Cytochrom-c-Oxidase (CCO)

Die Cytochrom-c-Oxidase (CCO), auch Komplex IV genannt, ist das letzte Enzym der mitochondrialen Atmungskette – und aus Sicht der Lichttherapie das wichtigste. Sie übernimmt die Elektronen von Cytochrom c, überträgt sie auf den Sauerstoff, den Sie einatmen, bildet daraus Wasser und nutzt die Energie dieser Wasserbildung für einen Protonengradienten, der am Ende die Bildung von ATP antreibt. [Quelle]

Zugleich ist die CCO ein Lichtempfänger, ein sogenannter Chromophor: Ihre Kupfer- und Hämzentren nehmen rotes und nahinfrarotes Licht auf. Darauf baut die Photobiomodulation auf – als primärer Ort der Lichtaufnahme in Säugetierzellen wurden die Mitochondrien identifiziert, genauer: die CCO. [Quelle]

Für uns bei Mitochondriak ist die CCO deshalb mehr als ein Kapitel Biochemie: Hier treffen Sauerstoff, Wasser und Licht zusammen. Sie ist die Brücke zwischen Ihrer Umwelt und Ihrem Energiestoffwechsel – ein Enzym, das Sie mit Licht erreichen, ganz ohne pharmakologischen Eingriff.

Was ist die Cytochrom-c-Oxidase und wo kommt sie vor?

Die Cytochrom-c-Oxidase ist ein großer Enzymkomplex in der inneren Mitochondrienmembran und die letzte Station der Atmungskette – sie arbeitet in praktisch jeder Zelle Ihres Körpers, die Mitochondrien besitzt. Beim Säugetier besteht sie aus 13 Untereinheiten: Die drei katalytischen stammen aus der mitochondrialen DNA, die übrigen zehn aus dem Zellkern. [Quelle] Dieselbe Enzymfamilie beendet die Atmungsketten vieler Bakterien [Quelle] – ein Erbe der bakteriellen Vorfahren unserer Mitochondrien.

Die CCO sitzt in praktisch allen Körperzellen, von der Haut bis zum Herzmuskel; die Ausnahme sind reife rote Blutkörperchen, denn sie haben keine Mitochondrien. Michael Hamblin beschreibt, dass gerade Zellen mit vielen Mitochondrien und hohem Stoffwechsel – Skelett- und Herzmuskel, Nervenzellen, Leber und Nieren – besonders stark auf Licht ansprechen. Das Paradox: Genau diese Zellen bekommen im Alltag kaum Licht zu sehen. [Quelle]

Wie ist die Cytochrom-c-Oxidase aufgebaut und warum nimmt sie Licht auf?

Das Herz der CCO sind vier redoxaktive Metallzentren – zwei Kupferzentren (Cu_A und Cu_B) und zwei eisenhaltige Hämgruppen (Häm a und Häm a₃); sie leiten die Elektronen weiter und machen das Enzym zugleich zum Farbträger (Chromophor) für rotes und nahinfrarotes Licht. [Quelle] Die Elektronen laufen wie in einer Staffel: Cu_A übernimmt sie, Häm a reicht sie weiter, und bei Häm a₃ und Cu_B wartet der Sauerstoff.

Jedes Zentrum kann oxidiert oder reduziert vorliegen, und jeder Zustand hat ein eigenes Absorptionsspektrum – deshalb nimmt die CCO Licht bis weit ins Nahinfrarot auf, bis etwa 950 nm. [Quelle] Die Kristallstruktur (Tsukihara und Kollegen, 1996) zeigte eigene Kanäle für Protonen, Sauerstoff und das entstehende Wasser. [Quelle] Die Präzision hat einen Grund: Würde die CCO den Sauerstoff nur halb reduziert freigeben, entstünden gefährliche Sauerstoffformen. Jaroslav Lachký, Gründer von Mitochondriak und Quantenbiologe: „Deshalb ist das katalytische Zentrum so angelegt, dass es Sauerstoff, Elektronen, Protonen und Wasserkanäle in einer präzisen räumlichen Choreografie hält.“ [Quelle]

Welche Aufgabe hat die Cytochrom-c-Oxidase in der Atmungskette?

Die CCO ist die Endstation der Elektronen: Sie überträgt vier Elektronen auf ein Sauerstoffmolekül, bildet daraus zwei Moleküle Wasser und pumpt dabei vier Protonen über die innere Membran. [Quelle] Richter und Ludwig beschreiben sie als redoxgetriebene Protonenpumpe, die die freie Energie der Wasserbildung in einen elektrochemischen Gradienten verwandelt – den Antrieb der ATP-Synthase. [Quelle] Mehr als 90 % des Sauerstoffs, den Säugetierzellen veratmen, wird hier umgesetzt; die CCO gilt als Taktgeber des oxidativen Stoffwechsels und der ATP-Bildung. [Quelle]

Jaroslav Lachký erklärt die Mitochondrie als Brennstoffzelle: Wasserstoff aus der Nahrung wird in Protonen und Elektronen zerlegt, die Elektronen laufen durch den Stromkreis der Atmungskette und treffen am Ende auf Protonen und Sauerstoff. „Die Kathode ist die Cytochrom-c-Oxidase, wo aus den Elektronen Wasser entsteht.“ [Quelle] Fällt diese Kathode aus, steht der ganze Stromkreis: Cyanid blockiert die CCO irreversibel [Quelle], und die Zelle muss auf die weit weniger ergiebige Energiegewinnung ohne Sauerstoff ausweichen.

Auch wenn der Mainstream ATP als Hauptprodukt der Atmung sieht: Für uns ist das Wasser, das hier entsteht, das eigentliche Hauptprodukt – Stoffwechselwasser, von der Zelle selbst gemacht. Jaroslav Lachký sieht darin einen Schlüssel der Evolution: Die Natur weiß genau, „warum das Leben im Wasser entstand und zugleich erst dann an Land kam, als es diesen ‚Ozean‘ mithilfe der CCO in den Mitochondrien mitnahm“. Die Forschungsgruppe um László Boros rückt genau diesen Schritt ins Zentrum ihres Modells: Der Endkomplex der Atmungskette reduziert Sauerstoff zu deuteriumarmem Wasser (DDW). [Quelle] Warum das zählt, beschreibt Abdullah Olgun (2007): Deuterium kann die protonengekoppelten Elektronenübertragungen der Atmungskette verlangsamen und über gestaute Elektronen mehr freie Radikale entstehen lassen. [Quelle]

Warum ist die Cytochrom-c-Oxidase der Lichtempfänger für Rot und Nahinfrarot?

Weil ihre Metallzentren genau das Licht absorbieren, das tief ins Gewebe dringt, ist die CCO der primäre Photoakzeptor der Photobiomodulation: das Molekül, das Licht einfängt und die Antwort der Zelle startet. [Quelle] Die Pionierarbeit leisteten Tiina Karu in Russland und Salvatore Passarella in Italien: Sie erkannten als Erste, dass ein zentraler Lichtempfänger in den Mitochondrien sitzt. [Quelle] Wie stark Mitochondrien Licht schlucken, zeigte die Gruppe um den Biophysiker Britton Chance: In blutfreiem Lebergewebe von Ratten gingen rund 50 % der Lichtabsorption bei 780 nm auf ihr Konto. [Quelle]

Karu verglich Aktionsspektren – Kurven, die zeigen, bei welcher Wellenlänge Zellen am stärksten reagieren – mit dem Absorptionsspektrum der CCO. Die Muster passten, und Margaret Wong-Riley bestätigte das an Nervenzellen. [Quelle] Karu beschreibt die CCO zudem als Signalgeber und Signalübermittler: Über die retrograde Signalgebung melden die Mitochondrien ihren Zustand bis in den Zellkern. [Quelle] Jaroslav Lachký fasst das in ein Bild: „Die CCO dient als Empfänger im Fernseher, der die Frequenzen auffängt, die die Fernbedienung sendet, und danach Entscheidungen trifft.“

Dass dies auch im lebenden Menschen geschieht, zeigten Xinlong Wang, Francisco Gonzalez-Lima und Kollegen (2017): Infrarotlaserlicht mit 1064 nm auf der Stirn von 11 gesunden Teilnehmenden erhöhte – gemessen mit Breitband-Nahinfrarotspektroskopie und verglichen mit Placebo – die oxidierte CCO in der Hirnrinde. Es war der erste Nachweis dieser Art am menschlichen Gehirn. [Quelle]

Welche Wellenlängen absorbiert die Cytochrom-c-Oxidase?

Tiina Karu fand im Aktionsspektrum menschlicher Zellen vier Maxima – bei 620, 680, 760 und 820 nm –, und die Absorption der CCO reicht bis etwa 950 nm ins Nahinfrarot. [Quelle] [Quelle] Gemessen hat Karu an HeLa-Zellen, einer menschlichen Zelllinie, die nach Bestrahlung mit 600 bis 860 nm besser am Glas haftete. Karu und Kolyakov werteten später sieben Aktionsspektren aus: [Quelle]

Welches Licht die CCO gerade bevorzugt, hängt von ihrem Redoxzustand ab. In Absorptionsmessungen an Zellschichten kennzeichnete der Bereich von 710 bis 790 nm eine eher reduzierte, der Bereich von 650 bis 680 nm eine eher oxidierte CCO; Licht mit 830 nm verschob das Enzym in Richtung reduziert. Die Absorptionsspitzen bei 616, 665, 760, 813 und 830 nm entsprachen den Aktionsspektren. [Quelle]

Wong-Riley und Kollegen testeten fünf Wellenlängen an kultivierten Nervenzellen, deren CCO mit Cyanid gehemmt war. Am wirksamsten waren 830 und 670 nm, am schwächsten 728 nm – parallel zum Nahinfrarot-Absorptionsspektrum der oxidierten CCO. LED-Licht stellte die gehemmte Enzymaktivität teilweise wieder her. [Quelle] Im Gewebe kommt die Eindringtiefe hinzu: Nahinfrarot dringt tiefer ein als Rot, weil Gewebe kürzere Wellenlängen stärker absorbiert und streut. [Quelle] Mehr dazu unter Nahinfrarotlicht (NIR) und im Beitrag Rotlicht oder Nahinfrarot?

Wie bremst Stickstoffmonoxid die Cytochrom-c-Oxidase – und wie löst Licht die Bremse?

Stickstoffmonoxid (NO) bindet am Sauerstoffzentrum der CCO und konkurriert dort mit dem Sauerstoff; ein Photon roten oder nahinfraroten Lichts kann dieses NO wieder abspalten und die Atmung freigeben. [Quelle] Stickstoffmonoxid ist ein körpereigener Botenstoff, der unter anderem Blutgefäße weit stellt. An der CCO wirkt es wie eine Handbremse: In isolierten Nervenendigungen halbierten 270 nM NO den Sauerstoffverbrauch bei rund 145 µM Sauerstoff, bei nur 30 µM Sauerstoff genügten 60 nM – Konzentrationen, wie sie in Geweben gemessen werden. [Quelle] Diese Bremse ist keine Störung, sondern Regulation: Guy Brown beschreibt NO als Regler, der Mitochondrien zu Sauerstoffsensoren macht. [Quelle]

Das NO sitzt zwischen Häm a₃ und Cu_B, und nach der führenden Erklärung der Photobiomodulation löst ein Photon genau diese Bindung. [Quelle] Der Elektronentransport läuft wieder an, das mitochondriale Membranpotenzial steigt und mit ihm die ATP-Bildung. [Quelle] Hamblin nennt darin auch eine Erklärung, warum geschädigte oder sauerstoffarme Zellen stärker auf Licht ansprechen als gesunde: Sie tragen eher hemmende NO-Mengen. [Quelle]

Poyton und Ball (2011) zeigen eine zweite Seite: Die CCO kann NO auch selbst aus Nitrit herstellen, und schwaches Licht steigert diese NO-Bildung, ohne ihre Sauerstoffreduktion zu beeinträchtigen. Das NO dient dann als Signalmolekül in und außerhalb der Zelle. [Quelle] Aus unserer Sicht schafft Licht damit keinen Gegensatz zwischen NO und Energie: Es bringt das Molekül von dort, wo es die Atmung bremst, dorthin, wo es Gefäßen und Signalwegen nützt.

Hier setzt die Pulsation an. Hashmi, Hamblin und Kollegen (2010) formulierten es so: Gelöstes NO bindet selbst unter Dauerlicht wieder an dieselbe Stelle; mit gepulstem Licht können viele Ablösungen hintereinander stattfinden, im Dauerlicht deutlich weniger. [Quelle] In unserem Verständnis vervielfacht Pulsation so die Zahl der Ablösungen – und bleibt dennoch eine Option, kein Muss.

Was passiert in der Zelle, nachdem die Cytochrom-c-Oxidase Licht aufgenommen hat?

Auf die Lichtaufnahme folgt eine Kaskade: mehr ATP, ein kurzer Impuls reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), mehr NO und veränderte Calcium-Signale – und daraus ein neues Genprogramm der Zelle. [Quelle] Die Botenstoffe aktivieren Transkriptionsfaktoren, die Gene für Proteinsynthese, Zellwanderung und Zellteilung, entzündungshemmende Signale und antioxidative Enzyme ansteuern. [Quelle] Wo mehr Elektronen fließen, entsteht an der CCO mehr Stoffwechselwasser – aus je vier Elektronen zwei Moleküle H₂O.

Licht wirkt dabei auch auf das Wasser selbst – für uns der zweite Lichtempfänger neben der CCO. Andrei P. Sommer und Kollegen von der Universität Ulm zeigten, dass Laserlicht mit 670 nm hauchdünne Wasserschichten an wasserliebenden Oberflächen weniger zäh macht. Nach ihrem Modell dreht sich die ATP-Synthase in weniger zähem Wasser leichter – so erklären sie, warum Nahinfrarotlicht die ATP-Bildung steigert und ROS sie senken. [Quelle]

Entscheidend ist die Dosis: Wenig Licht stimuliert, viel Licht hemmt. In normalen Zellen erzeugt Licht einen kurzen ROS-Impuls, in oxidativ gestressten Zellen senkt es die ROS und stärkt die antioxidative Abwehr. [Quelle] Für uns ist das Hormesis im besten Sinn: ein kleiner Reiz, auf den die Zelle mit mehr Widerstandskraft antwortet.

Warum zählt die Cytochrom-c-Oxidase für Ihre Energie?

An der CCO greifen Licht und Sauerstoff direkt in Ihren Energiestoffwechsel ein: Läuft sie rund, entstehen ATP und Wasser; wird sie gebremst, stauen sich die Elektronen, und es entstehen mehr reaktive Sauerstoffspezies. Srinivasan und Avadhani fassen zahlreiche Befunde zusammen: Eine gestörte CCO geht praktisch immer mit mehr mitochondrialen ROS und Zellschäden einher, und Struktur und Funktion des Enzyms sind bei einer ganzen Reihe von Erkrankungen verändert. [Quelle]

Was bremst die CCO? Zu viel NO, Gifte wie Cyanid, Sauerstoffmangel – und aus unserer Sicht auch ein Alltag ohne das Licht, für das sie gebaut ist. In der US-Erhebung NHAPS mit 9.386 Befragten verbrachten die Menschen im Schnitt 87 % ihrer Zeit in Gebäuden und rund 6 % in geschlossenen Fahrzeugen. [Quelle] Drinnen kommt das Licht meist aus weißen LEDs, die kaum Nahinfrarot abgeben. Für uns ist die CCO deshalb ein chronisch unterforderter Lichtempfänger – und Licht der zugänglichste Weg, ihr zurückzugeben, wofür sie gebaut ist.

So setzen Mitochondriaks das um

Lichthygiene heißt für die CCO: jeden Tag echtes Sonnenlicht mit seinem Rot- und Nahinfrarotanteil, ein klarer Wechsel von Tag und Nacht und gezieltes Licht dort, wo das Leben drinnen stattfindet. Tiina Karu beschreibt, wie der rote bis nahinfrarote Teil des Sonnenspektrums (IR-A) über die CCO auf Zellen und Haut wirkt. [Quelle]

• Morgens raus: Gehen Sie früh ins Tageslicht, auch bei Wolken. Die tief stehende Morgen- und Abendsonne ist besonders reich an Rot.
• Sonne ohne Sonnenbrand: Zeigen Sie Ihrer Haut regelmäßig Sonne und steigern Sie die Dauer schrittweise – so baut sie ihre Lichtschwiele auf.
• Bewegung draußen: Arbeitende Muskeln verbrauchen mehr Sauerstoff, und den setzt am Ende die CCO um.
• Zurück zur Natur: Barfuß auf Wiese, Sand oder Waldboden – mehr unter Grounding.
• Nachts Dunkelheit: Im Dunkeln bildet Ihr Körper Melatonin. In Mitochondrien aus Rattenhirn und -leber steigerte Melatonin die Aktivität von Komplex IV und die ATP-Bildung. [Quelle]
• Licht gezielt ergänzen: Rot- und Nahinfrarotlicht ergänzt die Sonne, es ersetzt sie nicht. Halten Sie Abstand und Dauer laut Handbuch ein, und schauen Sie nicht direkt in die LEDs.

Mitochondriak® Maxi: Wellenlängen entlang des CCO-Spektrums

Das Mitochondriak® Maxi kombiniert sieben Wellenlängen – 630, 670, 760, 810, 830, 850 und 940 nm –, die wir entlang des Absorptionsspektrums der CCO ausgewählt haben. Im Vergleich mit Karus Messungen [Quelle]:

• 630 nm liegt nahe am roten Maximum (613,5 bis 623,5 nm), 670 nm im dunkelroten Bereich (667,5 bis 683,7 nm); 670 nm ist seit Beginn in unseren Geräten.
• 760 nm liegt im ersten Nahinfrarot-Bereich (750,7 bis 772,3 nm) – diese Wellenlänge haben wir für die neue Generation bewusst aufgenommen.
• 810, 830 und 850 nm umrahmen den zweiten Nahinfrarot-Bereich (812,5 bis 846,0 nm).
• 940 nm liegt am langwelligen Ende des Bereichs, in dem die CCO noch absorbiert. [Quelle]

Die 300 LEDs des Maxi steuern Sie für Rot (RED) und Nahinfrarot (NIR) getrennt: Intensität 0 bis 100 %, Pulsfrequenz 0 bis 10.000 Hz – Pulsation ist eine Option, kein Muss. Empfohlen sind 30 bis 60 cm Abstand; Dauer und Häufigkeit der Anwendung nennt Ihnen das Handbuch. Zum Mitochondriak® Maxi; alle Geräte finden Sie unter Rotlichttherapie-Geräte. Mitochondriak®-Geräte sind keine Medizinprodukte; mehr dazu im Hinweis zum Charakter unserer Produkte.

Verwandte Begriffe

• Mitochondrien – die Organellen, in deren innerer Membran die CCO arbeitet.
• Atmungskette – die Kette aus vier Komplexen, deren letzter die CCO ist.
• ATP (Adenosintriphosphat) – der Energieträger, dessen Bildung die CCO antreibt.
• Photobiomodulation – Rot- und Nahinfrarotlicht, das vor allem über die CCO wirkt.
• Nahinfrarotlicht (NIR) – unsichtbares Licht, das das Kupferzentrum Cu_A stark absorbiert.
• Stickstoffmonoxid (NO) – der Botenstoff, der die CCO bremst und den Licht wieder löst.
• Deuterium – der schwere Wasserstoff, der die Atmungskette verlangsamen kann.
• Melatonin – das Hormon der Dunkelheit, in den Mitochondrien auch ein Antioxidans.

Häufige Fragen zur Cytochrom-c-Oxidase

Was ist die Cytochrom-c-Oxidase einfach erklärt?

Die Cytochrom-c-Oxidase ist das Enzym am Ende der Atmungskette, das in Ihren Mitochondrien Elektronen auf Sauerstoff überträgt und daraus Wasser macht. Zugleich ist sie der primäre Lichtempfänger der Zelle für Rot und Nahinfrarot.

Ist die Cytochrom-c-Oxidase dasselbe wie COX?

Nicht ganz: Die Fachliteratur kürzt die Cytochrom-c-Oxidase manchmal COX oder CcO ab, im Deutschen meint COX aber meist die Cyclooxygenase, ein ganz anderes Enzym. Deshalb schreiben wir CCO.

Welche Wellenlängen sind für die CCO am wichtigsten?

Tiina Karu fand vier Wirkungsmaxima bei etwa 620, 680, 760 und 820 nm; die Absorption der CCO reicht bis etwa 950 nm. In Versuchen mit Nervenzellen wirkten 670 und 830 nm am stärksten.

Was hat Stickstoffmonoxid mit der CCO zu tun?

Stickstoffmonoxid bindet am Sauerstoffzentrum der CCO und bremst die Zellatmung, weil es mit dem Sauerstoff um denselben Platz konkurriert. Rotes und nahinfrarotes Licht kann dieses NO wieder lösen, und unter schwachem Licht bildet die CCO selbst mehr NO als Botenstoff.

Entsteht an der CCO wirklich Wasser?

Ja: Die CCO macht aus einem Sauerstoffmolekül, vier Elektronen und vier Protonen zwei Moleküle Wasser – Stoffwechselwasser, das Ihre Zellen selbst herstellen. Nach dem Modell der Forschungsgruppe um László Boros ist dieses Wasser deuteriumarm; mehr im Eintrag Deuterium.

Lässt sich die CCO beim Menschen mit Licht beeinflussen?

Ja, das wurde am lebenden Gehirn gemessen: Infrarotlicht mit 1064 nm auf der Stirn erhöhte bei gesunden Teilnehmenden die oxidierte CCO in der Hirnrinde. Wang und Kollegen maßen das 2017 im Vergleich mit Placebo.

Bringt mehr Licht mehr Wirkung?

Nein, die Wirkung von Licht auf die Mitochondrien folgt einer zweiphasigen Kurve: Wenig Licht stimuliert, viel Licht hemmt. Halten Sie sich deshalb an Abstand und Dauer im Handbuch Ihres Geräts.

Was Sie sich merken sollten

• Die Cytochrom-c-Oxidase (CCO, Komplex IV) ist die Endstation der Atmungskette: Hier werden Sauerstoff, Elektronen und Protonen zu Wasser – mehr als 90 % des Sauerstoffs, den Ihre Zellen veratmen, landet hier.
• Vier Metallzentren aus Kupfer und Eisen machen die CCO zum primären Lichtempfänger für Rot und Nahinfrarot – mit Maxima bei etwa 620, 680, 760 und 820 nm und Absorption bis etwa 950 nm.
• Stickstoffmonoxid bremst die CCO; Licht kann diese Bremse lösen, und unter Licht bildet die CCO selbst mehr NO als Botenstoff.
• Für uns ist die CCO der Kern der Lichthygiene: Sonne zuerst, Dunkelheit in der Nacht, gezieltes Licht als Ergänzung.