Di

20

Jan

2015

Mitochondrienforschung kommt krankmachenden Störungen im Stoffwechsel auf die Spur

Grüne und weiße Punkte auf schwarzem Grund - Innenleben von Mitochondrien.
Ein Supermikroskop ermöglicht Einblick in den Stoffwechsel der Mitochondrien und damit in die Energieproduktion der Zellkraftwerke: Statt einer diffusen Wolke wie früher (oben rechts) sind nun die fluoreszierenden Punkte einzeln zu erkennen. Foto TU Wien

Die meisten Menschen wissen weder wo ihre Energie zum Leben erzeugt wird, noch wie das geschieht. Aber für jede unserer Bewegungen, für jeden Gedanken, für Glücksgefühle und Schmerzempfinden ist Energie nötig. Der gesamte Stoffwechsel, die Verdauung und das Wachstum, das Dickwerden und das Abspecken würden nicht funktionieren, wenn nicht fortlaufend in allen unseren Körperzellen große Mengen an Energie produziert würden. Im November 2013 wurde in diesem Blog ausführlich darüber berichtet. Titel: „Mitochondrien - die geheimnisvollen Quellen des Lebens“. Außerdem im Buch zu diesem Thema "Neben Ich - wieviele sind wir wirklich?" 

Seither wurden weitere Entdeckungen gemacht, was Arbeitsweise und Wirkungen der Mitochondrien betrifft, von denen bis zu 2.000 in jeder einzelnen unserer Körperzellen Energie produzieren. In diesen winzigen, für uns unvorstellbar kleinen Aggregaten im Zellinnern wird die gesamte Kraft für unser Leben erzeugt. – Da wir aus etwa 10 Billionen Körperzellen bestehen und darin jeweils Hunderte bis Tausende von Mitochondrien Lebensenergie produzieren, lässt sich leicht ausrechnen dass in unserem gesamten Organismus insgesamt viele Billiarden von solchen Hochleistungskraftwerken arbeiten. Diese gigantische Maschinerie betreibt das, was wir Stoffwechsel nennen. Unser Leben ist ein einziger unaufhörlicher Stoffwechsel. Und die Mitochondrien halten ihn auf allen Ebenen aufrecht, so lange sie funktionieren.

 

Unser Treibstoff wird also nicht irgendwo zentral, sondern in einer jeden einzelnen Zelle gewonnen. Es gibt nicht an irgendeiner Stelle im Körper einen Bioreaktor, der die Energieproduktion zentral übernimmt nach Art einer Fernheizung. Wirklich jede einzelne Zelle verfügt über entsprechende Hochleistungskraftwerke. Je mehr sie leisten muss, umso mehr Kraftwerke arbeiten in ihrem Innern. Im Gehirn, im Herzen, in der Muskulatur sind es jeweils Tausende – das heißt, in jeder unserer ja auch schon mikroskopisch kleinen Körperzellen arbeiten die noch viel winzigeren Mitochondrien und erzeugen aus den Elektronen der Nahrungsmittel und aus dem Sauerstoff der Atmung die universelle Energie für unser gesamtes Leben.

 

Eigentlich kann man sich vorstellen, dass wir nur dann gesund sein können, wenn diese Billiarden Hochleistungskraftwerke in uns optimal funktionieren. Aber erst in den letzten Jahren und Monaten kommt die Forschung den geheimnisvollen Kräften der Mitochondrien in uns auf die Spur.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Wie Alzheimer die Zellkraftwerke zerstört

Wissenschaftler vom Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Freiburg haben kürzlich herausgefunden, auf welche Weise die Demenzerkrankung Alzheimer die Mitochondrien schädigt. Schon seit einiger Zeit hatte man beobachtet, dass bei Alzheimerpatienten die Energieversorgung der Zellen auffallend gestört ist. Prof. Dr. Chris Meisinger und seine Mitarbeiter am Freiburger Uni-Institut sind nun der Frage nachgegangen, wo die Ursachen für diese Störungen im Stoffwechsel der Zellen und ihrer Mitochondrien liegen. Sie haben entdeckt, dass ein kleines Eiweißfragment namens „Amyloid-beta“ eine wichtige Rolle spielt. An Modellorganismen, aber auch in Gehirnproben von Alzheimer-Patienten haben sie diese Vorgänge nachgewiesen.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Auch Krebszellen entstehen durch defekte Zellkraftwerke

Bei Menschen, die an Alzheimer erkranken, blockieren die genannten Eiweißfragmente eine optimale Funktion der „Proteinmaschinen“, die im Zellkraftwerk unsere Lebensenergie aus den Elektronen der Nahrung gewinnen. Auf diese Weise, so die Wissenschaftler, kommt es zu einem vorzeitigen Absterben von Nervenzellen, das bei Alzheimer auftritt und die bekannten schlimmen Folgen hervorruft. Die Freiburger Forscher sind sich sicher, dass sie durch ihre Erkenntnisse bei Alzheimer „in Zukunft neue Therapien und eine bessere Diagnostik“ entwickeln können.


Freiburger Wissenschaftler haben außerdem Vorgänge in den Mitochondrien entschlüsselt, die zum Entstehen von Tumorerkrankungen führen. Bei vielen Tumorerkrankungen sei die Leistung der Zellkraftwerke stark vermindert. Die entdeckten Mechanismen könnten demnach ein Schlüssel sein, den Zusammenhang zwischen fehlregulierter Zellteilung im Tumorgewebe und den Mitochondrien aufzuklären.

Durch solche neuen Erkenntnisse sieht man, welch überragende Bedeutung die Billiarden Mitochondrien in unseren Organen für unser Leben haben. Es gibt keinen Lebensvorgang, an dem nicht Mitochondrien entscheidend beteiligt sind. Ohne sie läuft nichts. Sie sind das Leben!


Bis vor kurzem wusste man noch wenig darüber, welche Defekte an Mitochondrien uns krank machen. Aber jetzt werden diese Ursachen von der Wissenschaft intensiv erforscht und damit können auch neue, bisher gar noch nicht vorstellbare Therapien für einen defekten Stoffwechsel entwickelt werden.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Depressionen haben ihre Ursache in defekten Zellkraftwerken

Die Psychologin Prof. Iris-Tatjana Kolassa vom Ulmer Lehrstuhl für Klinische und Biologische Psychologie hat biologische Ursachen für den Ausbruch von Depressionen beim Menschen entdeckt. Verantwortlich für Antriebslosigkeit, Interessenverlust, Konzentrationsschwäche und tiefe Traurigkeit sind demnach ebenfalls Defekte in den Kraftwerken der Zellen, den Mitochondrien. Sie und ihr Team haben herausgefunden, dass die Zellkraftwerke von Depressiven ihre Leistung und damit den Zellstoffwechsel so weit herunterfahren, dass sie nicht mehr genügend Lebensenergie Adenosintriphosphat (ATP) produzieren. (Eine sehr anschauliche und eindrucksvolle Darstellung der Entstehung der universellen Lebensenergie ATP finden Sie auf Seite 75ff in dem in unserem Bücher-Shop auch zum Sonderpreis erhältlichen Buch „Neben Ich“).


Der Energiemangel aufgrund verminderter Mitochondrienleistung führt demnach zu schweren psychischen Erkrankungen: Die Forscher gehen davon aus, dass sich durch ihre Erkenntnisse die medikamentöse Therapie von Depressionen bald verbessert wird.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Muskelerkrankungen durch Störfälle in den Zellkraftwerken

Wissenschaftler am Göttinger Institut für Zellbiochemie der Universitätsmedizin Göttingen und dem Göttinger Zentrum für Molekulare Biowissenschaften haben einen Auslöser für gefürchtete Muskelerkrankungen in den Zellkraftwerken entdeckt. Die Entstehung von sogenannten mitochondrialen Myopathien (Muskelleiden, Muskelschwäche) haben ihre Ursache demnach im Defekt des lebenswichtigen Enzyms ATP-Synthase, das an der Bildung unserer Lebensenergie ATP entscheidend beteiligt ist.


Die ATP-Synthase, mit deren Aktivität unsere Lebensenergie entsteht, ist dem Leiter der Göttinger Forschergruppe, Prof. Dr. Peter Rehling zufolge eine „Maschine im Nano-Maßstab“. Das heißt, dass unsere Lebensenergie von Hochleistungskraftwerken erzeugt wird, die nur Millionstel Millimeter groß sind. Die ATP-Synthase arbeite wie eine moderne Wasserturbine, die die Bewegungsenergie des Wassers nutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen, sagt Rehling.


Sie sei auch ähnlich aufgebaut. Wie eine Wasserturbine bestehe das Enzym ATP-Synthase aus einem Turbinen-Teil, einem Generator-Element und einer Welle, die Turbine und Generator miteinander verbindet. Der einzige Unterschied sei der, dass die ATP-Synthase sich nicht in einem Staudamm befinde, sondern in der inneren Membran der Mitochondrien. So strömten statt Wasser Protonen (positiv geladene Teilchen des Atomkerns) durch ihre Turbine, von einer Seite der Membran auf die andere. Die Protonen würden die Turbine in Drehung versetzen. Diese Bewegung übertrage die Welle auf das Generator-Element. Der Generator schließlich stelle mit Hilfe der Bewegungsenergie die lebensnotwendigen ATP-Moleküle her.


Bisher war trotz ihrer Bedeutung nur wenig darüber bekannt, aus welchen Einzelteilen sich diese unvorstellbar kleinen, energieproduzierenden Maschinen zusammensetzen, von denen Tausende in einer Zelle arbeiten. Aber genau hier, im Defekt einer dieser Nano-Turbinen, liegen die Ursachen von Myopathien. Die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftler um den Zusammenbau des Enzyms können nun die Ursachen von mitochondrialen Erkrankungen entschlüsseln. Dadurch werden auch neue Therapieansätze möglich.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Neue Therapieansätze bei Parkinson möglich

Eine der häufigsten Erkrankungen des Nervensystems bei Menschen ist die bei Morbus Parkinson auftretende Schüttellähmung und das Muskelzittern. Dadurch kommt es zu einer zunehmenden Bewegungsarmut. Verursacht werden diese Symptome durch eine dramatische Veränderung von Nervenzellen und deren Stoffwechsel im Gehirn. Vor allem im Bereich des Mittelhirns (Substantia nigra) sterben Nervenzellen massenhaft ab. Das heißt, ihre Mitochondrien, die sie angetrieben haben, gehen zugrunde. Und mit der Zerstörung von Millionen dieser winzigen Hochleistungskraftwerke im Gehirn verfällt der Körper des Patienten zusehends. In Deutschland leben laut Schätzungen zwischen 250.000 und 400.000 Patienten mit dieser Krankheit. Pro Jahr werden etwa 12.000 Neuerkrankungen registriert.


Wissenschaftler des Münchner Max-Planck-Instituts für Neurobiologie haben vor kurzem einen bislang unbekannten Zusammenhang in den Mitochondrien entdeckt, der die Fehlfunktionen und das Absterben in den Gehirnzellen verhindern kann oder ihm zumindest entgegenwirkt. Diese neuen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass der Stoffwechsel der Mitochondrien gesteigert, beziehungsweise wieder hergestellt werden kann. Aufbauend auf dieser Erkenntnis könnten bestehende Therapien künftig verfeinert werden.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Auch der Stoffwechsel von Haustieren profitiert von neuen Erkenntnissen über die Zellkraftwerke

Ines Kitzweger mit Hund Cooper
Dr. Ines Kitzweger mit Hund Cooper, ein Berger de Beauce, erklärt was es heißt, wenn bei Haustieren die Mitochondrien geschädigt sind. Foto: Privat

„Häufiges Erbrechen, chronischer Durchfall, unklare Schmerzen, Diabetes, Allergien, Autoimmunerkrankungen, häufige Infekte, Müdigkeit, Herzprobleme, Verhaltensauffälligkeiten, Konzentrationsstörungen, Hyperaktivität, Hauterkrankungen, Epilepsie, Tumore - viele Tiere haben nicht nur ein Problem, sondern viele verschiedene dieser Beschwerden. Ist erst einmal eine Erkrankung vom Tierarzt diagnostiziert, folgen häufig immer weitere. Tierbesitzer und Ärzte wundern sich, aber sie haben keine Erklärung dafür.“


Dieser Text stammt aus einer Veröffentlichung auf der Homepage der Wiener Tierärztin Dr. Ines Kitzweger. Sie erklärt, dass auch in diesen Fällen die Ursachen für die Stoffwechselstörungen und die Krankheitsattacken in den Mitochondrien liegen, in den Kraftwerken der Zellen unserer Haustiere. Dazu schreibt sie: „Es gibt eine gemeinsame Ursache und wenn man diese erst einmal erkannt hat, lassen sich viele chronische Beschwerden auch sinnvoll behandeln. Je nach Fortschritt der Erkrankung auch bis zur Heilung. Das Geheimnis liegt in den Mitochondrien. Sie sind die Kraftwerke der Zelle. Jede Zelle enthält mehrere Hundert bis tausend Mitochondrien, je nachdem wie stoffwechselaktiv das jeweilige Organ ist. Im Herzmuskel beispielsweise machen die Mitochondrien bis zu 36 Prozent des gesamten Gewichts aus.“


Stoffwechsel und Mitochondrien – sie sind auch in der Tiermedizin untrennbar verbunden. Fortschrittliche Tiertherapeuten wissen um die große, grundsätzliche Bedeutung der Zellkraftwerke für den tierischen Stoffwechsel und damit für die Gesundheit unserer Lieblinge. Ines Kitzweger erklärt allen Tierfreunden, worauf es ankommt: „Wenn Mitochondrien geschädigt werden, funktionieren all diese Vorgänge nicht mehr ausreichend und das Tier oder der Mensch wird krank. Über tausend wissenschaftliche Veröffentlichungen zeigen die Zusammenhänge zwischen Mitochondrien und Erkrankungen auf, trotzdem hat die Behandlung von Mitochondrien-Erkrankungen in der Schulmedizin noch keinen Einzug gehalten.“


Mitochondrien sind empfindlich und werden vor allem durch freie Radikale und Sauerstoffmangel geschädigt, klärt Ines Kitzweger auf. Und sie erläutert: „Freie Radikale fallen im Stoffwechsel immer an und müssen mithilfe verschiedener Enzyme (Glutathionperoxidase, Superoxiddismutase etc.) vom Körper unschädlich gemacht werden. Mangelt es an diesen Enzymen, verschiedenen Spurenelementen oder Vitaminen, kann es daher zur Schädigung von Mitochondrien kommen.“


Die Tierärztin nennt auch erfolgversprechende Therapien für den Fall, dass das Tier Schäden oder Defekte an seinen Mitochondrien aufweisen sollte. Diese Therapien könnten angegriffene Mitochondrien unterstützen und ihre Regeneration anregen. Dazu gehören nach Ansicht der Expertin eine Ernährungsumstellung, ausreichend Bewegung, wodurch sich die Mitochondrien vermehren, ausreichende Versorgung mit bestimmen Mikronährstoffen, die Vermeidung chemischer Belastungen durch Medikamente, Konservierungsstoffe, Reinigungsmittel etc., Stressreduktion und ausreichend Schlaf. Da eine gute Sauerstoffversorgung eine wichtige Voraussetzung für die Regeneration der Mitochondrien sei, könne eine zusätzliche Ozon-Therapie empfehlenswert sein.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Die Zellkraftwerke reduzieren den Stoffwechsel beim Winterschlaf der Tiere

Mitochondrien sind es auch, die im Wesentlichen die sogenannte biologische Uhr ticken lassen. Damit sind sie nicht nur für den Alterungsprozess aller Lebewesen verantwortlich, sondern auch für die Intensität des Stoffwechsels, zum Beispiel beim Winterschlaf mancher Tiere.


Solche Erkenntnisse sind nicht zuletzt auch durch immer bessere mikroskopische Geräte möglich geworden. An der TU Wien gelang es jetzt mit Hilfe eines Superauflösungs-Mikroskops, die Anordnung von Proteinen mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa 30 Nanometern (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) zu untersuchen. Gemeinsam mit der Universität für Veterinärmedizin in Wien konnten damit wichtige Details über die Arbeitsweise von Mitochondrien entschlüsselt werden, die in unseren Zellen für die nötige Energie sorgen.


Dabei kam unter anderem heraus, dass die Energieproduktion in den Mitochondrien bei Bedarf durch spezielle Proteine (Uncoupling Proteine) in einer Art Kurzschluss gestoppt bzw. verändert werden kann. Dann wird nicht mehr die Lebensenergie ATP (siehe oben) erzeugt, sondern es entsteht Wärme. „Dieser Effekt“, so die Wissenschaftler der TU Wien „hat eine wichtige biologische Funktion: Zum Beispiel bei Tieren, die Winterschlaf halten, kann dadurch die zelluläre Wärmeproduktion reguliert werden.“


„Wir haben uns die Frage gestellt, wie die Balance zwischen diesen beiden Effekten – der ATP-Produktion und der Wärmeerzeugung – überhaupt funktionieren kann“, erklärt dazu der Wiener TU-Wissenschaftler Prof. Gerhard Schütz vom Institut für angewandte Physik. Er sagt, wie er und seine Kollegen diese Frage klären konnten: „Proteine lassen sich mit fluoreszierenden Molekülen spezifisch markieren. Mit Hilfe von Laserlicht kann man sie dann zum Leuchten bringen“ Und weiter: „Würden alle Proteine gleichzeitig fluoreszieren, würden sich die jeweiligen Flecken überlagern und ein verschwommenes, undeutliches Bild ergeben. Die Supermikroskopie allerdings konnte nun endlich Licht in diese Angelegenheit bringen: Man fand heraus, dass beide Proteine (die ATP-erzeugende Synthase und das Kurzschluss-verursachende Protein) an unterschiedlichen Stellen im Mitochondrium aktiv sind.“


Auch wenn solche Details in den Tiefen des mikroskopischen Lebens für manchen Laien zunächst nicht ganz einfach zu durchschauen sind, üben sie doch auf viele Menschen eine riesige Faszination aus und lassen sie nicht mehr los. Das gilt gleichermaßen für die Wissenschaftler, die in die Kraftwerke des Lebens hineinblicken wollen, um sie zu verstehen und für die, die immer bessere Geräte herstellen, damit alle die winzigen Einzelheiten und geheimnisvollen Vorgänge aufgespürt werden können.

Mitochondrienforschung und Stoffwechsel: Ehrung für den Wissenschaftler Prof. Dr. Dr. Walter Neupert

Prof. Dr. Dr. Walter Neupert
Ehrung für Mitochondrienforscher Prof. Dr. Dr. Walter Neupert. Ihm wird am 08. Mai 2015 in Hamburg die Ernst Jung-Medaille für Medizin in Gold verliehen. Foto: MPI für Biochemie

Einer, der ein Leben lang die Kraftwerke des Lebens erforscht hat, ist der Wissenschaftler Prof. Dr. Dr. Walter Neupert. Der emeritierte Professor für Physiologische Chemie an der Ludwig-Maximilians-Universität München ist jetzt für seine Untersuchungen mit der Ernst Jung-Medaille für Medizin in Gold ausgezeichnet worden. Die Bekanntgabe der Auszeichnung durch die Ernst Jung Stiftung erfolgte am 08. Januar, dem Todestag des Stifters.

Die Medaillenverleihung wird in einem Festakt am Freitag, 08. Mai 2015, dem Geburtstag Jungs, im Audi Max der Bucerius Law School zu Hamburg vorgenommen.


Damit wird der Zellbiologe Neupert für sein Lebenswerk geehrt. Er hat stets danach geforscht, wie Mitochondrien ticken. Diese Fragestellung stand im Mittelpunkt seiner nunmehr 45-jährigen Forschungskarriere. Neupert forscht auch heute noch am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München. In den 1970er Jahren hat Prof. Neupert regelrechte Pionierarbeit in der Mitochondrienforschung geleistet, indem er den Mechanismus aufdeckte, der für die Teilung und somit für die lebenswichtige Vermehrung von Mitochondrien in unseren Zellen verantwortlich ist.

Kommentar schreiben

Kommentare: 0