WISSENSCHAFTLER VERGLEICHEN MITOCHONDRIEN MIT TESLA-AKKUS

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Mitochondrien, die winzigen Kraftwerke, die in Zellen leben und ihnen Energie geben, eher wie ein Tesla-Akkupack funktionieren als wie ein Batterietyp, den Sie in eine Taschenlampe stecken.

Neue Forschungen überdenken die hier gezeigte Struktur der Mitochondrien.

Mit Ausnahme der roten Blutkörperchen enthalten alle Zellen im menschlichen Körper eine oder mehrere Mitochondrien, und einige enthalten Tausende. Diese inneren Zellstrukturen oder Organellen verwenden Sauerstoff, um chemische Energieeinheiten für die Zelle herzustellen.

Mitochondrien sind insofern ungewöhnlich, als sie zwei Membranen haben: eine glatte außen und eine faltige, gefaltete innen.

Wissenschaftler nennen die Falten der inneren Membrankristalle eines Mitochondriums. Bis vor kurzem glaubten sie, dass der Zweck der Faltung darin bestand, die Oberfläche zur Energieerzeugung zu vergrößern.

Allerdings haben die Autoren eines kürzlich erschienenen EMBO Journal Studienarbeit zerstreuen diese Idee.

Stattdessen schlagen sie vor, dass die Kristalle eher wie unabhängige Batterien sind, die in einem Array zusammenarbeiten, ähnlich den Tesla-Batteriepacks, die Elektroautos antreiben.

Eine Reihe autonomer Batterien

Zu diesem Schluss kamen die Forscher, nachdem sie die Energieerzeugung in Mitochondrien mit Hilfe der hochauflösenden Mikroskopie sichtbar gemacht hatten.

"Die Bilder sagten uns, dass jede dieser Kristalle elektrisch unabhängig ist und als autonome Batterie fungiert", sagt der leitende Studienautor Dr. Orian S. Shirihai, Professor für Medizin in Endokrinologie und Pharmakologie an der David Geffen School of Medicine in die Universität von Kalifornien, Los Angeles.

"Eine Crista", fügt er hinzu, "kann beschädigt werden und nicht mehr funktionieren, während die anderen ihr Membranpotential beibehalten."

Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass jedes Mitochondrion eine einzige bioenergetische Einheit umfasst. Die Autoren beziehen sich auf typische frühere Experimente, deren Ergebnisse die Forscher zu dem Schluss führten, dass „die gesamte Organelle als eine elektrochemische Einheit fungiert“.

In der Tat schien das, was Dr. Shirihai mit der traditionellen Mikroskopie sehen konnte, dies zu bestätigen. Die Beobachtung von Zellen, die mit einigen sehr langen Mitochondrien gut funktionieren, ließ nicht auf die Idee vieler kleiner Batterien schließen.

„Niemand hatte sich das zuvor angesehen, weil wir so in diese Denkweise verstrickt waren. Die Annahme war, dass ein Mitochondrium eine Batterie bedeutet “, erklärt er.

Beispiellose hochauflösende Bildgebung

Gespräche mit Ingenieuren, die Elektrofahrzeuge konstruieren, machten Dr. Shirihai jedoch auf die Vorteile von Arrays mit vielen kleinen Batterien anstelle einer großen aufmerksam.

"Wenn etwas mit einer [Batterie-] Zelle passiert", bemerkt er, "kann das System weiterarbeiten und mehrere kleine Batterien können bei Bedarf einen sehr hohen Strom liefern."

Je nach Modell können Tesla-Elektrofahrzeuge bis zu 7.000 kleine Batteriezellen haben. Diese haben die Form eines Gitters, mit dem das Fahrzeug schnell aufgeladen und effizient gekühlt werden kann. Eine solche Anordnung liefert auch viel Kraft zum Beschleunigen.

Um die Mitochondrien genauer zu betrachten, entwickelte das Team „einen neuartigen Ansatz zur Abbildung der [inneren Mitochondrienmembran] mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung in lebenden Zellen“. Wissenschaftler hatten noch nie eine so hohe Auflösung gesehen.

Mit der neu optimierten hochauflösenden Mikroskopie konnte das Team die Spannungsverteilung und Energieerzeugung in den Mitochondrien visualisieren.

Proteincluster wirken wie elektrische Isolatoren

Die Forscher sahen, wie Proteincluster zwischen den Kristallen als elektrische Isolatoren fungierten. Sie wussten bereits, dass Mitochondrien ohne die Proteincluster leichter abgebaut werden. Tatsächlich sah das Team auch, wie sich Mitochondrien, denen die Proteincluster fehlen, eher wie eine große Batteriezelle verhalten.

Die Autoren schlagen vor, dass diese Studienergebnisse nicht nur das Verständnis dafür verbessern, wie Mitochondrien funktionieren, sondern auch, wie die Organellen zu Krankheiten, Alterung und sogar medizinischen Komplikationen beitragen.

Experten haben eine Reihe von medizinischen Komplikationen - wie Ischämie-Reperfusionsverletzungen - mit der schweren Störung von Kristallen in Mitochondrien in Verbindung gebracht.

Dr. Shirihai sinniert: "Die Batterieexperten, mit denen ich ursprünglich gesprochen hatte, waren sehr aufgeregt zu hören, dass sie Recht hatten."

Wissenschaftler glauben, dass Mitochondrien aus einer alten Zusammenarbeit entstanden sind, die zustande kam, als Zellen mit Kernen sauerstoffabhängige einfache Zellen verschlang, denen ein Kern fehlte. Als Gegenleistung für den Schutz versorgt die internalisierte Zelle oder Organelle ihren Wirt mit Energie.