Mitochondrien und Energiestoffwechsel: Ausdauer auf Zellebene

Ob ein Muskel lange arbeiten kann, entscheidet sich in seinen Zellen – genauer in den Mitochondrien. Diese Organellen stellen den Großteil der Energie bereit, die für anhaltende Arbeit nötig ist. Die Forschung zu Ausdauer ist deshalb zu einem großen Teil Mitochondrienforschung.

Das Wichtigste in Kürze

• Mitochondrien bilden über die Atmungskette den Großteil des ATP einer Zelle.

• Cardiolipin hält die Atmungskette in der inneren Membran zusammen.

• Mit dem Alter lässt die Mitochondrienfunktion in vielen Geweben nach; Belastung regt die Neubildung an.

• SS-31 (bindet Cardiolipin) und MOTS-c (Signal aus dem mitochondrialen Erbgut) sind Werkzeuge, um diese Prozesse im Modell zu untersuchen.

Wie gewinnen Mitochondrien Energie?

Mitochondrien verbrennen Abbauprodukte aus Zuckern und Fetten mithilfe von Sauerstoff und bilden dabei ATP, die Energiewährung der Zelle. Das Herzstück ist die Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran.

Die innere Membran ist stark gefaltet. Diese Falten, die Cristae, vergrößern die Fläche, auf der die Atmungskette arbeiten kann. Das Phospholipid Cardiolipin hält die Komplexe der Atmungskette in ihrer Anordnung und prägt die Form der Cristae.

Was verändert sich mit dem Alter und unter Belastung?

Mit dem Alter nehmen Zahl und Leistungsfähigkeit der Mitochondrien in vielen Geweben ab. Regelmäßige Belastung dagegen regt Muskelzellen an, neue Mitochondrien zu bilden.

Die gealterte Atmungskette arbeitet weniger effizient und bildet mehr reaktive Sauerstoffspezies, die Membranen und Proteine schädigen können. Die Neubildung unter Belastung heißt mitochondriale Biogenese und ist eng mit dem Energiesensor AMPK verknüpft.

Welche Peptide werden in der Mitochondrienforschung eingesetzt?

Vor allem SS-31 und MOTS-c. Sie setzen an unterschiedlichen Stellen an: SS-31 an der Membran, MOTS-c als Signal an den Rest der Zelle.

Was ist SS-31?

SS-31, auch Elamipretid genannt, ist ein kurzes Peptid, das sich an der inneren Mitochondrienmembran anreichert und an Cardiolipin bindet. Es dient dazu, die Folgen einer Cardiolipin-Stabilisierung für Cristae und Atmungskette zu untersuchen.

Mehr dazu im Beitrag SS-31 und Cardiolipin.

Was ist MOTS-c?

MOTS-c ist ein Signalpeptid, dessen Bauplan im Erbgut der Mitochondrien liegt. Es wurde 2015 beschrieben und wird in Mausmodellen im Zusammenhang mit AMPK, Glukoseaufnahme und Belastung untersucht.

Mehr dazu im Beitrag MOTS-c: Signale aus dem Mitochondrium.

Wie wird die Mitochondrienfunktion gemessen?

Über den Sauerstoffverbrauch isolierter Mitochondrien oder ganzer Zellen, über Elektronenmikroskopie der Cristae und über Marker für oxidativen Stress. Erst mehrere Messgrößen zusammen ergeben ein belastbares Bild.

Quellen

1. Nunnari J, Suomalainen A. Mitochondria: In Sickness and in Health. Cell, 2012. doi:10.1016/j.cell.2012.02.035

2. Szeto HH. First-in-class cardiolipin-protective compound as a therapeutic agent to restore mitochondrial bioenergetics. British Journal of Pharmacology, 2014. doi:10.1111/bph.12461

3. Lee C et al. The Mitochondrial-Derived Peptide MOTS-c Promotes Metabolic Homeostasis and Reduces Obesity and Insulin Resistance. Cell Metabolism, 2015. doi:10.1016/j.cmet.2015.02.009