Mitochondrien und ihre Aufgaben

AUFBAU UND MORPHOLOGIE

Mitochondrien sind von zwei Phospholipid-Doppelmembranen umgeben und gliedern sich in äußere Membran, Intermembranraum, innere Membran, Matrix und Cristae (Abb. 2-1).

Die äußere Membran (OMM: outer mitochondrial membrane) gleicht im Aufbau und der Zusammensetzung der Zellmembran und ist aufgrund von Porinen und Kanälen durchlässig für Moleküle bis zu einer Größe von 5 kDa. Die innere Membran (IMM: inner mitochondrial membrane) hat eine sehr spezielle Zusammensetzung und ist zur Vergrößerung der Oberfläche stark gefaltet. Sie enthält Enzyme der Atmungskette und ist weniger durchlässig für Moleküle als die OMM, was den Aufbau eines elektrochemischen Gradienten

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ermöglicht. In der Matrix befinden sich Enzyme des Citrat-Zyklus und die mitochondriale DNA. Neuere Arbeiten beschreiben Cristae als separate Strukturen mit tubulären Verbindungen zur inneren Membran und eigenen Innenraum [62]. Man geht davon aus, dass Mitochondrien aus einst selbständigen Lebewesen nach der Aufnahme durch die Wirtszelle mit der Zeit zu Organellen höherer Lebewesen wurden (Endosymbionten-Theorie) [zusammengefasst in 63].

Abbildung 2- 1. Aufbau von Mitochondrien

Die Morphologie von Mitochondrien ist plastisch, wobei in den meisten Zelltypen Mitochondrien als lange miteinander verbundene tubuläre Strukturen vorkommen [64].

Mitochondriale Fusion, also das Verschmelzen von Mitochondrien, und der entgegengesetzte Prozess, die Fission, bestimmen die Morphologie und werden unter dem Überbegriff mitochondriale Dynamik zusammengefasst. Die Fission wird hauptsächlich durch die Proteine DRP1 (dynamin-related protein 1) und FIS1 (fission 1 protein) kontrolliert.

DRP1 ist ein zytoplasmatisches Protein, das nach der Bindung an die OMM oligomerisieren und eine Abschnürung bewirken kann. Zu Proteinen, die mit einer Fusion in Verbindung gebracht werden, zählen u.a. Mitofusine. Viele der molekularen Prozesse, die zur Fusion und Fission führen sind noch weitestgehend unbekannt [64, 65].

Mitochondrien sind mit dem ER und dem Zytoskelett verbunden. Interaktionen zwischen ER und Mitochondrien können Fissionsstellen markieren und tragen wahrscheinlich auch zur Teilung bei [66, 67]. Untersuchungen des axonalen Transports zeigten, dass der Transport von Mitochondrien sowohl entlang von Mikrotubuli als auch von Aktinfilamenten geschieht [zusammengefasst in 68].

ENTSTEHUNG UND WIRKUNG VON REAKTIVEN SAUERSTOFFSPEZIES

Der Begriff reaktive Sauerstoffspezies oder -intermediate (auch ROS genannt: reactive oxygen species) umfasst Sauerstoffmetabolite, die als natürliche Folge der aeroben Lebensweise in der Atmungskette entstehen, aber auch aktiv auf zellulärer Ebene generiert werden können und dann zur Abtötung von Krankheitserregern beitragen. Zunächst wurden ROS (generiert durch die Atmungskette) ausschließlich eine zellschädigende Wirkung zugeschrieben [47]. Eine wachsende Anzahl neuerer Publikationen zeigt, dass ROS auch eine elementare Rolle in der Signaltransduktion als sekundäre Botenstoffe intakter Zellen zukommt [zur allgemeinen Übersicht 7].

Wasserstoffperoxid (H2O2) konnte als erstes reaktives Sauerstoffintermediat und Nebenprodukt der Atmungskette beschrieben werden [69–71]. Später wurde nachgewiesen, dass dies nur ein Folgeprodukt der Dismutation des Superoxidanions (auch Hyperoxid

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genannt; O2⁻•) ist [72]. Superoxidanionen entstehen durch die Ein-Elektron-Reduktion von molekularem Sauerstoff [zusammengefasst in 73].

Zu den Bildungsorten von Superoxidanionen zählt in erster Linie die Elektronentransport-kette (Abb. 2-2). Mitochondrial produzierte ROS werden im Folgenden als mROS bezeichnet.

Der Elektronentransport führt zum Aufbau eines elektrochemischen Gradienten über die IMM, wobei Elektronen von NADH und FADH2 unter Beteiligung mehrerer Komplexe auf Sauerstoff übertragen werden (Abb. 2-2, schwarze unterbrochene Linie) [63]. Am höchsten ist die Bildung von Superoxidanionen am Flavinmononukleotid-Kofaktor auf der Matrixseite des Komplex I. Möglicherweise kommt es aber auch nahe der Ubichinon-Bindestelle zur Bildung von Superoxidanionen [74]. Komplex III nimmt Elektronen von Ubichinol auf und kann diese unter bestimmten Umständen auf Sauerstoff übertragen. Die entstehenden Superoxidanionen können zu beiden Seiten entlassen werden. Die Superoxidproduktion am Komplex III ist gering und steigt nur durch die Hemmung des Elektronentransports an diesem Komplex stark an. Es ist dennoch möglich, dass die geringe Superoxidfreisetzung physiologisch relevant ist [75]. Weitere Enzyme, die zur Bildung von Superoxidanionen beitragen können, sind Glycerol-3-Phosphat-Dehydrogenase (GPDH), Acetyl-Co-A-Dehydro-genase (über die ETF:CoQ-Oxidoreduktase),α-KetoglutaratdehydroAcetyl-Co-A-Dehydro-genase (α-KGDH) und Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) (Abb. 2-2). Diese Enzyme sind Bestandteile des Citrat-Zyklus (α-KGDH), der Glykolyse (PDH, z.T. GPDH) und des Fettsäureabbaus (ETF-Q-Oxidoreduktase).

Ihr Beitrag zur Bildung von Superoxidanionen ist jedoch verglichen mit der Elektonentransportkette eher gering [75, 76].

Abbildung 2- 2. Bildungsorte von mROS [Abbildung adaptiert und modifiziert nach 77, 78]. Dargestellt ist die Elektronentransportkette mit den Komplexen I, II, III und IV, sowie die Elektronenüberträger Ubichinon (Q) und Cytochrom c (Cyt c). Elektronen (e⁻) durchwandern diese Proteine in angegebener Richtung (schwarze unterbrochene Linie). Innerhalb der Atmungskette entstehen Superoxidanionen (O2−•) an den Komplexen I und III. Weitere mitochondriale Enzyme, die zur Bildung von mROS beitragen sind Glycerol-3-Phosphat-Dehydrogenase (GPDH), ETF-Q-Oxidoreduktase (ETFQOR), Pyruvat-Glycerol-3-Phosphat-Dehydrogenase (PDH) und α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (α-KGDH) bei dem Umsatz ihrer jeweiligen Substrate.

Superoxidanionen sind sehr instabil und können nicht-enzymatisch in wässriger Lösung oder enzymatisch durch Superoxiddismutasen zu H2O2 reagieren [7]. H2O2ist wesentlich

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stabiler und darüber hinaus membranpermeabel, weshalb es auch außerhalb von Mitochondrien wirksam ist [79]. Zu den ROS zählen noch eine Vielzahl weiterer Intermediate, welche allerdings in dieser Arbeit nicht behandelt werden.

In niedrigen Konzentrationen wirkt H2O2 als mildes Oxidationsmittel und kann durch die Oxidation von Cysteinresten die Proteinaktivität beeinflussen (Abb. 2-3). Die Nähe von positivgeladenen Aminosäuren begünstigt die Deprotonierung von Cysteinen (Thiolat-Anion), welche infolgedessen durch H2O2 oxidiert werden können. Ausgehend hiervon können sich intra- oder intermolekulare Disulfidbrücken bilden, welche die Proteinstruktur stark verändern. Dieser Zustand ist jedoch reversibel und durch Antioxidantien wieder in den Ausgangszustand überführbar. Die weitere Einwirkung von H2O2 führt zur Sulfonisierung von Proteinen, ein irreversibler Zustand, der die zellschädige Wirkung von H2O2 offenbart [48, 78].

Um die Zelle vor einer unkontrollierten ROS-Akkumulation zu schützen, besitzt sie Antioxidantien. Das sind Substanzen, die in relativ geringen Mengen fähig sind, mit oxidierbaren Agenzien zu konkurrieren und damit deren Oxidation zu verzögern oder zu inhibieren [80]. Zu den zellulär bedeutsamen Antioxidantien zählen Superoxiddismutase, Katalase, Gluthation, Peroxidase sowie Vitamin E und A [80].

Unterschiedliche zelluläre Zustände können die Bildung von mROS fördern [gemäß 75].

Eine durch Ischämie, Apoptose oder andere Ursachen gestörte Atmungskette führt zur hohen mROS-Produktion an Komplex I. Die höchste Menge an Superoxidanionen wird bei reversem Elektronentransport (RET; also ein Elektronenfluss von Ubichinon zu Komplex I) an Komplex I freigesetzt. Ein hohes Membranpotential bei einer gleichzeitig geringen Atmung sind Voraussetzungen für einen RET und gleichzeitig Bedingungen, die für aktivierte T-Zellen zutreffen [81, 82]. Aber auch unter „normalen“ Bedingungen kann die Beteiligung von allen potentiellen Bildungsorten zu einer physiologisch relevanten Menge mROS führen.