrien entscheiden auch, wann eine Zelle sterben muss. Ist sie zu stark geschädigt, geben ihre Mitochondrien den Stoff Cytochrom c frei, der sonst in der Atmungskette arbeitet. Im Zellsaft setzt er eine Kette von Enzymen in Gang, die Caspasen, und die Zelle baut sich geordnet ab, ohne Entzündung. So schützt sich der Körper vor kranken Zellen.
Gesunde, gealterte Zellen, deren Atmung versagt, gleichen das nicht durch mehr Glykolyse aus. Sie sterben und werden nie zu Tumorzellen. Gelingt es einer Zelle dagegen, die fehlende Atmung durch Gärung zu ersetzen, entgeht sie diesem Zelltod. Hier beginnt der Weg zum Krebs.
Mitochondrien und LeistungEnergiesysteme, Laktat, Eisen und Training
Der Körper hat drei Energiesysteme, die einander ablösen. Für die ersten Sekunden reicht der Vorrat an ATP und Kreatinphosphat im Muskel. Bis etwa zwei Minuten trägt die Glykolyse mit Laktat. Was länger dauert, leisten die Mitochondrien mit Sauerstoff. Ein Golfschwung braucht fast nur das erste System, ein Langstreckenlauf zu rund 70 Prozent das dritte.
Wie gut die Mitochondrien Energie liefern, zeigt der Laktat-Belastungstest: Auf dem Ergometer wird bei steigender Leistung das Laktat im Blut gemessen.
Eisen
Ohne Eisen keine Atmung: Es steckt in den Eisen-Schwefel-Zentren und den Cytochromen der Atmungskette und in rund 180 weiteren Reaktionen des Körpers. Ein Eisenmangel macht deshalb müde und leistungsschwach, auch wenn der rote Blutfarbstoff noch normal ist. Eisen braucht auch die Zellteilung, denn das Enzym, das die Bausteine der Erbsubstanz herstellt, kommt ohne Eisen nicht aus.
Radikale als Trainingsreiz
Die freien Radikale, die beim Training entstehen, sind ein Signal: Sie regen den Körper an, neue Mitochondrien zu bilden und die eigenen Schutzenzyme zu verstärken. Eine Studie hat gezeigt, dass hohe Dosen Vitamin C (1000 mg) und Vitamin E (400 IE) diese gesunde Wirkung des Trainings auf den Zuckerstoffwechsel aufheben können. Antioxidantien gehören deshalb nicht in hoher Dosis unmittelbar zum Training.
Quelle: Ristow M et al., PNAS 2009
Mitochondrien und KrebsentstehungWarum Tumorzellen gären statt atmen, und was daraus folgt
Tumorzellen unterscheiden sich von normalen Zellen nicht in der Menge der Energie, sondern in ihrer Quelle.
Strahlen, Gifte, Viren und chronische Entzündungen lösen Krebs aus, obwohl sie ganz unspezifisch wirken. Wie wird daraus ein so spezifischer Vorgang wie ein Tumor? Eine Antwort liegt in den Mitochondrien: Alle diese Einflüsse können die Atmung der Zelle stören.
Der Warburg-Effekt
Schon in den 1920er Jahren entdeckte Otto Warburg, dass Tumorzellen Zucker zu Laktat vergären, auch wenn genug Sauerstoff da ist. Das gilt für fast alle Tumoren, unabhängig davon, aus welchem Gewebe sie stammen. Tumorzellen nehmen deshalb viel mehr Zucker auf als gesunde Zellen. Darauf beruht die PET-Untersuchung, die Tumoren mit markiertem Zucker sichtbar macht.
Tumorzellen brauchen ungefähr gleich viel Energie wie jede Zelle, gewinnen sie aber aus Gärung von Zucker und aus dem Abbau der Aminosäure Glutamin statt aus der Atmung.
Wenn die Gärung die Atmung ersetzt
Nach der Sicht des amerikanischen Forschers Thomas Seyfried beginnt Krebs mit einer langen Phase, in der die Atmung einer Zelle Schritt für Schritt geschädigt wird. Die Zelle hält sich mit Gärung am Leben. Anfangs ist das umkehrbar; ist die Atmung zu weit zerstört, nicht mehr. Eine normale Zelle kann so nicht ausweichen und stirbt.
Dazu passt, was man in Tumoren sieht: Je bösartiger ein Tumor, desto weniger normal sind seine Mitochondrien. Sie sind rund, haben wenige Cristae, und ihr Cardiolipin ist verändert. Durch die undichte innere Membran fliessen Protonen zurück; es entstehen mehr Radikale und Wärme statt Energie.
Die meisten Forscher sehen Veränderungen im Erbgut als Ausgangspunkt von Krebs. Der veränderte Energiestoffwechsel ist aber ein gesichertes Kennzeichen jedes Tumors und ein Ansatzpunkt für Vorbeugung und Behandlung. Bei einigen Tumoren sitzt der Fehler sogar unmittelbar in Enzymen der Mitochondrien.
Quellen: Seyfried TN, Shelton LM, «Cancer as a metabolic disease», Nutr Metab 2010; Pedersen PL 1978; Hanahan D, Weinberg RA, Cell 2011
Abklärung und Unterstützung in der KlinikWie wir die Mitochondrien prüfen, mit dem Rechner für die Mitochondriale Aktivität
Wir prüfen die Mitochondrien unter Belastung, denn in Ruhe sind die Werte oft unauffällig. Dazu gehören der Laktat-Belastungstest auf dem Ergometer, das Blutbild, das Ferritin als Mass für die Eisenspeicher und Vitamin B12. Dazu kommt die venöse Blutgasanalyse. Aus ihr entstand aus der Forschung von Dr. med. John van Limburg Stirum die sogenannte Mitochondriale Aktivität, berechnet aus Sauerstoff, Kohlendioxid und Laktat.
Funktionelle Mitochondrienanalyse: Integration von Ergometrie, Laktat und venöser Blutgasdiagnostik
Ein praxisorientierter Ansatz zur Beurteilung der zellulären Energiebereitstellung
Die Beurteilung der mitochondrialen Funktion ist in der ganzheitlichen klinischen Praxis eine wichtige Analyse. Dabei gewinnen funktionelle Verfahren an Bedeutung, die systemische Reaktionen unter Belastung und in Ruhe kombinieren.
Im Zentrum steht dabei nicht die isolierte Betrachtung einzelner Laborparameter, sondern die funktionelle Interpretation physiologischer Zusammenhänge. Mitochondrien sind keine statischen Einheiten, sondern dynamische Regulatoren der Energiehomöostase. Ihre Leistungsfähigkeit zeigt sich primär in der Adaptation an Belastung sowie in der Effizienz der Substratverwertung.
Ergometrie mit Laktatdiagnostik
Ein etablierter Zugang erfolgt über die Ergometrie, erweitert durch eine differenzierte Laktatdiagnostik. Die Belastungsuntersuchung erlaubt Rückschlüsse auf die kardiovaskuläre Anpassungsfähigkeit sowie auf die Kopplung zwischen Sauerstoffangebot und -nutzung. Der Verlauf der Laktatkurve liefert dabei entscheidende Hinweise auf den Übergang von oxidativer zu vermehrt glykolytischer Energiegewinnung. Eine frühzeitige Laktatakkumulation bei niedriger Leistungsstufe kann auf eine eingeschränkte mitochondriale Oxidationskapazität hinweisen, ist jedoch stets im Kontext der Gesamtphysiologie zu interpretieren.
Venöse Blutgasanalyse mit dem epoc-System
Eine zusätzliche, oft unterschätzte Dimension ergibt sich aus der Analyse venöser Blutgase. Während arterielle Blutgasanalysen primär die pulmonale Oxygenierung abbilden, erlaubt die venöse Perspektive Rückschlüsse auf die periphere Sauerstoffextraktion und den zellulären Metabolismus.
Im Rahmen eines erweiterten funktionellen Ansatzes kann aus den Parametern venöse Sauerstoffsättigung (SvO₂), CO₂ (z. B. pCO₂ oder Gesamt-CO₂) und Laktat eine abgeleitete Grösse zur Abschätzung der mitochondrialen Aktivität gebildet werden.
Der physiologische Hintergrund
Eine erhöhte venöse Sauerstoffsättigung bei gleichzeitig reduzierter Belastbarkeit kann darauf hindeuten, dass Sauerstoff zwar angeboten, jedoch nicht adäquat in den Mitochondrien genutzt wird. Parallel dazu weist ein Anstieg von Laktat auf eine vermehrte Inanspruchnahme anaerober Stoffwechselwege hin. CO₂ fungiert als Marker oxidativer Stoffwechselaktivität sowie als integrativer Parameter der Säure-Basen-Regulation. Die Kombination dieser Grössen erlaubt somit eine funktionelle Annäherung an die Frage, ob Energie primär oxidativ oder kompensatorisch glykolytisch bereitgestellt wird.
Die Aussagekraft liegt dabei nicht im Einzelwert, sondern in der Konstellation und Dynamik der Parameter. Insbesondere die Verknüpfung von Ruhewerten mit Belastungsreaktionen erweitert die Interpretation erheblich. So kann beispielsweise eine unauffällige Ruhekonstellation unter Belastung in eine dysregulierte metabolische Antwort kippen: ein Muster, das bei verschiedenen chronischen Erkrankungen beobachtet wird.
Die Integration von Ergometrie, Laktatdiagnostik und venöser Blutgasanalyse ermöglicht somit eine praxisnahe, funktionelle Beurteilung der mitochondrialen Leistungsfähigkeit. Dieser Ansatz eignet sich insbesondere bei Fragestellungen wie unklarer Leistungsintoleranz, chronischer Erschöpfung, metabolischen Dysregulationen oder zur differenzierten Trainingssteuerung.
Im Unterschied zu rein strukturellen oder biochemischen Analysen (inkl. Analysen der ATP-Produktion in den Immunzellen) steht hier die funktionelle Systemantwort im Vordergrund. Damit wird nicht primär gemessen, was vorhanden ist, sondern wie effizient es genutzt wird.
Mit den drei Werten Ihrer venösen Blutgasanalyse können Sie die Mitochondriale Aktivität und den Respiratorischen Quotienten hier selbst berechnen. Die Mitochondriale Aktivität liegt normal zwischen 2 und 10. Der Respiratorische Quotient zeigt, was der Körper verbrennt: unter 1 vor allem Fett, über 1 vor allem Zucker.
Aus den Werten der venösen Blutgasanalyse. Nur zu Forschungszwecken: Die Mitochondriale Aktivität ist kein anerkanntes Diagnosekriterium und ersetzt keine ärztliche Beurteilung. Ihre Angaben und das Ergebnis werden ohne Namen auf unserem Server gespeichert und statistisch ausgewertet. © 2024 John van Limburg Stirum
Bitte bringen Sie den Ausdruck zu einem Termin in der SGK mit.
Fehlt etwas, ersetzen wir es gezielt: Eisen, bei Bedarf als Infusion, Coenzym Q10, Alpha-Liponsäure, L-Carnitin, Kreatin, die Vitamine B1, B2, B3 und Pantothensäure, Magnesium, Mangan und Zink. Ebenso wichtig sind Bewegung im richtigen Bereich der Laktatkurve, eine Ernährung mit wenig Zucker und der Abbau von Belastungen wie Umweltgiften und chronischen Entzündungen.
Wir empfehlen dafür MitoActiv. Es ist in der Seegarten Klinik erhältlich.
Bei Krebs kann eine Ernährung mit wenig Zucker, bis hin zur ketogenen Kost oder zum Fasten, die Behandlung begleiten. Sie ersetzt sie nicht und gehört in ärztliche Begleitung.