Das Gefühl von warmer Sonne auf der Haut ist uns allen vertraut – doch was passiert dabei eigentlich tief in unserem Gewebe und auf Ebene der Moleküle? Während wir die Wärme genießen, läuft in unseren Zellen ein faszinierendes biologisches Schutzprogramm ab: die sogenannte Photoprävention.
Jenseits des reinen Wärmegefühls interagiert die Infrarotstrahlung (IR) der Sonne direkt mit unseren zellulären Kraftwerken, den Mitochondrien. Aber wie genau steuert diese Strahlung die mitochondriale Effizienz, und welche Auswirkungen hat das auf unseren Körper?
In diesem Beitrag entschlüsseln wir die molekularen Mechanismen hinter diesem natürlichen Schutzschild und zeigen, wie Sie die Erkenntnisse über die Infrarot-Wirkung ganz praktisch im Alltag für Ihre Gesundheit nutzen können.
Inhaltsverzeichnis
Einteilung der IR in der Medizin
Da die IR einen riesigen Wellenlängenbereich von 780 nm- 1 mm umfasst, unterteilt man sie in der Medizin in 3 Teilbereiche, gemäß ihre Eindringtiefe in menschliches Gewebe.
- IR-A (Kurzwelliges IR):
- 780 – 1.400 nm
- Grenzt direkt an das rote Licht.
- Besitzt die höchste Energie und dringt am tiefsten in die Haut ein. Sie erreicht die oberste Schicht der Unterhaut wo Fett- und Bindegewebe liegen.
- IR-B (Mittelwelliges IR):
- 1.400 – 3.000 nm
- Dringt weniger tief ein, wird meist in der Lederhaut absorbiert. Hier liegen Blutgefäße, Schweißdrüsen und Nervenenden.
- IR-C (Langwelliges IR):
- 3.000 – 1.000.000 nm
- Wird bereits an der obersten Hautschicht (Epidermis) fast vollständig absorbiert.
- Das ist die typische „Wohlfühlwärme“ von Kachelöfen oder Flächenheizungen.
Wenn Sie mehr zur Einteilung der IR in verschiedene Wellenlängenbereiche und deren unterschiedliche technische bzw. gesundheitliche Anwendungen lesen wollen, dann besuchen Sie folgende Beiträge über Beautylight oder Sonnencreme mit IR-Schutz.
Photobiomodulation der Mitochondrien
Die Mitochondrien sind allgemein bekannt als Kraftwerke der Zelle. Hier werden die Energieäquivalente, die bei der Verdauung der Nahrung entstehen, in die Energiewährung der Zelle, das ATP (Adenosintriphosphat) umgewandelt. Mitochondrien sind Zellorganellen mit eigenem Genom, die sich mit einer doppelten Membran vom Zytoplasma abgrenzen.
Die Atmungskette sitzt in der inneren Membran der Mitochondrien. Mehrere Proteinkomplexe reichen dort Elektronen (die aus unserer Nahrung stammen) wie bei einer Kette weiter. Dabei wird schrittweise Energie frei. Diese Energie nutzen die Proteine der Atmungskette um Protonen in den Raum zwischen den Membranen zu pumpen. Dadurch entsteht ein Konzentrationsgefälle: hohe Konzentration der Protonen im Intermembranraum, geringere Konzentration in der Mitochondrienmatrix.
Am Ende der Kette steht die Cytochrom-C-Oxidase (= Komplex IV). Sie überträgt die Elektronen auf den eingeatmeten Sauerstoff, der sich zusätzlich Protonen schnappt und zu Wasser reagiert. Ohne diesen Sauerstoff würde die ganze Kette sofort stillstehen – wie ein Fließband, an dem am Ende niemand die Pakete abnimmt.
Die aufgestauten Protonen aus dem Intermembranraum fließen schließlich durch eine winzige Turbine, die ATP-Synthase, zurück in die Mitochondrienmatrix. Diese Drehbewegung wird genutzt, um ATP herzustellen – den universellen Treibstoff unserer Zellen.
Das Gift Cyanid (Zyankali) wirkt deshalb so schnell und tödlich, weil es fest an die Cytochrom-C-Oxidase bindet und den Sauerstoff verdrängt. Die Atmungskette stoppt und die ATP-Produktion bricht ab, weil die „Turbine“ stillsteht.
Einschub: Ein paar beeindruckende Daten zu ATP
Ein durchschnittlicher Erwachsener setzt pro Tag tatsächlich etwa 50 bis 75 kg ATP um. Allerdings tragen wir keinen Vorrat dieses Stoffes mit uns herum. Wir recyclen ihn stattdessen 1000-1500 x am Tag.
ATP (AdenosinTriphosphat) ist wie ein voll geladener Akku. Wenn die Zelle Energie braucht, wird eine Phosphatgruppe abgespalten, Energie wird frei und wird für den Aufbau anderer chemischer Bindungen benutzt. Übrig bleibt ADP (AdenosinDiphosphat) – der leere Akku. Dieser wird in den Mitochondrien sofort wieder zu ATP regeneriert. Ein Just in time Recycling so zusagen.
Zu jedem beliebigen Zeitpunkt befinden sich ca. 250 Gramm ATP in unserem Körper. Das reicht gerade einmal für wenige Sekunden intensiver Anstrengung. Ohne die ständige Arbeit der Atmungskette in den Mitochondrien wäre buchstäblich sofort „das Licht aus“.
Die Photobiomodulation der Cytochrom-C-Oxidase
Die Cytochrom-C-Oxidase absorbiert verschiedenen Wellenlängen im IR-A Bereich. Dadurch wird ihre Aktivität verändert (Photobiomodulation).
Ganz besonders interessant ist hier der Wellenlängenbereich von 650-900 nm. Man nennt ihn das optische Fenster, weil hier Wasser, Melanin und Hämoglobin kaum absorbieren, die Cytochrom-C-Oxidase in den Mitochondrien hingegen schon.
1. Effektivere ATP-Produktion
Die Absorption von IR-A versetzt das Metallzentren der Cytochrom-C-Oxidase kurzzeitig in einen angeregten Zustand, d.h. die Elektronen werden schneller auf Sauerstoff übertragen. Dies steigert gleichzeitig die Protonenpumpleistung, was wiederum die Synthese von ATP fördert.
2. Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO)
Wenn Zellen gestresst sind oder altern, bindet vermehrt Stickstoffmonoxid (NO) an die Cytochrom-C-Oxidase und verdrängt den Sauerstoff. (Glücklicherweise ist die Bindung von NO weniger stark als die von Cyanid). Die Atmungskette wird dadurch gebremst und die ATP-Produktion sinkt. Die IR-A Strahlung liefert die Energie um NO abzustoßen und der Platz wird wieder für Sauerstoff frei und die ATP Produktion läuft wieder rund.
Das freigesetzte NO wirkt innerhalb der Zelle als Signalmolekül. Es kann die Gefäßerweiterung fördern, die Genexpression modulieren und protektive Mechanismen gegen oxidativen Stress aktivieren.
3. Vermehrte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (Reactive Oxygen Species=ROS)
Die plötzliche Aktivierung der Atmungskette kann zu einem moderaten Anstieg von ROS führen. ROS sind kleine sauerstoffhaltige Moleküle die dringend Bindungspartner suchen und so Proteine, Nukleinsäuren und Fette in Struktur und Funktion verändern können. Unter Umständen verändern sie sogar die Genexpression und haben so Einfluss auf das Verhalten der ganzen Zelle.
4. „Die Dosis macht das Gift“ – Die Biphasische Antwort
Sowohl für ROS als auch für NO gibt es therapeutisches Fenster. Um einen wohltuenden Effekt zu erzielen braucht es genau das richtige Maß: „nicht zu viel und nicht zu wenig“.
Huang, YY et al. (2011). Biphasic dose response in low level light therapy—an update.
Ein moderater Anstieg von ROS und NO wirkt wie ein Weckruf für die Zelle. Schutzmechanismen werden angeworfen, Entzündungen gehemmt und Schäden repariert. Dies stärkt die Widerstandskraft. Es ist wie beim Sport, ein optimaler Einsatz macht uns stark und ausdauernd.
Nimmt die Konzentration von ROS und NO über die Maßen zu überfordert dies die zelleigenen Entgiftungssysteme, Strukturen werden angegriffen, die Funktion leidet. Verglichen mit dem Bild des Sports führt Übertraining zu Verletzungen.
Therapeutische Anwendungen der Photoprävention in der Medizin
In der Zellkultur und in Tierstudien konnte die Wirkung von IR-A auf die Zellteilung, Entzündungshemmung und Wundheilung schon häufig gezeigt werden
Auch in der klinischen Anwendung am Menschen hilft IR-A z. B.
- Es beschleunigt die Wundheilung
- Reduziert Rückenschmerzen
- Reduzierung von Entzündungen
- In der Therapie von traumatischen Hirnverletzungen
- Beeinflussung der kognitive Leistungen
- Bei neurodegenerativen Erkrankungen
Dies ist nur ein kleiner Auszug der Literaturquellen, die belegen, dass die medizinische Nutzung von IR-A weit über die reine Wärmeentwicklung hinausgeht und gezielt als metabolischer Schalter für die Gesundheit eingesetzt wird.
Photoprävention im Alltag – unter der Sonne auf unserer Terrasse sitzend
Mit obiger Liste haben wir einen kleinen Eindruck gewonnen, welch breites Spektrum am therapeutischen Anwendungen der IR-A sich auftut.
Mit welchen Effekten in unserem Körper können wir nun rechnen, wenn wir – sozusagen ganz alltäglich – Do It Yourself – unter der natürlichen Sonne auf unserer Terrasse sitzen?
Hier sind die wichtigsten empirisch belegten Fakten:
1. Photo-Prävention: Schutz vor UV-Schäden
Einer der faszinierendsten Effekte ist die sogenannte Photoprävention. Da IR-A in den frühen Morgenstunden einen höheren Anteil im Sonnenlicht hat als UV-B, bereitet es die Haut auf die kommende UV-Belastung vor. IR-A regt die Produktion von ROS in den Zellen an und erhöht die Widerstandsfähigkeit der Keratinozyten gegenüber UV-induziertem Zelltod.
2. Anregung der mitochondrialen Melatonin-Produktion
Neuere Forschungen zeigen, dass die Mitochondrien in fast allen Körperzellen in der Lage sind, Melatonin zu produzieren, wenn sie mit IR-A bestrahlt werden. Dieses „subzelluläre Melatonin“ wirkt direkt am Ort der Entstehung als stärkstes bekanntes Antioxidans, um oxidativen Stress in der Atmungskette abzufangen.
3. Modulation des Immunsystems und Entzündungshemmung
Die Sonne wirkt über das IR-A Spektrum systemisch entzündungshemmend. Dies geschieht unter anderem durch die Beeinflussung von Zytokinen und die bereits erwähnte Freisetzung von NO. Die Bestrahlung großer Hautareale mit natürlichem IR-A senkt die Spiegel von pro-entzündlichen Markern (wie IL-6) und fördert die Durchblutung sowie den Lymphfluss.
Hamblin, M. R. (2017): „Mechanisms and applications of the anti-inflammatory effects of photobiomodulation.“ AIMS Biophysics.
4. Förderung der Kollagensynthese und Hautelastizität
Während UV-Strahlung Kollagen abbaut (Photoaging), kann IR-A in moderater, natürlicher Dosierung die extrazelluläre Matrix positiv beeinflussen. IR-A aktiviert Fibroblasten, was zu einer erhöhten Produktion von Kollagen und Elastin führen kann, sofern die Intensität im physiologischen Bereich der natürlichen Sonne bleibt.
5. Unterstützung der kardiovaskulären Gesundheit
Ähnlich wie bei Saunagängen führt das IR-A der Sonne zu einer Freisetzung von Stickstoffmonoxid aus den Endothelzellen der Blutgefäße. Das gelöste NO führt zu einer Gefäßerweiterung, was den Blutdruck senken und die Gefäßelastizität verbessern kann. Dies ist ein rein photochemischer Prozess, der auch ohne starke Erhöhung der Körperkerntemperatur stattfindet.
Fazit
Die oben genannten Ausführungen zeigen deutlich, dass die Evolution ein fein austariertes Gleichgewicht zwischen unseren Körperstrukturen und der Sonnenstrahlung geschaffen hat, das weit über die reine Wärmewirkung oder UV-Gefahren hinausgeht. Mitochondrien spielen dabei eine ganz zentrale Rolle. IR-A ist in der Lage die Aktivität der Cytochrom-C-Oxidase zu beeinflussen und damit in tiefgreifende Zellmechanismen einzugreifen. Mit diesem Wissen (dass natürlich nur fragmentarisch ist) können wir mit ganz neuem Gefühl die Sonne auf unserer Haut genießen.
