Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, das trotz seiner geringen Größe etwa 20% der gesamten Körperenergie verbraucht. Dies wirft die Frage auf, wie Nervenzellen Energiestrategien entwickeln, um ihrer anspruchsvollen Funktion gerecht zu werden. Ein Team von Forschern um Prof. Dr. Tatjana Tchumatchenko von der Universität Bonn hat diese Thematik eingehend untersucht, wobei ihre Studien tiefere Einblicke in die Genexpression und deren Einfluss auf das Energiebudget der Zellen bieten.
Die komplexe Materie der Genexpression, die von den Faktoren abhängt, die bestimmen, welche Proteine wann und in welcher Menge in den Zellen produziert werden, spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Wie studyflix.de beschreibt, umfasst die Genexpression mehrere Teilschritte. Das Gehirn muss nicht nur die richtige Art von Proteinen in der richtigen Menge herstellen, sondern auch sicherstellen, dass diese für die jeweilige neuronale Funktion effektiv genutzt werden. Differenzierung und das Verständnis der spezifischen Anforderungen jeder Zellart sind hierbei ausschlaggebend.
Energiestrategien und deren Herausforderungen
Angesichts des hohen Energiebedarfs sind die neuronalen Funktionen strengen Anforderungen unterworfen. Die Synthese und der Abbau neuronaler Moleküle erfordern einen erheblichen zellulären Energieaufwand. Fortschritte in der Biochemie und Mikroskopie erlauben es den Wissenschaftlern, mRNA und Proteine innerhalb der Zellen genau zu kartieren. Die Ergebnisse der Forschung zeigen, dass die Energiesparstrategien sowohl die Menge als auch den Ort der mRNA- und Proteinsynthese beeinflussen. Kurzlebige Proteine beispielsweise sollten nicht im Zellkörper synthetisiert werden, um Energie zu sparen.
Die Erkenntnisse legen nahe, dass Proteine bevorzugt in Dendriten der Neuronen synthetisiert werden. Wenn die Energiekosten für den Transport von mRNA geringer sind als die für den Transport der fertigen Proteine, entscheidet das Gehirn strategisch, wo die Synthese erfolgt. Der energetische Aufwand für die Synthese, den Transport sowie den Abbau der Moleküle hat somit einen direkten Einfluss auf deren räumliche Lokalisierung und die Gesamtorganisation der Genexpression in den Zellen.
Der hohe Energiebedarf des Gehirns
Der hohe Energiebedarf des Gehirns erklärt sich ebenso durch die Funktionsweise von Synapsen, den Verbindungspunkten zwischen Nervenzellen. Wissenschaftler des Weill Cornell Medical College haben in einer eigenen Studie herausgefunden, dass auch die ruhenden synaptischen Vesikel Energie benötigen, um ihre Membranen instand zu halten. Rund 44% des ATP-Verbrauchs einer ruhenden Synapse beruht auf dem ständigen Verlust von Protonen, welches wiederum durch die V-ATPase kompensiert werden muss, die ATP verbraucht. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass der hohe Grundumsatz des Gehirns nicht nur durch aktive synaptische Vorgänge, sondern auch durch die ständigen Ruheprozesse verursacht wird.
Zusammenfassend lassen sich die Erkenntnisse des Forschungsteams um Prof. Dr. Tchumatchenko und die Ergebnisse der Studie zu Synapsen in einem umfassenden Kontext der Neurobiologie betrachten. Der Zusammenhang zwischen Genexpression, neuronaler Energiewirtschaft und der einzigartigen Anfälligkeit des Gehirns für Versorgungsengpässe eröffnet neue Perspektiven für zukünfte Forschung und Verständnis der komplexen biochemischen Prozesse, die unser Denken und Handeln steuern.
Weitere Informationen sind auf uni-bonn.de und forschung-und-wissen.de verfügbar.
