Das Organ, auf dem der Erfolg des Menschen basiert, ist ein enormer Energiefresser: Es macht nur etwa zwei Prozent unserer Körpermasse aus, ist aber für rund 20 Prozent des gesamten Energieverbrauchs verantwortlich. Es besitzt also einen rund zehnmal höheren Treibstoffbedarf in Form von Glukose als andere Gewebearten. Ein Großteil des Verbrauchs ist dabei auf die elektrische Aktivität zurückzuführen. Doch auch der Grundumsatz ist erstaunlich hoch: Aus Untersuchungen von Patienten im Koma geht hervor, dass der Energieverbrauch selbst in elektrisch zutiefst inaktiven Zuständen in der Regel nur auf etwa die Hälfte sinkt. Die Ursachen für diesen Energieverbrauch im Ruhezustand sind noch immer weitgehend unklar.
Bereits seit einigen Jahren beschäftigen sich die Wissenschaftler um Timothy Ryan vom Weill Cornell Medical College in New York mit den Grundlagen des Energieverbrauchs von Nervengeweben. In ihrem Fokus stehen dabei die Synapsen – die Enden der Neuronen-Fortsätze, durch die sie mit anderen Nervenzellen verknüpft sind. Die Forscher konnten bereits zeigen, dass die Synapsen im aktiven Zustand große Mengen an Energie verbrauchen und sehr empfindlich auf eine Unterbrechung ihrer Versorgung reagieren. Der Grund erscheint dabei plausibel: In den Synapsen muss bei Aktivität ständig Packarbeit geleistet werden – Vesikel werden unter Energieaufwand mit Neurotransmittern beladen. Bei Nervenleistungen öffnen sich diese Bläschen dann und entlassen die Signalmoleküle in den synaptischen Spalt. Dies sorgt für eine Reaktion in der verbundenen Partner-Neurone. Bei andauernder nervlicher Aktivität müssen dann fortlaufend neue Vesikel in den Synapsen befüllt werden.
Ruhende Neuronen im Visier
In ihrer neuen Studie untersuchten die Wissenschaftler nun hingegen den Energieverbrauch in Synapsen, wenn diese nicht aktiv an der Nervenkommunikation teilnehmen. Sie untersuchten dazu durch eine Reihe molekularbiologischer und biochemischer Techniken die energetischen Prozesse in Zellkulturen von Neuronen. Die Nervenenden befanden sich dabei in einem Zustand der Ruhe beziehungsweise Bereitschaft. Das bedeutet, dass die Vesikel in den Synapsen mit Neurotransmittern voll beladen waren – also keine energieaufwendige Packarbeit mehr nötig war.
Aus den Untersuchungsergebnissen ging nun hervor: Trotz des Ruhezustands und der vermeintlichen Inaktivität zeichnete sich bei den vollbeladenen Vesikeln in den Synapsen ein erheblicher Energieverbrauch ab. Weitere Untersuchungsergebnisse warfen dann Licht auf das paradox erscheinende Phänomen: Die Forscher entdeckten, dass aus den Vesikeln ständig Energie entweicht: Ein “Protonen-Efflux” durch ihre Membranen zeichnete sich ab. Sie fanden dabei Hinweise darauf, dass dieser Energieverlust durch ein spezielles “Protonenpumpen”-Enzym kompensiert wird: Unter erheblichem Energieverbrauch bringt es die für das System wichtigen Ladungsträger zurück in die Vesikel. Mit anderen Worten: Voll beladene Vesikel sind undicht und der ständige Verlust muss durch ein energiefressendes Pumpensystem ausgeglichen werden.
