Leistungsfähigkeit in einem Wort: Mitochondrium

Leistungsfähigkeit in einem Wort: Mitochondrium

6 Kommentare

Von Chris M. |

In jeder Zelle des menschlichen Körpers finden wir mehrere tausend Mitochondrien. Das Mitochondrium ist ein Zellorganell, das aus Substraten wie Kohlenhydrate und Fette, Energie in Form von ATP produziert. Die mitochondriale Dichte ist also dort am höchsten, wo wir die größten ATP-Umsätze finden – im Herz, in der Skelettmuskulatur, im Gehirn und auch in der Leber.

Dieser Artikel soll klären, in wie weit Mitochondrien für unsere Leistungsfähigkeit und Gesundheit verantwortlich sind. Weiterhin soll der Zusammenhang zwischen mitochondrialer Dysfunktion und degenerativen Erkrankungen besprochen werden. Und: Wie können wir die mitochondriale Dichte beeinflussen?

Leistungsfähigkeit in einem Wort: Mitochondrium

Was auf biochemischer Ebene wirklich gesund (oder krank!) macht

Heute ist eine Tatsache unbestritten: Wer lang leben will, muss weniger essen. Tausende Arbeiten wurden bereits zu diesem Thema veröffentlicht, vom Fadenwurm (Heestand et al., 2013) hin zum Rhesus-Affen (Colman et al., 2014). Präziser ausgedrückt geht es jedoch tatsächlich nicht um das längere Leben, sondern um das Vermeiden von altersbedingten Erkrankungen, was mit klassischer Kalorienrestriktion immer und effektiv erreicht wurde (Frame et al., 1998). Wer aber möchte die signifikante Reduktion der Geschlechtshormone oder der Schilddrüsenhormone in Kauf nehmen? Denn damit wird auch ein Großteil des biologischen Sinns genommen, die reproduktive Kapazität.

Das, was wir daraus aber – auf zellulärer Ebene – letztendlich lernen, kann uns helfen, das biologische Altern zu verstehen. Wir sind weiter. Wir können die zellulären Effekte der Kalorienrestriktion genau beobachten und studieren, im Umkehrschluss können wir erkennen, welche Dysfunktionen sich in Zellen ergeben, die letztendlich für das klassische (zelluläre) Altern verantwortlich sind.

Eine “hallmark” ist die Veränderung der mitochondrialen Funktion und Dichte.

Die Seneszenz des Alters ist gekennzeichnet durch eine mitochondriale Dysfunktion, die einher geht mit einem Abfall der bioenergetischen Effizienz, sprich: Es wird deutlich weniger ATP produziert bei gleichzeitiger Entstehung von ROS (reactive oxygen species, freie Radikale). Die Entstehung von ROS seinerseits sorgt für eine weitere Schädigung diverser Membrane, darunter auch die mitochondriale Membran. Cardiolipin, ein sehr wichtiges Membran-Protein, löst sich, was eine weitere ROS-Quelle darstellt.

Kurz: Das Mitochondrium zerstört sich selbst (Judge et al., 2005).

(Mitochondriale) Gesundheit = Stoffwechsel – und Ausdauerleistungsfähigkeit?

Schlagen wir den Bogen zu einer anderen Art der zellulären Leistungsfähigkeit, der sportlichen Ausdauer. Wir (Sport-)Biologen können präzise beschreiben, wie das, was wir Ausdauer nennen, in einem Organismus entsteht. Um eine Ausdauerleistung einschätzen zu können, verwenden wir den Vo2max-Wert – ein Werkzeug zur Diagnostik. Dieser Vo2max-Wert wird im Wesentlichen von zwei Determinanten bestimmt:

  • zentraler Teil (Herz)
  • peripherer Teil (Muskel)

Der Muskel also moduliert zu wesentlichen Teilen die Ausdauerleistungsfähigkeit (Bassett et al., 1997).

Ein Artikel der New York Times titelte 2006, “Mittel verdoppelt Ausdauer”. Das war der Grundstein des Hypes um Resveratrol, einem Molekül aus der Traube. Doch nicht Resveratrol war das Entscheidende, sondern das, was auf zellulärer Ebene passierte: Es wurde ein dramatischer Anstieg der mitochondrialen Dichte beobachtet. Die Mäuse konnten aber nicht nur doppelt so lange rennen, sondern lebten auch länger – im selben Artikel beschrieb man Forschungen, in denen Resveratrol zusätzlich und effektiv vor metabolischem Syndrom schützt und gar verhindert, dass Diabetes entsteht. Hier wurde deutlich vor Augen geführt, wo die persönliche Leistungsfähigkeit und Gesundheit steigt oder fällt. Die mitochondriale Dichte und Funktion ist der entscheidende Faktor hierbei.

Die Forschungsergebnisse stammten damals von Dr. David Sinclair, ein herausragender Wissenschaftler auf genau diesem Gebiet. Er forschte zu Resveratrol, mitochondrialer Biogenese und der Lebensspanne. Bemerkenswerter Weise, konnte er Ergebnisse replizieren – ganz ohne Resveratrol -, indem er ein zelluläres Oxidationsmittel erhöhte, NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid).

Insgesamt also wird klar, dass Sport die Ausdauerleistungsfähigkeit über den gleichen Weg induziert, wie auch Resveratrol oder intrazelluläres NAD, letztere sind so genannte “exercise mimetics” oder “CR mimetics”, also Substanzen, die Effekte von Sport beziehungsweise Kalorienrestriktion mimen – nachahmen (Baur, 2010). Die bedeutende Erkenntnis jedoch ist die Identifizierung zellulärer Signalwege, die für diese Effekte verantwortlich sind.

Signalweg-Induktion: Wie sich Mitochondrien vermehren

Die mitochondriale Biogenese und Funktion wird maßgeblich reguliert durch ein Dreier-Gespann, das man sich für sein persönliches Wohlbefinden merken sollte:

  • AMPk
  • Sirt1
  • PGC1-alpha

Das Gewährleisten einer optimalen ATP-Produktion ist essenziell für das Überleben eines Organismus. Somit wird deutlich, dass die Zelle adäquat auf exogene Einflüsse reagieren muss, wie beispielsweise Nahrungsknappheit. Fällt der ATP-Wert also ab, dann werden Proteine aktiv, die die Zelle schützen und für eine effiziente Energie-Produktion sorgen. Der Master-Regulator für diesen Zweck ist AMPk. AMPk dient als Sensor, muss der Zelle den aktuellen Energiestatus vermitteln.

Ein downstream target des AMPk ist unter anderem auch PGC1-alpha. Dieses Protein induziert direkt und als einzige Instanz eine Vermehrung der Mitochondrien (mitochondriale Biogenese) und die Expression von Genen, die am Fettstoffwechsel beteiligt sind. Jetzt wird auch klar, warum die mitochondriale Dichte und Funktion so entscheidend für unsere Gesundheit sind. Mitochondrien oxidieren Fettsäuren. Enzyme der Fettsäure-Oxidation sind direkt gekoppelt an die mitochondriale Biogenese oder anders ausgedrückt: Ohne Mitochondrien, keine Fettsäure-Oxidation.

AMPk phosphoryliert PGC1-alpha. Das ist die Sprache der Biologen und meint, dass es das Protein aktiviert.

Jetzt kommt Sirt1 ins Spiel: Nur wenn PGC1-alpha durch Sirt1 auch deacetyliert (= aktiviert) wird, kann PGC1-alpha funktionieren (vgl. Canto et al., 2009). Sirt1 wurde in diesem Zusammenhang auch als “Langlebigkeits-Gen” bekannt.

Mitochondriale Dichte ≠ Kraft und Muskelmasse?

Du hast es womöglich bereits bemerkt und es stimmt – mitochondriale Biogenese ist nur zu induzieren, wenn die Zelle “glaubt” es gäbe einen Energiemangel.

Dies hat natürlich zur Folge, dass alle anabolen Prozesse zunächst nicht stattfinden oder auf wesentliche zelluläre Signalwege reduziert werden, was sich letztendlich auch kontraproduktiv auf die Muskelmasse auswirken könnte. Hierzu sei gesagt: Es ist möglich. Gnus haben einen Muskel, bei dem wir beide Eigenschaften finden – Muskelfaserdicke plus Fettsäure-Oxidation (Curry et al., 2012). Zu diesem Thema habe ich bereits mehrfach geschrieben. Es ist – aus biochemischer Sicht – also ein Muskel der ein breites Spektrum an Möglichkeiten abgedeckt. Daher sollte das Ziel für jeden sein, auch für den Kraftsportler, dafür zu sorgen, dass der Muskel zwar kräftig ist, aber gleichzeitig über eine hohe mitochondriale Dichte verfügt.

Ungeachtet der muskulären Effekte, könnte eine adäquate mitochondriale Funktion in Leber, Herz und Gehirn der Schlüssel sein für ein gesundes Leben, könnte das Erscheinen von (neuro-, hepato-)degenerativen Erkrankungen verhindern, bei gleichzeitiger Steigerung der allgemeinen Leistungsfähigkeit – wenn die mitochondriale Biogenese die Quintessenz der Altersforschung darstellt.

Mitochondriale Biogenese – Energie zum Selbstmachen

Doch was können wir aktuell tun, um möglichst oft PGC1-alpha zu aktivieren – somit für das Vermehren unserer Mitochondrien sorgen? Das Thema beginnt am Fundament: Stimmen deine Hormone?

Ich habe bereits mehrere hundert Klienten betreut und kann sagen, dass ich selten einen sehr guten fT3-Wert gesehen habe. Das macht mich nachdenklich, denn eine Arbeit der Uni Hamburg Eppendorf (2003) zeigt deutlich, dass die endogene Regulation von PGC1-alpha und der mitochondrialen Dichte – somit auch der Fettverbrennung – maßgeblich und alleine durch Trijodthyronin (T3) reguliert wird.

Das ist wohl auch der Grund, warum Menschen mit hohen T3-Werten schlecht zunehmen können, oft einen sehr niedrigen Körperfettanteil haben. Sobald der T3-Wert stimmt, stimmt auch die mitochondriale Dichte, stimmt auch die Fettsäure-Oxidation, stimmt auch der Körperfettanteil und somit die endotheliale und metabolische Gesundheit.

Also, dass wir uns verstehen. Mit T3 hast du folgende Parameter selbst in der Hand:

  • PGC1-alpha Aktivität
  • mitochondriale Dichte
  • Substrat-Präferenz (Fettsäure)

… und somit also auch Ausdauerleistungsfähigkeit und womöglich Gesundheit.

Das heißt, bevor du die nachfolgende Liste für dich benutzt, solltest du deine Hormon-Werte in Ordnung bringen. Exogene Faktoren, die die Mitochondriendichte und – funktion (positiv) modulieren:

Auf was Du achten solltest

  • Insgesamt muss außerdem bedacht werden, dass der mitochondriale Stoffwechsel nur mit Hilfe von eisenhaltigen Enzymen funktioniert – stimmt dein Eisen-Wert?
  • Auch bei Magnesium-Mangel können wir eine dramatische Reduktion der mitochondrialen Dichte feststellen (Ghazi et al., 1975).

Was Du vermeiden solltest

  • Man sollte generell außerdem beachten, dass die Gabe von Antioxidantien nicht nur wenig förderlich ist, sondern die mitochondriale Biogenese nach Sporteinheiten sogar reduzieren kann (Ristow et al., 2009). Das Gleichgewicht zwischen Entstehung und Hemmung von ROS soll allerdings in anderen Artikel besprochen werden.

Abschließende Worte und Zusammenfassung

Unsere Gesundheit, somit auch die Prävention hinsichtlich degenerativer Erkrankungen, steigt und fällt mit der Funktionsfähigkeit der Mitochondrien und auch mit der Mitochondrien-Anzahl per se. Nicht nur die Gesundheit ist von optimaler mitochondrialer Funktion abhängig, viel mehr noch unsere Ausdauerleistungsfähigkeit, unsere muskuläre Funktion und die (muskuläre) Substrat-Präferenz.

Wir wissen heute, dass wir die mitochondriale Dichte mit Hilfe eines Proteins namens PGC1-alpha steuern können. Dieses Protein ist seinerseits abhängig von AMPk und Sirt1. Alle (exogenen) Faktoren, die diese Proteine aktivieren, können uns auch helfen, eine adäquate Mitochondrien-Gesundheit zu generieren. Endogen wird PGC-1alpha reguliert durch das Vorhandensein von Schilddrüsenhormonen, genauer fT3 – es ist jedoch auch möglich mit diversen Intervention (z.B. Resveratrol) die selben zellulären Signalwege zu induzieren.

Deine take home message: Du hast die Fähigkeit zur Bildung von ATP, und somit deiner (!) Lebens-Energie selbst in der Hand.

Bildquelle Titelbild: Wikimedia / Marie-Lan Nguyen ; CC Lizenz

 

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  • Freddy

    Richtig interessanter Artikel. Über diese sogenannten “Supermuskeln” habe ich jetzt schon öfter was gelesen (Ausdauernd und stark).

    Da für die Bildung von Mitochondrien ja ua ein ATP-Defizit benötigt wird könnte man doch schlussfolgern, dass ein anstrengendes Krafttraining (zB mit wenig Pausen und entsprechendem Puls) auch dazu geeignet sein könnte?

    Sonst sind einige der Maßnahmen für mehr Mitochondrien für einen Laien wie mich etwas kryptisch aber scheinbar sind folgende drei Sachen für jeden Durchführbar
    1) eine Form des regelmäßigen Fasten implementieren
    2) eine regelmäßige Form von Ausdauersport integrieren (würde da zB einmal die Woche eine Stunde Schwimmen oder eine HIIT Einheit mit Sprinten oder Swings/Snatches oder Burpees reichen?)
    3) Seine Schilddrüsen-, Eisen. und Magnesiumwerte testen lassen.

    • Hallo Freddy,

      du hast die Kernelemente genau verstanden!

      Bezogen auf die Art des Training kommt es präzise darauf an, wie man trainiert. Mit einem Maximalkraft-Training wird man wenig erreichen.

      Mit einer Art des Trainings, das sowohl eine kardiovaskuläre Belastung darstellt, als auch eine muskuläre, wird man ganz sicher und stark die mitochondriale Biogenese einleiten.

      Denke dabei an Ruderer oder stelle dir jemand vor, der mit einer Langhantel auf dem Rücken 20-30 Sekunden “all out” squattet mit insgesamt 4 Durchgängen.

      LG, Chris

      • Ah – ich vergaß.

        Du kannst natürlich auch Maximalkraft trainieren – aber du musst dann in einer anderen Einheit (Tage später) genau diese TypII Fasern “aushungern” – das ist selbstverständlich ein Kompromiss aus anabolen und katabolen Aktivitäten.

  • Vor wenigen Tagen erst diesen Vortrag zum Thema gesehen:

    Minding your mitochondria
    https://www.youtube.com/watch?v=KLjgBLwH3Wc

    Das ist einfach nur in höchstem Maße erstaunlich.

    Danke ebenfalls für diesen Artikel!

  • Fireblade

    Ich habe auch seit längere zeit viel über Mitochondrian gelesen, hier habet ihr auch ein bisschen zu den gesundheitlichen Aspekt http://www.aufnatürlicheweise.de/die-rolle-der-mitochondrien-bei-krebs/ Ich werde auch sagen lange lauf strecken ist nicht die beste Art, weil zu viel Stress für denn Körper, sonder intensive 20 min reichen, also hohen Puls.