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 Aufgaben
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 Energie
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 Differenzierung
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 Leistung
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.
Die Laktatkurve
Wie gut die Mitochondrien arbeiten, zeigt der Laktat-Belastungstest. Auf dem Ergometer steigt die Leistung stufenweise, und nach jeder Stufe wird das Laktat im Blut gemessen. Solange die Mitochondrien nachkommen, bleibt es tief. Ab einer gewissen Leistung steigt es steil an: Der Körper weicht auf die Gärung aus. Bei Trainierten liegt dieser Anstieg weit rechts, bei Eisenmangel, Rauchern, Diabetes und gestörten Mitochondrien schon bei geringer Leistung.
Die Kurve zeigt auch, wie trainiert werden soll. Gesunde Athleten trainieren 85 bis 90 Prozent ihrer Zeit unterhalb von 2,4 mmol/l Laktat. In diesem Bereich wächst die Ausdauer und wird Fett verbrannt; höhere Werte gehören in kurze Intervalle.
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 Krebsentstehung
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 unterscheiden sich von normalen Zellen nicht in der Menge der Energie, sondern in ihrer Quelle. Sie 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 Klinik
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.
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.
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.