Das von der Mutter empfangene Erbe des Lebens – die Mitochondrien

„Was ist das Leben?“

Auf den ersten Blick mag diese Frage wie eine philosophische Frage erscheinen, aber im Grunde geht es um ein Thema, mit dem sich viele Wissenschaftler weiterhin beschäftigen, weil sie noch immer keine eindeutige Antwort darauf gefunden haben. Dass alle Lebewesen Leben besitzen, ist eine ganz selbstverständliche Wahrheit. Doch dieses Leben mit einem einzigen Begriff zu definieren, ist keineswegs einfach. Zahlreiche Gelehrte haben versucht, das Leben zu definieren, konnten es jedoch nicht zu einer vollständigen, einheitlichen Theorie ausformulieren. Die derzeitige Definition des Lebens beschränkt sich daher lediglich auf eine Verallgemeinerung der gemeinsamen Merkmale des Lebens.

Lebewesen weisen folgende Merkmale auf: Homöostase, eine organisierte Struktur, Entwicklung und Wachstum, Reaktion auf Reize, Fortpflanzung sowie Stoffwechsel. Während all diese Faktoren einen lebenden Organismus definieren, sticht der Stoffwechsel als grundlegende Basis hervor.

Unter Stoffwechsel versteht man alle stofflichen Veränderungen, die in einem Organismus stattfinden, einschließlich des Abbaus und der Synthese von Stoffen. Das wichtigste Ziel dieser Vorgänge ist die Gewinnung von Energie, die zur Aufrechterhaltung des Lebens notwendig ist. Kein Lebewesen kann ohne Energie existieren. Mit anderen Worten: Kein Leben kann unabhängig von Energie bestehen. Energie ist ein unverzichtbares Element, das Lebewesen am Leben erhält, und kann als Grundlage des Lebens bezeichnet werden. Woher und wie gewinnen Lebewesen also ihre Energie?

Wenn man nach dem zentralen Organ des menschlichen Lebens gefragt wird, so nennt wohl jeder das Herz. Auch aus medizinischer Sicht gilt ein Mensch als tot, sobald das Herz aufhört zu schlagen. Wie kann das Herz ein Leben lang ohne einen einzigen Moment der Ruhe schlagen? Was haucht dem Herzen Leben ein?

Das steht in engem Zusammenhang mit den Mitochondrien – den Energiekraftwerken unseres Körpers. Mitochondrien sind zwar nur kleine Organellen innerhalb einer Zelle, übernehmen aber durch Zellatmung¹ die Produktion von Energie. Sie kommen in nahezu allen eukaryotischen Lebewesen² vor und sind beim Menschen so zahlreich vorhanden, dass sie bis zu etwa zehn Prozent des Körpergewichts ausmachen. Mitochondrien sind überall in einer Zelle verteilt, um die von der Zelle benötigte Energie effizient bereitzustellen. Daher kommen sie besonders zahlreich in Organen und Geweben mit hohem Energiebedarf vor, etwa im Gehirn, im Herzen, in der Leber und in den Muskeln.

1. Zellatmung: Ein Prozess, bei dem Zellen Sauerstoff aufnehmen und organische Stoffe oxidativ abbauen, um Energie zu gewinnen; wird auch als innere Atmung bezeichnet.
2. Eukaryotische Lebewesen: Lebewesen, deren Zellen einen von einer Kernhülle umschlossenen Zellkern besitzen. In den Zellen befinden sich Zellorganellen wie Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum.

Mitochondrien nutzen den durch die Atmung zugeführten Sauerstoff, um den Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) zu produzieren. ATP lässt sich bildlich gesprochen als eine Art Energiewährung beschreiben. Ein ATP-Molekül besitzt drei Phosphatgruppen; jedes Mal, wenn eine dieser Phosphatgruppen abgespalten wird, wird eine bestimmte Menge Energie freigesetzt, die die Zelle nutzen kann. Mit anderen Worten: Der menschliche Körper gewinnt die zur Aufrechterhaltung des Lebens notwendige Energie mithilfe des in den Mitochondrien erzeugten ATPs. Da nahezu alle Organe in einem Körper von der durch Mitochondrien bereitgestellten Energie abhängig sind, kann eine verminderte Funktion oder Fehlfunktion der Mitochondrien zu einer Vielzahl bekannter Krankheiten führen. Daher wird in der heutigen Biologie und Medizin intensiv daran geforscht, welche Rolle Mitochondrien bei der Alterung und Krankheiten spielen und wie über einen langen Zeitraum gesunde Mitochondrien erhalten werden können.

Die für unser Leben unverzichtbaren Mitochondrien besitzen eine besondere Eigenschaft: Alle Mitochondrien in unseren Zellen werden von der Mutter vererbt. Man nennt das maternale Vererbung, also mütterliche Vererbung; sie steht im Gegensatz zur paternalen Vererbung, bei der das Y-Chromosom vom Vater weitergegeben wird.

Das Erbgut von Mitochondrien besitzt – anders als das meiste Erbgut der Zelle – die Besonderheit, eigenständig vorzuliegen. Während der Großteil des Erbguts einer Zelle im Zellkern konzentriert ist, befindet sich das mitochondriale Erbgut nicht im Zellkern, sondern innerhalb der Mitochondrien selbst. Da Mitochondrien, wie bereits erwähnt, in nahezu allen Zellen vorhanden sind, wird bei der Zellteilung nicht nur der Zellkern geteilt; auch die Mitochondrien werden auf die jeweiligen Tochterzellen verteilt.

Dieses Prinzip gilt auch für die Keimzellen, also Spermien und Eizellen. Sowohl im väterlichen Spermium als auch in der mütterlichen Eizelle sind Mitochondrien vorhanden. Bei der Befruchtung gelangen die Mitochondrien des Spermiums in der Regel nicht in die Eizelle. Das liegt daran, dass hauptsächlich der Kopf des Spermiums in die Eizelle gelangt und sich der Großteil der Mitochondrien eines Spermiums im Bereich der Geißel des Spermiums befindet. Selbst wenn einzelne väterliche Mitochondrien in die Eizelle gelangen, werden sie dort abgebaut und beseitigt. Infolgedessen enthält eine befruchtete Eizelle im Zellkern DNS, die je zur Hälfte vom Vater und von der Mutter stammt; die mitochondriale DNA hingegen stammt ausschließlich aus der Eizelle, also von der Mutter, und wird an das Kind weitergegeben.

Diese maternale Vererbung der Mitochondrien erweist sich auch in der Biotechnologie als nützliches Werkzeug. Während eine Zelle nur einen Zellkern besitzt, liegt die mitochondriale DNS in zahlreichen Kopien vor, da viele Mitochondrien in ihr vorhanden sind. Mit anderen Worten: In einer einzigen Zelle können Tausende identischer mitochondrialer DNS-Moleküle vorkommen. Zudem ist die mitochondriale DNS klein, sodass sie mit höherer Wahrscheinlichkeit auch über lange Zeit hinweg erhalten bleibt. Daher wird bei alten Knochen oder anderen Proben, bei denen eine Analyse der Kern-DNS schwierig ist, die Identifizierung von Personen mithilfe mitochondrialer DNS vorgenommen. Da sie ausschließlich über die Mutter vererbt wird, dient sie vor allem dazu, zu überprüfen, ob Personen derselben mütterlichen Linie angehören. Tatsächlich soll bei der Identifizierung der Opfer der Terroranschläge vom 11. September in den USA auch die mitochondriale DNS-Analyse eingesetzt worden sein.

Am Ausgangspunkt des Lebens steht eine befruchtete Eizelle. Sie entfaltet die Blüte des Lebens und beginnt, Hände und Füße eines Babys zu formen. Die Wurzel dieser grundlegenden Kraft liegt in den Mitochondrien, die wir von unserer jeweiligen Mutter erhalten haben. Bis heute sind in jedem Winkel unseres Körpers die Spuren mütterlicher Liebe eingeschrieben und sie erzeugen die Energie des Lebens.

Noch immer sind der genaue Ursprung und der Grund dafür, warum die mitochondriale Vererbung ausschließlich über die Mutter erfolgt, nicht vollständig geklärt. Durch die Mitochondrien, das Erbe der Lebensenergie, das wir allein von der Mutter empfangen können, atmen, leben und bewegen wir uns auch heute.

Quellen

Newton-Redaktion, „Mitochondrien – das wichtigste derzeit erforschte Zellorganell“, Newton, Dezemberausgabe 2012.

Masato Hiki, Das Mitochondrien-Projekt.