Einblick in den Energiehaushalt der Zelle

23.12.2014: Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts kann man mit Lichtmikroskopen nicht sehen – zumindest dachte man das lange. Mittlerweile wurden aber besondere Tricks entwickelt, um diese Regel zu umgehen. Forschende der Vetmeduni Vienna haben in Kooperation mit der Technischen Universität Wien (TU Wien) Mitochondrien in Nervenzellen untersucht. Mit Hilfe eines Superauflösungs-Mikroskops fanden sie heraus, dass nicht alle Mitochondrien in den Nervenzellen gleich sind. Sie enthalten nämlich unterschiedliche Proteine. Damit können Details über den Stoffwechsel der Zellen entschlüsselt werden. Die Studie wurde im Journal PNAS veröffentlicht.

Mitochondrien sind Zellorganellen, die Energie für den Organismus produzieren. Ein Mitochondrium hat eine glatte Außenmembran, unter der sich eine schlingenartig aufgefächerte Innenmembran verbirgt. Proteinkomplexe transportieren im Inneren der Mitochondrien Protonen und bauen elektrische Spannung auf. Diese elektrische Spannung nutzen bestimmte Proteine, um Adenosintriphosphat (ATP), einen universalen Energieträger in den Zellen, zu erzeugen.

In den Mitochondrien befinden sich auch sogenannte UCPs, (Uncoupling Proteins oder Entkopplerproteine). Sie können durch eine Art Kurzschluss die elektrischen Ladungsunterschiede in Mitochondrien ausgleichen. „Grundsätzlich gibt es etwa fünf verschiedene UCPs, also UCP1 bis UCP5, wobei die eindeutige Funktion bisher nur für UCP1 aufgeklärt werden konnte“, erklärt Elena Pohl von der Abteilung für Physiologie und Biophysik an der Vetmeduni Vienna. UCP1 ist für die Wärmeerzeugung ohne Muskelaktivität bei Babys und winterschlafenden Tieren verantwortlich. In vorangegangenen Studien zeigte ein Forschungsteam um Elena Pohl, dass UCP2 in Muskelzellen vorkommt, UCP4 lediglich in Nervenzellen.

Elena Pohl und ihre KollegInnen zoomten gemeinsam mit dem Team der TU Wien ins Innere der Mitochondrien. Mit Hilfe von Fluoreszenzmessungen konnten sie zeigen was sich in den Kraftwerken der Zelle abspielt. „Wir haben gesehen, dass sich die ATP-Synthase, also ein Protein das ATP erzeugt, im Zentrum der Mitochondrien befindet“, erklärt Pohl. „UCP4 ist weiter außen im Bereich der Außenmembran aktiv. Die beiden Proteine stehen sich also nicht im Wege. Sie konkurrieren nicht um Spannung. Bislang war unklar, wie diese beiden Proteine mit ihrer potenziellen Konkurrenzsituation umgehen. Nun wissen wir, dass sie räumlich voneinander getrennt sind.“

Blick ins Innere einer Nervenzelle

Die Forschungsteams untersuchten auch die Verteilung der Mitochondrien innerhalb einzelner Nervenzellen. Es stellte sich heraus, dass Mitochondrien, die sich in der Nähe des Zellkörpers befinden, eher mit UCP4-Proteinen befüllt sind. Im Bereich der Synapse, das ist die Stelle an der sich eine Nervenzelle mit einer anderen verknüpft, findet sich eher das Protein ATP-Synthase in den Mitochondrien. „Möglicherweise baut UCP4 überschüssige Spannung in den Zellen ab. Insgesamt sind die Aufgaben der verschiedenen UCPs aber noch recht unerforscht“, so Pohl.

In zukünftigen Projekten wollen Pohl und ihre KollegInnen verschiedene Zellarten auf ihre Stoffwechselrate hin untersuchen. Mit der Messung des Sauerstoffverbrauchs und dem pH-Wert außerhalb der Zellen, lassen sich Rückschlüsse auf den Stoffwechsel ziehen. Dabei soll auch die Rolle der UCPs weiter erforscht werden.

Die wissenschaftliche Publikation “Super-resolution microscopy reveals spatial separation of UCP4 and F0F1-ATP synthase in neuronal mitochondria” von Enrico Klotzsch, Alina Smorodchenko, Lukas Löfler, Rudolf Moldzio, Elena Parkinson, Gerhard J. Schütz und Elena E. Pohl erschien am 22.12.2014 im Journal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.): Zur wissenschaftlichen Publikation “Super-resolution microscopy reveals spatial separation of UCP4 and F0F1-ATP synthase in neuronal mitochondria” [Link 1]

Weitere Bilder auf der Website der TU Wien: Zur Website der TU Wien [Link 2]

 

Weitere Informationen


 

Pressefoto

Die von Elena Pohl und ihrem Team untersuchten Neuronen, die spezifisch für einen neuronalen Marker (MAP) gefärbt sind. (Foto: © Alina Smorodchenko/Vetmeduni Vienna) (JPG, 1,5 MB)

 

Rückfragehinweis

Univ.-Prof. Dr.med. Elena Pohl
T +43 1 25077-4570
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Aussenderin

Dipl.-Ing. (FH) Dr.rer.nat. Susanna Berger
T +43 1 25077-1153
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