Wissenschaftler haben herausgefunden, dass energieproduzierende Proteine ​​in Mitochondrien große Superkomplexe bilden, die die Effizienz der ATP-Produktion steigern und neue Einblicke in die Zellbiologie, Evolution und Krankheiten liefern. Mitochondrien werden oft als „Kraftwerke“ der Zelle bezeichnet und sind für die Energieerzeugung zuständig, die für nahezu alle wichtigen Zellprozesse erforderlich ist. Universität Basel, SchweizForscher haben nun mithilfe der Kryo-Elektronentomographie Mitochondrien in beispielloser Detailgenauigkeit untersucht und dabei neue Einblicke in ihre innere Struktur gewonnen.

Protonen fließen vom respiratorischen Superkomplex (blau) zum ATP-produzierenden Komplex (rosa) und treiben die Regeneration von ATP in den Mitochondrien an. Bildquelle: Biozentrum/VerenaResh

Ihre Ergebnisse zeigen, dass die für die Energieproduktion verantwortlichen Proteine, der sogenannte Atmungskomplex, nicht allein agieren. Stattdessen bilden sie große Strukturen, sogenannte „Superkomplexe“, die eine Schlüsselrolle bei der effizienten Produktion von ATP, der Hauptenergiequelle der Zelle, spielen.

Mitochondrien kommen in den Zellen fast aller lebenden Organismen vor, darunter Pflanzen, Tiere und Menschen. Sie nutzen den Sauerstoff, den wir atmen, und die Kohlenhydrate in unserer Nahrung, um ATP zu produzieren, das die Grundfunktionen der Zellen antreibt und so Energie produziert.

Obwohl diese Atmungskettenkomplexe bereits vor 70 Jahren entdeckt wurden, ist ihre genaue Organisation innerhalb der Mitochondrien noch immer unbekannt. Mithilfe modernster Kryo-Elektronentomographie-Technologie konnten Forscher um Dr. Florent Waltz und Professor Ben Engel vom Biozentrum der Universität Basel hochauflösende Bilder der Atmungskette direkt im Inneren von Zellen mit beispielloser Auflösung erstellen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

„Unsere Daten zeigen, dass sich Atmungsproteine ​​in bestimmten Membranregionen der Mitochondrien organisieren und zu einem Haupttyp von Superkomplexen zusammenkleben“, erklärt Florent Waltz, Forscher bei SNSFAmbizione und Erstautor der Studie. „Unter dem Elektronenmikroskop sind die einzelnen Superkomplexe deutlich sichtbar – wir können direkt sehen, wie sie aufgebaut sind und funktionieren. Der respiratorische Superkomplex pumpt Protonen durch die Mitochondrienmembran. Der ATP-erzeugende Komplex fungiert wie eine Wassermühle und nutzt diesen Protonenfluss, um die ATP-Produktion anzutreiben.“

Die Forscher untersuchten Mitochondrien in lebenden Zellen von Chlamydomonas reinhardtii. „Wir waren sehr überrascht, dass alle Proteine ​​tatsächlich in solchen Superkomplexen organisiert waren“, sagte Walz. „Diese Struktur könnte die ATP-Produktion effizienter machen, den Elektronenfluss optimieren und den Energieverlust minimieren.“

Neben dem Superkomplex konnten die Forscher auch die mitochondriale Membranstruktur genauer untersuchen. „Es erinnert ein wenig an Lungengewebe: Die innere Mitochondrienmembran hat viele Falten, die die Oberfläche vergrößern, um möglichst viele Atmungskomplexe aufzunehmen“, sagte Engel.

In Zukunft wollen die Forscher herausfinden, warum Atmungskomplexe miteinander verbunden sind und wie diese Synergie die Effizienz der Zellatmung und Energieproduktion steigert. Die Forschung könnte auch neue Erkenntnisse zu Biotechnologie und Gesundheit liefern.

„Indem wir die Struktur dieser Komplexe in anderen Organismen untersuchen, können wir ein umfassenderes Verständnis ihrer grundlegenden Organisation gewinnen“, erklärt Walz. „Dies könnte nicht nur evolutionäre Anpassungen aufdecken, es könnte uns auch helfen zu verstehen, warum die Störung dieser Komplexe zu Krankheiten beim Menschen führt.“

Zusammengestellt von /ScitechDaily