Lebenswichtige Energieverschwendung

Zellen bauen den Nährstoff Glucose normalerweise vollständig zu CO₂ ab, um die gespeicherte Energie maximal auszunutzen. Nicht so die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, die Zucker zumindest teilweise zu Ethanol fermentiert. »Ein sechs Kohlenstoff-Atome langes Molekül zu einem Zwei-Kohlenstoff-Molekül zu verstoffwechseln, bedeutet, dass ein Teil der gespeicherten Energie verloren geht. Es ergibt keinen Sinn«, sagt Professor Dr. Matthias Heinemann von der Universität Groningen. Dennoch sei eine ähnliche Verschwendung auch bei anderen Zellen zu beobachten, etwa bei bestimmten Bakterien- und Tumorzellen. Letztere setzen auch bei ausreichender Sauerstoffversorgung Laktat frei, ein Phänomen, das als Warburg-Effekt bezeichnet wird.

Zusammen mit seinen Doktoranden Bastian Niebel und Simeon Leupold suchte Heinemann daher nach einer möglichen gemeinsamen Ursache dafür, dass die Zellen so großzügig mit ihren Energiereserven umgehen. Sie vermuteten, dass es beim Metabolismus eine Obergrenze gibt, oberhalb derer Zellen ihren Stoffwechsel nicht mehr handhaben können. Anhand eines komplizierten thermodynamischen Modells der Bierhefe, das sie im Fachjournal »Nature Metabolism« präsentieren, konnten sie diese These nun belegen. Demnach steigt der Energieumsatz der Hefezelle zunächst mit der Menge der aufgenommen Glucose, stabilisiert sich dann aber auf einem Plateau und die Zelle beginnt mit der Ethanol-Produktion. Ein ähnlicher Verlauf war beim Darmbakterium Escherichia coli zu beobachten, das auf annährend demselben Energieniveau dazu überging, Acetat auszuscheiden.

Wie kommt diese Obergrenze zustande? »Wir glauben, dass Enzyme, die eine chemische Reaktion katalysieren, dabei einen winzigen Stoß versetzt bekommen«, erklärt Heinemann in einer Pressemitteilung der Universität. Eine zu hohe Enzymaktivität könnte somit ein Zuviel an Bewegung in der Zelle bedeuten, sodass Zellstrukturen beschädigt werden könnten. Glucose nicht mehr vollständig abzubauen, sondern nur noch zu Ethanol, Acetat oder Laktat, sei daher für die Zellen eine Art Sicherheitsventil, durch das sie sich der überschüssigen Energie entledigten. Heinemann zufolge laufen bereits Versuche mit Krebsmedikamenten, die die Laktatproduktion stoppen. Deren Wirkung beruhe möglicherweise darauf, dass sie das Sicherheitsventil der Tumorzellen verschließen.