Einblicke in mitochondriale "stromnetze" erhöhen das verständnis des herzmuskels


Einblicke in mitochondriale

Eine neue Studie zeigt weitere Erkenntnisse darüber, wie elektrische "Stromnetze" von miteinander verbundenen Mitochondrien in Herzmuskelzellen arbeiten. Es zeigt, dass das Netz einer Zelle mehrere kleinere Subnetze umfasst und einen Mechanismus, der in ähnlicher Weise wie ein Leistungsschalter wirkt. Diese Merkmale erlauben es dem Gitter, die Zelle weiter zu unterstützen, indem sie die Ausbreitung lokaler Ausfälle wie den krankheitsbedingten Zusammenbruch einzelner Mitochondrien einschränken.

Forscher verwendeten hochauflösende Bildgebung, um Mitochondrien in einer einzigen Herzzelle zu betrachten - die, die in diesem Bild rot markiert wurden, wurden ultraviolettem Licht ausgesetzt.

Bild: NHLBI

Die Studie ist die Arbeit eines Teams an den National Institutes of Health (NIH) in Bethesda, MD, und es ist in der Zeitschrift veröffentlicht Zellberichte .

Lead-Autor Dr. Brian Glancy, des Muscle Energetics Laboratory bei NIH's National Heart, Lung und Blood Institute (NHLBI), und Kollegen glauben, dass ihre Ergebnisse wichtige Hinweise darauf geben, wie gesund und krank Herz und Skelettmuskulatur funktioniert.

Solche Kenntnisse, so sagen sie, könnten das Verständnis von Bedingungen wie Mitochondrienerkrankungen, Herzerkrankungen und Muskeldystrophie erhöhen.

Muskelzellen müssen viel Energie zur Kraft Bewegung der Muskeln, die eine Reihe von Funktionen, von der Bewegung der Arme und Beine, um das Herz zu pumpen.

Um diese Energie zu versorgen, enthalten Muskelzellen viele winzige Fächer oder Organellen, die Mitochondrien genannt werden, die die Wissenschaftler oft als "Kraftpaket" der Zellen beschreiben.

Mitochondrien bilden ein zellulares "Stromnetz"

Mitochondrien sind spezialisierte Organellen, die Zucker, Fette und andere Nährstoffe in energiereiche Moleküle umwandeln - besonders ein bekannt als Adenosintriphosphat (ATP).

Mitochondrien haben einige ungewöhnliche Eigenschaften. Zum Beispiel haben sie zwei umgebende Membranen und ihren eigenen genetischen Code, der sich von dem unterscheidet, der in der DNA im Zellkern gehalten wird.

Sie teilen sich auch unabhängig von der Zelle; Ihr Timing und die Replikationsrate ist nicht mit der der Zelle gekoppelt.

Um die ATP zu produzieren, beruhen die Mitochondrien auf ihren beiden Membranen: eine äußere, die Löcher hat, die groß genug sind, um Ionen durchzulassen, und eine innere, die weniger durchlässig ist.

Diese und andere Unterschiede zwischen den beiden Membranen erlauben es den Mitochondrien, einen Spannungsunterschied über sie zu erhalten, der als ein temporärer Speicher von Energie (ähnlich wie eine Batterie), die für die Produktion von ATP wesentlich ist, durch einen Prozess namens oxidative Phosphorylierung wirkt.

Doch nach der Verwendung von hochauflösenden 3D-Bildern zur Untersuchung von Mitochondrien in Mäuseskelettmuskelzellen berichtete das gleiche NIH-Team über eine bahnbrechende Studie, die im Jahr 2015 veröffentlicht wurde und die einige der langjährigen Meinungen über die Mitochondrien auf den Kopf brachte: die Chemikalie Die Diffusion von ATP war nicht das einzige Mittel zur Energieverteilung in Zellen.

In dieser Studie zeigte das Team, dass die in der Spannung über die beiden Membranen der Mitochondrien gespeicherte elektrische Energie eine primäre Energiequelle in der Zelle und "der dominierende Weg für die Skelettmuskel-Energieverteilung" war. Die Studie stellte fest, dass die Mitochondrien als "Stromnetz" in der Zelle wirken.

Mitochondriales Stromnetz verfügt über eingebaute Sicherheitsmerkmale

In der neuen Studie nehmen Dr. Glancy und Kollegen die früheren Erkenntnisse weiter und zeigen, dass das mitochondriale Stromnetz eingebaute Sicherheitsmerkmale aufweist, die es der Zelle ermöglichen, weiter zu arbeiten, wenn ein Teil des Netzes einen Fehler verursacht.

Wieder mit Hilfe von hochauflösenden 3D-Bildern und lichtaktivierten Sonden und der Arbeit mit Maus-Herzmuskel- und Skelettmuskelzellen entdeckte das Team, dass die Stromnetze in diesen Zellen Subnetze von Mitochondrien umfassen, die durch "intermitochondrialen" verbunden sind Kreuzungen ", die in ähnlicher Weise zu Leistungsschaltern wirken.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Anordnung es ermöglicht, dass fehlerhafte Mitochondrien in Sekundenschnelle "elektrisch vom Netz getrennt werden", so dass die Integrität des Gesamtgitters so gewährleistet ist, dass es die Zelle weiterhin mit Energie versorgen kann.

Die Forscher vergleichen den Prozess mit dem des Stromnetzes einer Stadt. Wenn Blitze schlagen, könnten die Lichter über die ganze Stadt für ein oder zwei Sekunden flackern, aber dank der Anordnung von Leistungsschaltern und Subnetzwerken erholt sich das Raster schnell und die Verlustleistung ist auf einen kleinen Teil des Netzes beschränkt. Sie schließen:

Dieses mitochondriale Netzwerkschutzsystem begrenzt die Ausbreitung lokaler Ausfälle und ermöglicht die schnelle Wiederherstellung unbeschädigter Mitochondrien, um die zelluläre Funktion zu erhalten."

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