Mitochondrien und ATP — verständlich erklärt.

Was Mitochondrien sind — und was nicht

Mitochondrien sind Organellen, die in fast jeder menschlichen Zelle vorkommen — und zwar in sehr unterschiedlicher Zahl. Zellen mit hohem Dauerbedarf wie Herzmuskel- oder Leberzellen sind dicht damit gefüllt, andere kommen mit wenigen aus. Sie haben eine glatte Außenmembran und eine stark eingefaltete Innenmembran; diese Falten vergrößern die Fläche, auf der die eigentliche Arbeit stattfindet.

Die Besonderheit: Mitochondrien besitzen eigene DNA. Das menschliche mitochondriale Genom ist ein ringförmiges Molekül von 16.569 Basenpaaren mit 37 Genen — 13 davon kodieren Proteinbausteine der Atmungskette, 22 kodieren Transfer-RNAs, zwei ribosomale RNAs. Vererbt wird dieses Genom über die mütterliche Linie. Es ist der stärkste Hinweis darauf, dass Mitochondrien evolutionär von eigenständigen Bakterien abstammen, die vor rund zwei Milliarden Jahren in eine Wirtszelle aufgenommen wurden.

Genauso wichtig ist, was daraus nicht folgt: Die große Mehrheit der mitochondrialen Proteine wird gar nicht dort kodiert, sondern im Zellkern, außerhalb hergestellt und importiert. Mitochondrien sind keine autonomen Lebewesen im Inneren, sondern tief in die Zelle integrierte Bauteile.

ATP ist eine Währung, kein Speicher

ATP steht für Adenosintriphosphat: ein Adenosin-Grundgerüst mit einer Kette aus drei Phosphatgruppen. Wird die äußerste Gruppe abgespalten, entsteht ADP, ein freies Phosphat und nutzbare Energie — die Reaktion, die praktisch jeden aktiven Vorgang in der Zelle antreibt, von der Muskelkontraktion bis zum Transport eines einzelnen Ions durch eine Membran.

Und jetzt die Zahl, die den entscheidenden Denkfehler auflöst. Der ATP-Bestand im Körper ist winzig — er liegt in der Größenordnung weniger Gramm. Der Umsatz dagegen wird in der Fachliteratur auf Dutzende Kilogramm pro Tag geschätzt, gängige Angaben liegen bei etwa 50 bis 70 Kilogramm für einen Erwachsenen. Anders gesagt: Jedes einzelne ATP-Molekül wird tausendfach am Tag entladen und wieder aufgeladen.

Das erklärt auch, warum die Vorstellung „mehr ATP herstellen" als Ziel in die Irre führt. Der Umsatz richtet sich nach dem Bedarf. Steht eine Zelle still, sinkt er; arbeitet sie, steigt er innerhalb von Sekunden. Ein Vorrat lässt sich nicht anlegen.

Die Atmungskette in vier Schritten

Der Weg von einem Molekül Glukose zu nutzbarer Energie hat vier klar getrennte Abschnitte.

• Glykolyse. Findet im Zellplasma statt, ganz ohne Mitochondrien und ohne Sauerstoff. Aus einer Glukose entstehen zwei Pyruvat und netto zwei ATP. Das ist der Weg, der auch bei kurzer, sehr hoher Belastung trägt.
• Citratzyklus. Das Pyruvat wandert in die Mitochondrie. Der Zyklus liefert selbst kaum ATP — sein eigentliches Produkt sind beladene Elektronenträger: NADH und FADH₂.
• Elektronentransport. In der Innenmembran sitzen die Komplexe I bis IV. Die Elektronen werden von Träger zu Träger weitergegeben, und mit der dabei frei werdenden Energie pumpen die Komplexe Protonen nach außen. Es entsteht ein elektrochemischer Gradient über die Membran.
• ATP-Synthase. Der Gradient ist der eigentliche Energiespeicher. Die Protonen strömen durch Komplex V zurück, treiben ihn wie ein Wasserrad an, und dabei wird ATP zusammengesetzt. Dieses Prinzip heißt Chemiosmose.

Das ist der Punkt, an dem die gängige Kraftwerk-Metapher tatsächlich passt — nur dass der Strom nicht aus Kohle, sondern aus einem Protonengefälle kommt.

Die Energiebilanz: warum 38 falsch ist

In vielen Lehrbüchern steht bis heute, ein Molekül Glukose liefere 36 bis 38 ATP. Diese Zahl beruht auf einer Annahme, die sich nicht gehalten hat: dass pro Sauerstoffatom eine ganzzahlige Menge ATP entsteht — drei für NADH, zwei für Succinat.

Peter Hinkle hat 2005 in Biochimica et Biophysica Acta die Messungen seit 1937 zusammengetragen und die scheinbaren Widersprüche aufgelöst. Sein Ergebnis: Werte um 2,5 für NADH und 1,5 für Succinat sind mit der Mehrheit der Befunde vereinbar. Nicht ganzzahlig — und das ist keine Rundungsfrage, sondern folgt daraus, wie viele Protonen die Komplexe pumpen und wie viele die ATP-Synthase pro Umdrehung braucht.

Rechnet man mit diesen Zahlen, landet man bei etwa 30 bis 32 ATP pro Glukose — und selbst das ist eine Obergrenze, weil ein Teil des Protonengefälles durch Leckströme verloren geht und der Transport von Stoffen über die Membran ebenfalls Energie kostet.

Wo der Sauerstoff wirklich ins Spiel kommt

Und damit zur Stelle, an der die meisten Werbetexte ungenau werden. Sauerstoff wird in dieser ganzen Kette an genau einer Position gebraucht: an Komplex IV, der Cytochrom-c-Oxidase. Dort werden die Elektronen am Ende ihres Weges an Sauerstoff übergeben, es entsteht Wasser. Ohne diesen letzten Empfänger stauen sich die Elektronen zurück, die Protonenpumpen kommen zum Stehen, und die ATP-Synthase steht mit.

Wie gut dieser Empfänger seine Arbeit macht, hat die Gruppe um Erich Gnaiger 1998 im Journal of Experimental Biology untersucht — an Endothelzellkulturen und an isolierten Mitochondrien aus Herz und Leber. Zwei Befunde daraus sind hier entscheidend. Erstens: Die Sauerstoffaffinität des Systems ist hoch, und Komplex IV hat eine deutliche Überkapazität gegenüber dem Rest der Kette. Zweitens: Die Zelle arbeitet ohnehin in einer sauerstoffarmen Umgebung, und die Affinität sinkt vom Ruhe- in den aktiven Zustand — bei Herzmitochondrien anders als bei Lebermitochondrien.

Praktisch heißt das: Bei normalen Sauerstoffwerten im Gewebe ist Komplex IV nicht der Engpass. Die Grenzen liegen woanders — bei der Durchblutung, beim Nachschub an Substrat, bei der Kapazität der Enzyme selbst. Wer an diesem System etwas bewegen will, adressiert mit zusätzlichem Sauerstoff eine Schranke, die dort gerade nicht steht. Wir haben das aus der anderen Richtung schon einmal aufgeschrieben: warum mehr Sauerstoff nicht immer die Antwort ist.

Freie Radikale: Schaden und Signal

Der Elektronentransport ist nicht dicht. Ein kleiner Teil der Elektronen entweicht unterwegs und reagiert direkt mit Sauerstoff — es entstehen reaktive Sauerstoffspezies, umgangssprachlich freie Radikale. Jahrzehntelang galten sie ausschließlich als Schadensquelle.

Michael Ristow und Kathrin Schmeisser haben diese Sicht 2014 in Dose-Response anhand von mehr als 500 Arbeiten geordnet und dafür den Begriff Mitohormesis geprägt. Der Kern: Die Dosis-Wirkungs-Beziehung ist nicht linear. Niedrige Mengen reaktiver Spezies wirken als Signal und können eine Anpassungsreaktion auslösen; hohe Mengen sind schädlich. Das erklärt auch, warum die Rechnung „viele Antioxidantien, also viel gut" so nicht aufgeht — sie kann das Signal mit abschalten.

Wichtig ist dabei die Gegenrichtung, die genauso gilt: Aus „ein wenig ist ein Signal" folgt nicht, dass mehr besser wäre. Genau das ist die Aussage einer nichtlinearen Kurve.

Bekommt man mehr Mitochondrien?

Ja, der Vorgang existiert und hat einen Namen: mitochondriale Biogenese. Zentraler Regulator ist ein Protein mit dem sperrigen Namen PGC-1α, das die Herstellung neuer mitochondrialer Bestandteile hochfährt.

Der am besten dokumentierte Reiz dafür ist körperliche Belastung. Dass Training die mitochondriale Ausstattung des Muskels verändert, ist seit Jahrzehnten belegt. Bemerkenswert ist allerdings, wie offen die Details bis heute sind: David Bishop und Kollegen haben 2019 in Physiology ausdrücklich festgehalten, dass die Befunde speziell zu hochintensivem Training beim Menschen widersprüchlich sind und dass eine Reihe methodischer Fragen erst geklärt werden muss, bevor sich der Streit auflösen lässt.

Wenn schon beim bestuntersuchten Reiz überhaupt so viel offen ist, sagt das etwas darüber, wie belastbar Aussagen über weniger untersuchte Einflüsse sein können.

Was daraus folgt — und was nicht

Was auf festem Boden steht: Der Weg von der Glukose zum ATP ist bis auf die Molekülebene beschrieben. Die Stöchiometrie ist gemessen, nicht geschätzt. Die Rolle des Sauerstoffs ist präzise lokalisiert. Signalwirkungen reaktiver Spezies und die Biogenese über PGC-1α sind reale, gut beschriebene Mechanismen.

Und jetzt die Hälfte, die in Verkaufstexten regelmäßig fehlt:

• Aus „ATP entsteht in den Mitochondrien" folgt nicht, dass man die ATP-Produktion von außen steigern könnte. Der Umsatz folgt dem Bedarf, nicht dem Angebot. Ein Vorrat lässt sich nicht anlegen.
• Die hohe Sauerstoffaffinität der Atmungskette spricht gegen, nicht für die naheliegende Erwartung. Bei normalen Gewebewerten ist Komplex IV nicht der begrenzende Schritt — mehr Sauerstoff anzubieten adressiert eine Grenze, die dort nicht liegt.
• Die zitierten Arbeiten haben keine Geräte gemessen. Gegenstand waren Enzymkinetik, isolierte Mitochondrien, Zellkulturen und Trainingsinterventionen. Wer aus diesen Studien eine Aussage über ein Wellness-Gerät ableitet, überspringt genau den Schritt, auf den es ankäme.
• Mitohormesis ist ein Modell, keine Dosierungsanweisung. Niemand kann sagen, welche Menge reaktiver Spezies für einen bestimmten Menschen die richtige wäre.
• Der einzige Hebel mit guter Evidenz beim Menschen ist Bewegung — und selbst dort ist die Studienlage in Teilen widersprüchlich.
• Wir leiten aus all dem keine Wirkung unserer Geräte ab und geben kein Versprechen für ein bestimmtes Beschwerdebild.

Was bleibt, ist eine der am besten verstandenen Reaktionsketten der Biologie — und ein Randbereich davon, in dem viel behauptet und wenig belegt wird. Unser praktischer Rat bleibt derselbe: erst nachfragen, welche Studie mit welchem Aufbau gemeint ist, dann selbst ausprobieren, und erst danach entscheiden.

Häufige Fragen

Quellen

• Rich, P. R. The molecular machinery of Keilin's respiratory chain. Biochem. Soc. Trans. 31(6), 1095–1105 (2003). doi.org
• Hinkle, P. C. P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation. Biochim. Biophys. Acta 1706(1–2), 1–11 (2005). doi.org
• Gnaiger, E. et al. Mitochondrial oxygen affinity, respiratory flux control and excess capacity of cytochrome c oxidase. J. Exp. Biol. 201(8), 1129–1139 (1998). doi.org
• Ristow, M. & Schmeisser, K. Mitohormesis: Promoting Health and Lifespan by Increased Levels of Reactive Oxygen Species (ROS). Dose-Response 12(2) (2014). doi.org
• Bishop, D. J. et al. High-Intensity Exercise and Mitochondrial Biogenesis: Current Controversies and Future Research Directions. Physiology 34(1), 56–70 (2019). doi.org
• Ferreira, T. & Rodriguez, S. Mitochondrial DNA: Inherent Complexities Relevant to Genetic Analyses. Genes 15(5), 617 (2024). doi.org
• Daily turnover of ATP — Homo sapiens. BioNumbers BNID 105606, Harvard Medical School. bionumbers.hms.harvard.edu

Weiterlesen