Wie aus Sauerstoff Energie wird und der Funke dabei trotzdem nicht überspringt – die Besonderheiten der Mitochondrien

Aufzeichnungen über die Existenz von Mitochondrien stammen bereits aus den 1840er-Jahren [1]. Die Struktur der Mitochondrien wurde jedoch erstmals 1857 von Rudolf Albrecht von Koelliker beschrieben und zwar als Strukturen, die er Sarkosomen nannte. In den folgenden Jahren wurden sie von Richard Altman für intrazelluläre Parasiten gehalten. Ein paar Jahrzehnte später erfolgte 1898 die Namensgebung durch Carl Benda, welcher diesen Organellen aufgrund ihrer Struktur den Namen Mitochondrien gab (griech. mitos „Faden“ und chondros „Korn“). Diese Namensgebung geht auf das Auftauchen in der Spermiogenese zurück [2]. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts sah Kingsbury einen Zusammenhang zwischen Mitochondrien und zellulärer Respiration [3]. Trotzdem wurde erst 1953 die Hypothese der oxidativen Phosphorylierung aufgestellt [4]. Die populärwissenschaftlich oft verwendete Bezeichnung „Kraftwerk der Zelle“ für das Mitochondrium wurde 1957 von Philip Siekevitz geprägt [5]. Ungefähr zur gleichen Zeit klärte vor allem Albert Claude mithilfe des Elektronenmikroskops die Feinstruktur der Mitochondrien auf. So zum Beispiel das Vorhandensein einer Doppelmembran. Es dauerte wiederum weitere zehn Jahre, bis der Nachweis von mitochondrialer DNA (mtDNA) erbracht werden konnte, und bis ins Jahr 1981 zu deren vollständiger Sequenzierung durch Sanger [6].

Mit einer durchschnittlichen Grösse von lediglich 0,75 bis 3 µm gehören sie zu den kleinsten Organellen in unseren Zellen und machen in Herzmuskelzellen dennoch ca. 36 % des Volumenanteils aus [7]. Die Anzahl der Mitochondrien in einer Zelle variiert je nach Zelltyp und kann zudem entsprechend dem Energiebedarf einer Zelle verändert werden. So arbeiten in einer einzigen Herzmuskelzelle mehrere Tausend Mitochondrien, in einer reifen Eizelle hingegen bis zu 100.000 [8]. Bezogen auf ihr Gewicht produzieren sie 10.000- bis 50.000-mal mehr Energie als die Sonne – Energie in Form von ATP [9]. Bei einem durchschnittlichen Erwachsenen entspricht die pro Tag generierte Menge an ATP dabei in etwa seinem Körpergewicht. Eine aberwitzige Leistung, wenn man bedenkt, dass der Preis für 1 kg ATP in der stabilisierten Form von Adenosin-5′-triphosphat Dinatriumsalz Hydrat (5′-ATP-Na₂) in einer Grössenordnung zwischen 50.000 und 150.000 € liegt [10]. ATP wird allerdings so schnell wieder verbraucht, dass wir, wenn die ATP-Produktion abrupt unterbrochen würde, nur noch wenige Sekunden zu leben hätten. Neben der Energieproduktion erfüllen Mitochondrien jedoch auch verschiedene andere Funktionen in der Zelle und sind unter anderem an der Regulierung des Redoxzustands, der Zellproliferation, der Häm- sowie Steroidsynthese oder der Apoptose beteiligt [11]. Dabei gibt es nicht das eine Mitochondrium, sondern vielmehr verschiedene mitochondriale Organellen wie das „klassische“ Mitochondrium, Mitosomen und Hydrogenosomen. Das gemeinsame Merkmal dieser Organellen ist auch nicht die oxidative Phosphorylierung, sondern die Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern [12].

Bei Mitochondrien handelt es sich um aerobe Proteobakterien, die einst wahrscheinlich durch Endosymbiose aufgenommen wurden (Endosymbiontentheorie) und in fast allen eukaryotischen Zellen zu finden sind. Es wird davon ausgegangen, dass die Endosymbiose der Grund für die zwei Lipiddoppelschichten ist, von denen die Mitochondrien umgeben sind. Diese zwei Membranen werden als äussere und innere Membran bezeichnet. Die äussere Membran hüllt das Mitochondrium vollständig ein und umschliesst dabei den Intermembranraum. Sie hat eine höhere Durchlässigkeit als die innere Membran. Sie enthält Porine, die für kleine Moleküle und Ionen mit einer Grösse von bis zu 5 Kilodalton (kDa) durchlässig sind [13]. Der Intermembranraum ist eine nichtplasmatische Phase mit nur wenigen Funktionen. Die innere Membran grenzt an die Matrix und bildet Cristae, deren Anzahl von Zelltyp zu Zelltyp variiert. Dies führt zu einer deutlichen Vergrösserung der Oberfläche der inneren Membran, welche eine erhöhte ATP-Produktion über die hier angesiedelte Elektronentransportkette (ETC) sowie ATP-Synthetasen ermöglicht [14]. Zwischen Zytoplasma und Matrix findet ein reger Metabolitenaustausch statt, weshalb die Mitochondrienmembranen eine hohe Anzahl an Transportproteinen aufweisen, z. B. Translokase der inneren Membran (TIM) und Translokase der äusseren Membran (TOM). Allerdings sind sie für viele Ionen und Moleküle undurchlässig. Die Matrix enthält Ribosomen in mehrfacher Anzahl, mtDNA (in bis zu zehn identischen Kopien) sowie Granula (Abb. 1). Sie beherbergt zudem alle wesentlichen Stoffwechselprozesse der Mitochondrien, einschliesslich der Genomreplikation, Transkription sowie Translation [13]. Mitochondrien haben, wie bereits erwähnt, ein breites Aufgabenspektrum und spielen neben der Erzeugung von ATP eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose) durch die Freisetzung von Cytochrom c über noch nicht genau bekannte Mechanismen. Sie sind verantwortlich für die Anpassung des Redoxpotenzials der Zelle durch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und für die Freisetzung und Aktivierung von Proteinen (Caspasen), welche die Apoptose vermitteln. Sie induzieren den Zelltod auch durch Unterbrechung des Energiestoffwechsels über die Elektronentransportkette [15]. Die Synthese von Fe-S-Cluster wird als wesentliche Funktion der Mitochondrien angesehen. Diese Fe-S-Cluster werden als Cofaktoren für eine Vielzahl von Enzymreaktionen benötigt und sind daher für das Überleben einer Zelle von grosser Bedeutung [16].

Das 16,5 Kilobasen (kb) grosse mitochondriale Genom ist doppelsträngig, ringförmig und hat weder Histone noch Introns. In 37 Genen codiert es für zwei organellspezifische ribosomale Ribonukleinsäuren (rRNA), die in ihrer Grösse und Sequenz mit der rRNA von Bakterien verwandt sind, für 22 Transfer-RNAs (tRNA) und 13 essenzielle mitochondriale Proteine [8, 17]. Dabei wurden in Mitochondrien einige abweichende Codons gefunden. Bei Menschen ersetzt der mitochondriale Code für AUA das normalerweise codierte Isoleucin durch Methionin; AGA und AGG bedeuten „Stopp“ statt, wie normalerweise, Arginin. Diese Unterschiede zwischen dem nukleären und mitochondrialen Genom haben die Ansicht unterstützt, dass Mitochondrien in den eukaryotischen Zellen ursprünglich Symbionten prokaryotischen Ursprungs waren, bevor sie sich zu obligatorischen Bestandteilen eukaryotischer Zellen entwickelt haben. Die „Universalität des genetischen Codes“ ist eine der zentralen Gesetzmässigkeiten der Molekularbiologie. Sie besagt, dass der Informationsgehalt der Nukleotidsequenz von allen Lebewesen gleich gelesen und umgesetzt wird. Aber auch in diesem zentralen Punkt stellen die Mitochondrien eine bemerkenswerte Ausnahme dar. Mitochondrien sind in der Regel halbautonome Organellen und haben daher ein Genom, das nur für einige wenige mitochondriale Proteine codiert. So werden die meisten Regulationsfaktoren sowie Strukturproteine von der Kern-DNA codiert und müssen nach ihrer Synthese aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien transportiert werden. Selbst Teile der Mitochondrienmembran und viele der in ihnen erforderlichen Enzyme sind im Kern codiert und müssen daher in diese Organellen importiert werden. Deshalb wurde lange davon ausgegangen, dass Mitochondrien ohne den Kern nicht lebensfähig sind. Inzwischen ist aber bekannt, dass funktionelle Mitochondrien nicht nur in den kernlosen Blutplättchen vorkommen, sondern auch in hoher Zahl als zellfreie Mitochondrien im Blut auftreten können [18]. Bei der Zellteilung verteilen sich die Mitochondrien auf die Tochterzellen und vermehren sich nicht durch Neubildung, sondern durch Teilung, welche selbständig und unabhängig von der Zelle geschieht. Die Mitochondrien werden mütterlicherseits vererbt, was eine Rekombination der mtDNA, z. B. in der Meiose, verhindert [8].

Die Erzeugung von ATP durch oxidative Phosphorylierung, welche an der inneren Mitochondrienmembran stattfindet, wird durch den Transport von Elektronen entlang der Komplexe I bis IV und der mobilen Komponenten Ubichinon (CoQ) und Cytochrom c (Cyt c) der ETC erreicht (Abb. 2). Die letzten beiden dienen als Elektronen- und Protonenüberträger zwischen diesen Komplexen. Der grösste Enzymkomplex der Atmungskette, Komplex I, die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase, katalysiert den Transport von zwei Elektronen aus dem 1,4-Dihydronicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) zu CoQ sowie den Transport von vier Protonen (H⁺) aus der Matrix in den Intermembranraum (Q-Zyklus). Dies trägt zur Bildung eines Protonengradienten über die innere Membran bei. Es bildet sich das reduzierte Ubichinol (CoQH₂), ein Zwei-Elektronen-Träger, der frei in der Lipiddoppelschicht der inneren Membran diffundieren kann [13]. Am Komplex II (Succinat-Dehydrogenase), ebenfalls Teil des Citratzyklus, erfolgt die Oxidation von Succinat zu Fumarat und damit der Elektronentransfer zu CoQ, wodurch CoQH₂ entsteht. Neben drei Fe-S-Clustern besitzt der Komplex II ein Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) als prosthetische Gruppe und eine Succinatbindungsstelle. Die Elektronen wandern vom Succinat über FAD und die Fe-S-Cluster zu CoQ [13]. Anschliessend findet am dimeren Komplex III, der Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase, ein Elektronentransfer von CoQH₂ zu Cytochrom c mit Translokation von vier Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum statt. Cytochrom c, ein Ein-Elektronen-Träger, transportiert diese Elektronen weiter von Komplex III zu Komplex IV und gibt sie an die beiden zweiwertigen Kupferionen (Cu²⁺) der Cytochrom-c-Oxidase (CuA) ab, die sich in Untereinheit II befinden. Diese Untereinheit hat zwei Hämgruppen (Häm a) als prosthetische Gruppe [13]. Komplex IV, die Cytochrom-c-Oxidase, katalysiert den Elektronentransport von Cytochrom c zu Sauerstoff (O₂) und reduziert diesen zu zwei Molekülen Wasser (H₂O). Die Untereinheit I von Komplex IV hat zwei Hämgruppen (Häm a und Häm a3) und ein weiteres Cu²⁺-Ion (CuB). Häm a3 und CuB bilden ein weiteres zweikerniges Zentrum. Der Elektronentransport von Cytochrom c erfolgt also über das CuA-Zentrum, das Häm a und das Häm-a3-CuB-Zentrum an O₂. Die bei der Reduktion von O₂ zu H₂O freiwerdende Energie wird genutzt, um weitere vier H⁺ pro Sauerstoffmolekül aus der Matrix über Komplex IV und die innere Membran in den Intermembranraum zu pumpen. Um dabei die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS; siehe Infobox) zu verhindern, ist es wichtig, dass das Häm-a3-CuB-Zentrum zunächst mit zwei Elektronen reduziert wird. Nur unter dieser Bedingung ist es dem O₂ möglich, zu binden. So kann der Sauerstoff direkt zu Peroxid reduziert werden, bevor er in seine einzelnen Atome zerlegt werden kann. Der bei diesem Elektronentransport aufgebaute Protonengradient katalysiert die ATP-Synthese aus Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat (P_i) durch einen Protonenfluss aus dem Intermembranraum zurück in die Mitochondrienmatrix mittels der F₀F₁-ATP-Synthase (Komplex V). Hierbei muss eine hohe elektrische Spannung über die mitochondriale Membran bei Feldstärken von ca. 1.000.000 V/cm aufrechterhalten werden. Die innere Mitochondrienmembran wirkt dabei als eine Art Isolator, während in der Luft ein elektrischer Funke bereits bei 10.000 V/cm überspringt und so zu einem Kurzschluss führen würde [19].

Die ATP-Synthase in Mitochondrien ist eine ATP-Synthase vom F‑Typ und besteht aus den beiden Komponenten F₁ und F₀. F₁ ist ein peripheres Membranprotein mit Nukleotidbindungsstellen, F₀ ist in die Membran integriert und besitzt einen Protonenkanal [13]. Nach dem chemiosmotischen Modell treibt die protonenmotorische Kraft die ATP-Synthase an. Die zurückfliessenden Protonen verursachen eine Rotationsbewegung in der F₀-Einheit des zentralen Stiels. Die daraus resultierende Rotationsbewegung wird auf den F₁-Teil übertragen. Dies bewirkt über eine Konformationsänderung die ATP-Bildung. Bei einer vollständigen Rotation werden drei ATP-Moleküle gebildet und dabei letztendlich Sauerstoff in Energie umgewandelt. Sauerstoff, mit dem nahezu alle zellulären Prozesse versorgt werden [13].

Der Alterungsprozess ist durch eine Zunahme von altersbedingten Störungen und schweren Krankheiten gekennzeichnet. Aufgrund ihrer Rolle bei der oxidativen Phosphorylierung und damit bei der Produktion von ATP, welches für viele zelluläre Prozesse entscheidend ist, könnte ein Grund dafür in den Mitochondrien zu finden sein [28, 29, 29]. Auch wenn das Altern ein multifaktorieller und damit viel komplexerer Prozess ist als bisher angenommen, sollen hier nur die mitochondrialen Mechanismen diskutiert werden, die eine Rolle spielen. In der von Harman 1956 entwickelten „free radical theory of ageing“ (FRTA) identifizierte er freie Radikale als Ursache von Alterungsprozessen, da sie Moleküle schädigen, die für viele wichtige Zellfunktionen wichtig sind, wie DNA, RNA, aber auch Proteine und Lipide. Nach der Entdeckung des mitochondrialen Genoms erweiterte er seine Theorie zur „mitochondrial free radical theory of ageing“ (MFRTA), die sich mit dem altersbedingten Verlust der mitochondrialen Funktion aufgrund einer zunehmenden Akkumulation oxidativer Schäden beschäftigt. Diese Theorie ist auch als „mitochondriale Theorie des Alterns“ bekannt [30]. Nach dieser Theorie kann die Anhäufung von ROS, die die mitochondriale DNA und Proteine schädigen, zu mitochondrialen Funktionsstörungen innerhalb der Elektronentransportkette führen. Aufgrund dieser Fehlfunktionen werden weitere ROS gebildet, die wiederum die mtDNA schädigen. Die Anhäufung von mtDNA-Schäden führt dann zu neuen Defekten in der Elektronentransportkette, erhöhter ROS-Produktion und höherem oxidativem Stress. Dies führt schliesslich zu einem Teufelskreis der ROS-Produktion [31‐34]. In anderen Theorien, die sich mit den Auswirkungen früherer mitochondrialer Dysfunktionen befassen, spielt der Energiestoffwechsel eine zentrale Rolle. So befasst sich die „maximum slope theory“ von Prinzinger mit der Korrelation der Lebensspanne mit der Energieproduktion der Zelle, und Prinzinger sagt, dass das Altern eine Folge der begrenzten Fähigkeit der Mitochondrien ist, Energie zu produzieren [35]. In einer anderen Theorie, dem Modell des defekten Kraftwerks, diskutieren Krutmann und seine Kollegen die Rolle von mtDNA-Mutationen und Störungen in der Atmungskette als Faktoren für Funktionsstörungen in den Mitochondrien und damit für eine begrenzte Lebensdauer [36]. Allen Theorien gemein ist letztlich, dass Altern unter anderem als Folge von Störungen der mitochondrialen Funktion angesehen wird und dieses Organell somit eine sehr wichtige Rolle bei Alterungsprozessen und altersassoziierten Erkrankungen spielt [37‐41].

Dies bestätigte sich zuletzt in Versuchen, welche an den Biopsien menschlicher Epidermis durchgeführt wurden. Hier konnte zum ersten Mal direkt ex vivo in humanem Gewebe eine Verringerung der mitochondrialen Atmung um etwa 10 % pro Jahrzehnt und eine Abnahme der ATP-Produktion mit zunehmendem Spenderalter beobachtet werden, was der „mitochondrialen Theorie des Alterns“ entspricht (Abb. 3; [42]).

Erkrankungen der Mitochondrien, auch Mitochondriopathien genannt, sind Krankheiten, bei denen ein Defekt in den Mitochondrien vorliegt. Bislang sind etwa 50 dieser Erkrankungen bekannt [43]. Der Grund hierfür findet sich häufig im Zellkern sowie im mitochondrialen Genom. Aufgrund ihrer Struktur (fehlende Histone) sowie ihrer Lokalisierung im direkten Umfeld der Atmungskette ist die mtDNA besonders anfällig für schädigende Einflüsse wie reaktive Sauerstoffspezies. Infolgedessen ist die Mutationsrate im mitochondrialen Genom zehnmal höher als in der Kern-DNA, wo die Mutationsrate ohne äussere Einflüsse in Eukaryoten etwa einen Nukleotidaustausch pro 1,0 × 10⁹ Basenpaare in jeder Replikationsrunde beträgt [8, 44]. Aufgrund der Vielzahl von mtDNA-Kopien pro Zelle haben Mitochondrien allerdings – im Gegensatz zum Kern – die Möglichkeit, auch grössere Teile defekter DNA zu eliminieren und durch intakte Kopien zu ersetzen [45].

Kommt es dennoch innerhalb der Zelle in ca. zwei Drittel aller Mitochondrien zu Schäden, welche den Ausfall des Mitochondriums bedeuten, ist der zelluläre Energiebedarf nicht mehr ausreichend gesichert und es ist mit schweren mitochondrialen Dysfunktionen und damit assoziierten Krankheiten zu rechnen. Hierzu gehören Diabetes, kardiovaskuläre Erkrankungen, Krebs sowie altersbedingte neurodegenerative Erkrankungen wie Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson – Krankheiten, bei denen überwiegend Zellen mit einem hohen Energiebedarf und folglich einer erhöhten Anzahl von Mitochondrien betroffen sind [35, 36, 46]. Basierend auf dem Wissen, dass viele Krankheiten durch Fehler im Stoffwechsel der Zellen und insbesondere der Mitochondrien verursacht werden, versucht die mitochondriale Medizin genau an diesem Punkt anzusetzen. Diese neue Form der Therapie findet in zahlreichen Feldern der Humanmedizin Anwendung und hat sich in den vergangenen Jahren zu einem zentralen Schwerpunkt innerhalb der gesamten Medizin entwickelt. Mit ihrer Hilfe soll verstärkt auf den gestörten zellulären Energiestoffwechsel des Patienten Einfluss genommen werden. Gemäß dem Motto „Messen, machen, messen“ von Christian Burghardt (Arzt für Mitochondriale Medizin, Gründer BODI Institut München) [47], bildet eine moderne und innovative Diagnostik die Basis der mitochondrialen Medizin. Sie ist ein unverzichtbares Instrument sowohl vor Therapiebeginn als auch zur Therapieüberwachung. Neben einer guten Diagnostik sind ein wichtiges Werkzeug der mitochondrialen Medizin sogenannte Mitoceuticals® (MSE Pharmazeutika GmbH, Bad Homburg, Deutschland) [48]. Unter diesem Begriff versammeln sich mitotrope Substanzen, mit deren Hilfe versucht wird, eine vorhandene mitochondriale Dysfunktion auszugleichen. So werden bspw. Elektronen‑/Protonen-Carrier wie Ubichinol/Ubichinon (Coenzym Q₁₀; CoQ₁₀), Vitamine sowie Mineralstoffe und Spurenelemente eingesetzt, welche ohnehin zum natürlichen Stoffwechselsystem einer Zelle gehören. Dies geschieht sowohl präventiv wie auch therapeutisch zur begleitenden Behandlung.