Welche Funktionen der Zellen lassen nach?

Gealterte Zellen funktionieren nicht mehr so gut wie jüngere. Aber wir sind dem nicht hilflos ausgeliefert, sondern wir können unsere Zellen unterstützen.

Eine Zelle können wir uns wie ein Haus vorstellen. Ein altes Haus unterscheidet sich grundlegend von einem neu gebauten, denn der Zustand der Bauteile verschlechtert sich über die Jahrzehnte. Deshalb muss vielleicht irgendwann ein Statiker kommen und begutachten, ob die Teile noch in Ordnung sind. Genau das muss auch mit den Bauteilen einer Zelle passieren. Das übernehmen das ? Proteasom und die ? Autophagie, zwei Qualitätskontrollmechanismen. Muss bei einem Haus etwas erneuert werden, sollte man die Originalpläne zur Hand haben, damit auch das Richtige repariert wird. Die Baupläne der Zellen sind die DNA. In den Zellkernen gibt es Kontrollen, die deren ? Qualität sicherstellen. Damit wir uns in unserem Haus wohlfühlen, müssen wir kontrollieren, ob Vorräte eingekauft wurden und ob der Kühlschrank gut gefüllt ist. Auch eine Zelle kann feststellen, wie viele Nährstoffe sie zur Verfügung hat und was sie noch benötigt. Das nennt man ? Nährstoffsensorik. Wir wollen keine ranzige Butter essen, deshalb werfen wir sie weg, wenn sie oxidiert ist. Das Gleiche macht die Zelle mit ? ihren Fetten. Wenn ein altes Haus sehr stark beschädigt ist, wird es von Amts wegen gesperrt, es darf nicht mehr bewohnt werden. Bei den Zellen entspricht das der Seneszenz, einem tiefen Ruhezustand nach ? starken Schäden. In unserem Haus wollen wir mit unseren geliebten Haustieren wohnen, aber nicht mit Ungeziefer. Deshalb kontrollieren die Zellen der Haut, wer auf ihnen wohnen soll und wer nicht. Man nennt das ? Mikrobiomkontrolle. Wir wollen auch nicht, dass Einbrecher in unser Haus kommen. Dafür haben wir Türschlösser, eine Alarmanlage oder wir rufen die Polizei. In unseren Zellen ist dafür das ? Immunsystem zuständig. Wenn wir Freunde und Nachbarn in unser Haus einladen möchten, schicken wir ihnen Botschaften. Auch die Zellen der Haut und anderer Organe kommunizieren miteinander über Botenstoffe, zum Beispiel über ? Hormone.

Ein Haus und eine Zelle (und auch unsere Haut) sind sehr komplexe Systeme, die viel Energie und Koordination brauchen. Das klappt im Alter nicht mehr so gut. Aber wir können dafür sorgen, dass die meisten Funktionen trotzdem reibungslos ablaufen.

Qualitätskontrolle der zellulären Inhaltsstoffe

Proteine, die Eiweißbausteine unserer Zellen, bestehen - wie eine Perlenkette - aus einer linearen Abfolge von Aminosäuren. Sie falten sich mithilfe von anderen Proteinen (Chaperonine) zu einer räumlichen Struktur. In gesunden Zellen werden die Proteine einer strengen Qualitätskontrolle unterworfen. Es wird kontrolliert, wie viele von ihnen bei Bedarf produziert und später wieder abgebaut werden und ob sie richtig zusammengebaut und gefaltet wurden. Besteht ein Protein die Qualitätskontrolle nicht, wird ihm eine Markierung angehängt, die so viel bedeutet wie »Bau mich ab, ich bin defekt«. Diese Markierung führt dazu, dass das defekte Protein in das Proteasom (eine kleine Mühle, die Proteine zerlegt) wandert. Es kann aber auch in kleine, mit einer Membran umhüllte Bläschen (Vesikel) verpackt werden. Sie heißen Autophagosomen. Diese verschmelzen dann mit anderen Vesikeln, den Lysosomen. In den Lysosomen herrscht ein sehr niedriger pH-Wert. In diesem sauren Milieu werden alle Reststoffe in wiederverwendbare Einzelteile zerlegt. Diesen Vorgang nennt man ? Autophagie.

Wenn das Gleichgewicht zwischen Produktion und Abbau gestört ist oder wenn die Faltung nicht präzise funktioniert, verkleben diese Proteine, sammeln sich an und stören die Funktion der Zelle. Auslöser dieser Verklebungen sind zum Beispiel UV-Strahlung oder andere Quellen für Oxidationsstress. Gealterte Zellen sind besonders anfällig für Verklebungen. ? [8]

In der Abbildung links aus unserem Labor sehen Sie Fibroblasten, die Zellen der Dermis, und ihre Zellkerne, in denen die DNA enthalten ist. Die Zellkerne sind mit einem blau fluoreszierenden Farbstoff gefärbt. Um die Zellkerne herum befindet sich das Zytoplasma, der Inhalt der Zellen. Rot gefärbt haben wir die Markierungen, die an Proteinen und anderen Inhaltsstoffen angebracht werden, damit diese abgebaut und recycelt werden. Die Zellen wurden zuvor einem starken Alterungsstress ausgesetzt - wir haben sie ultravioletter Strahlung ausgesetzt. Durch diesen Stress ist der Abbau von Proteinen gestört, und dieser sich sammelnde Zell-Müll ballt sich in größeren, schwer löslichen Ablagerungen zusammen. Solche »Müllansammlungen« werden in und um gealterte Zellen häufiger.

Oxidierte Proteine verklumpen und schädigen die Zelle.

Wenn das Proteasom nicht mehr richtig arbeitet, können weitere Fehlfunktionen auftreten:

• Je nachdem welche Zellen betroffen sind, kann die Fehlfunktion des Proteasoms im Alter von muskulären bis zu kognitiven Alterserscheinungen beitragen. ? [9]

• Ein schlecht funktionierendes Proteasom kann negative Auswirkungen von Alterskrankheiten wie Typ 2 Diabetes verstärken. ? [10]

• In der Haut ist das Proteasomsystem wichtig, um fehlgeleitete Entzündungsprozesse zu kontrollieren. ? [11]

Es ist also von Vorteil, die Funktion des Proteasoms durch Nährstoffe, durch ? Hormesis oder durch Fasten gezielt zu aktivieren oder das Proteasom im Stress zu entlasten. Ein zellulärer Mechanismus, der so wie das Proteasom für die Qualitätskontrolle zuständig ist und dem Proteasom Arbeit abnehmen kann, ist die Autophagie.

Autophagie

Abgesehen von der oben genannten speziellen Qualitätskontrolle für Proteine gibt es auch die Autophagie, ein sehr vielseitig eingesetzter zellulärer Prozess. Übersetzen könnte man »Autophagie« mit »sich selbst fressend« - es ist so eine Art Selbstreinigungsprogramm der Zelle. Bei der Autophagie werden verschiedenste Inhaltsstoffe und sogar auch größere Bestandteile der Zelle in Membran-umhüllte Vesikel - ähnlich wie kleine Müllbeutel - verpackt. Das ruft die zellinterne Müllabfuhr auf den Plan: Lysosomen sammeln die Müllbeutel ein und verschmelzen sie miteinander. Dadurch werden die nicht benötigten oder defekten Zellinhaltsstoffe so zerlegt, dass sie nachher von der Zelle als Bausteine für größere Biomoleküle wiederverwendet werden können. Hier findet also ein richtiggehendes Recycling von »Material« statt.

Die Autophagie ist ein schneller und vielseitiger Prozess, nicht nur für dieses Recycling, sondern auch als Steuerungsprozess für den Stoffwechsel. Wenn beispielsweise Nährstoffknappheit herrscht oder bestimmte Aminosäuren fehlen, wird die Autophagie aktiviert. Dann werden alle nicht unbedingt benötigten Inhaltsstoffe der Zelle »geopfert«, um nach dem Recycling genügend Bausteine für die wichtigsten Zellfunktionen zu haben.

Wann herrscht Nahrungsmittelknappheit im Körper? Dann, wenn wir eine bestimmte Zeit lang nichts gegessen haben, also beim Fasten, einem Zustand, der wohl erst in der jüngsten Geschichte der Menschheit freiwillig und gezielt aufgetreten ist. Die Forschung hat herausgefunden, dass nicht ganz streng über längere Zeit gefastet werden muss, um positive Effekte zu erzielen. Autophagie wird auch schon nach etwa 16 Stunden Fasten aktiviert. Deshalb wurden Diäten entwickelt, die sich dieses Wissens um das richtige Timing bedienen. Außerdem können bestimmte Nährstoffe auch die Nährstoffsensorik austricksen und dem Körper einen Nährstoffmangel »vorgaukeln«. Beide Strategien fließen in Fasting Like Diets (FLD) ein, die neben einer Verringerung der Nährstoffaufnahme vor allem die Autophagie aktivieren. Sie werden auch Fasting Micking Diets (FMD) genannt.

In der ? Abbildung aus unserem Labor sehen Sie Fibroblasten der Dermis, die wir in Zellkultur haben wachsen lassen. Die Zellkerne mit der DNA sind blau gefärbt (blauer Pfeil). Dann haben wir die Zellen einer »Fastenkur« unterzogen. Dazu haben wir ihnen ein Medium (die Wachstumslösung, in der man Zellen in Kultur hält) gegeben, das sehr wenig Nährstoffe enthalten hat. Als Reaktion darauf haben die Zellen die Autophagie aktiviert. Man sieht die sehr feinen rot markierten Pünktchen, das sind die Autophagosomen (gelber Pfeil). In diese Vesikel verpacken die Zellen gerade alle Inhaltsstoffe, die sie nicht zum Überleben benötigen, um durch Recycling Energie und nötiges Material zu generieren. Gleichzeitig wirkt dies auch als »Reinigung« für die Zelle, weil dadurch sehr gründlich alle angesammelten Schadstoffe und defekten Inhaltsstoffe abgebaut werden.

In zwei Fibroblasten wurde die Autophagie aktiviert.

Die Autophagie lässt während des Alterungsprozesses in Hautzellen, aber auch in anderen Organen nach. Es sind viele Schritte nötig, damit die Autophagie effektiv funktioniert:

• Das Startsignal für die Autophagie muss aktiviert werden.

• Die »Mülltüten« (Vesikel) müssen befüllt werden.

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