Mitochondrien regulieren ihre Energieproduktion über den pH-Wert selbst
Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Doch wie sie ihre eigene Leistung an wechselnde Anforderungen anpassen, war bislang weitgehend unbekannt. Neue Forschungsergebnisse enthüllen einen eleganten Selbstregulierungsmechanismus.
In jeder Zelle arbeiten Enzyme in den Mitochondrien zusammen, um über den Zitronensäurezyklus (TCA-Zyklus) Energie zu erzeugen. Zwei dieser Enzyme sind die Malatdehydrogenase (MDH1) und die Citratsynthase (CIT1). Sie können vorübergehend einen Komplex bilden, ein sogenanntes Metabolon. In diesem Verbund reicht ein Enzym sein Produkt direkt an das nächste weiter, was den Zyklus effizienter macht.
Komplex bildet sich und löst sich je nach Aktivität
Die Forschenden, die mit Hefezellen arbeiteten und ihre Ergebnisse in eLife veröffentlichten, zeigten, dass dieser MDH1-CIT1-Komplex dynamischer Natur ist. Wenn Zellen von der aeroben Atmung (Sauerstoffnutzung) in einen weniger aktiven Zustand wechseln, löst sich der Komplex auf. Wird die Atmung wieder aktiviert, bildet er sich erneut. Eine pharmakologische Hemmung des TCA-Zyklus ließ den Komplex auseinanderbrechen. Die Hemmung der Atmungskette, die Elektronen zur Energiegewinnung transportiert, verstärkte die Wechselwirkung hingegen.
Was den Komplex zusammenhält oder auseinandertreibt, hängt offenbar mit dem Säuregrad und dem Oxidationszustand der mitochondrialen Matrix zusammen, also dem Inneren des Mitochondriums. Bereits eine geringe pH-Verschiebung innerhalb des physiologischen Bereichs von 6,0 bis 7,0 verändert, wie stark die beiden Enzyme aneinander binden. Auch die Konzentrationen von Zwischenprodukten des Stoffwechsels wie Malat, Fumarat und Citrat spielen dabei eine Rolle.
Bedeutung für das Altern
Mitochondriale Dysfunktion gehört zu den am konstantesten beschriebenen Merkmalen der Zellalterung. Mit zunehmendem Alter verschlechtert sich die Funktion der Atmungskette, und die pH-Regulation in den Mitochondrien verändert sich. Ob die Dynamik des MDH1-CIT1-Komplexes dabei eine Rolle spielt, beantwortet diese Studie nicht. Doch der Mechanismus eröffnet einen neuen Blickwinkel, um zu verstehen, wie Mitochondrien ihre Leistung an veränderte Bedingungen anpassen und was beim Altern und bei Krankheiten schiefläuft.
Es handelt sich um Grundlagenforschung an Hefezellen. Folgestudien in menschlichen Zellen sind notwendig, um die Übertragbarkeit zu belegen.
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