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Was also sind Mitochondrien? Es wird nicht ohne Grund als das Kraftwerk der Zellen bezeichnet. Sie nehmen die Nahrung, die wir gegessen haben, und den Sauerstoff, den wir atmen, auf und verwandeln sie in Energie. Sie tun aber noch mehr: Sie sind für unser Überleben unerlässlich. Mit der Zeit verändern sich Form und Volumen der Mitochondrien. Das bedeutet auch große funktionelle Veränderungen. Sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Apoptose, also dem Zelltod. Mitochondrien wirken wie die Batterien unserer Zellen, und mit zunehmendem Alter entladen sie sich.
Möchten Sie mehr erfahren? Lesen Sie weiter im Artikel von Prof. Jacques Proust.
Die rund 100’000 Milliarden Zellen, aus denen unser Organismus besteht, brauchen Energie, um zu funktionieren. Diese Energie wird mithilfe des Sauerstoffs, den wir atmen, aus der biochemischen Verbrennung von organischen, über die Ernährung zugeführten Molekülen gewonnen (Zucker, Proteine, Fette). Diese Stoffwechselreaktionen entstehen im Wesentlichen in Zellorganellen namens Mitochondrien und führen zur Produktion von hochenergetischen Molekülen (Adenosin-Tri-Phosphat oder ATP), die direkt von den Zellen verwendet werden können und ihnen zugleich das Überleben und eine optimale Funktionsweise ermöglichen.
UNSERE VORFAHREN, DIE BAKTERIEN
Vor 1,5 Milliarden Jahren wurde der bakterielle Vorfahr des Mitochondriums (ein Rhodobakterium, das Sauerstoff «atmen» kann) umschlossen und ging eine symbiotische Beziehung mit einer primitiven Eukarioten-Zelle ein (d. h. einer Zelle mit einem Kern). Dieser Ursprung erklärt die Präsenz eines eigenen genetischen Codes im Mitochondrium, der in einem DNA-Molekül enthalten ist, das jenen von Bakterien ähnelt.
Alle Zellen unseres Organismus haben Mitochondrien, ausser die roten Blutkörperchen. Je höher die metabolische Aktivität einer Zelle, desto mehr Sauerstoff verbraucht sie und desto mehr Mitochondrien enthält sie. Daher ist die Zahl der Mitochondrien in den Zellen des Gehirns, des Herzens, der Skelettmuskeln, der Nieren und der Leber am höchsten.
Parallel zu ihrer Energieproduktion generieren die Mitochondrien Nebenprodukte, die aktiven Formen von Sauerstoff (ROS für Reactive Oxygen Species). Sie sind das Ergebnis des Entweichens von Elektronen während der verschiedenen biochemischen Phasen der ATP-Synthese. In niedriger Konzentration dienen diese aktiven Sauerstoffformen als Sprachelemente im Rahmen der interzellulären Kommunikation. Unter normalen Bedingungen bleiben die ROS dank mehrerer antioxidativer Enzyme in den Zellen im Rahmen der physiologischen Werte. Unter bestimmten Bedingungen übersteigt die ROS-Produktion die physiologischen Werte jedoch, sodass sie ihre Aggressivität entfalten und sämtliche Moleküle in ihrer Umgebung oxidieren.
DIE ZELLULÄREN MIKROGENERATOREN GEBEN SCHWÄCHESIGNALE
Im Zuge der Alterung stellt man eine Veränderung des Volumens und der Form der Mitochondrien fest. Diese morphologischen Veränderungen gehen mit grossen funktionalen Veränderungen einher. Wegen dieser mitochondrialen Störung nimmt die ATP-Produktion in den Skelettmuskeln pro Jahrzehnt um 8 % ab. In den Oberschenkelmuskeln von älteren Menschen zwischen 65 und 85 Jahren beträgt diese Abnahme im Vergleich zu den Werten bei Menschen zwischen 25 und 45 Jahren beinahe 50 %. Der Rückgang der Energieproduktion im Zuge des Alters wird auch in den Zellen des Gehirns, des Herzens, der Lunge, der Leber und der Nieren beobachtet.
DIE ENTWEICHENDEN ELEKTRONEN FÜHREN ZUR PRODUKTION VON GIFTSTOFFEN
Der Rückgang der mitochondrialen Energieeffizienz wird von einem deutlichen Anstieg der Zahl der entweichenden Elektronen und der Produktion von ROS begleitet. Diese äusserst aggressiven Nebenprodukte oxidieren die verschiedenen Zellbestandteile, egal ob Proteine, Fette oder Nukleinsäuren. Die molekularen Veränderungen in Folge dieser Oxidation führen zu erheblichen Störungen der Funktionsweise der Zellen und schliesslich der Organe, der Systeme und des Organismus im Allgemeinen. Die ROS sind zum Teil für die Verschlechterung verschiedener Zellfunktionen verantwortlich, die mit fortschreitendem Alter festgestellt werden. Zudem sind sie an zahlreichen mit der Alterung verbundenen Erkrankungen beteiligt, im Besonderen neuro-degenerativen Erkrankungen wie der Parkinson- oder Alzheimer-Krankheit.
ZU STARK EXPONIERTE UND SCHLECHT GESCHÜTZTE DNA
Diese molekulare Verschlechterung betrifft die Bestandteile des Mitochondriums, insbesondere die an den Mechanismen der ATP-Synthese beteiligten Proteine und das DNA-Molekül, das die mitochondrialen Gene kodiert. Die mitochondriale DNA ist umso verletzlicher, da sie den von dem Organell generierten ROS direkt ausgesetzt ist, nicht über denselben Schutz verfügt wie die nukleäre DNA und eher rudimentäre Reparaturmechanismen besitzt. Die durch die aktiven Formen von Sauerstoff herbeigeführten oxidativen Schädigungen führen im Zuge der Alterung zu einer progressiven Häufung der Mutationen und Deletionen in der mitochondrialen DNA. Die pathologischen Erscheinungen treten auf, wenn die Mutationsrate ausreichend hoch ist, um die essentiellen Funktionen des Mitochondriums zu beeinträchtigen.
UNSERE ZELLEN BEGEHEN SELBSTMORD
Die Mitochondrien spielen eine wesentliche Rolle beim Zelltod, da sie ein als Apoptose bekanntes zelluläres Selbstmordprogramm initiieren. Dieses Phänomen des programmierten Zelltods ist wesentlich, um die Zahl der Zellen unseres Organismus an ihre ständige Erneuerung anzupassen und dysfunktionale Zellen zu eliminieren. In alternden Organismen und im Zuge diverser Krankheiten in Verbindung mit der Alterung wird üblicherweise ein Ungleichgewicht zwischen Zellproliferation und Zelltod beobachtet. Die morphologischen und funktionellen Veränderungen des Mitochondriums mit dem Alter tragen zur Initiierung und zur Verstärkung des Apoptose-Prozesses bei, während die Kapazitäten zur Zellerneuerung abnehmen. Dieser doppelte Mechanismus kann den Rückgang unserer aktiven Zellmasse mit fortschreitendem Alter zum Teil erklären.
ANSTECKENDE ZELLALTERUNG
Die mitochondriale Fehlfunktion ist auch am Phänomen der Zellalterung (zelluläre Seneszenz) beteiligt. Die Zellalterung ist durch eine Anhäufung von beschädigten oder alternden Zellen charakterisiert, die ihre Replikationsfähigkeit verloren, aber einen sogenannten «sekretorischen Phänotyp» erhalten haben. Sie produzieren verschiedene Moleküle (Entzündungsbotenstoffe, kollagenzerstörende Enzyme, oxidierende freie Radikale …), die direkt am Alterungsprozess selbst und/oder an der Verschärfung der mit dem fortschreitenden Alter verbundenen Erkrankungen beteiligt sind. Darüber hinaus kontaminieren diese Zellen die benachbarten Zellen und lösen in ihnen die Entstehung des Altersphänotyps aus.
DIE ZELLMÜLLEIMER SIND VOLL
Der Rückgang der Energieeffizienz des Mitochondriums im Zuge der Alterung wird zudem durch einen doppelten Mechanismus begünstigt: den Rückgang der Erneuerung dieser Organellen (Rückgang der mitochondrialen Biogenese) und die ausbleibende Eliminierung der beschädigten Mitochondrien. Man stellt effektiv eine Anomalie bei der Generierung von neuen Mitochondrien fest, die dem Energiebedarf der Zellen nicht mehr entspricht. Parallel dazu kann eine Anhäufung von dysfunktionalen Mitochondrien beobachtet werden, die bei jüngeren Menschen von der Zelle, in der sie sich befinden, durch einen Prozess namens Autophagie eliminiert werden. Dieser Zellmechanismus ermöglicht den Abbau der beschädigten Zellkomponenten und das Recycling ihrer Bestandteile, und vermeidet so die Präsenz von toxischen Abfällen in der Zelle. Leider verliert dieser Autophagie-Prozess im Zuge der Alterung seine Effizienz und die molekularen Abfälle häufen sich an.
Die Funktion der Mitochondrien hat eine tiefgreifende Wirkung auf den Alterungsprozess. Um die verschiedenen, an der Regulierung beteiligten biochemischen Wege zu beleuchten, liegt noch viel Arbeit vor uns. Jüngste Entdeckungen in Bezug auf die Verbindungen zwischen der mitochondrialen Fehlfunktion und anderen biologischen Alterungsmechanismen haben das wissenschaftliche Interesse an diesem Organell jedoch erneut geweckt. Es wurden mehrere Moleküle identifiziert, die der altersbedingten mitochondrialen Degeneration entgegenwirken und die Erneuerung und/oder die Beseitigung von beschädigten Komponenten verbessern könnten. Das Mitochondrium wird in den kommenden Jahren sicherlich das Ziel neuer Therapien im Kampf gegen die Alterung sein.
Das Mitochondrium wird in den kommenden Jahren sicherlich das Ziel neuer Therapien im Kampf gegen die Alterung sein.