Die ER-Membran – MAM
Die Mitochondrien-assoziierte ER-Membran – oder kurz MAM – ist ein Element, das maßgeblich für die Struktur zuständig ist. Die Membran spielt zudem eine wichtige Rolle in der Homöostase und der zellulären Physiologie. Früher nahm man an, dass die Mitochondrien-assoziierte ER Membran eine dauerhafte Verunreinigung bei der Fraktionierung ist, ausgelöst durch technische Schwierigkeiten während des Prozesses. Heute geht man aber vielmehr davon aus, dass eine tatsächlich eine membranähnliche Struktur in dem Zwischenraum zwischen ER und den Mitochondrien vorliegt.
Forschungen zu solchen physikalischen Kopplungen zwischen Mitochondrien und dem ER werden mithilfe von Elektronenmikroskopen oder Fluoreszenz Mikroskopen durchgeführt. Durch solche Untersuchungen konnten Hypothesen über die MAM aufgestellt werden. So wird beispielsweise angenommen, dass an der MAM die Lücke zwischen ER und Mitochondrien nur noch 10 bis 25 nm groß ist. Der Zusammenhalt der beiden Organellen erfolgt durch einen Proteinkomplex.
Untersuchungen einer gereinigten MAM zeigten, dass die Membran neben CA2+ Ionen auch viele Enzyme enthält. Diese wiederum sind maßgeblich am Phospholipidaustausch beteiligt. Damit hat die Mitochondrien-assoziierte ER Membran eine große Bedeutung für die Speicherung von Fetten und die Übertragung von Signalen. Auch andere Mitochondrien-assoziierte Prozesse werden durch die ER Membran mit beeinflusst.
Neben Erkenntnissen zu mechanistischen Prozessen und physiologischen Vorgängen , wie zum Beispiel der Weitergabe von Calcium Signalen, können auch die Mitochondrien detaillierter durch die MAM analysiert werden. Mitochondrien sind bekanntermaßen die Kraftwerke der Zelle und werden als solche oft statisch und isoliert betrachtet. Aus Sicht der MAM sind die Mitochondrien aber mehr. So sind sie beispielsweise in die Zellphysiologie integriert und sind physikalisch und funktionell eng mit dem Endomembransystem verbunden.
Phospholipid Transfer
Die Mitochondrien-assoziierte ER Membran besteht zum Teil aus Enzymen. Diese sind in der Lipid Biosynthese ein entscheidender Baustein, beispielweise sind sie für die Phosphatidylserin Synthase auf dem ER und die Phosphatidylserin Decarboxylase auf dem Mitochondrium zuständig. Die Mitochondrien sind ständig mit Spaltungen und Fusionen beschäftigt, damit dennoch für die Membranintegrität gesorgt ist, benötigen die Organellen Phospholipide. Außerdem sind Mitochondrien auch beim Austausch von Zwischenprodukten der Phospholipid Biosynthese zwischen verschiedenen Organellen zuständig. Mitochondrien sind zudem am Cholesterinstoffwechsel und Ceramidstoffwechsel und des Glykosphingolipid Anabolismus beteiligt.
Wie viel die jeweiligen Stoffe transportieren können ist abhängig von der Mitochondrien-assoziierten ER Membran. Diese kann den Transport von Lipidzwischenprodukten erleichtern. Da das ER und das Mitochondrium relativ nah aneinander liegen, gibt es Hinweise darauf, dass ein Flippen zwischen den Lipiddoppelschichten möglich ist. Ein solcher Transport benötigt kein ATP und hat deshalb entscheidende Vorteile, obwohl der Mechanismus auf den ersten Blick energetisch ungünstig erscheint. Wichtig in dem gesamten Prozess ist allerdings ein Multiproteinkomplex, der sogenannte ER-mitochondria encounter structure oder auch ERMES. Bislang konnte noch nicht abschließend geklärt werden, ob und inwieweit der Komplex den Transfer von Lipiden direkt vermitteln kann oder ob er nur eine Voraussetzung für den Zusammenhalt der Membranen und das Lipid-Flipping ist.
Die Mitochondrien-assoziierte ER Membran wird auch teilweise als Teil eines sekretorischen Mechanismus bezeichnet. Zusätzlich zu dem Lipidaustausch in der Zelle, kann die MAM demnach auch eine Zwischenstation in einem anderen Stoffwechselprozess sein. Gemeint ist der Stoffwechsel zwischen ER und dem sogenannten Golgie Apparat, der als Produkt ein Very Low Density Lipoprotein (VLDL) aufweist. Damit ist auch die wichtige Rolle der MAM im Fettstoffwechsel nachgewiesen.
Calcium Signalgebung
Schon lange ist es bekannt, dass das ER in der Calcium Signalgebung eine wichtige Rolle einnimmt. Auch, dass das Mitochondrium mitbeteiligt ist, wurde schon vor einiger Zeit erforscht. Allerdings gab es dabei einen Widerspruch, denn die äußere Membran des Mitochondriums wies nur eine geringe Ca2+ Kanal-Affinität auf, gleichzeitig wurde die Organelle aber als Auslöser für CA2+ Ströme innerhalb der Zellen bezeichnet. Erst durch die Erforschung der MAM konnte dieser scheinbare Widerspruch aufgelöst werden. Da ER und Mitochondrien räumlich eng aneinander liegen, entstehen Ca2+ Mikrodomänen, die die Übertragung von Ca2+ zwischen den Organellen erleichtern. Letztere ist demnach eine Reaktion auf die Ca2+-puffs, die durch spontane Aktivierung von IP3R, einem ER Membran Ca2+ Kanal erzeugt werden.
Perspektive
Die Mitochondrien-assoziierte ER Membran ist ein wichtiger Bestandteil des Stoffwechsels und Informationsaustauschs in der Zelle. Die MAM verbindet die Mitochondrien mit dem ER und koppelt die beiden Organellen strukturell und funktionell miteinander. Diese Verbindung ist wichtig für die Homöostase und die Zellphysiologie. Die MAM bietet außerdem eine ganz neue Sichtweise auf die Mitochondrien. Sie werden nicht mehr nur als statische Organellen isoliert betrachtet. Vielmehr steht die Beteiligung der Mitochondrien an zellulären Vorgängen im Fokus.
