Mitochondrien sind die Kraftwerke in den Zellen. Man nahm lange Zeit an, diese seien ähnlich aufgebaut wie eine einzelne Batterie. Forscher der University of California Los Angeles (UCLA) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) fanden nun heraus, dass Mitochondrien vielmehr aus vielen einzelnen, parallel arbeitenden Einheiten bestehen. Ein solcher Aufbau macht sie unempfindlicher und leistungsfähiger, wie das Forschungsteam nun in einer Veröffentlichung im EMBO Journal beschreibt. Diese Entdeckung könnte zu einem neuen Verständnis der Rolle der Mitochondrien bei Alterung, Diabetes, Krebs und anderen Erkrankungen führen.

Mitochondrien sind die energieumwandelnden Zentren lebender Zellen. Sie sind kleine Organellen, die – mit Ausnahme der roten Blutkörperchen – innerhalb jeder Zelle in größerer Zahl vorkommen. Mitochondrien haben eine glatte Außen- und eine faltige Innenmembran. Die sich nach innen hin erstreckenden Falten heißen „Cristae“.

Neue Erkenntnis zur Funktion der Zellkraftwerke

Man ging jahrelang davon aus, dass die Mitochondrien ähnlich wie Haushaltsbatterien funktionieren und Energie aus einer chemischen Reaktion in einer einzelnen Kammer gewinnen und speichern. Man nahm an, dass der Zweck der Faltenstruktur der inneren Membran lediglich darin bestand, die Oberfläche für die Energieumwandlung zu vergrößern.

Das Forschungsteam um Prof. Dr. Orian Shirihai und Prof. Dr. Marc Liesa von der UCLA in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Andreas Reichert vom Institut für Biochemie und Molekularbiologie I der HHU zeigten nun, dass Mitochondrien stattdessen aus vielen einzelnen, unabhängigen bioelektrischen Einheiten bestehen, die Energie in einem Array umwandeln und speichern. Sie ähneln damit einer Elektrofahrzeugbatterie, in die parallel Tausende von einzelnen Batteriezellen gepackt wurden, um Energie sicher zu verwalten und einen schnellen Zugang zu sehr hohen Stromstärken zu ermöglichen. Ein solches Gesamtsystem kann weiter funktionieren, auch wenn einzelne Batteriezellen ausfallen.

Schneller Zugang und sichere Verwaltung der Zell-Energie

Um aufzuklären, wie die Energieerzeugung in Mitochondrien funktioniert und um zu zeigen, dass diese zellulär organisiert sind, verwendeten die Autorinnen und Autoren der Studie zweierlei Formen der hochauflösenden Mikroskopie. Mit ihr visualisierten sie das Innere der Mitochondrien und beobachteten die Energieerzeugung und Spannungsverteilung innerhalb dieses Zellorganells.

„Die Bilder sagten uns, dass jede dieser Cristae elektrisch unabhängig ist und als autonome Batterie funktioniert“, sagt Prof. Shirihai. „Eine Cristae kann beschädigt werden und nicht mehr funktionieren, während die anderen ihr Membranpotential beibehalten.“

Proteinkomplex minimiert Schäden

Bestimmte Proteinkomplexe bilden die Grenze zwischen den einzelnen Cristae. Die erste Proteinkomponente dieses sogenannten MICOS-Komplexes wurde erst vor rund zehn Jahren von der Arbeitsgruppe um Prof. Reichert identifiziert. Die Funktion des MICOS-Komplexes wird in Düsseldorf intensiv untersucht. Es war bereits bekannt, dass die Mitochondrien ohne diese Proteine empfindlicher auf Schäden reagieren. Die neuen Forschungsergebnisse könnten nun erklären, warum: Die Proteine trennen normalerweise jedes Cristae von ihren Nachbarn und wirken als elektrische Isolatoren. In Zellen, denen diese Proteine fehlen, wurde jedes Mitochondrium zu einer riesigen Batterie, bei der bereits der Ausfall eines kleinen Teils das gesamte System beschädigt.

„Die Entdeckung kann zu einem neuen Verständnis der Rolle der Mitochondrien bei Alterung, Diabetes, Krebs und anderen Erkrankungen führen“, sagt Reichert. „Denn es ist allgemein akzeptiert, dass viele Erkrankungen mit schweren Störungen der Cristae-Struktur einhergehen.“

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Originalpublikation
Dane M Wolf, Mayuko Segawa, Arun Kumar Kondadi, Ruchika Anand, Sean T Bailey, Andreas S Reichert, Alexander M van der Bliek, David B Shackelford, Marc Liesa, Orian S Shirihai, Individual cristae within the same mitochondrion display different membrane potentials and are functionally independent, EMBO J (2019) e101056 DOI: 10.15252/embj.2018101056

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf