There is a little miracle of science happening in your body right now.

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2 There is a little miracle of science happening in your body right now. As you read this, a minuscule 5 grams of a high-energy molecule called adenosine triphosphate - ATP is causing all kinds of reactions in order to give you the energy e. g. to listen to my talk just now In total, 8 ounces of ATP (226g) is being recycled hundreds of times each day ATP is not stored and summoned as needed, it is created on the go. This science miracle happens in tiny energy factories called mitochondria. It s easy to imagine that in a system so vital, when things go wrong they go really wrong. mitochondria_and_antioxidants_a_tale_of_two_scientists #ixzz3dsr8rxqn

3 Leber s hereditary optic neuropathy (LHON), OMIM Erblindung im mittleren Lebensalter durch Degeneration des Nervus opticus. Mutationen in ND1, ND2, ND4, ND5, ND6, cyt b, CO I, CO II, and ATPase 6 inhibieren die Elektronentransportkette. Kearns-Sayre Syndrome, OMIM Paralyse der Augenmuskeln, Pigmentakkumulation und Degeneration der Retina. Deletion von mtdna trnas. Myoclonic epilepsy & ragged-red fiber disease (MERRF), OMIM Spasmen, Anreicherung von lactic acid im Blut und unkoordinierte Bewegungen. Nucleotide substitution in der mtdna, lysine trna. Mitochondriopathien Prof. Dr. Brigitte König, MMD GmbH & Co.KG

4 Atheriosklerose Herzinfarkt Schlaganfall Arthrose Osteoporose Krebs Demenz Grauer Star Vorhofflimmern Diabetes mellitus Metabolisches Syndrom mitochondriale Dysfunktionen Prof. Dr. Brigitte König

5 Science 283, (1999) The Comeback of the Mitochondrium Prof. Dr. Brigitte König

6 Figuring that out how to make the wrong things right again has been the goal of science since the discovery of ATP by researchers in 1929, especially once it was realized that mitochondrial pathologies are at the root of some diseases When the problem is inside mitochondria, such as in mitochondrial diseases, nature needs a little help. Read more: mitochondria_and_antioxidants_a_tale_of_two_scientists #ixzz3dsr8RxQN mitochondriale Dysfunktionen

7 Mitochondrienfunktionen Einfluss von Mikronährstoffen Prof. Dr. Brigitte König, Mallorca

8 Biogenese der Atmungskette The respiratory chain is situated in the inner mitochondrial membrane, and its protein components are encoded by either mtdna or nuclear DNA. Transcription of mtdna produces 13 mrnas, which all encode oxidative phosphorylation system subunits as well as all RNA components (22 trnas and 2 rrnas) needed for translation of these mrnas on the mitochondrial ribosomes. The mrnas produced by transcription of nuclear genes are exported to the cytoplasm and translated on cytoplasmic ribosomes, which are distinct from the mitochondrial ribosomes. The nucleus-encoded mitochondrial proteins are imported into mitochondria and constitute the vast majority of the 1000 proteins present in mammalian mitochondria. Nucleus-encoded mitochondrial proteins include the majority of the oxidative phosphorylation system subunits, all proteins needed for expression and maintenance of mtdna, and all proteins of the mitochondrial ribosomes. The mtdnaencoded respiratory chain and ATP synthase subunits are assembled together with the nuclear subunits to form a functional oxidative phosphorylation system.

9 Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette. Die Atmungskette besteht aus fünf Komplexen: NADH-Coenzym-Q-Reduktase (Komplex I), Succinat-Coenzym-Q-Reduktase (Komplex II), Coenzym-Q-Cytochrom-c- Reduktase (Komplex III), Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV), sowie ATP-Synthase (Komplex V). Der Enzymkomplex II ist ausschließlich kernkodiert, während die anderen Enzymkomplexe sowohl mitochondrial, als auch kernkodierte Untereinheiten aufweisen (modifiziert nach: pathway/map/map00190) Kern-codiert Mitochondrial kodiert Mitochondriale Atmungskette

10 Multi-site regulation of mitochondrial oxidative phosphorylation. The modulation of OXPHOS capacity and activity occurs at different levels to adapt mitochondrial energy production to the cellular needs and environmental bioenergetic constraints. Regulation von OXPHOS Biochimica et Biophysica Acta 1797 (2010) Review Multi-site control and regulation of mitochondrial energy production. G. Benard a,b, N. Bellance a,b, C. Jose a,b, S. Melser a,b, K. Nouette-Gaulain a,b,c, R. Rossignol

11 Mitochondria feedbacks. The mitochondrial energy state can retro-regulate the nuclear-encoded energy genes, by five main pathways: (1) energy metabolite signaling, (2) reactive oxygen species signaling, (3) calcium signaling, (4) the AMPK pathway, and (5) the sirtuin pathway. The changes in mitochondrial respiratory chain activity are followed by changes in "energy-state messengers" which include reactive oxygen species (such as the diffusive H2O2), mitochondrial and cytosolic calcium, NADH/NAD, ATP/ADP, GTP, AMP, camp, ΔΨ and ΔpH. Regulation des zellulären Energiestatus Biochimica et Biophysica Acta 1797 (2010) Review Multi-site control and regulation of mitochondrial energy production. G. Benard a,b, N. Bellance a,b, C. Jose a,b, S. Melser a,b, K. Nouette-Gaulain a,b,c, R. Rossignol

12 Mitochondriale Oxidantien als Signalmoleküle. Die Intensität der mitochondrialen Produktion von oxidativen Molekülen generiert einen Gradienten biologischer Antworten.

13 Exogene/ Endogene Faktoren führen zu gesteigerter Radikalenbildung Mitochondriale Dysfunktion

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15 DAS OXIDATIVE PRINZIP

16 Aktivierte Sauerstoffstufen (ASS) Superoxid-Anion-Radikal.O2- Perhydroxyl-Radikal.OH2 Wasserstoff-Peroxid H2O2 Hydroxyl-Radikal HO. Singulettsauerstoff 1O2 Ozon O3 Andere Radikale Lipid-Radikal L. Alkoxyl-Radikal LO. Perhydroxyl-Radikal LOO. Thiyl-Radikal R-S. Sulfinyl-Radikal R-SO. Thiyl-Peroxyl-Radikal R-SOO. Reaktive Metabolite Primär durch den oxidativen Energiestoffwechsel, aber auch durch andere biochemische Mechanismen, wie z.b. die Prostaglandinsynthese, NADH-Oxidasereaktionen, die Phagozytose, Leukozytäre Myeloperoxidasereaktionen, Lipidperoxidationen und Diverse Detoxifikationen entstehen eine ganze Reihe hochreaktiver, elektrophiler Verbindungen

17 Antioxidative Enzyme Nicht-enzymatische Scavenger organische Moleküle Superoxid-Dismutasen (SOD, Umwandlung von Superoxid in Wasserstoffperoxid), z.b. Mn-haltige SOD in Mitochondrien Katalasen (CAT, Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Wasser), z.b. CAT im Zytoplasma Peroxidasen (Px, vergleichbare Reaktionen wie bei CAT), z.b. Selen-abhängige Glutathion-Peroxidase Weitere Enzyme des Glutathionsystems, z.b. Glutathion-Reduktase (GSSG-Reduktase) Enzyme zur Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten, z.b. Glukose-6-Phosphat-ehydrogenase (G-6-PDH) Harnsäure, L-Cystein, Selenocystein, Alpha-Liponsäure, Coenzym Q, Reduziertes Glutathion (GSH), Glutathionderivate u.a. Endogene Antioxidantien (Scavenger, Radikalfänger)

18 Vitamine Vitamin A, Beta-Carotin und Carotinderivate, Vitamin E und Tokopherolderivate, Vitamin C, lipidlösliches Vitamin C Weitere Naturstoffe Flavonoide, Anthozyane, Phenolsäuren und -ester, Lignane, Hydroxyterpene u.a. Exogene Antioxidantien (Scavenger, Radikalfänger)

19 Die grundlegenden Ursachen des Oxidativen Stresses sind gesteigerte Oxidationsvorgänge und/oder verminderte antioxidierende Vorgänge. Leistungssport (erhöhter Energiestoffwechsel, übermäßiger Sport ohne entsprechende Regeneration) Umweltgifte (Stickoxide, Ozon, toxische Schwermetalle, organische Lösungsmittel, Insektizide) Konservierungsstoffe Genussmittel (übermäßiger Alkohol- und Tabakkonsum) Metabolisierung von Medikamenten (Antibiotika, wie Chloramphenicol oder Nitrofurantoin, Paracetamol, Zytostatika, orale Kontrazeptiva) Strahlenbelastung (UV-Strahlung beim Sonnenbaden, ionisierende Strahlen natürlicher und künstlicher Nuklide) Elektrosmog Infektionen (Abwehrreaktionen, Entzündungen) Stress (erhöhte geistige und körperliche Belastung, Berufsstress) gesteigerte Oxidation

20 Die grundlegenden Ursachen des Oxidativen Stresses sind gesteigerte xidationsvorgänge und/oder verminderte antioxidierende Vorgänge Angeborene oder erworbene Enzymschwächen oder defekte z.b. SOD-Enzymopathien oder penien. Mangelnde Aufnahme exogener antioxidativer Stoffe oder deren Vorstufen z.b. Vitamin E Mangelnde Aufnahme von essentiellen Stoffen zur Bildung endogener antioxidativer Schutzsysteme z.b. Selen, Zink verminderte Antioxidation

21 PARKINSON UND ALZHEIMER

22 Mineralstoffe bei PD und AD

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24 Parkinson

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26 Alzheimer

27 MITOCHONDRIALEN FUNKTIONSFÄHIGKEIT Analyse der

28 Je mehr man sich auf die Teile eines Systems konzentriert oder fokussiert, desto verschwommener und unschärfer wird die Gestalt oder das Ganze; und je mehr man sich auf das Ganze konzen-triert, desto unschärfer werden die Teile erfassbar. Erkenntnismethodische Unschärferelation

29 Mitochondrienfunktione n

30 Mitochondrienfunktione n

31 Die Messung der Antioxidantien Die Konzentration möglichst vieler Antioxidantien wird gemessen, als Schätzung der antioxidativen Gesamtsituation. Die Methoden sind stoff- und testreaktionsspezifisch. Die Messung der Oxidantien Größtenteils werden Einzelstoffmessungen oder Messungen spezifischer Stoffklassen als Schätzer der oxidativen Gesamtsituation durchgeführt. Die Methoden sind stoff- und testreaktionsspezifisch Abschätzungen des Oxidativen Stresses

32 Eine Möglichkeit der Abschätzung der antioxidativen Situation im Blut ist der Totale Antioxidative Status (TAS). Das Ziel ist die Erfassung aller antioxidativ wirksamen Serumbestandteile, wie Vitamin C, Vitamin E, Glutathion, Harnsäure u.a.. In dem Test verringern die Antioxidantien des Serums die Oxidation eines Farbstoffes durch ein Peroxid. Je geringer die Farbstoffbildung ist, desto größer ist die antioxidative Kapazität der Probe. Der Test ist stoff-spezifisch in Bezug auf die Peroxidasereaktion. Bei der Bestimmung des Gesamtoxidantien-Status werden Vitamine und Spurenelemente bestimmt. Endogene Antioxidantien werden nicht berücksichtigt. Abschätzung der antioxidativen Situation im Blut

33 PERIPHERE BLUTLEUKOZYTEN Als Zielzelle für die Untersuchungen

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38 MEßPARAMETER ZUR EINSCHÄTZUNG Der Mitochondrienfunktionen

39 HETEROPLASMIE Eine Mischung von normaler und mutierter mtdna in einer Zelle, Gewebe, oder Individuum

40 Mitochondriale Heteroplasmie

41 Mitochondriale Heteroplasmie

42 Es gibt inzwischen viele experimentellen Beweise, dass Deletionen über große Bereiche des mitochondrialen Genoms Die oxidative Phosphorylieung in Einzellzellen negativ beeinflussen OXPHOS-inhibierte Mitochondrien die weitere Generation von Sauerstoffradikalen fördern. Die Zellen zur Apotose sensibilisieren. dmtdna 4977 in PBMC

43 Von Basenpaar bis in der humanen mtdna Mappe von of Anderson kommt eine Deletionsmutante der mitochondrialen DNA vor, bezeichnet als common deletion (CD) Bei der CD sind die Gene oder Teile der Gene entfernt, die für die ATPase 8 und 6, COXIII, ND3, ND4 und ND4L sowie ND5 der mtdna kodieren. mtdel4977bp

44 Die common 4977-bp Deletion in der mitochondrialen DNA kommt normalerweise in Geweben mit hohem Sauerstoffbedürfnis und geringer mitotischer Aktivität vor. Z. B. Gehirn, Herz- und Skelettmuskel altersabhängige Akkumulation Alters- unabhängige Anwesenheit der dmtdna 4977 in Blutzellen mt4977bp

45 dmtdna 4977 in PBMC

46 ANZAHL AN MITOCHONDRIEN mtdna:ntdna (mtdna copy number)

47 Die Mitochondrienanzahl pro Zelle ist primär stark abhängig von der auszuführenden Funktion der Zelle bzw. des Zellverbandes. Zellen/Gewebe mit hoher Anforderung an die Bereitstellung von Energie besitzen in der Regel eine große Anzahl an Mitochondrien. Besitzen Zellen mit hohem benötigten Energieumsatz eine vom Durchschnitt verminderte Anzahl an Mitochondrien, so kann man von einer Minderleistung der Zelle ausgehen. Bestimmung der mtdna copy number

48 mtdna copy number

49 MITOCHONDRIALE Biogenesis and Redox Regulation

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51 Scarpulla,R. Physiol Rev 2008;88: Mitochondrial Biogenesis and Redox Regulation

52 PGC-1-alpha Wirkprofil von PGC-1-alpha ß- Oxidation von Fettsäure n Gluconeo genese Mitochon driale Biogenese Kontrolle über ROS Hormone Muskel Thermog enese Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha

53 PGC-1-alpha Wirkprofil von PGC-1-alpha ß- Oxidation von Fettsäure n Gluconeo genese Mitochon driale Biogenese Kontrolle über ROS Hormone Muskel Thermoge nese

54 Wirkprofil von Nrf-2 Peroxysome Proliferator-Activated Receptor Coactivator PGC-1-alpha Peroxysome Proliferator- Activated Receptor Coactivator Antioxidative Enzyme: HO-1, NQO1, SOD1, SOD2, Catalase, Glutathionreduktase Phase II Entgiftung: Glutathion-S- Transferasen Kontrolle über ROS (reaktive Sauerstoffmetabo lite) Nrf-2 Nuclear factor-erythroidderived2-like2 Aktivierung von Genen mit antioxidativeresponse- Elementen (ARE)

55 MITOCHONDRIALE ENERGIEGEWINNUNG (ATP)

56 Mitochondrien üben bioenergetische Funktionen aus. Als ein Parameter für die Effizienz einer bioenergetischen Funktion dient als Endpunkt die mitochondriale ATP- Messung. Funktionsfähige Mitochondrien zeigen eine hohe bioenergetische Effizienz. Schädigungen der Mitochondrien führen zu einem Verlust an bioenergetischer Effizienz. BESTIMMUNG DER MITOCHONDRIALEN ENERGIEGEWINNUNG (ATP)

57 Cell Energy Profile

58 MITO Stress Profile

59 Glycolysis Stress Profile

60 MEßPARAMETER ZUR EINSCHÄTZUNG Der Stresstoleranz von Mitochondrien

61 Eingesetzte Konzentrationen an H2O2 0% 0,000001% 0,00001% 0,0001% 0,001% 0,01% 0,1% 1% Zelluläre Viabilität (MTT) Mitochondriale Biogenese (PGC-1alpha) Mitochondriales Reparatursystem ATP Synthese Funktionelle Charakterisierung der Mitochondrien nach Stressinduktion

62 Eingesetzte Konzentrationen an H2O2 0% 0,000001% 0,00001% 0,0001% 0,001% 0,01% 0,1% 1% Zelluläre Viabilität (MTT) Mitochondriale Biogenese (PGC-1alpha) Mitochondriales Reparatursystem ATP Synthese 0% 0,000001% 0,00001% 0,0001% 0,001% 0,01% 0,1% 1% Viabilität (MTT) Zelluläre/ mitochondriale Stoffwechselleistung Mitochondriale Biogenese (PGC-1alpha) Mitochondriales Reparatursystem ATP Synthese Funktionelle Charakterisierung der Mitochondrien nach Stressinduktion

63 The champions mitochondria durch Mikronährstoffe

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