Die Rolle der Mitochondrien im Alterungsprozess und Coenzym Q10 als Anti-Aging-Wirkstoff

Gebhardt, P. (2019). Die Rolle der Mitochondrien im Alterungsprozess und Coenzym Q10 als Anti-Aging-Wirkstoff. OM & Ernährung, SH13, 51-56.

Die Abbildung zeigt eine Aufnahme von Mitochondrien (Elektronenmikroskop).
Mitochondrien sind rundliche Gebilde im inneren der Zellen („Zellorganellen“). Sie bestehen aus einer inneren und einer äußeren Membran. Die äußere Membran ermöglicht einen kontrollierten Stoffaustausch mit der Umgebung. Die innere Membran trägt die Atmungskette. Durch die „oxidative Phosphorylierung“ bilden die Mitochondrien mehr als 90% der Energie des Organismus.
Die Atmungskettenkomplexe sind an der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Über die Atmungskette wird die Energie der Nahrung genutzt um einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen. An Komplex V der Atmungskette wird dieser Gradient abgebaut. Die freiwerdende Energie wird genutzt um ATP, die universelle Energiewährung der Zelle, zu regenerieren. ("kontrollierte Knallgasreaktion")
Atmungskette und Radikalbildung: Bei der oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien werden Elektronen (e) von Komplex I und II der Atmungskette auf Coenzym Q10 übertragen, das diese auf Komplex III und über Cytochrom C letztendlich auf Komplex IV überträgt. Die Elektronen werden dabei auf ein niedrigeres Energielevel gebracht und die freiwerdende Energie dazu genutzt, Protonen (H+) durch die Membran zu pumpen um einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen. An Komplex IV werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen um unter Protonenverbrauch Wasser zu bilden. Der Protonenüberschuss auf der Membraninnenseite wird an Komplex V abgebaut. Das hier lokalisierte Enzym ATP-Synthase nutzt die Energie des Protonenflusses um ATP aus ADP und Phosphor zu regenerieren. Vor allem an Komplex I und III werden Elektronen jedoch auch auf Sauerstoff übertragen, wodurch Superoxidradikale (O2) gebildet werden. Schätzungen zufolge liegt die Superoxidbildung im Bereich von 2% des Sauerstoffumsatzes der oxidativen Phosphorylierung. Sauerstoffradikale werden durch Antioxidantien wie Coenzym Q10 neutralisiert (1). Eine unzureichende antioxidative Kapazität ruft verstärkt radikalinduzierte Schäden an Protein- und Membranstrukturen hervor (2).

Das Altern ist ein fortschreitender Prozess, der durch den zunehmenden Verlust physiologischer Funktionen gekennzeichnet ist und mit dem Tod endet. Mit zunehmendem Lebensalter steigt das Risiko bestimmter Erkrankungen wie Krebs, Herz- und Gefäßkrankheiten sowie Demenz an. Die steigende Lebenserwartung erhöht ebenfalls die Prävalenz dieser Erkrankungen.
Die Mitochondrien bilden eine zentrale Schnittstelle verschiedener Stoffwechselprozesse. Man nimmt an, dass die Mitochondrien vor etwa 1,5 Milliarden Jahren als Endosymbionten in die Zellen höherentwickelter, einzelliger Lebewesen aufgenommen wurden. Mitochondrien sind intrazelluläre Organellen, die von einer Doppelmembran umschlossen sind und eine eigene Erbsubstanz besitzen.
Als sog. „Kraftwerke der Zelle“ sind die Mitochondrien für die Bildung von mehr als 90% der Energie des Organismus verantwortlich. Daneben übernehmen sie zahlreiche Stoffwechselprozesse, wie die Herstellung von Eisenverbindungen, die Synthese von Steroiden sowie die Einleitung des programmierten Zelltods.
Die Mitochondrienmembranen sind aus Phospholipid-Doppelschichten und Proteinen aufgebaut. Die äußere Membran dient der Abgrenzung gegenüber der Umgebung und ermöglicht einen kontrollierten Stoffaustausch. Die innere Membran trägt die Atmungskette, an der die Energieerzeugung unter Sauerstoffverbrauch stattfindet. Gegenüber der anaeroben Energiegewinnung unter Milchsäurebildung läuft die aerobe Energieerzeugung in den Mitochondrien vollständiger ab und ist bis zu 18-mal effizienter.
Bei den ablaufenden Reaktionen werden Elektronen und Protonen stufenweise auf Sauerstoff übertragen. Die dabei freiwerdende Energie dient der Regeneration des Adenosintriphosphats (ATP), der universellen Energiewährung der Zelle. Als Nebenprodukte werden dabei jedoch ebenfalls größere Mengen Sauerstoffradikale gebildet. Dies sind sehr reaktionsfähige Verbindungen, die Atmungskettenproteine und Membranstrukturen schädigen können. Vor allem die mitochondriale Erbsubstanz ist sehr empfindlich gegenüber einer oxidativen Schädigung. Zudem sind die vorhandenen Reparaturmechanismen einfach aufgebaut. Eine Schädigung der Mitochondrien vermindert die Verfügbarkeit von Energie und trägt zum Verlust zellulärer Funktionen bei.

Coenzym Q10 bei altersassoziierten Erkrankungen

Mit zunehmendem Lebensalter kommt es zu einer Abnahme des körpereigenen Coenzym Q10. Die Abbildung zeigt die Konzentrationen im Leber-, Lungen-, Nieren- und Herzgewebe.
Coenzym Q10 kann vom Körper selbst gebildet werden. Es fällt nicht unter die Definition eines Vitamins. Die Bildung des Coenzyms nimmt im Alter ab. Die Abnahme der Q10-Konzentrationen zeigt sich mit zunehmendem Alter in verschiedenen Geweben wie Leber, Lunge, Nieren und dem Herzen unterschiedlich ausgeprägt. Am deutlichsten ist die Abnahme im Herzmuskelgewebe. Im Alter von 40 Jahren konnten noch etwa 70 % der Konzentrationen gemessen werden, die im Alter von 20 Jahren gemessen werden konnten. Im Alter von 80 Jahren wurden dagegen Werte von lediglich etwa 43 % gemessen.

Coenzym Q10 wird vom Körper selbst gebildet. Es ist fettlöslich und fügt sich in zelluläre und mitochondriale Membranstrukturen ein. Als Elektronen- und Protonenüberträger zwischen den Atmungskettenkomplexen ist das Coenzym von essentieller Bedeutung für den Energiestoffwechsel. Coenzym Q10 ist ein starkes Antioxidans, dass freie Radikale am Ort ihrer Entstehung abfangen kann. Auf diese Weise kann es Zellmembranen, Proteinstrukturen und vor allem das empfindliche mitochondriale Erbgut vor oxidativen Schäden schützen. Coenzym Q10 kann jedoch auch andere Antioxidantien wie Vitamin C und E regenerieren, die dadurch ebenfalls vermehrt freie Radikale abfangen können.
Besonders hohe Coenzym Q10-Konzentrationen finden sich in Geweben mit hohem Energieumsatz, wie dem Herz-, Leber-, Nieren- und Muskelgewebe. Die körpereigene Synthese des Coenzyms nimmt mit zunehmendem Alter ab. So konnten im Herzgewebe bei 40-Jährigen noch etwa 70% der Konzentrationen gemessen werden, die bei 20-Jährigen vorlagen. Bei 80-Jährigen nahm dieser Wert auf etwa 43% ab.
Mit der Abnahme der Spiegel von Antioxidantien wie Coenzym Q10 sinkt die antioxidative Kapazität des Organismus. Dadurch kommt es vermehrt zu oxidativen Schäden, die durch entsprechende Marker nachgewiesen werden können. Im wissenschaftlichen Umfeld wird deshalb untersucht, ob eine Coenzym Q10-Supplementation zur Therapie und Prävention altersassoziierter Erkrankungen beitragen kann.
Untersuchungen konnten zeigen, dass eine Coenzym Q10-Supplementation mit einer Senkung erhöhten Blutdrucks assoziiert ist. Das Coenzym fügt sich in die Membranen der Blutkörperchen ein, die dadurch beweglicher werden und mit geringerem Widerstand die engen Kapillaren des Gefäßsystems passieren können.
Die höchsten Konzentrationen des Coenzyms finden sich im Herzen, wo der Volumenanteil an Mitochondrien mehr als ein Drittel einnimmt. Die Kapazität der Energieerzeugung im Herzmuskel ist von ausreichend hohen Coenzym Q10-Spiegeln in den Mitochondrien abhängig. Die Q-Symbio-Studie mit 420 Teilnehmern konnte deutlich zeigen, dass eine Supplementation bei Herzinsuffizienz mit deutlich positiven Effekten auf die Symptomatik und den Verlauf der Erkrankung assoziiert ist.
Auch bei der Stoffwechselerkrankung Diabetes mellitus Typ 2 ist eine vermehrte Bildung von Sauerstoffradikalen in die Pathogenese der Erkrankung und ihrer Komplikationen involviert. Durch eine verstärkte Diurese kann es dazu kommen, dass wichtige Nährstoffe vermehrt ausgeschieden werden. In entsprechenden Untersuchungen konnte ebenfalls aufgezeigt werden, dass ein Überangebot an Glukose dazu führen kann, dass antioxidative Schutzenzyme durch Reaktion mit Zuckern geschädigt werden. Eine Supplementation mit Antioxidantien wie Coenzym Q10 kann bei Diabetes mellitus Typ 2 zu einer Verbesserung verschiedener Stoffwechselparameter beitragen. Eine Senkung der Malondialdehyd-Werte (MDA) konnte in diesem Zusammenhang herausgestellt werden. MDA entsteht durch Oxidation ungesättigter Fettsäuren, die sich in den Zellmembranen finden. MDA wird zur Einschätzung der oxidativen Belastung des Organismus herangezogen.
Es wird ebenfalls untersucht, ob eine Coenzym Q10-Supplementation die Nebenwirkungen bestimmter Pharmakotherapien reduzieren kann. Statine hemmen ein Enzym, das in die körpereigene Cholesterinsynthese involviert ist. Da die betreffende Cholesterin-Vorstufe gleichzeitig ein Vorläufermolekül des Coenzyms ist wird dadurch auch die Coenzym Q10-Synthese beeinflusst. Untersuchungen zeigen, dass es bei einer Statintherapie zu einem Absinken der Coenzym Q10-Spiegel kommen kann. Ähnliche Studien konnten aufzeigen, dass eine Coenzym Q10-Supplementation die verringerte Bildung ausgleichen kann bzw. Nebenwirkungen wie Muskelschmerzen und Muskelschwäche reduzieren kann, die im Zusammenhang mit der Einnahme von Statinen beobachtet werden.

Coenzym Q10: ein Anti-Aging-Wirkstoff

Nach Inkubation von Epithelzellen mit Coenzym Q10 steigt deren mitochondriale Respirationsrate. Coenzym Q10, Anti-Aging
Wirkung von Coenzym Q10 auf die mitochondriale Respirationsrate von Epithelgewebe (Trendlinien): Im Alter kommt es zu einer Abnahme der mitochondrialen Respiration und der ATP-Synthese (blaue Linie). Eine Inkubation des Gewebes mit Coenzym Q10 führt zu einer deutlichen Zunahme der Respiration, da Q10 die Atmungskettenfunktion verbessert (orangefarbene Linie).

In-vitro-Untersuchungen konnten aufzeigen, dass Coenzym Q10 die Entstehung von Schäden, die mit dem Alterungsprozess einhergehen abmildern kann bzw. die Mitochondrienfunktion, die sich mit zunehmendem Alter verschlechtert, verbessern kann.
Besonders die Haut ist verschiedenen schädlichen Einflüssen ausgesetzt, von denen die UV-Strahlung eine besondere Stellung einnimmt. Durch die Strahlung kommt es zum vermehrten Auftreten von Schäden am zellulären Erbgut sowie zu einer verstärkten oxidativen Belastung. Nach Bestrahlung menschlicher Hautzellen mit UV-Licht ist eine Verminderung der mitochondrialen Energiebildung deutlich messbar. Entsprechende Studien konnten jedoch zeigen, dass die Regeneration der Mitochondrienfunktion durch Inkubation der Zellen mit Coenzym Q10 beschleunigt wird.
Mit zunehmendem Alter kann in Hautzellen eine Abnahme der mitochondrialen Atmung beobachtet werden, die mit einer verminderten Energiebildung einhergeht. Coenzym Q10 verbessert die Funktion der Atmungskette. Nach Inkubation der Zellen mit Coenzym Q10 konnte eine deutliche Verbesserung der Atmungsparameter beobachtet werden.

Sicherheit und Pharmakokinetik von Coenzym Q10

Als körpereigene Substanz zeichnet sich Coenzym Q10 durch eine ausgezeichnete Verträglichkeit aus. In einer Risikobewertung wurden orale Tagesdosen von 1200 mg als sicher angesehen. Ebenfalls in einer Gruppe, die Tagesdosen von 3000 mg erhielt, konnten keine nachteiligen Effekte beobachtet werden.
Bei oraler Supplementation wird der Zeitpunkt, an dem die höchste Konzentration im Blut vorliegt nach etwa sechs Stunden erreicht. Etwa 33 Stunden nach der Aufnahme fällt die Konzentration auf etwa die Hälfte dieses Wertes ab.
Untersuchungen mit Herzkranken konnten zeigen, dass sich supplementiertes Coenzym Q10 im Herzmuskelgewebe bzw. in den Mitochondrien des Herzgewebes anreichert.
Die körpereigene Coenzym Q10-Synthese wird durch eine Supplementation nicht beeinflusst.

Verbesserung der Bioverfügbarkeit von Coenzym Q10 durch Emulsionen mit natürlichem Lecithin

Bioverfügbarkeitssteigerung von Coenzym Q10 durch Emulsionen mit Phospholipiden
Verbesserung der Bioverfügbarkeit von Coenzym Q10 durch Formulierung mit Lecithin:
1. Coenzym Q10 wird mit natürlichem Lecithin in ultrakleine Tröpfchen verpackt.
2. Die Aufnahme des Coenzyms beginnt bereits im Mund über die Mundschleimhaut.
3. Lecithin stellt einen natürlichen Bestandteil der Gallenflüssigkeit dar, der die Verdauung von Nahrungsfetten und fettlöslichen Nährstoffen erleichtert.
4. Das vorverpackte Coenzym Q10 kann von den Enterozyten des Dünndarms wesentlich besser aufgenommen werden.
5. In den Enterozyten werden fettlösliche Nährstoffe mit Hilfe von Lecithin in Chylomikronen bzw. Lipoproteine verpackt.
6. Zur systemischen Verteilung werden die Coenzym Q10-haltigen Chylomikronen in die Lymphe bzw. die Coenzym Q10-haltigen Lipoproteine ins Blut abgegeben.

Coenzym Q10 wird ebenfalls mit der Nahrung aufgenommen. Die dabei zugeführte Menge ist jedoch zu gering, um die Blut- und Gewebespiegel in nennenswertem Ausmaß zu beeinflussen.
Als Nahrungsergänzungsmittel ist Coenzym Q10 in zwei Formen erhältlich. Die orangefarbene, oxidierte Form des Coenzyms (Ubiquinon) ist lediglich zu einem geringen Teil bioverfügbar. Ubiquinon ist in kaum wasserlöslich. Aufgrund seines hydrophoben Charakters neigt es dazu, im Magen-Darm-Trakt Agglomerate zu bilden, die den Körper größtenteils unverändert verlassen. Die farblose, reduzierte Form des Coenzyms (Ubiquinol) weist eine höhere Bioverfügbarkeit auf.
Eine deutliche Steigerung der Bioverfügbarkeit kann durch Emulsionen mit Phospholipiden (Lecithin) erzielt werden, in denen das Coenzym in ultrakleinen Tröpfchen „vorverpackt“ vorliegt. Phospholipide bilden einen natürlichen Bestandteil der Gallenflüssigkeit. Sie zeichnen sich durch ihren amphiphilen („beides-liebenden“) Charakter aus. Phospholipide haben einen wasserfreundlichen sowie einen fettfreundlichen Molekülteil. Sie können sich mit Fetten und fettlöslichen Nährstoffen verbinden und ermöglichen, dass sich diese in wässriger Umgebung fein verteilen. Phospholipide verbessern die Resorption von Fetten und fettlöslichen Nährstoffen, da sie die Aufnahme in die Enterozyten des Dünndarms erleichtern.
In den Enterozyten werden Fette und fettlösliche Nährstoffe in Phospholipide verpackt und in Form von Chylomikronen und Lipoproteinen in die Lymphe bzw. ins Blut abgegeben. Die wasserfreundlichen Kopfgruppen der Phospholipide bilden dabei eine Hülle, die die Fetttröpfchen umschließt und in wässriger Umgebung transportfähig macht. Die Größe der Lipoproteine liegt im Bereich der Coenzym Q10-Emulsionströpfchen, die mit natürlichen Phospholipiden hergestellt werden können.
Die überlegene Bioverfügbarkeit einer Coenzym Q10-Emulsion mit natürlichen Phospholipiden konnte durch eine vergleichende Crossover-Studie mit 23 Teilnehmern bestätigt werden. Gegenüber unformuliertem Coenzym Q10 war die Bioverfügbarkeit dabei um den Faktor fünf erhöht.

Fazit

Die Mitochondrien sind die „Kraftwerke der Zelle“. Sie bilden mehr als 90% der Energie des Organismus. Gleichzeitig gelten die Mitochondrien als überwiegende Quelle von Sauerstoffradikalen, die zelluläre und mitochondriale Strukturen schädigen können. Coenzym Q10 dient in den Mitochondrien als Elektronen- und Protonenüberträger zwischen den Atmungskettenkomplexen. Daneben ist es ein starkes Antioxidans. Coenzym Q10 wird vom Körper selbst gebildet. Die Bildung nimmt mit zunehmendem Alter ab. Mit den abnehmenden Gewebekonzentrationen kann eine zunehmende oxidative Schädigung verschiedener Gewebestrukturen beobachtet werden.
Eine Coenzym Q10-Supplementation zeigte in klinischen Studien eine günstige Wirkung auf den Verlauf und die Symptomatik altersassoziierter Erkrankungen. In-vitro-Untersuchungen konnten ebenfalls eine verbesserte Regeneration nach UV-Schäden sowie eine Verbesserung der im Altern abnehmenden Mitochondrienfunktion aufzeigen.
Coenzym Q10 ist in geringen Mengen in der Nahrung enthalten. Vor allem in Pulverform ist supplementiertes Coenzym Q10 nur zu einem geringen Teil bioverfügbar. Lecithin verbessert die Bioverfügbarkeit von Coenzym Q10, indem es die Resorption erleichtert. Lecithin stellt Phospholipide bereit, die für die Bildung von Chylomikronen und Lipoproteinen benötigt werden, mit denen fettlösliche Nährstoffe in der Lymphe bzw. im Blut transportiert werden. Emulsionen, in denen das Coenzym in Form von ultrakleinen Tröpchen, in Lecithin „vorverpackt“ vorliegt, weisen eine fünffach erhöhte Bioverfügbarkeit auf. Als körpereigene Substanz zeichnet sich Coenzym Q10 durch eine ausgezeichnete Verträglichkeit aus.