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Todesfalle Mitochondrien (Zell-Kraftwerke)

Sicherheitsrisiko auch in der Zelle

Kraftwerke, ganz gleich welcher Art, machen häufig aufgrund Gefährdung der Bevölkerung von sich reden. Eine gebräuchliche Umschreibung für die Mitochondrien lautet "Kraftwerke der Zelle", in Analogie zu den großen Vorbildern, die ebenfalls bestimmte Substanzen oxidieren und dadurch verwertbare Energie zur Verfügung stellen. In puncto möglicher Gefährdung der Umgebung, in diesem Falle also der Zelle und des Organismus, machen die Mitochondrien die Analogie ebenfalls mit. Nach diesen Informationen sollte es nicht verwundern, daß einige Krankheiten und Alterserscheinungen offenbar auf das Konto schadhafter Mitochondrien gehen.
Mitochondrien sind Zellorganellen mit einer Doppelmembran und eigenem Erbgut (mtDNA). Während die äußere der beiden Membransysteme keine Besonderheiten aufweist, finden sich in der inneren Lipid-Doppelschicht Proteine, die in ähnlicher Form sonst nur bei Bakterien vorkommen. Die mitochondriale DNA ist ringförmig und liegt, ähnlich wie die der Bakterien, relativ nackt vor, d.h. ungeschützt, ohne z.B. durch Histone verpackt zu sein. Das Mitochondrium ist also gewissermaßen ein domestiziertes Bakterium.
Membran Energiebildungsrozeß
Freie Radikale erstören u.a. die Zellmembran und können zu tiefgreifenden Schädigungen der Zellfunktion führen. Hier wird die Multifunktion von Coenzym Q10 verdeutlicht: Energiebereitstellung, Aufrechterhaltung der Zellfunktionsfähigkeit, Eliminierung der Freien Radikale
 
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Die besagte mitochondriale (mt)-DNA enthält nur wenige Gene. Ein Großteil der Gene, die für die Funktion der Mitochondrien notwendig sind, ist im Laufe der Evolution in den Zellkern verlagert worden, so daß nunmehr ein ständiger Transport von im Zellkern codierten Proteinen in das Mitochondrium stattfindet.

Die für das Mitochondrium bestimmten Proteine tragen eine bestimmte Signalfrequenz, vergleichbar mit einem Brief, der mit einer Postleizahl versehen ist, damit er an seinen Zielort, das "Zellkraftwerk - Mitochondrium", gelangen kann, wo der Briefinhalt in das Innere gelangt und entsprechend verarbeitet werden kann. Nach dem Motto "Es war schon immer etwas umständlicher, einen besonderen Geschmack zu haben" muß das Protein aber zwei Membranen durchqueren, um in das Innere des Zellkraftwerks zu gelangen.

Organisation eines Mitochondriums

Mitochondrium
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Der "Brief mit PLZ" gelangt an die "Mitochondriale-Außen-Membran" (MAM), wo ein mitochondriales Vorstufenprotein den Durchgang durch die äußere Membran in das Mitochondrium regelt und gelangt dann zur Mitochondrialen-Inneren-Membran (MIM). Das Eindringen in den inneren Teil des Mitochondriums ist aber nur dann möglich, wenn auch genügend Energiepotential (ATP) sowohl in der Membran als auch in der Matrix (siehe Abb.) vorhanden ist, so daß die Passage in einem Arbeitsgang ablaufen kann. Falls die Eigensynthese von ATP im Körper zur Energiebildung nicht ausreicht, ist natürlicherweise dieser Vorgang gestört und kann zu ernsthaften Erkrankungen führen. Durch die Entdeckung des Coenzym Q10 und die Möglichkeit der natürlichen Herstellung dieses Coenzyms, kann ein solches Defizit durch orale Zuführung ausgeglichen werden.

Ist das Protein (Brieftext) in der Mitochondrienmatrix angelangt, wird es sogleich von anderen Proteinen unter die Fittiche genommen, unter anderem von einer mitochondrialen Variante des Hsp70 (Hsp steht für "heat shock protein", eine Gruppe von Proteinen, die ursprünglich im Zusammenhang mit zellulären Notfallsituationen entdeckt wurde), von einer Peptidase , die die Signalsequenz (Postleitzahl) abschneidet und von ATP-abhängigen Chaperonen, die für eine korrekte Weiterverarbeitung des importierten Proteins sorgen.

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Instabilität der mitochondrialen DNA

Während wir stillschweigend auf eine weitgehende Konstanz unserer genetischen Information bauen, werden in den Zellen ständig DNA-Moleküle geschädigt. Das geschieht einerseits durch aggressive Stoffe [Freie (Sauerstoff)Radikale], die mit Bestandteilen der Nukleinsäuren reagieren, andererseits durch Fehler bei der Replikation. Daß im Endeffekt nur selten bleibende Schäden der Erbsubstanz resultieren, ist den DNA-Reparaturmechanismen im Zellkern zu verdanken, wo eine Reihe von spezifischen DNA-Reparatur-Enzymen für diese Aufgabe bereit stehen.

Während die Kern-DNA durch Histone geschützt ist, liegt die mtDNA (mitochondriales Erbgut) nackt, d.h. ungeschützt vor. Außerdem wird sie durch die Polymerase g repliziert, (bei jeder Zellteilung eintretende Neusynthese) die eine besonders hohe Fehlerquote aufweist. Da sich Mitochondrien unabhängig vom Zellzyklus vermehren und die mtDNA eine Halbwertszeit von nur einigen Tagen oder Wochen hat, wird sie öfter repliziert als die Kern-DNA; somit potenziert sich die Fehlerquote.

 

Auch in den Mitochondrien laufen Prozesse ab, die "Betriebsschäden" an der mtDNA durch den Angriff reaktiver Noxen (bestimmte Schadstoffe) ausbügeln.

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Helix Angriff freie Radikale
Helix - Schäden an DNA
DNA-Prüfung
Reparatur an DNA

Verglichen mit der Kern-DNA laufen diese Repair-Systeme aber mit geringerer Effizienz ab.

Es gibt im Mitochondrium außerdem keine Möglichkeit, DNA-Schäden zu reparieren, die bei der Replikation entstanden sind. Zusammengefaßt bringt eine mtDNA also schon relativ viele Fehler mit und befindet sich außerdem in einem Milieu, das an unfreundlichen Stoffwechselintermediaten wie reaktive Sauerstoff-Spezies sehr reich ist - schließlich befindet sich die Atmungskette (lokalisiertes Multi-Enzymsystem) in der Nachbarschaft

 

Die hohe Empfindlichkeit der mtDNA läßt vermuten, daß die mit dem Alter auftretende Akkumulation von mtDNA-Schädigungen wesentlich an der altersbedingten Abnahme der Atmungskettenfunktionen beteiligt sind.

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Altern und Krankheit durch Mitochondrienschäden

Unter Umständen geht der Ärger schon in der Frühentwicklung los.

Das Plasma einer befruchteten Eizelle und damit alle darin enthaltenen Mitochondrien stammen nahezu ausschließlich von der Mutter. Diese können bezüglich ihrer mtDNA durchaus sehr verschieden ausgestattet sein. Zwar ist es unwahrscheinlich, daß alle Mitochondrien schadhaft sind, doch kann durch Zufall eine Tochterzelle und infolgedessen ganze von ihr abstammende Gewebe mehr schlechte Mitochondrien abbekommen als andere. Somit wäre ein Großteil des Körpers quasi von Natur aus unterdurchschnittlich leistungsfähig. Wären intakte und schadhafte Mitochondrien dagegen gleichmäßig verteilt, würden letztere nach und nach eliminiert und durch Abkömmlinge der intakten ersetzt, weil beschädigte Organellen zum Teil von spezifischen Enzymen abgebaut werden. Hat ein Kind von seiner Mutter überdurchschnittlich viele schlecht funktionierende Mitochondrien geerbt, kann es schon frühzeitig zu schwereren Erkrankungen kommen oder harmlosestenfalls die Sporturkunde bei den Bundesjugendspielen kosten.

Wie schon erwähnt, stellt die Einwirkung starker Oxidantien eine der wichtigsten Schädigungsquellen für die mtDNA dar. Im Zuge der "Veratmung" (Verbrennung) der energiereichen Substrate in den mitochondrialen Enzymsystemen wird ein Teil des molekularen Sauerstoffs in Superoxid- und Wasserstoffperoxid umgewandelt. Zellen des Immunsystems stellen solche reaktiven Sauerstoff-Spezies auch als chemische Kampfstoffe gegen Bakterien her. Zwar gibt es auch zu deren Entschärfung Enzymsysteme, doch hängt es von deren Aktivität ab, ob diese reaktiven Spezies schnell ausreichend entgiftet werden können, ohne vorher die Zelle zu schädigen.

Zum Glück besitzen Zellen für gewöhnlich weit mehr Mitochondrien, als sie normalerweise benötigen, so daß für den Hausgebrauch in jedem Falle genug Restkapazität vorhanden ist. Fällt aber dem Pensionär nach einem behaglichen Leben im Büro ein, daß ab jetzt unbedingt gejoggt werden muß, bleibt für seine Gesundheit nur zu hoffen, daß er entweder zur funktionsbedingten Anaerobiose befähigt ist - zumindest für Muskelzellen sollte das kein Problem sein - oder aber früh genug die Lust an der Lauferei verliert und sich fortan weniger gefährlichen Sportarten hingibt, beispielsweise Fallschirmspringen.
Wichtige in den Organellen lokalisierte Stoffwechselwege (u.a. Atmungskette) dienen der Energiegewinnung und sind somit essentiell für die Vitalität der Zelle. Die Variabilität mitochondrialer Erkrankungen entsteht aus strukturellen und funktionalen Störungen in der Atmungskette, die den Eneriebildungsprozeß darstellt.

Im Kindesalter resultieren daraus meist schwere Krankheitsverläufe (fortschreitende Systemerkrankungen unter vorwiegender Beteiligung des Zentralen Nervensystems (ZN) und der Muskulatur mit u.U. ungünstiger Prognosen für Anfallsleiden, Myopathien und Cardiomyopathien). Im späteren Lebensalter entwickeln sich dann ophthalmologische Erkrankungen (Augenkrankheiten), neuromuskuläre und neuro-endokrine Erkrankungen, Ataxien, Cardiomyopathien, Diabetes mellitus,.......etc. Mitochondriale Stoffwechselstörungen werden u.a. auch für das Phänomen des Alterns verantwortlich gemacht

Eine seltene Anämie bei Kindern ist das Pearson-Syndrom, bei dem abnorm wenig Blutkörperchen gebildet werden. Ohne Bluttransfusionen sind diese jungen Patienten dem Tode geweiht. Wie seit kürzerem bekannt ist, sind Verlagerungen in der mtDNA-Kette in den Stammzellen des Knochenmarks die Ursache. Mitochondrienschäden können ebenfalls den Ausfall von dopaminproduzierenden Zellen in der Substantia nigra des Gehirns nach sich ziehen, was zur Parkinson-Krankheit führt.

Viele Krankheiten, bei denen eine bestimmte Gruppe von Zellen versagt, könnte auf defekten Mitochondrien in diesen Zellen beruhen. So konnte unlängst gezeigt werden, daß ein Teil der Diabetes-Fälle vom juvenilen Typ, der normalerweise ein Autoimmungeschehen als Vorgeschichte aufweist, auf einem Versagen der Zellkraftwerke beruht, zumal in den betreffenden Zellen die Mitochondrien nicht nur Energielieferanten sind, sondern auch als Meßstellen für den Blutzuckerspiegel fungieren.
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Anders als bei Krankheiten, die auf Mutationen im Kern-Genom zurückzuführen sind, ist es vergleichsweise einfach, ein defektes Mitochondrien-Gen zu identifizieren, da der mitochondriale DNA-Ring nur für 13 Enzyme codiert. Somit bestehen gute Chancen, ein fehlendes Genprodukt gezielt zusetzen zu können.

Die Verabreichung von Coenzym Q10, das in der zweiten Stufe der Oxidationskette benötigt wird, hat sich auch bei der Behandlung verschiedener mitochondrialer Erkrankungen bewährt. Es bleibt abzuwarten, ob uns dieses relativ neue Thema in nächster Zeit eine Lawine von altbekannten Krankheiten mit neuentdeckter Entstehung bescheren wird.

Ausführlich lesen Sie darüber in "Coenzym Q10 und der Übergang in die mitochondriale Medizin" -hier klicken-

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