Gesundheit

Was sind Mitochondrien?

Mitochondrien werden oft als die Kraftzentren der Zelle bezeichnet. Sie helfen, die Energie, die wir aus der Nahrung gewinnen, in Energie umzuwandeln, die die Zelle nutzen kann. Aber Mitochondrien haben mehr zu bieten als die Energieerzeugung.

Mitochondrien, die in fast allen Arten von menschlichen Zellen vorkommen, sind für unser Überleben lebenswichtig. Sie erzeugen die Mehrheit unseres Adenosintriphosphats (ATP), der Energiewährung der Zelle.

Die Mitochondrien sind auch an anderen Aufgaben beteiligt, wie z.B. der Signalübertragung zwischen Zellen und dem Zelltod, der so genannten Apoptose.

In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie Mitochondrien funktionieren, wie sie aussehen, und erklären, was passiert, wenn sie aufhören, ihre Arbeit richtig zu machen.

Die Struktur der Mitochondrien

ria

A basic diagram of a mitochondrion

Ein Grunddiagramm eines Mitochondrions

Mitochondrien sind klein, oft zwischen 0,75 und 3 Mikrometern und unter dem Mikroskop nur sichtbar, wenn sie gefärbt sind.

Im Gegensatz zu anderen Organellen (Miniaturorgane innerhalb der Zelle) haben sie zwei Membranen, eine äußere und eine innere. Jede Membran hat unterschiedliche Funktionen.

Mitochondrien sind in verschiedene Abteilungen oder Regionen unterteilt, von denen jede eine unterschiedliche Rolle spielt.

Einige der wichtigsten Regionen sind die:

Äußere Membran: Kleine Moleküle können frei durch die äußere Membran hindurchtreten. Dieser äußere Teil enthält Proteine, die Porine genannt werden, die Kanäle bilden, die es den Proteinen ermöglichen, sich zu kreuzen. In der äußeren Membran befinden sich auch eine Reihe von Enzymen mit den unterschiedlichsten Funktionen.

Zwischenmembranraum: Dies ist der Bereich zwischen der inneren und äußeren Membran.

Innere Membran: Diese Membran enthält Proteine, die mehrere Rollen haben. Da sich keine Porine in der inneren Membran befinden, ist sie für die meisten Moleküle undurchlässig. Moleküle können die innere Membran nur in speziellen Membrantransportern passieren. Die innere Membran ist der Ort, an dem das meiste ATP entsteht.

Cristae: Das sind die Falten der inneren Membran. Sie vergrößern die Oberfläche der Membran und erhöhen damit den Raum für chemische Reaktionen.

Matrix: Dies ist der Raum innerhalb der inneren Membran. Mit Hunderten von Enzymen ist es wichtig für die Produktion von ATP. Hier ist die mitochondriale DNA untergebracht (siehe unten).

Verschiedene Zelltypen haben unterschiedliche Zahlen von Mitochondrien. Zum Beispiel haben reife rote Blutkörperchen überhaupt keine, während Leberzellen mehr als 2.000 haben können. Zellen mit einem hohen Energiebedarf neigen dazu, eine größere Anzahl von Mitochondrien zu haben. Rund 40 Prozent des Zytoplasmas in Herzmuskelzellen werden von den Mitochondrien aufgenommen.

Obwohl Mitochondrien oft als ovale Organellen gezeichnet werden, teilen sie sich ständig (Spaltung) und verbinden sich miteinander (Fusion). In Wirklichkeit sind diese Organellen also in immer neuen Netzwerken miteinander verbunden.

Auch in den Samenzellen werden die Mitochondrien im Mittelstück spiralförmig geformt und liefern Energie für die Schwanzbewegung.

Mitochondriale DNA

Obwohl der größte Teil unserer DNA im Kern jeder Zelle aufbewahrt wird, haben die Mitochondrien ihren eigenen DNA-Satz. Interessanterweise ist die mitochondriale DNA (mtDNA) der bakteriellen DNA ähnlicher.

Die mtDNA enthält die Anweisungen für eine Reihe von Proteinen und anderen zellulären Unterstützungsgeräten über 37 Gene.

Das in den Kernen unserer Zellen gespeicherte menschliche Genom enthält rund 3,3 Milliarden Basenpaare, während die mtDNA aus weniger als 17.000 besteht.

Während der Fortpflanzung stammt die Hälfte der DNA eines Kindes von seinem Vater und die andere Hälfte von seiner Mutter. Das Kind erhält seine mtDNA jedoch immer von seiner Mutter. Aus diesem Grund hat sich die mtDNA als sehr nützlich für die Verfolgung von Genlinien erwiesen.

So haben mtDNA-Analysen ergeben, dass der Mensch möglicherweise erst vor relativ kurzer Zeit, vor etwa 200.000 Jahren, aus Afrika stammt und von einem gemeinsamen Vorfahren abstammt, der als mitochondrialer Vorabend bekannt ist.

Übung

Bewegung beugt der Zellalterung vor, indem sie die Mitochondrien fördert.

Es ist allgemein bekannt, dass Bewegung ein Sammelsurium an gesundheitlichen Vorteilen bietet. Was noch nicht verstanden ist, ist, wie körperliche Aktivität es schafft, das Altern auf zellulärer Ebene zu reduzieren. Neue Forschungen zu Mitochondrien heben den Deckel über die beteiligten Prozesse.
[Woman running at sunrise]

Neue Forschungen helfen zu verstehen, wie Bewegung das Altern der Zellen verhindern kann.

Regelmäßige Bewegung stärkt nachweislich das Immunsystem, erhöht die kognitiven Fähigkeiten, verbessert den Schlaf, erhöht die Lebensdauer und erhält den Muskeltonus. Der Nutzen ist erwiesen, die Forschung ist schlüssig.

Die Mechanismen, die hinter den positiven Effekten der Übung stehen, bleiben jedoch im Schatten. Wie werden durch körperliche Aktivitäten Organellen wieder aufgebaut, die mit zunehmendem Alter abgebaut werden? Welche Aktivitäten sind die besten?

Eine neue Studie, die diese Woche in der Zeitschrift Cell Metabolism veröffentlicht wurde, wirft einen Blick unter die Haube und gibt Hinweise darauf, wie diese Vorteile erzielt werden können.

Der leitende Autor der aktuellen Studie ist Dr. Sreekumaran Nair, ein Diabetesforscher an der Mayo Clinic in Rochester, MN, und das Forschungsteam wurde von Matthew Robinson geleitet, der heute an der University of Oregon in Eugene arbeitet.

Insgesamt umfasste die Studie 36 Männer und 36 Frauen, aufgeteilt in zwei Altersgruppen: “jung” (zwischen 18 und 30 Jahren) und “älter” (zwischen 65 und 80 Jahren). Diese Teilnehmer wurden weiter in drei Trainingsprogramme unterteilt:

hochintensives Intervall-Radfahren
Krafttraining mit Gewichten
eine Kombination aus Intervall- und Krafttraining

Sie nahmen eine Biopsie von den Oberschenkelmuskeln des Probanden und verglichen das molekulare Make-up mit einer Kontrollgruppe von sitzenden Probanden. Auch die fettfreie Muskelmasse und die Insulinempfindlichkeit wurden untersucht.

Das Team fand heraus, dass, obwohl Krafttraining beim Aufbau von Muskelmasse effektiv war, hochintensives Intervalltraining die größte Wirkung auf zellulärer Ebene hatte, insbesondere auf Mitochondrien.

Bewegung, Mitochondrien und Altern
Mitochondrien werden gemeinhin als die Kraftpakete der Zelle bezeichnet; ihre Hauptfunktion besteht darin, Adenosintriphosphat zu produzieren – das Molekül, das chemische Energie innerhalb der Zellen transportiert. Mit zunehmendem Alter nimmt die Fähigkeit der Mitochondrien, Energie zu erzeugen, langsam ab.

Durch den Vergleich von proteomischen und RNA-Sequenzierungsdaten in den verschiedenen Trainingsgruppen fand das Team heraus, dass die Übung die Zellen dazu anregt, mehr RNA-Kopien der Gene anzufertigen, die für mitochondriale Proteine und für das Muskelwachstum verantwortliche Proteine kodieren.

Jüngere Freiwillige, die Intervalltrainings absolvierten, zeigten eine 49-prozentige Steigerung der mitochondrialen Kapazität, und, was noch beeindruckender ist, die ältere Gruppe verzeichnete eine 69-prozentige Steigerung.

Hochintensive Radtouren haben den altersbedingten Rückgang der mitochondrialen Funktion wirksam umgekehrt.

Ribosomen, lebenswichtige Akteure bei der Synthese von Proteinen, erhielten ebenfalls einen Schub durch Bewegung – sie erhöhten ihre Fähigkeit, mitochondriale Proteine aufzubauen, was den Anstieg sowohl der mitochondrialen Funktion als auch der Muskelhypertrophie erklärt.

Verlangsamung des Alterungsprozesses durch Proteinaufbau
Die Fähigkeit der körperlichen Aktivität, die Proteinproduktion zu unterstützen, ist wichtig. Muskelzellen, wie Hirn- und Herzzellen, teilen sich nicht häufig. Das bedeutet, dass mit zunehmendem Alter die Funktion abnimmt. Wie Dr. Nair erklärt: “Im Gegensatz zur Leber wird der Muskel nicht ohne weiteres nachwachsen. Die Zellen können viel Schaden anhäufen.” Wenn Bewegung die Verschlechterung von Ribosomen und Mitochondrien in Muskelzellen wiederherstellen oder minimieren kann, besteht eine gute Chance, dass sie dies auch in anderen Geweben tut.

Neben der Erhöhung der mitochondrialen Kapazität verbesserte das Intervalltraining auch die Insulinempfindlichkeit des Teilnehmers und senkte das Risiko, an Diabetes zu erkranken. Allerdings war diese Trainingsform weniger effektiv bei der Verbesserung der Muskelkraft.

“Basierend auf allem, was wir wissen, gibt es keinen Ersatz für diese Trainingsprogramme, wenn es darum geht, den Alterungsprozess zu verzögern. Diese Dinge, die wir sehen, können von keiner Medizin gemacht werden.”

Dr. Sreekumaran Nair
Obwohl sich diese Studie nicht darauf konzentrierte, Empfehlungen über Dauer oder Art der Übung abzugeben, sagt Dr. Nair: “Wenn die Leute eine Übung auswählen müssen, würde ich ein hochintensives Intervalltraining empfehlen, aber ich denke, es wäre vorteilhafter, wenn sie 3-4 Tage Intervalltraining und dann ein paar Tage Krafttraining machen könnten.”

Die Studie zeigt deutlich, wie Bewegung den Output bestimmter Organellen steigern kann. Diese Beziehung wird wahrscheinlich eine Schlüsselrolle bei der Verlangsamung der Zellalterung spielen.

Dr. Nair und sein Team planen, ihren tiefen Einstieg in die zellulären Vorteile von Bewegung in anderen Gewebetypen zu erweitern. In Zukunft könnten diese Ergebnisse möglicherweise genutzt werden, um bestimmte Wege zu beschreiten und die Auswirkungen des Alterns zu reduzieren. Mit der Zeit könnten diese positiven Veränderungen vielleicht künstlich ausgelöst werden, aber wie Dr. Nair sagt: “Es gibt umfangreiche wissenschaftliche Basisdaten, die die Idee unterstützen, dass Bewegung von entscheidender Bedeutung ist, um das Altern zu verhindern oder zu verzögern. Es gibt keinen Ersatz dafür.

Übung

Bewegung steigert die Leistungsfähigkeit des Gehirns in den über 50-er Jahren, so das Fazit der neuesten Meta-Analyse.

Im Laufe der Jahre gab es viele Forschungen über den potenziellen kognitiven Nutzen von Bewegung auf die mentale Leistungsfähigkeit bei älteren Erwachsenen. Insgesamt waren die Ergebnisse nicht eindeutig, aber eine neue Überprüfung wirft einen neuen Blick auf die Daten.
[Older adults exercising]

Übung

Joggen für 30 Minuten pro Tag könnte die Zellalterung um 9 Jahre verlangsamen.

woman on excercise bike over white background, vector illustration
Neue Forschungen unterstreichen die Bedeutung von körperlicher Aktivität, nachdem sie festgestellt haben, dass Menschen, die sehr aktiv sind, Jahre ihres biologischen Alters überbrücken können.
[A couple jogging]

Forscher sagen, dass das Laufen für 30 bis 40 Minuten über 5 Tage pro Woche die Zellalterung um 9 Jahre reduzieren könnte.

Ein Forscher der Brigham Young University in Provo, UT, fand heraus, dass ein täglicher Betrieb von 30 oder 40 Minuten an 5 Tagen pro Woche die Verkürzung der Telomere reduzieren und die Zellalterung um 9 Jahre verringern kann.

Telomere sind die Schutzkappen an den Enden von Chromosomen, die fadenartige Strukturen in Zellen sind, die unsere DNA enthalten. Sie werden oft mit den Kunststoffspitzen am Ende der Schnürsenkel verglichen, da sie verhindern, dass die Enden der Chromosomen ausfransen und an anderen Chromosomen haften bleiben.

Telomere gelten als Marker für das biologische Alter. Mit zunehmendem Alter verkürzt sich die Telomerlänge. Wenn die Telomere zu kurz werden, können sie die Chromosomen nicht mehr schützen, was dazu führen kann, dass die Zellen ihre Funktionsfähigkeit verlieren und sterben.

Schlechte Lebensstilfaktoren, wie z.B. Bewegungsmangel, können auch zur Telomerverkürzung beitragen, indem sie oxidativen Stress verursachen, d.h. die Unfähigkeit des Körpers, die durch freie Radikale verursachten Zellschäden auszugleichen.

Die neue Studie – durchgeführt von Prof. Larry Tucker vom Department of Exercise Sciences in Brigham – zeigt, wie wichtig körperliche Aktivität für den Schutz vor Zellalterung ist.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Preventative Medicine veröffentlicht.

Ein wenig Bewegung wird nicht ausreichen, wenn es darum geht, das biologische Altern zu verlangsamen.
Für seine Studie analysierte Prof. Tucker die Daten von 5.823 Erwachsenen, die Teil der National Health and Nutrition Examination Survey 1999-2002 waren.

Der Forscher betrachtete die Telomerlänge jedes Teilnehmers. Darüber hinaus untersuchte er die Teilnahme der Probanden an 62 körperlichen Aktivitäten über einen Zeitraum von 30 Tagen, wobei er diese Informationen zur Berechnung ihrer körperlichen Aktivität verwendete.

Im Vergleich zu Teilnehmern, die sesshaft waren, wurden bei denen, die sehr aktiv waren, Telomerlängen gefunden, die einem biologischen Alter von 9 Jahren weniger und einem biologischen Alter von 7 Jahren weniger entsprachen, verglichen mit denen, die mäßig aktiv waren.

Dreißig Minuten Joggen täglich an 5 Tagen pro Woche galten für Frauen als sehr aktiv, während 40 Minuten Joggen täglich an 5 Tagen pro Woche für Männer als sehr aktiv galten.

Prof. Tucker sagt, dass er überrascht war, als er entdeckte, dass die Telomerlänge zwischen sitzenden Teilnehmern und Personen, die mäßig aktiv waren, nicht signifikant unterschiedlich war. Dies deutet darauf hin, dass zum Schutz vor zellulärem Altern eine hohe körperliche Aktivität am besten ist.

“Wenn Sie einen echten Unterschied bei der Verlangsamung Ihres biologischen Alterungsprozesses sehen wollen, scheint es, dass ein wenig Bewegung nicht ausreicht. Du musst regelmäßig auf hohen Ebenen trainieren.

Eine neue Studie, die im British Journal of Sports Medicine veröffentlicht wurde, kommt zu dem Schluss, dass bereits wenige Minuten körperlicher Aktivität mit geringer Intensität das Sterberisiko bei älteren Männern deutlich senken können.

Dieses sollte in den Zeiträumen von mindestens 10 Minuten sein, sagen sie.

Wir wissen, dass regelmäßige körperliche Aktivität dazu beiträgt, die Sterblichkeit zu reduzieren und das Leben zu verlängern, und jetzt wissen wir, dass ein Teil dieses Vorteils auf die Erhaltung der Telomere zurückzuführen ist.”

Gesundheit

Alzheimer: Was führt zu einer Schädigung der Gehirnzellen?

Wissenschaftler haben einen Mechanismus aufgedeckt, durch den ein giftiges Gehirnprotein, das ein Markenzeichen der Alzheimer-Krankheit ist, Neuronen oder Gehirnzellen schädigen kann.
illustration of brain disintegrating

Neue Forschungen decken den Mechanismus auf, der zum fortschreitenden Verlust von Gehirnzellen führt, der die Alzheimer-Krankheit charakterisiert.

Das Team des Grenoble Institute of Neurosciences in Frankreich, das die Entdeckung gemacht hat, schlägt auch einen möglichen Weg vor, den Mechanismus im Frühstadium der Krankheit zu entschärfen.

Die Studie betrifft die Funktion von dendritischen Stacheln, das sind die winzigen Strukturen in den verzweigten Teilen der Gehirnzellen, die Signale von anderen Gehirnzellen empfangen.

Es scheint, dass Beta-Amyloid, ein giftiges Protein, das sich im Gehirn von Menschen mit Alzheimer-Krankheit ansammelt, einen Mechanismus auslöst, der die Funktion der dendritischen Wirbelsäulen stört.

Der Mechanismus deaktiviert ein Protein namens Cofilin 1, und die Aktivität dieses Proteins ist entscheidend für das gesunde Funktionieren der dendritischen Wirbelsäulen.

Das Journal of Neuroscience hat kürzlich ein Studienpapier über die Forschung veröffentlicht.

Es wird beschrieben, wie das Team Hirngewebeproben von Mausmodellen und Menschen mit Alzheimer-Krankheit verwendete, um zu ihren Ergebnissen zu gelangen.

Eine wichtige Erkenntnis war, dass die Exposition gegenüber Beta-Amyloid-Peptiden, den Bausteinen des toxischen Proteins, zu einem Anstieg der inaktiven Form von Cofilin 1 führte.

“Darüber hinaus”, stellt der Co-Autor der Studie, Dr. José Martínez-Hernández, fest, der heute in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie an der Universität des Baskenlandes in Spanien arbeitet, “führen die Beta-Amyloid-Peptide langfristig zu weniger Stacheln; wenn sie nicht mehr funktionsfähig sind, gehen sie mit der Zeit allmählich verloren”.

Alzheimer-Krankheit zerstört Hirnverbindungen
Alzheimer ist eine irreversible Hirnerkrankung, die sich mit der Zeit verschlimmert. Es ist die häufigste Ursache für Demenz.

Die Krankheit schwächt die Fähigkeit, sich zu erinnern, zu denken und einfache Aufgaben zu erfüllen, bis Menschen mit Alzheimer nicht mehr für sich selbst sorgen können. Die meisten Individuen beginnen Mitte der 60er Jahre mit Symptomen.

Nach Angaben des National Institute on Aging gehen Experten davon aus, dass in den USA mehr als 5,5 Millionen Menschen mit Alzheimer leben.

Verschiedene Formen der Demenz haben unterschiedliche Merkmale. Bei der Alzheimer-Krankheit zeichnen sich unter anderem eine toxische Anhäufung von Beta-Amyloid und einem anderen Protein namens Tau sowie der Verlust von Verbindungen zwischen Neuronen aus.

Neuronen übertragen Informationen im Gehirn und übertragen Signale aus dem Gehirn an andere Körperteile, wie Organe und Muskeln.

Die Milliarden von Neuronen im Gehirn kommunizieren miteinander, indem sie chemische Nachrichten über “spezialisierte Strukturen”, so genannte Synapsen, senden und empfangen. Diese Strukturen kommen und gehen und stärken und schwächen sich, je nach Erfahrung.

Das Gehirn speichert Langzeitinformationen, indem es die Chemie und Struktur von Synapsen verändert. Wissenschaftler glauben, dass die dynamische, schwankende Natur von Synapsen das Gedächtnis und das Lernen unterstützt.

Synapsen, dendritische Dornen und Zytoskelette
Wenn Informationen in Form von chemischen Botenstoffen über eine Synapse von einer Gehirnzelle zur anderen wandern, bringen verzweigte Strukturen, die Dendriten genannt werden, die Signale in das empfangende Neuron.

Dendritische Dornen sind winzige Vorsprünge auf den verzweigten Strukturen, die aktiv Signale von anderen Gehirnzellen empfangen.

Die jüngste Forschung zeigt, wie toxisches Beta-Amyloid im von der Alzheimer-Krankheit betroffenen Hirngewebe Synapsen beeinträchtigt, indem es die Aktivität des Cofilin-1-Proteins in den dendritischen Wirbeln reduziert.

Gehirnzellen haben ein Zytoskelett, das nicht nur ihre dreidimensionale Struktur aufrechterhält, sondern auch für den dynamischen Transport von Substanzen innerhalb der Zelle verantwortlich ist.

Gesundheit

Was Sie über Neuronen wissen müssen

Neuronen sind dafür verantwortlich, Informationen durch den gesamten menschlichen Körper zu transportieren. Mit Hilfe elektrischer und chemischer Signale helfen sie, alle notwendigen Lebensfunktionen zu koordinieren. In diesem Artikel erklären wir, was Neuronen sind und wie sie funktionieren.

Kurz gesagt, unser Nervensystem erkennt, was um uns herum und in uns vor sich geht; es entscheidet, wie wir handeln sollen, verändert den Zustand der inneren Organe (z.B. Herzfrequenzveränderungen) und ermöglicht es uns, darüber nachzudenken und uns daran zu erinnern, was vor sich geht. Dazu stützt sie sich auf ein ausgeklügeltes Netzwerk – Neuronen.

Es wurde geschätzt, dass es etwa 86 Milliarden Neuronen im Gehirn gibt; um dieses riesige Ziel zu erreichen, muss ein sich entwickelnder Fötus etwa 250.000 Neuronen pro Minute erzeugen.

Jedes Neuron ist mit weiteren 1.000 Neuronen verbunden, wodurch ein unglaublich komplexes Kommunikationsnetzwerk entsteht. Neuronen gelten als die Grundeinheiten des Nervensystems.

Weil sie es sind

Neuronen, manchmal auch als Nervenzellen bezeichnet, machen etwa 10 Prozent des Gehirns aus, der Rest besteht aus Gliazellen und Astrozyten, die Neuronen unterstützen und nähren.

Wie sehen Neuronen aus?

Neuron diagram

Diagramm eines Neurons.

Neuronen können nur unter dem Mikroskop betrachtet werden und lassen sich in drei Teile aufteilen:

Soma (Zellkörper) – dieser Teil des Neurons empfängt Informationen. Es enthält den Zellkern der Zelle.

Dendriten – diese dünnen Filamente tragen Informationen von anderen Neuronen zum Soma. Sie sind der “Input”-Teil der Zelle.

Axon – diese lange Projektion trägt Informationen aus dem Soma und sendet sie an andere Zellen. Dies ist der “Output”-Teil der Zelle. Normalerweise endet es mit einer Reihe von Synapsen, die sich mit den Dendriten anderer Neuronen verbinden.

Sowohl Dendriten als auch Axone werden manchmal als Nervenfasern bezeichnet.

Axone unterscheiden sich in der Länge sehr stark. Einige können winzig klein sein, während andere über 1 Meter lang sein können. Das längste Axon wird als Dorsalwurzelganglion (DRG) bezeichnet, eine Gruppe von Nervenzellkörpern, die Informationen von der Haut zum Gehirn transportiert. Einige der Axone in der DRG wandern von den Zehen zum Hirnstamm – bis zu 2 Meter bei einem großen Menschen.

Arten von Neuronen

Neuronen können auf verschiedene Weise in Typen unterteilt werden, z.B. nach Verbindung oder Funktion.

Verbindung

Effiziente Neuronen – diese nehmen Nachrichten aus dem zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) auf und liefern sie an Zellen in anderen Teilen des Körpers.

Afferente Neuronen – nehmen Nachrichten aus dem Rest des Körpers auf und liefern sie an das Zentralnervensystem (ZNS).

Interneuronen – diese leiten Nachrichten zwischen Neuronen im ZNS weiter.

Funktion

Sensorisch – überträgt Signale von den Sinnen an das ZNS.

Relais – übertragen Signale von einer Stelle innerhalb des ZNS zu einer anderen.

Motor – Übertragung von Signalen aus dem ZNS zu den Muskeln.

Wie tragen Neuronen eine Botschaft?

Illustration neuron network blue