KPU, eine Störung der Mitochondrien und der Atmungskette

 

Bodo Kuklinski schreibt: „Wir gehen heute davon aus, dass KPU eine Mitochondropathie ist, also durch eine Störung der Mitochondrienfunktion ausgelöst wird.“ Auch international bedeutende medizinische Fachzeitschriften berichten über Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der gestörten Mitochondrienfunktion. Die Zahl der erworbenen Mitochondropathien wird in Zukunft eindeutig zunehmen“.

Zum Verständnis soll nun ausführlich auf die Wirkungsweise der Mitochondrien eingegangen werden.

Mitochondrien, was ist das?

Ein Mitochondrium (Mehrzahl: Mitochondrien), aus mitos (griechisch) für Faden und chondros (griechisch) für Korn ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Gebilde innerhalb einer Zelle, das als „Kraftwerk“ der Zelle fungiert. Die Hauptfunktion des Mitochondriums ist es, im Rahmen der Zellatmung unter Sauerstoff-Verbrauch ATP (Adenosintriphosphat), die „universelle Energiewährung“ der Zelle, herzustellen. Mitochondrien kommen verteilt im Zellplasma vor. Ihre Größe schwankt von 0,5 bis 10 µm.

Besonders viele Mitochondrien finden sich in Zellen, die viel Energie verbrauchen, z.B. Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen, Eizellen. Die Menge der Mitochondrien einer Zelle wird also nach ihrem Energiebedarf angepasst.

Mitochondrien werden über die Eizelle nur von der Mutter vererbt. Es hat sich mittlerweile herausgestellt, dass auch durch die Spermien einige männliche Mitochondrien in das Plasma der befruchteten Eizelle gelangen können. Diese „männlichen“ Mitochondrien werden jedoch schnell wieder eliminiert.

Die Entdeckung der Mitochondrien

Die Verbesserung des Lichtmikroskops durch Ernst Abbe (1880) ermöglichte erstmals den Blick auf die Zusammensetzung zellulärer Bestandteile. Der Anatom Richard Altmann beschrieb 1890 „cytoplasmatische Organellen“, welche er als „Elementarorganismen der Zelle“ bezeichnete. Der Begriff „Mitochondrium“ wurde durch Benda (1897) geprägt. Die Auflösungsverbesserung durch das Elektronenmikroskop ermöglichte weitere Einblicke in den Aufbau des Mitochondriums.1953 beschrieb Palade die Doppelmembranstruktur und die Falten, Cristae genannt, im Inneren des Mitochondriums.

Als die biochemischen Reaktionswege des Citratzyklus von Krebs 1937 und der Fettsäureoxidation von Kennedy und Lehninger 1949 in den Mitochondrien entdeckt wurden, erkannte man, dass sie die aeroben Energieproduzenten der Zelle sind.  Keilin und Hartee (1939) postulierten eine schrittweise Oxidation und die Übertragung von Elektronen auf molekularen Sauerstoff. Sie nannten dieses Modell „Atmungskette“. Die freie Energie dieses Elektronentransfers werde benutzt, um Protonen, also H+-Ionen, gegen einen Gradienten aus der Mitochondrienmatrix in den intermembranösen Raum zu befördern. Mitchell (1961) bewies, dass dieser Protonengradient die treibende Kraft der ATP-Synthese durch Komplex V (ATPase) ist. Walker (1995) gewannen durch Kristallisationsstudien an Komplex V grundlegende Erkenntnisse darüber, wie der Protonenrückstrom aus dem intermembranösen Spalt in die Mitochondrienmatrix mit der Bildung von ATP gekoppelt ist. Lange Zeit glaubte man, die Mitochondrien seien vom Zellkern unabhängige Organellen, doch die meisten Enzyme, welche die Mitochondrien benötigen, werden im Zytoplasma synthetisiert und dann in die Mitochondrien eingeschleust.

Seit 1963 weiß man, dass das Mitochondrium ein eigenes Erbgut besitzt, welches manchmal als das  „47. Chromosom“ bezeichnet wird. Die mitochondriale DNA ist ein ringförmiges Molekül und im Gegensatz zur DNA des Zellkerns nicht an Histone, das sind besondere Eiweiße, welche die DNA schützen, gebunden. Die DNA besteht aus 16.569 Basenpaaren und repräsentiert somit weniger als 0.0005% des gesamten menschlichen Erbguts.

In Anbetracht des Zusammenspiels von Transport-, Export- und Importmechanismen mit verschiedenen Stoffwechselfunktionen ist es nicht verwunderlich, dass die Störung dieser Prozesse zur Einschränkung der Energieproduktion und somit zu Multisystemerkrankungen führen kann. Dabei sind in der Regel Gewebe mit hohem Energieumsatz besonders betroffen.1959 beschrieb Ernester erstmalig eine Patientin mit gesteigertem Grundumsatz, bei der er eine Mitochondropathie vermutete. Vier Jahre später wiesen Engel und Cunningham in der Muskelbiopsie dieser Frau abnorme Mitochondrien nach.

Der Aufbau der Zelle

Jede Zelle, hat eine Membran, welche die Zelle von der Umgebung abgrenzt. Durch diese Membran wird kontrolliert, was in die Zelle aufgenommen und was hinaustransportiert wird. Auf jeder Seite der Zellmembran befinden sich Ionen, elektrostatisch geladene Atome oder Moleküle, unterschiedlicher Konzentrationen, die durch die Zellmembran getrennt gehalten werden. Dadurch wird ein Konzentrationsunterschied aufrechterhalten, welcher ein chemisches Potential nach sich zieht. Das durch die Zellmembran umschlossene Medium wird Zytoplasma genannt. Alle Zellen besitzen Desoxyribonukleinsäure (DNA), in der die Erbinformationen gespeichert sind und Ribonukleinsäure (RNA), die zum Aufbau von Proteinen wie den Enzymen notwendig ist. Auch Proteine, die die meisten Reaktionen in der Zelle katalysieren oder Strukturen in der Zelle bilden, werden dort hergestellt.

 

 

  1. Nukleolus 2. Zellkern 3. Ribosomen 4. Vesikel. 5. Raues Endoplasmatisches Reticulum 6. Golgi-Apparat 7. Mikrotubuli 8. Glattes Endoplasmatische Reticulum 9. Mitochondrien 10. Lysosom 11. Zytoplasma 12. Mikrobodies 13. Zentriolen

 

Der Aufbau der Mitochondrien

Die äußere Membran umschließt das gesamte Mitochondrium und enthält Kanäle aus Proteinkomplexen, welche den Austausch von Molekülen und Ionen zwischen dem Mitochondrium und dem Zytoplasma der Zelle ermöglichen. Große Moleküle können die Membran nicht passieren. Die innere Membran besteht aus Einstülpungen, Cristae (lateinisch: Kamm) genannt,  wodurch die Oberfläche, an der die chemischen Reaktionen stattfinden, erheblich vergrößert wird. Die Membran enthält große Proteinkomplexe, welche für die eigentliche Energiegewinnung zuständig sind. Die innere Membran umschließt die Matrix, die interne Flüssigkeit des Mitochondriums. Sie entspricht dem Zytoplasma von Bakterien und enthält auch das Erbgut, sowie die Enzyme des Citratzyklus.  Außerdem zeigt das elektronenmikroskopische Bild an der Membran-Innenseite gestielte Köpfchen mit einem Durchmesser von 8,5 nm, die Elementarpartikel. Hier findet im Verlauf der Zellatmung die ATP-Bildung statt.

 

 

 

(1) Innere Membran, (2) Äußere Membran, (3) Cristae, (4) Matrix

Die Atmungskette

Die Atmungskette ist an der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Diese zeigt, wie schon erwähnt, Ausstülpungen in den Matrixraum zur Vergrößerung der Oberfläche. Auf dem nachfolgenden Bild ist die innere Mitochondrienmembran dargestellt mit den Komplexen der Atmungskette.

Welche Bedeutung hat die Atmungskette?

Um zu leben benötigt unser Körper ständig Energie, die wir in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen zu uns nehmen. Die in unseren Nahrungsmitteln steckende Energie muss jedoch in eine andere, verwertbare Form umgewandelt werden, in das ATP. Dieses ATP wird in den Mitochondrien im Rahmen der Atmungskette hergestellt. Dabei handelt es sich um eine Abfolge von Reaktionsschritten, an deren Ende die Energie von Elektronen dazu benutzt wird, schließlich ATP zu erzeugen. Die bei verschiedenen Stoffwechselprozessen (z.B. Citratzyklus), in unserem Körper anfallenden Elektronen werden von der Atmungskette aufgenommen.

Die chemische Reaktion der Wasserbildung in der Atmungskette, ist chemisch gesehen eine klassische Knallgasreaktion. Diese Reaktion läuft spontan ab, d.h., würde sie nicht im Rahmen der Atmungskette schrittweise ablaufen, dann würde sich die Zelle in einer Mikroexplosion zerstören. Die Leistung der Atmungskette ist es, die Reaktion so ablaufen zu lassen, dass die Zelle nicht umgebracht wird. Die Elektronen können nicht sofort auf den Sauerstoff übertragen werden, sondern müssen schrittweise durch mehrere Zwischenschritte fließen, bevor sie dann schließlich zum Sauerstoff gelangen. Die Atmungskette enthält vier solcher Zwischenschritte, die Komplexe I bis IV genannt werden. In Komplex V entsteht dann schließlich das ATP.

Hier der Ablauf mit den Komplexen in der Übersicht:

Die einzelnen Komplexe der Atmungskette

Komplex I: Er heißt: NADH-Dehydrogenase oder NHDH-Ubichinon-Reduktase

Dieser Komplex ist mit 42 Untereinheiten der größte. Auf ihn werden die Elektroden aller NADHs, die in unseren Zellen anfallen, übertragen. NADH ist die reduzierte Form des Nicotinamid-adenin-dinucleotids.

Die Energie, die bei diesem Prozess frei wird, treibt vier H+-Ionen vom Matrix- in den intermembranösen Raum.

Komplex II: Er heißt: Succinat-Dehydrogenase oder Succinat-Ubichinon-Reduktase

Dieser Komplex ist der kleinste. Er ist gleichzeitig ein Enzym des Citrat-Zyklus. Der Komplex kann nur die Elektronen dieser Reaktion aufnehmen. Dabei wird Succinat zu Fumarat. Die eigentliche Aufgabe dieses Komplexes besteht darin, den dabei entstehenden Wasserstoff auf Ubichinon zu übertragen.

 

 Strukturformel von Ubichinon oder Coenzym Q

Ubichinon oder Coenzym Q bilden ein Sammelbecken für den Wasserstoff. Der Wasserstoff entsteht nämlich nicht nur aus NADH im Komplex I und Succinat im Komplex II, sondern auch durch den Fettsäureabbau aus der Beta-Oxidation. Coenzym Q ist mit seiner langen Seitenkette tief in der Membran verankert. Der „Chinon-Kopf“ ist aber äußerst mobil. Das ist sehr wichtig bei der Wasserstoff- und Elektronenübertragung. Normalerweise ist Coenzym Q im Gegensatz zu den anderen Komponenten der Atmungskette in etwa 10-fachem Überschuss vorhanden.

Coenzym Q überträgt schließlich die Elektronen auf den Komplex III.

Komplex III: Er heißt: Coenzym Q-Cytochrom c-Reduktase

Die Aufgabe dieses Komplexes besteht nun darin, die Elektronen von Coenzym Q an Cytochrom c weiterzuleiten. Dieser Komplex besteht aus 11 Untereinheiten. Wie Komplex I ist auch Komplex III eine Protonen-Pumpe. Bei der Übertragung eines Elektronenpaares auf zwei Moleküle Cytochrom c werden insgesamt vier Protonen in den Intermembranraum transportiert.

Cytochrom c muss wie Coenzym Q als Hilfssubstrat der Atmungskette aufgefasst werden. Es ist das einzige Elektronen-transportierende Protein, das nicht fester Bestandteil der Mitochondrienmembran ist. Es ist wasserlöslich und locker an die innere Mitochondrienmembran gebunden.

Komplex IV: Er heißt; Cytochrom c-Oxidase

Die Aufgabe von Komplex IV ist es nun, die Elektronen von Cytochrom c endlich auf den Sauerstoff zu übertragen, wodurch Wasser entsteht. Warburg hat Komplex IV deshalb als „Atmungsferment“ bezeichnet. Dieser Komplex besteht aus 13 Untereinheiten. Wichtige Bestandteile sind 2 Häm-Gruppen (Ringsysteme wie beim Hämoglobin) und Kupferionen. Auch Komplex IV ist eine Protonen-Pumpe. Es werden allerdings nur zwei Elektronen in den Intermembranraum gepumpt und nicht vier wie bei den Komplexen I und III. Bemerkenswert ist, dass schrittweise vier Elektronen auf den Sauerstoff übertragen werden. Dabei kommt es nicht zur Bildung freier aggressiver Superoxid-Radikale, sondern zur Freisetzung von Wasser.

Komplex V: Er heißt: ATP-Synthase

Die Elektronen sind nun an ihrem Ziel, dem Sauerstoff angelangt. Ihre Energie haben sie für den Aufbau eines Protonengradienten bereitgestellt. Diese Protonen werden nun gebraucht, um ATP zu erzeugen. Dies geschieht durch die ATP-Synthase. Dieser Vorgang wird oxidative Phosphorylierung genannt.

Die ATP-Synthase besteht aus zwei Untereinheiten, die F0 und F1 genannt werden. F0 ist ein Protonen-Kanal, durch den die Protonen aus dem Intermembranraum durch die innere Mitochondrienmembran wieder in die Matrix zurückfließen. F1 ist der katalytische Teil der ATP-Synthase. Er sitzt dem Protonen-Kanal wie ein kleines Köpfchen auf und ragt in die Matrix hinein. Aus ADP und Phosphat entsteht nun ATP.

 

 

 

Es ist eine Besonderheit der Atmungskette, dass die Bildung von ATP nicht direkt an den für den Elektronentransport zuständigen Komplexen I bis IV erfolgt, sondern über den Umweg der als Kopplung der oxidativen Phosphorylierung bezeichnet wird. Die Kopplung von Elektronentransport und Bildung von ATP setzt eine intakte mitochondriale Membranstruktur voraus. Zerstört man diese Membran, dann können die einzelnen Komplexe zwar noch Elektronen transportieren, die ATP-Bildung kommt jedoch zum Erliegen. In intakten Mitochondrien benutzen die Komplexe I bis IV die freie Energie des Elektronentransports, um Protonen gegen ein Konzentrationsgefälle aus der Mitochondrienmatrix in den intermembranösen Raum zu pumpen. Dort häufen sich die Protonen an und führen zum Absinken des pH. Die angesammelten Protonen laufen dann durch den Komplex V in die Mitochondrienmatrix zurück. Durch den Protonenrückfluß wird der Stiel in Drehung versetzt, ähnlich dem Rotor eines Elektromotors. Der Stiel ist etwas gebogen, so dass seine Rotation eine mechanische Verformungen der Molekülstruktur der Pilzkappe verursacht. Der ständige Wechsel zwischen 3 unterschiedlichen Konformationen bringen ADP und P in eine günstige Lage zueinander, so dass sie an der Pilzkappe binden, dann miteinander reagieren und sich wieder trennen.

Hier noch mal der Überblick:

Damit die Zelle nicht zerstört wird, erfolgt die Energieumwandlung schrittweise. Das bei der oxidativen Phosphorylierung entstandene ATP muss aus dem Mitochondrium ins Zytoplasma gelangen, damit es der Zelle zur Verfügung steht. Dafür gibt es einen speziellen Transporter, der ATP im Austausch gegen ADP aus dem Matrixraum herausbringt.

Regulation der Atmungskette

Ein niedriger pH-Wert hemmt den Elektronentransport in der Atmungskette im Sinne einer negativen Rückkopplung. Die Konzentration an ADP ist der wichtigste Parameter für den Energiestatus der Zellen. Eine Zugabe an ADP kann die Geschwindigkeit der Atmungskette steigern.

ADP beschleunigt außerdem den Citratzyklus, die Pyruvat-Dehydrogenase und die Glykolyse, die alle Zulieferer für die Atmungskette sind.

Bilanz der Atmungskette

In der Atmungskette werden insgesamt 10 Protonen aus dem Matrixraum in den Intermembranraum transportiert. Je vier über die Komplexe I und III, sowie zwei über Komplex IV. Ein Proton wird benötigt um ein Phosphat-Ion aus dem Zytoplasma ins Mitochondrium zu transportieren und drei für die Phosphorylierung von einem ADP. Die Bildung von einem ATP verbraucht also vier Protonen. Der Wirkungsgrad dieses Systems ist sehr gut. Sehr viel besser als zum Beispiel ein Verbrennungsmotor in einem PKW.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Autor: lebenmitkpu

Ich bin Arzt, Autor und jetzt auch Blogger. KPU beschäftigt mich seit über 10 Jahren. Immer wieder kommen neue erstaunliche Dinge hinzu. Fast alle Bereiche der Medizin sind betroffen. Ich wünsche mir, dass KPU in der Bevölkerung bekannter wird. Viele Menschen würden davon profitieren und hätten dadurch mehr Lebensqualität.

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