Wie Nervenzellen Energie sparen: Neue Forschung enthüllt Geheimnisse!

Uni Bonn, Deutschland - Das Gehirn des Menschen verbraucht etwa 20% der gesamten Körperenergie, obwohl es nur 2% des Körpergewichts ausmacht. Diesen hohen Energiebedarf haben Forscher um Prof. Dr. Tatjana Tchumatchenko von der Universität Bonn im Rahmen ihrer aktuellen Studie untersucht. Der Grund für den enormen Energieverbrauch liegt in den zahlreichen elektrischen und chemischen Signalen, die für die Kommunikation der Nervenzellen notwendig sind.

Laut den Forschern unterliegt die neuronale Funktion strengen energetischen Einschränkungen. Eine zentrale Erkenntnis der Arbeit ist, dass die Synthese und der Abbau von neuronalen Molekülen einen hohen zellulären Energieaufwand erfordern. In diesem Zusammenhang ist die Genexpression von entscheidender Bedeutung, da Neurone Proteine benötigen, die durch diesen Prozess hergestellt werden. Die Generierung von Messenger-RNA (mRNA) und deren anschließende Translation in Proteine sind essentielle Schritte bei der Proteinproduktion.

Energiesparstrategien der Nervenzellen

Die Studie zeigt, dass die Anzahl und der Ort von mRNA und Proteinen in Nervenzellen maßgeblich durch Energiesparstrategien determiniert werden. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Proteinproduktion, wobei nicht jede Zelle jedes Gen exprimiert. Diese differenzielle Genexpression ist besonders wichtig, da unterschiedliche Zelltypen im Körper spezifische Aufgaben übernehmen. Zum Beispiel sind konstitutive Gene, die durchgehend benötigt werden, und fakultative Gene, die je nach Bedarf aktiv sein können, von Interesse.

Zusätzlich ermöglicht die Fortschritte in der Biochemie und Mikroskopie eine präzise Kartierung von mRNA und Proteinen in Zellen. Mithilfe solcher technischen Entwicklungen konnten die Forscher zum Beispiel zeigen, dass kurzlebige Proteine nicht im Zellkörper synthetisiert werden sollten, um Energie zu sparen. Stattdessen findet die Synthese bevorzugt in Dendriten statt, wenn der Energieverlust beim Transport größer ist als die Kosten für den mRNA-Transport.

Hoher Energiebedarf und seine Bedeutung

Der hohe Energiebedarf des Gehirns ist auch in Ruhephasen, wie während des Schlafs oder sogar im Koma, bemerkenswert. Eine Studie des Weill Cornell Medical College, geleitet von Camila Pulido und Timothy Ryan, hat herausgestellt, dass Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen darstellen, maßgeblich für den hohen Energieverbrauch verantwortlich sind. Der Energiebedarf bleibt auch dann hoch, wenn keine aktiven Signale über die Synapsen gesendet werden.

Die Untersuchung zeigt, dass die Membranen von ruhenden synaptischen Vesikeln ständig Protonen verlieren, was einen kontinuierlichen Energieverbrauch erfordert. Um diesen Verlust auszugleichen, kommt die V-ATPase zum Einsatz, die ATP verbraucht. Laut den Forschern resultieren etwa 44% des ATP-Verbrauchs einer ruhenden Synapse aus diesem Prozess. Angesichts der Tatsache, dass das Gehirn aus hundert Billionen Synapsen besteht, wird klar, warum es einen so hohen Grundumsatz hat, verglichen mit anderen Geweben. Diese Erkenntnisse erklären auch die Anfälligkeit der Nervenendigungen gegenüber Versorgungsengpässen.

Insgesamt erweitern die Ergebnisse der Studie nicht nur unser Verständnis der Organisation und Regulierung der Genexpression in Zellen, sondern bieten auch neue Perspektiven zur Verknüpfung bestehender Datensätze aus verschiedenen Laboren. Dies ist besonders relevant, da die Regulierung der Proteinproduktion entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Nervenzellen ist und somit Einfluss auf unsere gesamte Gehirnaktivität hat.