Mitochondrien: Die Energieversorgung der Nervenzelle

Nervenzellen, die Bausteine unseres Nervensystems, sind hochspezialisierte Zellen, die für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Nervenimpulsen zuständig sind. Um diese Aufgaben effizient zu erfüllen, benötigen sie eine konstante und zuverlässige Energieversorgung. Diese Energie wird hauptsächlich von den Mitochondrien bereitgestellt, den "Kraftwerken" der Zelle. Dieser Artikel beleuchtet die Rolle der Mitochondrien in Nervenzellen, ihre Funktionen, ihre Bedeutung für die Gesundheit und die Auswirkungen von mitochondrialen Dysfunktionen.

Die Bedeutung der Mitochondrien für Nervenzellen

Mitochondrien sind Zellorganellen, die in fast allen menschlichen Zellen vorkommen. Eine Ausnahme bilden rote Blutkörperchen. Besonders hohe Konzentrationen von Mitochondrien finden sich in Eizellen, Nervenzellen, Muskelzellen und Sinneszellen. Sie sind für die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) verantwortlich, dem universellen Energieträger der Zelle. ATP liefert die notwendige Energie für fast alle biochemischen Prozesse im Körper, einschließlich der Aufrechterhaltung des Membranpotentials und der Signalübertragung in Nervenzellen.

Der hohe Energiebedarf von Nervenzellen

Kein anderes Organ unseres Körpers verbraucht so viel Energie wie das Gehirn. Das menschliche Gehirn besteht aus rund 86 Milliarden Neuronen. Allein dein Gehirn benötigt im Schnitt 500 Kilokalorien pro Tag. Nervenzellen sind besonders auf die Energieproduktion der Mitochondrien angewiesen. Die Prozesse im Inneren der Zelle verbrauchen eine gehörige Menge davon. Im Vergleich zu anderen Zellen sind Neurone teilweise extrem lang und verfügen mit ihren Dendritenbäumen und dem Axon über Fortsätze, die - im Fall der Axone - einen Meter und länger werden können. Auch deren fernstes Ende, das Endknöpfchen, braucht Energie, denn es muss seine Botenstoffe an der Synapse freisetzen. Diese vier Kompartimente des Neurons - Dendriten, Zellkörper, Axon und Präsynapse - haben unterschiedliche Ansprüche der Versorgung, aber alle brauchen die Energie sofort.

Die Struktur und Funktion der Mitochondrien

Mitochondrien sind von einer doppelten Membran umgeben. Die innere Membran ist stark gefaltet und bildet zahlreiche Cristae, die die Oberfläche erheblich vergrößern. Im Inneren der Mitochondrien befinden sich die mitochondriale DNA (mtDNA) und die Ribosomen. Von den Ribosomen werden 13 Proteine hergestellt. Diese Proteine werden daher direkt im Mitochondrium produziert, und zwar von speziellen Proteinfabriken, Mitoribosomen genannt, die nur in diesem Organell vorkommen. Die Mitoribosomen zusammenzubauen, ist für die Zelle eine logistische und koordinative Herausforderung, die bislang nur unvollständig untersucht ist: Denn die Bauanleitungen für die Grundbausteine der Mitoribosomen - die ribosomale RNA und 82 ribosomale Proteine - sind in zwei verschiedenen Genomen verschlüsselt. Erstere ist im Mitochondrien-Genom kodiert, letztere sind im Genom des Zellkerns verschlüsselt. Die vorgefertigten Proteinmodule stehen also im Überschuss zur Verfügung.

Die vielfältigen Aufgaben der Mitochondrien

Mitochondrien sind nicht nur für die Energieproduktion zuständig, sondern erfüllen auch andere wichtige Funktionen in der Zelle:

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• Zelltod (Apoptose): Mitochondrien spielen eine entscheidende Rolle bei der Auslösung des programmierten Zelltods, der wichtig ist, um beschädigte oder infizierte Zellen zu eliminieren.
• Stoffsynthese: Mitochondrien sind an der Synthese von Stoffen wie Steroidhormonen (Cortisol, Östrogen und Testosteron) beteiligt.
• Calciumhaushalt: Sie sind an der Regulierung des intrazellulären Calciumhaushalts beteiligt.

Mitochondriale Dysfunktion und ihre Auswirkungen auf Nervenzellen

Wenn die Mitochondrien krank oder geschwächt sind, kommt es zu den unterschiedlichsten Funktionsstörungen. Man spricht von einer mitochondrialen Dysfunktion. Kranke Mitochondrien können nicht mehr genügend Energie produzieren. Symptome wie Muskelschwäche, Müdigkeit, neurologische Störungen und Herzinsuffizienz treten auf. Auch häufen sich bei Energiemangel giftige Zellstoffwechselprodukte (Schlacken) in der Zelle an, die von einer gesunden Zelle mit gesunden Mitochondrien ausgeschieden werden würden. Wenn Mitochondrien nicht mehr zur Apoptose beitragen können, dann können beschädigte oder fehlerhafte Zellen im Körper überleben.

Ursachen mitochondrialer Dysfunktion

Sekundäre Mitochondriopathien entstehen durch externe Einflüsse, die zu Mitochondrienschäden führen. Externe Einflüsse sind z. Chronische Erkrankungen (z. B. Diabetes, Alzheimer), Schadstoffe (Pestizide, Schwermetalle, BPA u. a.), falsche Ernährung, Bewegungsmangel und Medikamente (z. B. Statine, Antibiotika, Chemotherapeutika).

Mitochondriale Dysfunktion und neurodegenerative Erkrankungen

Mehr und mehr Untersuchungen zeigen, dass Störungen der Mitochondrien mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen wie zum Beispiel Parkinson, Ataxien und peripheren Neuropathien zusammenhängen. Wodurch diese Funktionsstörungen der Mitochondrien verursacht werden, ist im Detail noch nicht bekannt.

• Alzheimer: Bei Alzheimer lagern sich pathologische Proteinaggregate wie Beta-Amyloid und Tau-Proteine ab, die die Funktion der Zellorganellen beeinträchtigen und letztlich zum Zelluntergang führen.
• Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Bei ALS kommt es zu einem progressiven Abbau von Motoneuronen, wobei vor allem das Perikaryon degeneriert.
• Parkinson: Speziell Nervenzellen benötigen viel Energie und sind deshalb besonders von diesen Organellen abhängig. Bei verschiedenen vererbten aber auch alterungsbedingten neurodegenerativen Erkrankungen wie zum Beispiel Parkinson können Schäden an den Mitochondrien auftreten.

Die Rolle des Perikaryons

Das Perikaryon bildet den zentralen Zellkörper einer Nervenzelle und beherbergt den Zellkern sowie wichtige Organellen für die Proteinsynthese und den Stoffwechsel. Es dient als Schaltzentrale der Nervenzelle und ist maßgeblich an der Verarbeitung von Signalen beteiligt. Durch seine zentrale Rolle ist es nicht nur funktionell von großer Bedeutung, sondern auch anfällig für pathologische Prozesse, die zu neurodegenerativen Erkrankungen führen können.

Strategien zur Stärkung der Mitochondrien in Nervenzellen

Die gute Nachricht ist, dass es verschiedene Strategien gibt, um die Gesundheit und Funktion der Mitochondrien in Nervenzellen zu unterstützen:

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Ernährung und Nahrungsergänzung

• Ausgewogene Ernährung: Eine ausgewogene Ernährung mit viel Gemüse, Obst und gesunden Fetten ist wichtig, um die Mitochondrien mit den notwendigen Nährstoffen zu versorgen.
• Mikronährstoffe: Bestimmte Mikronährstoffe wie Magnesium, B-Vitamine, Alpha-Liponsäure und sekundäre Pflanzenstoffe spielen eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel und können die Funktion der Mitochondrien unterstützen.
• Coenzym Q10 (CoQ10): CoQ10 ist essenziell für die Funktion der Mitochondrien. Ein CoQ10-Mangel kann somit zu mitochondrialer Dysfunktion führen. Mit zunehmendem Alter nimmt die körpereigene Produktion von CoQ10 ab, so dass jetzt die Gefahr für eingeschränkte Mitochondrienfunktionen wächst.
• Antioxidantien: Vitamin C, Vitamin E, Zink, Selen und Glutathion schützen die Mitochondrien vor Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS).
• Carnitin: Carnitin spielt eine Schlüsselrolle im Energiestoffwechsel, insbesondere in der Fettverbrennung.
• NMN (Nikotinamid-Mononukleotid): NMN ist ein Vorläufer von NAD+, das die mitochondriale Biogenese und Reparatur fördert.

Lebensstil

• Regelmäßige Bewegung: Ausdauertraining erhöht die mitochondriale Kapazität und Effizienz.
• Ausreichend Schlaf: Während des Schlafs finden regenerative Prozesse statt, einschließlich der Reparatur und Erneuerung von Mitochondrien.
• Intermittierendes Fasten: In den Fastenphasen wird der Körper gezwungen, auf alternative Energiequellen zurückzugreifen, wodurch er die Effizienz der ATP-Produktion verbessert.
• Stressmanagement: Chronischer Stress erhöht oxidativen Stress und schädigt die Mitochondrien.
• Entgiftung: Vermeiden Sie Substanzen, die die Mitochondrien schädigen könnten, und führen Sie regelmäßig Entgiftungen durch.

Medikamente und Substanzen, die Mitochondrien schädigen können

Auch manche Medikamente können Ihre Mitochondrien schädigen, z. Statine, Antibiotika (Aminoglykoside (z. B. Gentamicin) oder Chloramphenicol und Tetracycline), Chemotherapeutika (z. B. Cisplatin), antiretrovirale Medikamente (HIV-Therapie), manche Psychopharmaka (z. B. Valproinsäure (Antiepileptikum und Stimmungsstabilisator), Paracetamol in hohen Dosen oder auch Metformin (in hohen Dosen oder in Kombination mit anderen Faktoren (z. B.

Anpassung des Stoffwechsels in Nervenzellen

Wissenschaftler haben entdeckt, dass Nervenzellen anders als bisher gedacht ihren Stoffwechsel anpassen und somit Schäden von den Mitochondrien abwenden können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben darüber hinaus eine Umstellung des Stoffwechsels identifiziert, die sogenannte Anaplerose. Dabei füllt die Zelle den Krebszyklus zusätzlich mit Zwischenprodukten des Stoffwechsels auf. Dies macht Nervenzellen gegenüber einer ansonsten rasch fortschreitenden Degeneration unempfindlich.

Die Rolle des Endoplasmatischen Retikulums (ER)

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist das größte Zellorganell und erfüllt zahlreiche Aufgaben. So spielt es eine zentrale Rolle bei der Synthese und dem Transport von Proteinen und Lipiden sowie bei der Speicherung von Kalzium. Obwohl eine Fehlfunktion des ER mit der Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen in Verbindung gebracht wird, wissen wir nur sehr wenig darüber, wie dieses riesige Organell die einzigartige Funktion der Zellen unseres Nervensystems unterstützt. Nervenzellen sind verantwortlich für unsere Fähigkeit, uns zu erinnern und alle notwendigen Lebensfunktionen zu koordinieren. Und sie haben ganz besondere Eigenschaften. Sie sind z.B. sehr groß, denn ihre Hauptaufgabe ist die Übertragung von Impulsen über extrem lange Strecken.

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