Was sind Mitochondrien?
Sie haben vielleicht schon gehört, dass Mitochondrien mit dem Spitznamen „das Kraftwerk der Zelle“ in Verbindung gebracht werden. Wie haben sie sich diesen Spitznamen verdient?
Mitochondrien sind die Miniatur-Kraftwerke oder Fabriken in jeder einzelnen Zelle in Ihrem Körper. Eine typische lebende menschliche Zelle enthält zwischen Hunderten und Tausenden von Mitochondrien.
Genauso wie Ihr Verdauungssystem sind die Mitochondrien wie kleine Verdauungssysteme in Ihrer Zelle, die Nahrung in Energie umwandeln. Zucker, Fette und Aminosäuren aus Proteinen, die wir essen, werden durch die Mitochondrien in Energie umgewandelt. Sie sind dabei so effektiv, dass sie schätzungsweise 90 % der Energie erzeugen, die unsere Zellen benötigen.
Wie sehen die Mitochondrien aus?
Mitochondrien sehen aus wie kleine Bohnen in Ihrer Zelle. Sie bestehen aus zwei Membranen: der äußeren Membran und der inneren Membran.
Die äußere Membran wirkt wie eine Wand und bedeckt die gesamte Organelle.
Die innere Membran sieht wie eine Reihe von Falten aus und besteht aus mehreren Kompartimenten. Diese geschichtete Form soll die Oberfläche des Mitochondriums maximieren und so eine höhere Effizienz in seiner Funktion unterstützen.
Innerhalb der inneren Membran befindet sich eine Flüssigkeit, die Matrix genannt wird; hier findet die Magie statt.
Woher kommen die Mitochondrien?
Bevor die Mitochondrien für die menschlichen Zellen von unschätzbarem Wert wurden, existierten sie völlig außerhalb von ihnen als einzellige, unabhängige Organismen. Sie sahen Bakterien sehr ähnlich. Irgendwann in der biologischen Urgeschichte, vor über zwei Milliarden Jahren, verschmolzen sie jedoch mit einer einfachen Zelle zu einer symbiotischen Beziehung.
Zunächst war nicht nur eine Verschmelzung geplant. Die Mitochondrien wollten als Bakterien den Wirtszellen nur ihre Energie rauben und sie dann sterben lassen. Doch bald erkannten die Bakterien den Vorteil der Zusammenarbeit mit einfachen Zellen.
Die einfachen Zellen versorgen sie mit Antioxidantien, die sie vor freien Radikalen und giftigen reaktiven Sauerstoffspezies schützen, die die Mitochondrien als Nebenprodukt der Energieproduktion erzeugen. Im Gegenzug produzieren die Mitochondrien die Energie, die die einfachen Zellen benötigen. Das ist ein ziemlich guter Deal. Es ist, als würden die Mitochondrien Miete zahlen und im Gegenzug Wohnung und Nebenkosten übernehmen.
Mitochondrien sind im Grunde Aliens in Ihrem Körper. Unsere Mitochondrien besitzen sogar ihre eigene DNA, genannt mtDNA, was ihnen ein eigenständiges Genom verleiht. Außerdem wird die mitochondriale DNA nur von der Mutter an das Kind weitergegeben, wodurch Sie Ihrer Mutter genetisch ähnlicher sind als Ihrem Vater. Tatsächlich stützen sich moderne Ahnenforschungsunternehmen auf Ihre mütterliche Abstammungslinie, indem sie mitochondriale DNA verwenden.
Der Zweck der Mitochondrien.
Die Mitochondrien haben einen primären Zweck: Energie zu produzieren. Um Energie zu erzeugen, stellen sie ein dringend benötigtes Molekül her, das als Adenosintriphosphat oder ATP bekannt ist.
Was ist ATP?
Unser Körper erzeugt und nutzt Energie nicht einfach so. Tatsächlich speichert er die Energie, die wir aus unserer Nahrung gewinnen, in einem Molekül. ATP, oder Adenosintriphosphat, ist der primäre Energiespeicher für unsere Zellen. Sie sind wie winzige Batterien, die herumliegen und darauf warten, benutzt zu werden. „Tri“, also drei, bedeutet, dass es drei Phosphate in der Molekülstruktur gibt.
Wenn Zellen Energie benötigen, wird ATP durch einen Prozess namens Hydrolyse abgebaut. Dies ist eigentlich ziemlich einfach, weil ATP ein so instabiles Molekül ist. Die drei Phosphate in ATP sind wie drei Mitbewohner, die sich ein Zimmer teilen. Sie mögen sich nicht und warten nur darauf, getrennt zu werden.
Wenn die Trennung stattfindet, wird die molekulare Bindung zwischen den Phosphaten in der Tri-Phosphat-Gruppe von ATP abgebrochen, wodurch eines der Phosphate im ATP-Molekül entfernt wird. Das Trio wird zu einem Duo, wodurch ATP zu ADP oder Adenosindiphosphat wird.
Durch diese Spaltung wird immense Energie freigesetzt, die unsere Zellen nutzen, um wichtige zelluläre Aktivitäten zu betreiben.
Unsere Mitochondrien arbeiten hart, um sicherzustellen, dass unsere Zellen genügend dieser einsatzbereiten „Batterien“, oder ATP, zur Verfügung haben.
Wie erzeugen Mitochondrien ATP?
Um mehr ATP zu erzeugen, durchlaufen unsere Mitochondrien eine Reihe chemischer Reaktionen, um unsere Nahrung, insbesondere Glukose, Aminosäuren und Fettsäuren, abzubauen. Glukose ist das Hauptmolekül, in das unsere Nahrung zerlegt wird. Konzentrieren wir uns also auf Glukose, um zu verstehen, wie unsere Mitochondrien Nahrung in Energie umwandeln.
Unsere Mitochondrien nehmen unsere Glukosemoleküle durch einen Prozess namens Zellatmung auf, der im Wesentlichen nur ein Prozess des Abbaus und der Umwandlung von Glukose ist, indem Sauerstoff mit einem Glukosemolekül kombiniert wird. Der Sauerstoff wird aus der Luft gewonnen, die wir atmen.
Dieser Prozess der Zugabe von Sauerstoff zu Glukose erzeugt eine Kette von Molekülen. In seiner rudimentärsten Form sieht der Prozess wie die folgende Formel aus:
Glukose + Sauerstoff = Kohlendioxid, Wasser und ATP.
Kohlenstoffdioxid und Wasser sind Nebenprodukte des Prozesses. Das ist Zellatmung, vereinfacht ausgedrückt.
Doch unsere Mitochondrien nehmen Glukose nicht in ihrer Rohform auf. Sie ist in ihrem regulären Zustand nicht verwertbar, weshalb unsere Zellen die Glukose noch weiter aufspalten, bevor sie sie an unsere Mitochondrien weitergeben. Dieser Prozess wird Glykolyse genannt.
Die aufgespaltene Form der Glukose ist das, was wirklich mit Sauerstoff kombiniert wird, um ein Netz aus Kohlendioxid, NADH, FADH2 und ATP zu produzieren. Diesen Prozess nennt man den Krebs-Zyklus. Lassen Sie uns die Produkte dieses Prozesses aufschlüsseln:
Kohlenstoffdioxid: Eines der Nebenprodukte. Sie atmen es aus.
NADH und FADH2: Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) sind Coenzyme, die helfen, mehr ATP zu erzeugen. NADH und FADH2 sind ihre elektronengeladenen Formen. Ignorieren Sie dies für den Moment. Wir werden später über diese wichtigen Akteure sprechen.
ATP: Energie!
Der Krebs-Zyklus erzeugt also Energie, aber der Krebs-Zyklus allein produziert nicht genug von dem ATP, das unsere Zellen benötigen. Die wahren Preise sind das NADH und FADH2, die dabei entstehen. Sie sind es, die uns den Großteil unseres ATP durch die so genannte Elektronentransportkette produzieren.
Die Elektronentransportkette ist im Wesentlichen ein Prozess, bei dem unsere Mitochondrien ständig von ihren Gästen „klauen“. NADH und FADH2 sind elektronengeladene Moleküle und unsere Mitochondrien „stehlen“ diese Elektronen aus NADH und FADH2 und verwandeln sie dadurch in NAD+ und FAD.
Im Gegenzug nehmen unsere Mitochondrien diese geladenen Elektronen und produzieren eine Tonne ATP und verwandeln Zitronen in Limonade. Dieser Prozess ist so effizient bei der ATP-Produktion, dass die Elektronentransportkette den Großteil unserer ATP-Energie produziert. Glücklicherweise kommen die bereitwilligen Freunde der Mitochondrien, NAD+ und FAD, immer wieder mit Geschenken geladener Elektronen zurück, um den Prozess zu unterstützen. Es ist eine perfekte Versorgungskette und das einzige Nebenprodukt in diesem Prozess ist Wasser, wodurch unsere Formel vervollständigt wird:
Glukose + Sauerstoff = Kohlendioxid, Wasser und ATP.
Mitochondrien und Alterung.
Forschungen der School of Kinesiology and Health Science der York University zeigen, dass wir mit zunehmendem Alter weniger Mitochondrien bilden. Ihre Mitochondrien verschlechtern sich auch allmählich, wenn Sie älter werden, wodurch die wenigen Mitochondrien, die Sie noch haben, viel härter arbeiten müssen. Tatsächlich gilt die mitochondriale Dysfunktion als ein Kennzeichen des Alterns.
Die gleichen Forscher von der York University glauben, dass dies das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen der Anzahl der freien Radikale und der Fähigkeit der Zelle ist, diese zu entfernen. Aber der Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist sich einig, dass die Mitochondrien mit der Zeit weniger effektiv werden, weil ihre Fähigkeit, ATP zu produzieren, abnimmt.
Mitochondrien reagieren auf Ihren Energiebedarf.
In den meisten Fällen korreliert die Anzahl der Mitochondrien, die wir bilden, mit der Menge an Energie, die wir benötigen. Das bedeutet, dass unsere tägliche Aktivität zu einem großen Teil die Anzahl der Mitochondrien bestimmt, die wir erzeugen und aufrechterhalten. Wann immer es eine signifikante Veränderung in unserem Lebensstil oder unseren Gewohnheiten gibt, passen unsere Mitochondrien ihre Anzahl an.
David A. Hood von der York University glaubt, dass es einen Zusammenhang zwischen Bewegungsroutine und mitochondrialer Biogenese gibt. Die mitochondriale Biogenese ist eine Reihe komplexer chemischer Reaktionen im Körper, die den Bedarf an mehr ATP und damit an mehr Mitochondrien signalisieren. Unsere Mitochondrien klonen sich im Wesentlichen durch einen Selbstreplikationsprozess, um den neuen Energiebedarf zu decken.
Doch auch das Gegenteil ist der Fall. Eine sitzende Lebensweise kann dem Körper signalisieren, dass wir nicht so viel ATP benötigen und die Mitochondrien daran hindern, sich zu replizieren. Infolgedessen produzieren Ihre Mitochondrien insgesamt weniger Zellenergie, was zu einer allgemeinen Stoffwechselstörung führt.
Mitochondrien und NAD+.
So wichtig die Mitochondrien für die Energieerzeugung auch sind, es ist nicht so einfach wie eine einzelne Organelle. Eine Reihe verschiedener chemischer Reaktionen und Coenzyme sind im Spiel, nämlich ein kritisches Molekül, das als Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid oder NAD+ bekannt ist.
Wie bereits erwähnt, werden bei der Zellatmung zwei Coenzyme gebildet, FAD und NAD+. Von beiden produzieren wir jedoch weit mehr NAD+ als FAD. Wenn die Mitochondrien Fabriken wären, wären die NAD+-Moleküle die Flotte der Lieferwagen und die FAD-Moleküle die Aushilfsfahrer, die nur in Teilzeit arbeiten.
NAD+ ist so etwas wie der zuverlässigste Freund des Mitochondriums, der ständig geladene Elektronen liefert, um in der Elektronentransportkette reichlich ATP zu produzieren.
Leider nimmt die Menge an NAD+, die wir produzieren, mit dem Alter ab. Wie die Mitochondrien wird auch die Anzahl von NAD+ in unseren Zellen maßgeblich von unserem Lebensstil und unseren Gewohnheiten beeinflusst. Eine in Physiological Reports veröffentlichte Studie zeigt, dass Bewegungstraining den NAD+-Spiegel auf natürliche Weise erhöhen kann. Umgekehrt können Dinge wie Alter, Stoffwechselstress, Immunstress, Alkoholkonsum und übermäßiges Essen zu einer NAD+-Erschöpfung beitragen.
In dem Bestreben, die Wissenschaft des Alterns zu verstehen und wie man am besten damit umgehen kann, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft einen großen Fokus auf die NAD+-Forschung und ihre Beziehung zur mitochondrialen Dysfunktion gelegt. Es ist allgemein anerkannt, dass die Gesundheit der Mitochondrien eine große Rolle für die gesamte menschliche Gesundheit spielt, und NAD+ ist ein Teil dieser Geschichte. Glücklicherweise ist die Aufrechterhaltung einer gesunden mitochondrialen Funktion mit ein paar Änderungen im Lebensstil möglich. Hier sind einige Tipps, wie Sie die mitochondriale Gesundheit unterstützen können.