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04

Nov

2013

Mitochondrien - die geheimnisvollen Quellen des Lebens

Was hält uns am Leben? Ist es der Herzschlag, die Gehirnfunktion, die Verdauung? Davon gehen wir selbstverständlich aus. Aber weshalb schlägt unser Herz? Womit deckt das Gehirn seinen riesigen Energiebedarf? Woraus beziehen wir Lebewesen über 70, 80, 100 Jahre unsere mehr als 2.000 Tonnen Lebensenergie, die wir insgesamt benötigen? Und wie entsteht sie?

 

Tatsache ist: Von den Prozessen, die sich hinter den beobachtbaren Organfunktionen wie dem Herzschlag abspielen, bekommen wir gar nichts mit. Sie laufen alle im mikroskopischen Bereich ab. Es sind Vorgänge des Stoffwechsels, ohne die kein Dasein auf Erden möglich ist. Sie sind Voraussetzung für Leben.

 

Die Umwandlung von organischen Bestandteilen, die wir aufnehmen, in Energie, vollzieht sich in winzigen, für uns unvorstellbar kleinen Aggregaten im Innern unserer Zellen. Jedwede lebende Existenz entsteht und funktioniert allein durch sie. Man nennt diese Miniaggregate  Mitochondrien oder Organellen, kleine „Organchen“. Ihre Maße betragen 0,5–1,5 Mikrometer. (1 Mikrometer µm = 0,001 mm). In jeder unserer ja auch mikroskopisch kleinen Körperzellen arbeiten also die noch viel winzigeren Mitochondrien. Hunderte bis Tausende von Ihnen wirken in einer einzigen Zelle. Sie sind so leistungsfähig, dass sie sogar den großen Energielieferanten Sonne in den Schatten stellen.

 

Das sagt einer der international angesehensten Mitochondrienforscher, der Österreicher Gottfried Schatz. Er schrieb 2010: „Meine Gehirnzellen atmen intensiver als alle anderen Zellen meines Körpers und erzeugen pro Gramm und Sekunde mehr Energie als ein Gramm unserer Sonne. All dies verdanke ich winzigen Verbrennungsmaschinen im Innern meiner Zellen – den Mitochondrien.“

 

Er spricht von „Verbrennungsmaschinen“ in unserem Innersten. Das sind diese Aggregate des Lebens wahrhaftig, sie sind das Leben selbst! Ob das Herz schlägt, der Leberstoffwechsel funktioniert, die Nährstoffe aus den verdauten Lebensmitteln in die Zellen eingespeist werden, der eingeatmete  Sauerstoff die Elektronen aus der Nahrung in Marsch setzt oder das Gehirn denkt – all dies ist abhängig von jenen unvorstellbar kleinen Kraftwerken des Lebens.  Sie sind es, die unseren Organismus energetisch am Laufen halten. Und sie sind  noch keineswegs wirklich erforscht.

Mitochondrien - neue Forschung mit EU-Geldern

Vor wenigen Wochen wurden Wissenschaftlern der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) vom Europäischen Forschungsrat 3,9 Millionen Euro bewilligt, um offene Fragen in dem komplexen Prozess der zellulären Energiegewinnung zu untersuchen. Das ist ein großer Erfolg für die Mitochondrienforschung. An die Dotierung der Hirnforschung reichen solche Mittel allerdings bei weitem nicht heran. Für ein  Human Brain Project in Lausanne, in dem europäische Forscher das menschliche Gehirn als Supercomputer nachbauen wollen, wurde kürzlich ein Milliardenbetrag bewilligt.

 

Dabei verdankt doch auch das menschliche Gehirn seine Leistungsfähigkeit den „winzigen Verbrennungsmaschinen“ der Mitochondrien in jeder einzelnen seiner etwa 100 Milliarden Hirnzellen, wie Gottfried Schatz es formuliert hat. Ohne die Mitochondrien, von denen über tausend in einer einzigen Hirnzelle ununterbrochen Hochleistungsenergie erzeugen, gingen im Supercomputer Gehirn rasch die Lichter aus.

Mitochondrien - im menschlichen Körper arbeiten Billiarden Kraftwerke

Man kann es nicht oft genug wiederholen: Die Mitochondrien sind die Organe des Lebens. In ihnen spielt sich das Leben ab. Ohne Mitochondrien bekämen alle unsere Körperzellen keine Energie mehr und alle Lebensvorgänge würden sofort erlöschen.

 

Der Name Mitochondrium ist abgeleitet aus dem Altgriechischen und beschreibt in etwa die Form der winzig kleinen, meist länglichen Organe innerhalb unserer Zellen: Mitos ist der Faden oder die Schnur, chondros heißt Korn oder auch Knorpel. Mitochondrien sind umgeben von einer Doppelmembran und besitzen eine eigene Erbsubstanz. In jedem von uns stecken unvorstellbare Mengen dieser mikroskopisch kleinen, in aller Regel bohnenförmigen Zellkraftwerke. Bei etwa zehn Billionen Körperzellen, die wir haben und 100 bis zu 2.000 solcher Energiewerke pro Zelle (!) ergeben sich Gesamtzahlen für den kompletten Organismus im hohen Billiardenbereich.

 

Die Wissenschaft erkennt erst seit gut 20 Jahren, wie wichtig die Mitochondrien für uns sind und dass Störfälle in den Zellkraftwerken uns krank machen. Wenn die Mitochondrien nicht oder nicht mehr richtig funktionieren, so hat man sukzessive herausgefunden, kommt es zu schweren Herz-, Nerven- und Muskelerkrankungen. Stoffwechseldefekte wie Diabetes gehen ebenfalls auf das Konto geschädigter Mitochondrien. Sehkraftverlust, Krebs, Alzheimer, Parkinson – auch diese gefürchteten Menschheitsgeißeln haben ihren Ursprung in Fehlfunktionen der zellulären Kraftwerke. Was genau dabei passiert, ist jedoch noch nicht entschlüsselt. Mitochondrienforschung ist nicht so trendy wie die Hirnforschung. Aber Mitochondrien stehen in der Entwicklungsgeschichte weit, weit vor dem Hochleistungsgehirn.

Mitochondrien - sie waren einst Bakterien

Mitochondrien waren ursprünglich ganz bestimmte, in die Zellen anderer Lebensformen einwandernde bzw. von diesen „aufgefressene“, aber nicht verdaute Bakterien. Der Fachterminus für diesen Schritt der Evolution, das Hineingelangen oder Verschmelzen in die Zelle einer anderen Lebensform, lautet Endosymbiose.

 

Die Mitochondrien in unseren Körperzellen sind solche ehemaligen Bakterien. Die Anzahl, die in einer Zelle arbeitet, liegt nicht für alle Zeiten fest. Bei Bedarf können sie sich vermehren – zum Beispiel in den Muskelzellen von Hochleistungssportlern. Das geschieht auch heute noch im Stil von Bakterien: durch Teilung, unabhängig von Wachstum, von Teilung und  Vermehrung der sie umgebenden Zelle, in der sie arbeiten. Mitochondrien, die Ex-Bakterien, besitzen eine eigene Erbsubstanz, eine weitgehend zellunabhängige DNA.

 

Alle „höheren“ Lebensformen haben  in ihren Zellen einen Zellkern mit dem eigenen genetischen Erbmaterial. Und durch die beschriebene Endosymbiose besitzen sie auch noch Zellkraftwerke aus Ex-Bakterien. Zu dieser Lebensform mit Zellkern und Mitochondrien gehören Pflanzen, Tiere und Menschen. Der wissenschaftliche Sammelbegriff für uns alle lautet „Eukaryoten“. (Die anderen beiden „Domänen“ in der Einteilung der Lebewesen sind die Bakterien und die Archaeen oder Urbakterien. Sie haben weder Zellkern noch Mitochondrien).

 

Bei der Tätigkeit der in die Eukaryotenzelle aufgenommenen Bakterien handelt es sich also um Energieproduktion. Das „gefressene“ Bakterium wurde nicht verdaut, sondern setzte in seinem neuen Wirkungsbereich, im Innern der Zelle des Eukaryoten das fort, was es konnte: die Produktion von Lebensenergie.

 

Bis zum heutigen Tag werden immer neue Einzelheiten über die genetisch halbautonomen Ex-Bakterien in unseren Zellen bekannt. Die Wirkungsweise der von Schatz so genannten „Verbrennungsmaschinen“ wird weiter erforscht. Erst vor wenigen Wochen entdeckte die junge Wissenschaftlerin Carolin Gerbeth an der Universität Freiburg/Breisgau, mit welchen Mechanismen und Signalen auch die Zellen selbst dafür sorgen können, dass die Energieerzeugung in den Tausenden ihrer Mitochondrien-Kraftwerke den eigenen Bedürfnissen optimal angepasst wird. Das war bislang unbekannt.

Mitochondrien - nur Mütter können sie weitervererben

Vor ziemlich genau zwei Jahren veröffentlichte die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) eine Meldung über die Vererbung der mitochondrialen DNA. Diese erfolgt interessanter Weise nur über die mütterliche Linie. Mitochondrien werden also ausschließlich von der Mutter an die nächste Generation weitergegeben. Dem LMU-Biochemiker Professor Patrick Cramer, Leiter des Genzentrums der Hochschule, ist es gelungen, etwas darüber herauszufinden, wie dabei bestimmte Erbinformationen an die Nachkommen gelangen. Es ging um Gene, die dafür verantwortlich sind, Nährstoffe in bestimmte Energieformen umzuwandeln. Zusammen mit Professor Dmitry Temiakov von der University of Medicine and Dentistry of New Jersey (USA) sei es ihm gelungen, „die Architektur dieser molekularen Kopiermaschine aufzuklären“, heißt es in der LMU-Erklärung. Die Wissenschaftler hätten entdeckt, „wie Gene in den Mitochondrien abgeschrieben werden“. Man habe gewissermaßen den „Spickzettel für zelluläre Kraftwerke“ gefunden. Auch diese Vorgänge waren bis dahin weitgehend unbekannt.

 

Die Wissenschaft bezeichnet die von den Mitochondrien produzierte Lebensenergie als „universelle Energiewährung der Zelle“. In der Buchneuerscheinung „Neben Ich – wieviele sind wir wirklich?“ heißt es dazu: „Sie ist damit die Energiewährung des Lebens überhaupt."

 

Die biochemische Fachsprache bezeichnet diese Energiewährung als Adenosintriphosphat, abgekürzt ATP.“ Dabei handelt es sich um ein besonders energiereiches Molekül, das innerhalb der mikroskopisch kleinen Zellen von Lebewesen in den winzigen Prozessoren der Mitochondrien synthetisiert wird. Bakterien haben den Prozessor und das Herstellungsverfahren für die ATP-Produktion einst entwickelt. Vor Jahrmilliarden. Durch Endosymbiose sind sie (wie beschrieben) in unsere eukaryotischen Zellen gelangt. Durch sie leben wir.

Mitochondrien - die leistungsfähigsten Kraftwerke des Kosmos

Die ATP produzierenden Mitochondrien in unseren Zellen sind die leistungsfähigsten Kraftwerke, die es überhaupt gibt. Energetisch ist damit jede mikroskopisch kleine Zelle, über ihre eigenen, noch winzigeren Kraftwerke unabhängig. Und sie funktionieren trotz ihrer mikroskopisch kleinen Ausmaße wie ein Hochleistungskraftwerk. Effizienter als alles, was Menschen ersonnen haben: Die Leistungsfähigkeit unserer Zellkraftwerke werden durch kein anderes irdisches System erreicht. Sie arbeiten seit der Entstehung des Lebens nach dem von den ersten Lebewesen selbst entwickelten Prinzip.

 

In der eingangs bereits zitierten Mitteilung der Universität Göttingen heißt es: Ziel der Arbeiten des Forscherteams sei es, „die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die beim Aufbau des Maschinenparks der Kraftwerke in den Zellen von Bedeutung sind“. Es solle geklärt werden, „wie die Bauteile zu funktionsfähigen Maschinen zusammengesetzt werden.“ - Da sind sie wieder, jene „Verbrennungsmaschinen“, von denen auch  Mitochondrienforscher Schatz spricht. Überhaupt sehen sich Wissenschaftler, die sich zur Funktion der Mitochondrien äußern, veranlasst, die gleichen Begriffe zu verwenden, die man heute auch in der Kraftwerks- und Elektrotechnik benutzt. Es geht um Isolatoren, Trennwände, Widerstände, Energiekreisläufe, um Polung und Aufladung, Antennen und Konverter. Und das in einem mikroskopisch kleinen, ehemaligen Bakterienkörper, der vor Jahrmilliarden entstand, als es auf Erden ansonsten noch so gut wie nichts gab.

Mitochondrien - sie erzeugen jeden Tag ein ganzes Fass voll Energie - 2.000 Tonnen in einem Menschenleben

Wenn es um unsere täglich genutzte Lebensenergie geht, die von den Billiarden Zellkraftwerken in unserem Organismus hergestellt wird, reden wir nicht von ein paar Gramm. Im Kapitel „Woher kommt die Energie zum Leben?“ heißt es im „Neben Ich“: „Jeden Tag wird in unseren Zellen etwa die Menge unseres eigenen Körpergewichts an Lebenstreibstoff, an Lebensenergie produziert und umgesetzt. 70, 80 Kilogramm oder mehr. Ein ganzes Fass voll. Bei großen Anstrengungen kann es auch ein Mehrfaches sein.“ – Im Laufe eines 80jährigen Lebens produzieren unsere Mitochondrien demnach über zwei Millionen Kilo Lebensenergie, das sind rund 2.000 Tonnen. Damit und halten sie unser Leben am Laufen.

 

Diese Lebensenergie wird fortlaufend erzeugt. Zwar sind nur etwa 50 Gramm permanent in uns im Umlauf. Während des Tages werden aber als Gesamtmenge in allen Zellen die angesprochenen 70 oder auch 80 Kilo und mehr hergestellt. Diese große Menge an ATP pro Tag kann nur entstehen durch die enorme Geschwindigkeit, mit der das Adenosintriphosphat ständig synthetisiert wird. Es entsteht immerzu frisch.

 

Hergestellt wird es aus den Elektronen, die wir mit den Molekülen der Nährstoffe in unseren Speisen zu uns nehmen und mit Hilfe des eingeatmeten Sauerstoffs. Also aus Essen und Atmen wird die Universalwährung des Lebens in den mikroskopischen Mitochondrienkraftwerken produziert. Dies ist das spannendste Kapitel unseres Lebens überhaupt. (In dem erwähnten Buch ist es ausführlich und anschaulich beschrieben).

 

Kommentar des Autors: „Um die in unsrem Innersten ablaufenden biochemischen Prozesse zu erklären, schreiben Wissenschaftler des 21. Jahrhunderts tausend Seiten starke Wälzer. Sie erinnern an Handbücher aus der Frühzeit der Computer-Technologie und wiegen nicht selten mehrere Kilogramm. Darin geht es um die Biochemie des Energiestoffwechsels in unseren Zellen und um die Organisation der Zellen, ihre Kommunikation, die Botenstoffe, die dazu nötig sind etc.“ - Doch die Grundlagen für diese unübertreffliche Energieerzeugung wurden schon vor Milliarden von Jahren gesetzt. Erfunden von einem Bakterium.

 

Menschen verleihen sich gegenseitig mit hohen Geldsummen dotierte Preise, wenn sie erklären können, was vor Milliarden von Jahren Mikroben erfunden haben. Wohlgemerkt, nicht die Erfindung wird solchermaßen ausgezeichnet, sondern derjenige, der sie verstanden zu haben glaubt und der erklären kann, wie sie funktioniert. Eigentlich hätten unsere Bakterien-Ahnen die Preise verdient – aber diese gelten ja als „primitives Leben“, als eine „niedrige Entwicklungsstufe“. Außerdem sind sie auf Auszeichnungen auch gar nicht angewiesen. Sie funktionieren seit Ewigkeiten. Sie sind das Leben.

Weitere Informationen:

Das Buch erhalten Sie im Buchhandel oder portofrei hier


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