{"id":1160,"date":"2025-09-09T13:27:21","date_gmt":"2025-09-09T11:27:21","guid":{"rendered":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/?p=1160"},"modified":"2025-09-09T15:34:57","modified_gmt":"2025-09-09T13:34:57","slug":"auswirkungen-der-erdung-auf-die-mitochondrienfunktion-atp-produktion-und-ros-bildung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/2025\/09\/09\/auswirkungen-der-erdung-auf-die-mitochondrienfunktion-atp-produktion-und-ros-bildung\/","title":{"rendered":"Auswirkungen der Erdung auf die Mitochondrienfunktion: ATP-Produktion und ROS-Bildung"},"content":{"rendered":"\n

Studie im Orginal: https:\/\/febs.onlinelibrary.wiley.com\/doi\/full\/10.1002\/2211-5463.70062<\/a><\/p>\n\n\n\n

Copyright der deutschen \u00dcbersetzung bei tz-gesundheit<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassung<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle bei der Energieproduktion in Zellen und der Regulierung von oxidativem Stress. Herk\u00f6mmliche Methoden zur Bewertung von mitochondrialem ATP und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) basieren auf Metallproben, die das System unbeabsichtigt erden und somit die Ergebnisse verf\u00e4lschen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Um den Einfluss der Erdung auf die Mitochondrienfunktion zu untersuchen, haben wir fluoreszenzbasierte Experimente durchgef\u00fchrt, um diese mitochondrialen Ergebnisse unter drei Bedingungen zu bewerten: verkabelt (geerdet), scheinbar geerdet und Kontrollgruppe.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mitochondrien unter geerdeten Bedingungen produzierten signifikant mehr ATP (um 5\u201311 %), reduzierten die ROS-Produktion (um 22\u201333 %) und verringerten das mitochondriale Membranpotenzial (um 5\u20136 %) als unter Schein- und Kontrollbedingungen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Erdung die Bioenergetik der Mitochondrien durch Verringerung des oxidativen Stresses verbessert. Zuk\u00fcnftige Forschungen sollten die weiterreichenden Auswirkungen der Erdung auf die Gesundheit der Mitochondrien im Laufe der Zeit und ihre potenziellen therapeutischen Anwendungen untersuchen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Abk\u00fcrzungen<\/em><\/strong>:
ADP
<\/strong>Adenosindiphosphat
ANCOVA<\/strong>
Kovarianzanalyse (einseitige ANCOVA)
ANOVA<\/strong>
Varianzanalyse (einseitige ANOVA)
ARRIVE-Richtlinien<\/strong>
Tierforschung: Richtlinien zur Berichterstattung \u00fcber In-vivo-Experimente
ATP<\/strong>
Adenosintriphosphat
DAMPs<\/strong>
sch\u00e4digungsassoziierte molekulare Muster
ETC<\/strong>
Elektronentransportkette
FCCP<\/strong>
Carbonylcyanid-p-trifluormethoxyphenylhydrazon
HRP<\/strong>
Meerrettichperoxidase
MSHE-Puffer<\/strong>
Mannitol, Saccharose, EGTA, HEPES-Puffer
OCR<\/strong>
Sauerstoffverbrauchsrate
p-HPA<\/strong>
p-Hydroxyphenylessigs\u00e4ure
RCR<\/strong>
Atemkontrollverh\u00e4ltnis
ROS<\/strong>
reaktive Sauerstoffspezies
Tukey’s HSD<\/strong>
Tukey’s ehrlich signifikanter Unterschied (Post-hoc-Test)<\/p>\n\n\n\n

<\/p>\n\n\n\n

Mitochondrien werden zunehmend als wichtige Zentren f\u00fcr verschiedene kritische zellul\u00e4re Prozesse anerkannt, darunter der Energiestoffwechsel [[1<\/strong><\/a>–3<\/strong><\/a>]], die Immunantwort [[4<\/strong><\/a>–6<\/strong><\/a>]] und die Signal\u00fcbertragung [[7<\/strong><\/a>–10<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Diese Organellen sind f\u00fcr die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP), dem prim\u00e4ren Energietr\u00e4ger der Zellen, verantwortlich und regulieren au\u00dferdem die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die ma\u00dfgeblich zum oxidativen Stress beitragen [[3<\/strong><\/a>, 11<\/strong><\/a>–13<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Eine Funktionsst\u00f6rung dieser Prozesse steht im Zusammenhang mit der Entstehung zahlreicher chronischer und degenerativer Erkrankungen, die durch genetische, umweltbedingte und lebensstilbezogene Faktoren beeinflusst werden k\u00f6nnen [[11<\/strong><\/a>–14<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Die ATP-Produktion in den Mitochondrien erfolgt \u00fcber einen oxidativen Phosphorylierungsprozess, der in erster Linie auf der Elektronentransportkette (ETC) beruht. Dieser Prozess ist f\u00fcr die Erzeugung der f\u00fcr verschiedene Zellfunktionen ben\u00f6tigten Energie unerl\u00e4sslich.<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend der oxidativen Phosphorylierung entstehen jedoch auch ROS als Nebenprodukt [[15<\/strong><\/a>, 16<\/strong><\/a>]]. W\u00e4hrend geringe Mengen an ROS vorteilhaft sein k\u00f6nnen und eine wichtige Rolle in zellul\u00e4ren Signalwegen spielen, k\u00f6nnen \u00fcberm\u00e4\u00dfige oder unkontrollierte ROS-Konzentrationen zu erheblichen Zellsch\u00e4den und oxidativem Stress f\u00fchren [[3<\/strong><\/a>, 11<\/strong><\/a>–14<\/strong><\/a>, 17<\/strong><\/a>–19<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Ungleichgewichte in der ROS-Produktion werden zunehmend als wichtige Faktoren f\u00fcr die Entstehung verschiedener Gesundheitsprobleme anerkannt. Sie sind beispielsweise an der Alterung beteiligt und tragen zum altersbedingten R\u00fcckgang der Zellfunktionen bei [[1<\/strong><\/a>, 20<\/strong><\/a>–26<\/strong><\/a>]]. Dar\u00fcber hinaus stehen erh\u00f6hte ROS-Spiegel in Zusammenhang mit einer Reihe von Stoffwechselst\u00f6rungen, neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sowie systemischen Erkrankungen wie Diabetes und bestimmten Krebsarten [[27<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Neben ihrer Rolle bei der Energieproduktion und Signal\u00fcbertragung haben Mitochondrien auch wichtige Funktionen im Immunsystem [[4<\/strong><\/a>, 5<\/strong><\/a>, 28<\/strong><\/a>–32<\/strong><\/a>]]. Unter Bedingungen einer Zellfunktionsst\u00f6rung k\u00f6nnen Mitochondrien sch\u00e4digungsassoziierte molekulare Muster (DAMPs) freisetzen, Molek\u00fcle, die das Immunsystem auf potenzielle Bedrohungen aufmerksam machen [[33<\/strong><\/a>]]. Diese Freisetzung von DAMPs kann Entz\u00fcndungsreaktionen ausl\u00f6sen und spielt damit eine wichtige Rolle f\u00fcr die angeborene Immunit\u00e4t des K\u00f6rpers [[33<\/strong><\/a>–39<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Diese komplexen Wechselwirkungen unterstreichen, wie wichtig es ist, die Funktion der Mitochondrien zu untersuchen und zu verstehen, sowohl f\u00fcr die Pr\u00e4vention von Krankheiten als auch f\u00fcr die Entwicklung wirksamer Behandlungsstrategien.<\/p>\n\n\n\n

Durch die gezielte Beeinflussung der Mitochondrienfunktion und die Regulierung des ROS-Spiegels k\u00f6nnte es m\u00f6glich sein, das Fortschreiten verschiedener Krankheiten zu beeinflussen und die allgemeine Gesundheit zu verbessern.<\/p>\n\n\n\n

Es ist von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Mitochondrien unter verschiedenen Bedingungen ATP und ROS produzieren. Mitochondrien erzeugen ATP durch oxidative Phosphorylierung und produzieren dabei gleichzeitig ROS als Nebenprodukte. Diese reaktiven Molek\u00fcle k\u00f6nnen, wenn sie nicht streng reguliert werden, oxidativen Stress verursachen und so zu Alterung und Krankheiten beitragen. Grounding (oder Erdung) \u2013 der direkte Kontakt mit der Erdoberfl\u00e4che \u2013 soll die Mitochondrienfunktion beeinflussen, indem er den Elektronenfluss beeinflusst und m\u00f6glicherweise sowohl die ATP-Synthese als auch den ROS-Spiegel beeinflusst.<\/p>\n\n\n\n

Interessanterweise werden viele experimentelle Verfahren, wie beispielsweise die Verwendung der Polarographie zur Messung des Sauerstoffverbrauchs mittels einer Clark-Sauerstoff-elektrode [[40<\/strong><\/a>, 41<\/strong><\/a>]], die erstmals von Chance und Williams [[42<\/strong><\/a>]] zur Untersuchung der Sauerstoffaufnahme und oxidativen Phosphorylierung in Mitochondrien eingesetzt wurde, unter geerdeten Bedingungen durchgef\u00fchrt, um elektrische St\u00f6rungen zu stabilisieren und die Signalerkennung zu verbessern.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings wurde bisher wenig Aufmerksamkeit darauf gelegt, wie Erdung die Bioenergetik der Mitochondrien ver\u00e4ndern k\u00f6nnte. In unserer Studie haben wir die ATP- und ROS-Produktion sowie die Kopplung zwischen Elektronentransfer und ATP-Produktion in geerdeten und nicht geerdeten Mitochondrien verglichen, um zu untersuchen, ob die Erdung die Mitochondrien-funktion ver\u00e4ndert.<\/p>\n\n\n\n

Erdung oder Grounding bezeichnet den direkten Kontakt der Haut von Menschen oder Tieren mit der Erdoberfl\u00e4che. Dies kann durch blo\u00dfe F\u00fc\u00dfe, H\u00e4nde oder Erdungsvorrichtungen geschehen, die eine leitf\u00e4hige Interaktion mit der Erdoberfl\u00e4che erm\u00f6glichen. Der Kontakt mit der Erde neutralisiert \u00fcberm\u00e4\u00dfigen oxidativen Stress und ROS und beeinflusst so die Physiologie des K\u00f6rpers.<\/p>\n\n\n\n

Es ist bemerkenswert, dass Menschen und alle anderen Tiere bis in die heutige Zeit, ins-besondere bis zur Einf\u00fchrung von isolierenden Schuhen mit synthetischen Sohlen in den 1950er Jahren, in st\u00e4ndigem direkten Kontakt mit dem Boden standen [[43<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Earthing bietet zahlreiche Vorteile f\u00fcr das Wohlbefinden \u2013 wie durch klinische Studien und randomisierte klinische Studien belegt \u2013, die darauf hindeuten, dass die Erdung von Personen ihre Stimmung sofort verbessert und M\u00fcdigkeit verringert [[44<\/strong><\/a>, 45<\/strong><\/a>]], den Vagustonus und die Herzfrequenzvariabilit\u00e4t verbessert [[44<\/strong><\/a>]], die Durchblutung und die Viskosit\u00e4t verbessert [[44<\/strong><\/a>, 46<\/strong><\/a>]], den Cortisolspiegel reguliert [[47<\/strong><\/a>]], senkt den Blutzuckerspiegel [[48<\/strong><\/a>]], f\u00f6rdert einen besseren Schlaf [[44<\/strong><\/a>, 47<\/strong><\/a>, 48<\/strong><\/a>]], mildert Entz\u00fcndungen [[49<\/strong><\/a>]] und lindert verz\u00f6gert auftretende Muskelkater oder Schmerzen im Allgemeinen [[44<\/strong><\/a>, 47<\/strong><\/a>, 49<\/strong><\/a>]] sowie zahlreiche weitere gesundheitliche Vorteile (https:\/\/earthinginstitute.net\/research<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

Die oben genannten Beobachtungen, einschlie\u00dflich derjenigen \u00fcber die Auswirkungen der Erdung auf die Verringerung von Muskelsch\u00e4den [[50<\/strong><\/a>]] ohne Verbesserung des Energieverbrauchs beim Laufen oder der physiologischen Reaktionen von Spitzensportlern [[51<\/strong><\/a>]], veranlassten uns zu einer Untersuchung der Auswirkungen von ROS und ATP w\u00e4hrend der Erdung auf die Mitochondrien.<\/p>\n\n\n\n

Unsere Ergebnisse zeigten, dass unter geerdeten Bedingungen die Mitochondrien weniger ROS produzierten als nicht geerdete Mitochondrien, was darauf hindeutet, dass Erdung dazu beitragen kann, oxidative Sch\u00e4den an den Mitochondrien im Laufe der Zeit zu verhindern und damit oxidativen Stress zu minimieren.<\/p>\n\n\n\n

Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Erdung f\u00fcr die Mitochondrienfunktion und zeigen, dass es notwendig ist, die Mitochondrienfunktion unter geerdeten und nicht geerdeten Bedingungen zu untersuchen, um ihren nat\u00fcrlichen bioenergetischen Zustand vollst\u00e4ndig zu verstehen. Dieser Vergleich k\u00f6nnte neue Erkenntnisse \u00fcber die potenziellen therapeutischen Vorteile oder Risiken der Erdung im Zusammenhang mit der Gesundheit der Mitochondrien und der Pr\u00e4vention von Krankheiten liefern.<\/p>\n\n\n\n

Materialien und Methoden<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Tiere<\/h3>\n\n\n\n

M\u00e4nnliche C57BL\/6 (B6) M\u00e4use (Jackson Laboratories, Sacramento, CA, USA) wurden gem\u00e4\u00df den Richtlinien des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of California, Davis, unter pathogenfreien Bedingungen gehalten. Die Institutional Review Board for the Protection of Animal Welfare (#21780) der University of California, Davis, genehmigte alle Versuchsverfahren und die Ethik dieser Studie. Die Studie wurde in \u00dcbereinstimmung mit den Anforderungen der IACUC und den ARRIVE-Richtlinien [[52<\/strong><\/a>]] durchgef\u00fchrt. Die M\u00e4use erhielten ad libitum<\/em> Futter und Wasser. Um die Mitochondrien aus der Leber zu isolieren, wurden die M\u00e4use durch CO2<\/sub>-Inhalation human get\u00f6tet.<\/p>\n\n\n\n

Isolierung der Mitochondrien und Bewertung der Bioenergetik<\/h3>\n\n\n\n

Alle Reagenzien waren von analytischer Qualit\u00e4t oder h\u00f6her. Die Mitochondrien wurden aus den Lebern von 3 Monate alten m\u00e4nnlichen M\u00e4usen (Stamm C57BL\/6) isoliert. Die Mitochondrien der M\u00e4useleber wurden wie zuvor beschrieben isoliert [[53<\/strong><\/a>–55<\/strong><\/a>]]. Kurz gesagt wurden die Proben in einem Isolationspuffer (0,22 m Mannitol, 0,07 m Saccharose, 1 mm EGTA, 10 mm HEPES, pH 7,4) mit einem handgef\u00fchrten PRO Scientific Bio-Gen PRO200 Homogenisator im Verh\u00e4ltnis 1:10 (1 g Nassgewicht Gewebe in 10 ml Puffer) homogenisiert. Anschlie\u00dfend wurden durch differentielle Zentrifugation mit Mitochondrien angereicherte Fraktionen gewonnen. Gereinigte Mitochondrien aus den mit Mitochondrien angereicherten Fraktionen wurden durch differentielle Zentrifugation, gefolgt von einem Percoll-Gradienten und mehrfachen Waschungen in MSHE-Puffer (220 mM d-Mannitol, 70 mM Saccharose, 0,5 mM EGTA, 2 mM HEPES, 0,1 % fetts\u00e4urefreies Rinderserumalbumin, pH 7,4) und einer abschlie\u00dfenden Resuspension in 0,5 ml 150 mm KCl (endliche Proteinkonzentration von 70 mg\u00b7ml\u22121<\/sup>) gesammelt. Das Protein wurde mit dem Pierce\u2122 BCA-Proteinassay-Kit gem\u00e4\u00df den Anweisungen des Herstellers bestimmt. Der Sauerstoffverbrauch wurde mit einer Hansatech-Clark-Sauerstoffelektrode (Hansatech, King’s Lynn, Gro\u00dfbritannien) bewertet [[54<\/strong><\/a>–56<\/strong><\/a>]]. Mitochondrien (150\u2013300 \u03bcg Protein) wurden in einen Puffer mit 0,22 m Saccharose, 50 mm KCl, 1 mm EDTA, 10 mm KH2<\/sub>PO4<\/sub> und 10 mm HEPES, pH 7,4, in die Sauerstoffkammer gegeben. Die ATP-getriebenen Sauerstoffverbrauchsraten wurden in Gegenwart von (i) 1 mM Malat-10 mM Glutamat, gefolgt von 1 mM ADP und anschlie\u00dfend der Zugabe von 5 \u03bcM Rotenon und (ii) 10 mM Succinat, gefolgt von der Zugabe von 1 mM ADP und anschlie\u00dfend der Zugabe von 3,6 \u03bcM Antimycin A bewertet. Die Aktivit\u00e4ten der NADH-gebundenen ATP-Produktion und der FADH2<\/sub>-gebundenen ATP-Produktion in den Mitochondrien wurden als Differenz der Sauerstoffaufnahme vor und nach Zugabe von Rotenon bzw. Antimycin A bewertet.<\/p>\n\n\n\n

Erdungs-Versuchsaufbau<\/h3>\n\n\n\n

Neun ml MSHE-Puffer (0,21 m Mannitol, 0,07 m Saccharose, 1 mm EDTA, 1 mm EGTA, 10 mm HEPES, pH 7,4) wurden in 9 \u00d7 15 ml konische Kunststoffr\u00f6hrchen aliquotiert, von denen 6 mit einem 14 cm langen Edelstahldraht (3 mm) verbunden waren (zur H\u00e4lfte in 1 ml Puffer eingetaucht) verbunden. Von den 9 konischen R\u00f6hrchen waren 3 geerdet (Edelstahldraht + Kabel mit dem Wasserhahn verbunden), 3 waren Scheinr\u00f6hrchen (Edelstahldraht + Kabel nicht mit dem Wasserhahn verbunden) und 3 waren nicht geerdet oder Kontrollr\u00f6hrchen (kein Edelstahldraht, kein Kabel mit der Erde verbunden; Abb. 1<\/strong><\/a>). Die Erdung wurde mit einem Handmultimeter \u00fcberpr\u00fcft. Ein digitales Multimeter (Commercial Electric MS83010A, manuell einstellbares digitales Multimeter) wurde auf Durchgangspr\u00fcfung mit akustischem Signal eingestellt, um die Integrit\u00e4t jedes Stromkreises zu \u00fcberpr\u00fcfen. Dieser Test stellte sicher, dass keine Unterbrechungen oder unbeabsichtigte Widerst\u00e4nde in den Stromwegen vorhanden waren. Das akustische Signal best\u00e4tigte in Echtzeit eine durchgehende Verbindung und erm\u00f6glichte so eine effiziente Fehlerbehebung. Dar\u00fcber hinaus wurde mit dieser Methode \u00fcberpr\u00fcft, ob jede R\u00f6hre ordnungsgem\u00e4\u00df geerdet war, um eine sichere und widerstandsarme Verbindung zur Erde zu gew\u00e4hrleisten, was sowohl f\u00fcr die Sicherheit als auch f\u00fcr die ordnungsgem\u00e4\u00dfe Funktion der Schaltung von entscheidender Bedeutung ist.<\/p>\n\n\n

\n
\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n

Abb. 1<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Versuchsaufbau f\u00fcr Erdungsversuche. Gegen den Uhrzeigersinn: (A) Kupferdr\u00e4hte wurden um konische 15-ml-Reagenzgl\u00e4ser gewickelt. (B) Ein Ende eines d\u00fcnnen Edelstahldrahtes wurde mit dem Kupferdrahtb\u00fcndel verbunden, w\u00e4hrend das andere Ende eine Schleife bildete, die in die L\u00f6sung im Reagenzglas eingetaucht war. Es wurde darauf geachtet, dass der d\u00fcnne Draht die Reagenzglasw\u00e4nde nicht ber\u00fchrte. Ein separates rotes Kabel mit Metallkrokodilklemmen an beiden Enden verband den Kupferdraht (B) mit einem geerdeten Wasserhahn (C, D), was mit einem Multimeter \u00fcberpr\u00fcft wurde. Die Mitte der Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der drei Versuchsaufbauten: geerdet (oben), scheinbar geerdet (Mitte) und Kontrollgruppe (unten). Der Pfeil symbolisiert das rote Kabel mit den Metallkrokodilklemmen.<\/p>\n\n\n\n

Im gesamten Text werden mitochondriale Zust\u00e4nde erw\u00e4hnt. Zur Verdeutlichung: In der mitochondrialen Atmung stehen Zustand 3, Zustand 3u und Zustand 4 f\u00fcr verschiedene Phasen der mitochondrialen Aktivit\u00e4t, die w\u00e4hrend der Respirometrie-Experimente beobachtet wurden. Zustand 3 (auch als aktive Atmung bezeichnet) spiegelt die maximale Rate des mitochondrialen Sauerstoffverbrauchs wider, wenn ADP f\u00fcr die Phosphorylierung verf\u00fcgbar ist. In diesem Zustand wandeln die Mitochondrien durch oxidative Phosphorylierung aktiv Sauerstoff in ATP um, was ihre Energieproduktionskapazit\u00e4t darstellt. Zustand 3u (gekoppelter Zustand 3) tritt auf, wenn Entkoppler wie FCCP eingef\u00fchrt werden, die den Protonengradienten \u00fcber die innere Mitochondrienmembran abbauen. Dies f\u00fchrt dazu, dass die Mitochondrien Sauerstoff mit hoher Rate verbrauchen, ohne ATP zu synthetisieren, da die Elektronentransportkette weiter funktioniert, die ATP-Produktion jedoch von der Atmung entkoppelt ist. Der Zustand 4 (Ruhend) ist durch einen geringeren Sauerstoffverbrauch gekennzeichnet, nachdem das in Zustand 3 produzierte ATP verbraucht ist. In diesem Zustand steht kein ADP zur Verf\u00fcgung, und die Atmung beschr\u00e4nkt sich auf den basalen Sauerstoffverbrauch, der zur Aufrechterhaltung des mitochondrialen Membranpotentials und zur Ausf\u00fchrung grundlegender Zellfunktionen erforderlich ist, ohne dass aktiv ATP produziert wird. Diese Zust\u00e4nde sind entscheidend f\u00fcr die Beurteilung der Mitochondrienfunktion, einschlie\u00dflich des respiratorischen Kontrollverh\u00e4ltnisses (Zustand 3\/Zustand 4), das zur Beurteilung der Effizienz der Mitochondrien-Kopplung und der allgemeinen bioenergetischen Gesundheit beitr\u00e4gt.<\/p>\n\n\n\n

Die Inkubationspuffer waren f\u00fcr die drei Bedingungen wie folgt: (i) nicht phosphorylierende Mitochondrien (oder im Ruhezustand): MSHE +10 mm Succinat (zum Testen der endogenen Synthese von ATP mit endogenem ADP); (ii) phosphorylierende Mitochondrien: MSHE +10 mm Succinat +1 mm ADP (zum Testen der phosphorylierenden Aktivit\u00e4t durch Bereitstellung von Substrat und ADP); und (iii) entkoppelte Mitochondrien (d. h. Entkopplung des Elektronentransports von der ATP-Synthese): MSHE +10 mm Succinat +3,6 \u03bcm Antimycin A + 20 nm FCCP. Bei t<\/em> = 0 min wurden den einzelnen R\u00f6hrchen Mitochondrien in einer Endkonzentration von 0,3 mg\u00b7ml\u22121<\/sup> hinzugef\u00fcgt, gr\u00fcndlich gemischt, zu Beginn (gesch\u00e4tzt auf <5 min) wurden Aliquots entnommen und anschlie\u00dfend 15 und 30 min bei 22 \u00b0C inkubiert. An diesen drei Zeitpunkten wurden Aliquots von 200 \u03bcL (60 \u03bcg Protein) und 5 \u03bcL (1,5 \u03bcg Protein) in 1,8 mL ROS-Assay-Puffer (0,1 m K2<\/sub>HPO4<\/sub>, 5 Einheiten\/ml-1<\/sup> Meerrettichperoxidase und 400 \u03bcm p-Hydroxyphenylessigs\u00e4ure) und 45 \u03bcl Assay-Puffer (BioVision, propriet\u00e4r) auf Eis. Die mitochondriale H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion wurde fluorimetrisch nach einer zuvor beschriebenen Methode bestimmt [[57<\/strong><\/a>]]. Kurz gesagt folgt die Reaktion zwischen Meerrettichperoxidase (HRP), p<\/em>-Hydroxyphenylessigs\u00e4ure (p-HPA) und Wasserstoffperoxid (H2<\/sub>O2<\/sub>) einem peroxidase-katalysierten Oxidationsprozess, der zur Bildung eines fluoreszierenden Produkts f\u00fchrt. HRP nutzt H2<\/sub>O2<\/sub> als Oxidationsmittel und bildet einen aktivierten HRP-Peroxid-Komplex, der Elektronen auf geeignete Substrate \u00fcbertragen kann. In diesem Fall wird p-HPA durch den HRP-Peroxid-Komplex einer Ein-Elektronen-Oxidation unterzogen, wobei oxidiertes p-HPA entsteht, das anschlie\u00dfend dimerisiert oder zu einem stark fluoreszierenden Produkt polymerisiert. Das oxidierte p-HPA-Produkt zeigt eine starke Fluoreszenz, die spektrophotometrisch gemessen werden kann (typischerweise mit einer Anregung bei etwa 320\u2013350 nm und einer Emission bei etwa 400\u2013450 nm). Die Reaktion verl\u00e4uft \u00fcber einen radikalischen Mechanismus und wird h\u00e4ufig zum Nachweis von H2<\/sub>O2<\/sub> in biologischen und enzymatischen Assays verwendet. Die Fluoreszenzintensit\u00e4t des oxidierten p-HPA-Produkts korreliert mit der Menge des vorhandenen H2<\/sub>O2<\/sub>, was einen empfindlichen Nachweis erm\u00f6glicht [[58<\/strong><\/a>]]. Am Ende des Experiments wurden zur ROS-Messung [[59<\/strong><\/a>]] 200 \u03bcl Probe \u2013 in dreifacher Ausfertigung \u2013 aus dem 2-ml-Reaktionsr\u00f6hrchen in eine Vertiefung einer 96-Well-Platte gegeben und die Fluoreszenz nach 30-min\u00fctiger Inkubation bei 37 \u00b0C aufgezeichnet (Anregungs- und Emissionswellenl\u00e4ngen bei 315 bzw. 410 nm). Die ROS-Produktion wurde anhand einer Kalibrierungskurve berechnet, die mit einer Stamml\u00f6sung von 100 \u03bcm H2<\/sub>O2<\/sub> in Konzentrationen von 0\u20133 \u03bcm erstellt wurde. Negative (nur MSHE-Puffer) und positive (0,5 \u03bcm H2<\/sub>O2<\/sub>) Kontrollen wurden ebenfalls dreifach auf die Mikroplatte gegeben.<\/p>\n\n\n\n

Am Ende des Experiments wurden die ATP-Konzentrationen nach 30-min\u00fctiger Inkubation bei 25 \u00b0C spektrophotometrisch (570 nm) mit einem BioVision-Kit (Kat.-Nr. K354) gem\u00e4\u00df den Anweisungen des Herstellers bewertet. Zur Quantifizierung des ATP wurde eine Kalibrierungskurve von 0\u201310 nmol\u00b7Well\u22121<\/sup> verwendet. Negative (nur MSHE-Puffer) und positive (5 nmol ATP\/Well) Kontrollen wurden dreifach durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Das mitochondriale Transmembranpotenzial (\u0394\u03c8) wurde fluorometrisch (507 und 529 nm, Anregungs- und Emissionswellenl\u00e4ngen) unter Verwendung von (0,4 \u03bcm) Rhodamin 123 (Fisher Scientific) als Sonde in einem Infinite M200 (Tecan, Morrisville, NC) gemessen. Dieser Fluoreszenzfarbstoff wird zur Bestimmung von \u0394\u03c8 in isolierten Mitochondrien verwendet. Aufgrund seiner kationischen und lipophilen Eigenschaften reichert er sich selektiv in Reaktion auf das Membranpotential in den Mitochondrien an [[60<\/strong><\/a>]]. Die Fluoreszenz wurde in Aliquoten nach 0 und 30 Minuten (technische Triplikate und zwei biologische Replikate) bewertet. Als Positivkontrolle f\u00fcr \u0394\u03a8 = 0 wurde am Ende jeder Messung 3 \u03bcm FCCP hinzugef\u00fcgt, um \u0394\u03a8 durch Eliminierung der Protonenmotive Kraft \u00fcber die innere Mitochondrienmembran zusammenbrechen zu lassen. Das Potenzial wurde unter Ber\u00fccksichtigung der Verteilung des Farbstoffs in den Mitochondrien im Vergleich zu den Medien ohne Mitochondrien anhand der Nernst-Gleichung berechnet. Der Farbstoff Rhodamin 123 wird als Sonde f\u00fcr das mitochondriale Membranpotenzial verwendet, da er gut charakterisiert ist, keinen Verlust der mitochondrialen Kopplung verursacht und in geringen Konzentrationen nicht toxisch ist [[61<\/strong><\/a>, 62<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Statistische Analyse<\/h3>\n\n\n\n

Alle Experimente wurden in zwei biologischen Replikaten und drei technischen Triplikaten durchgef\u00fchrt. Der einseitige ANOVA-Test (Varianzanalyse) wurde verwendet, um festzustellen, ob es statistisch signifikante Unterschiede zwischen drei oder mehr Versuchsbedingungen gab. In diesem Fall umfassten die Bedingungen phosphorylierende, nicht phosphorylierende, entkoppelte oder geerdete, Schein- und naive Gruppen. Der Test bewertete, ob sich die Mittel-werte einer abh\u00e4ngigen Variablen zwischen diesen Gruppen unterschieden. Im Anschluss an die ANOVA wurde eine Tukey-post-hoc-Analyse<\/em> durchgef\u00fchrt, um spezifische Gruppen-unterschiede zu identifizieren. Der Tukey-Test kontrolliert die familienweise Fehlerquote und ist besonders n\u00fctzlich bei der Durchf\u00fchrung mehrerer Vergleiche, um sicherzustellen, dass signifikante Unterschiede zwischen Gruppenmittelwerten nicht auf zuf\u00e4llige Schwankungen zur\u00fcckzuf\u00fchren sind. Zus\u00e4tzlich wurde eine lineare Regressionsanalyse durchgef\u00fchrt, um Beziehungen zwischen Variablen zu untersuchen, wobei der Pearson-Korrelationskoeffizient verwendet wurde, um die St\u00e4rke und Richtung der linearen Beziehung zwischen zwei kontinuierlichen Variablen zu quantifizieren. Alle statistischen Analysen wurden mit der Software JMP Version 17.0 durchgef\u00fchrt, einem weit verbreiteten statistischen Tool zur Datenvisualisierung und -analyse.<\/p>\n\n\n\n

Ergebnisse<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Qualit\u00e4tskontrolle der Mitochondrienpr\u00e4paration<\/h3>\n\n\n\n

Die Qualit\u00e4tskontrolle der Mitochondrienpr\u00e4parate aus M\u00e4useleber wurde vor der Durchf\u00fchrung der Experimente zur Bewertung des Einflusses der Erdung auf die ATP- und ROS-Produktion in den Mitochondrien bewertet. Alle Mitochondrienproben wiesen unter Verwendung einer Standard-Polarographieausr\u00fcstung einen Respirationskontrollverh\u00e4ltnis (RCR) von 12 \u00b1 3 auf. Die Proben wurden innerhalb von 2 Stunden nach der Vorbereitung verwendet, und w\u00e4hrend dieses Zeitraums gab es keinen signifikanten R\u00fcckgang des RCR <9. Unter diesen Bedingungen betrugen die Sauerstoffaufnahmeraten mit Malat-Glutamat und Succinat unter phosphorylierenden Bedingungen 26 \u00b1 3, 39 \u00b1 4 nmol und 27 \u00b1 3 nmol verbrauchtem O2<\/sub> \u00d7 (min \u00d7 mg Mitochondrienprotein)\u22121<\/sup>. Die Sauerstoffverbrauchsrate unter nicht-phosphorylierenden Bedingungen (nur Succinat; Zustand 4) betrug 3,5 \u00b1 0,5 nmol O2<\/sub> \u00d7 (min \u00d7 mg mitochondriales Protein)\u22121<\/sup>. Die ROS-Produktionsrate in Zustand 4 betrug 0,60 \u00b1 0,02 nmol H2<\/sub>O2<\/sub> \u00d7 (min \u00d7 mg Protein)\u22121<\/sup>. Wenn die Rate unter Zustand 4 den Protonenleck und den Elektronenleck aus der inneren Mitochondrienmembran widerspiegelt, dann macht der Elektronenleck (Austritt von Elektronen w\u00e4hrend der gesamten Elektronentransportkette vor der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser an Cytochrom c<\/em> Oxidase, was zur Produktion von Superoxidanionen f\u00fchrt) einen geringen Anteil der gesamten Sauerstoffverbrauchsrate in Zustand 4 aus (Verh\u00e4ltnis 6:1), was mit anderen Studien \u00fcbereinstimmt [[63<\/strong><\/a>]].<\/p>\n\n\n\n

Validierung des Versuchsaufbaus und der Vorgehensweise<\/h3>\n\n\n\n

Alle Versuche wurden bei 22 \u00b0C durchgef\u00fchrt, um eine unspezifische Aktivierung von Proteasen und Lipasen zu vermeiden, die die Integrit\u00e4t der Mitochondrien w\u00e4hrend des gesamten Versuchs (~30\u201360 min) beeintr\u00e4chtigen k\u00f6nnte. Bei h\u00f6heren Temperaturen sind m\u00f6glicherweise gr\u00f6\u00dfere Mengen an Protease-, Kinase-, Phosphatase- und Lipase-Inhibitoren erforderlich, um einen Abbau zu verhindern, was unerwartete und manchmal nachteilige Auswirkungen auf die Bioenergetik der Mitochondrien haben kann. Zus\u00e4tzlich ist die Sauerstoffaufnahme bei 37 \u00b0C zwar insgesamt h\u00f6her, aber die langsamere Sauerstoffverbrauchsrate bei 22 \u00b0C stellt sicher, dass die Mitochondrien (oder Zellen) w\u00e4hrend des Bewertungszeitraums keine Hypoxie oder Anoxie erfahren. Dies war entscheidend, da die Erdungsvorrichtung keine Echtzeitmessung der Sauerstoffkonzentration in den Reagenzgl\u00e4sern erm\u00f6glichte. Die Temperatur hat bekannterma\u00dfen einen Einfluss auf die Mitochondrienfunktion, einschlie\u00dflich der ATP-gebundenen Sauerstoffverbrauchsraten (OCR). Wie von anderen gezeigt, st\u00fctzen Arrhenius-Diagramme der OCR in Zustand 3 mit Succinat im Vergleich zu 1\/T die Temperaturabh\u00e4ngigkeit der Mitochondrienaktivit\u00e4t (Abb. 1A<\/strong><\/a>). Diese Ergebnisse deuteten auf eine proportionale Abnahme der OCR bei niedrigeren Temperaturen hin, da die Komponenten der Elektronentransportkette langsamer wurden [[64<\/strong><\/a>]]. Dar\u00fcber hinaus lag die aus diesem Diagramm berechnete Aktivierungsenergie (14,7 \u00b1 0,4 cal\u00b7mol\u22121<\/sup>) innerhalb der ver\u00f6ffentlichten Werte f\u00fcr den Temperaturbereich von 17\u201330 \u00b0C (15,4 bis 16 cal\u00b7mol\u22121<\/sup>) [[64<\/strong><\/a>]], was unsere Ergebnisse best\u00e4tigt. Dar\u00fcber hinaus wurde der Bereich von 20\u201325 \u00b0C in mitochondrialen Studien weit verbreitet verwendet, darunter auch in den bahnbrechenden Arbeiten von Chance in den 1950er- und 1960er-Jahren, in denen Experimente bei Temperaturen zwischen 4 und 25 \u00b0C durchgef\u00fchrt wurden, wobei die meisten bei 25 \u00b0C stattfanden [[65<\/strong><\/a>–70<\/strong><\/a>]]. Die Entscheidung, bioenergetische Bewertungen bei 22 \u00b0C durchzuf\u00fchren, bewahrt somit die Integrit\u00e4t der Mitochondrien, erm\u00f6glicht zuverl\u00e4ssige Atmungsmessungen, vermeidet unerw\u00fcnschten, \u00fcberm\u00e4\u00dfigen enzymatischen Abbau und verhindert hypoxische Bedingungen.<\/p>\n\n\n\n

Wir haben Experimente unter Verwendung spektroskopischer Techniken (Fluoreszenz) zur Bewertung von ROS und ATP konzipiert, da die meisten Mitochondrienstudien Metallproben zur Messung dieser Parameter verwenden, die die Mitochondrienl\u00f6sung ver\u00e4ndern und somit die Experimente verf\u00e4lschen k\u00f6nnen. Sowohl die ATP-Synthese als auch die H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion wurden zun\u00e4chst unter Basisbedingungen gemessen, um Referenzwerte festzulegen. Dieser Schritt war entscheidend, um sicherzustellen, dass alle nachfolgenden Ver\u00e4nderungen der ATP- und ROS-Werte genau auf die Erdung und nicht auf Schwankungen in den Mitochondrien-pr\u00e4paraten zur\u00fcckgef\u00fchrt werden konnten. Zur Gew\u00e4hrleistung der Genauigkeit und Zuverl\u00e4ssigkeit der Messungen wurden detaillierte Protokolle zur Quantifizierung von ATP und H2<\/sub>O2<\/sub> befolgt. Die Varianzanalyse zeigte einen Haupteffekt des mitochondrialen Zustands auf die ATP-Produktion [F<\/em>(2, 23) = 1062,44, P<\/em> < 0,0001, \u03b72<\/sup> = 0,989]. Wie erwartet war die ATP-Produktion in phosphorylierenden Mitochondrien am h\u00f6chsten, wenn ein Substrat (Succinat) und ADP in nicht limitierenden Konzentrationen bereitgestellt wurden (Zustand 3; Mittelwert \u00b1 SD = 401 \u00b1 35 nmol \u00d7 (min \u00d7 mg Mitochondrienprotein)\u22121<\/sup> im Vergleich zu den Zust\u00e4nden 4 oder 3u). Post-hoc-Analysen mit Tukey’s HSD zeigten, dass die ATP-Produktion im Zustand 3 h\u00f6her war als im Zustand 4 (P<\/em> < 0,0001) und im Zustand 3u (P<\/em> < 0,0001; Abb. 1B<\/strong><\/a>). Umgekehrt war die ATP-Produktion unter Bedingungen mit endogenem (limitierendem) ADP (aber mit \u00fcbersch\u00fcssigem Succinat oder Zustand 4) oder unter entkoppelten Bedingungen mit Antimycin (Zustand 3u mit Antimycin) vernachl\u00e4ssigbar [19 \u00b1 3 bzw. 18 \u00b1 2 nmol \u00d7 (min \u00d7 mg mitochondriales Protein)\u22121<\/sup>] und statistisch nicht unterschiedlich (P<\/em> = 0,996).<\/p>\n\n\n\n

In Bezug auf die ROS-Produktion zeigte die Varianzanalyse einen Haupteffekt der mitochondrialen Zust\u00e4nde auf die H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktionsrate [F<\/em>(2,24) = 29,47, P<\/em> < 0,0001, \u03b72<\/sup> = 0,711]. Die mitochondriale ROS-Produktion war unter Antimycin-supplementierten, ungekoppelten Bedingungen maximal (Zustand 3u mit Antimycin = 0,18 \u00b1 0,02 nmol H2<\/sub>O2<\/sub> \u00d7 (min \u00d7 mg Protein)\u22121<\/sup> im Vergleich zu phosphorylierenden (0,10 \u00b1 0,02) und nicht-phosphorylierenden (0,13 \u00b1 0,02) Bedingungen (P<\/em> < 0,0001 bzw. P<\/em> = 0,0002; Abb. 1C<\/strong><\/a>)). Die ROS-Produktionsrate unter phosphorylierenden Bedingungen war ebenfalls unterschiedlich und niedriger als unter nicht-phosphorylierenden Bedingungen (P<\/em> = 0,035; Abb. 1C<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

Unter Ber\u00fccksichtigung eines aktuellen P\/O-Verh\u00e4ltnisses von 1,636 f\u00fcr Succinat (1,636 ATP-Molek\u00fcle werden pro Sauerstoffatom produziert, das w\u00e4hrend der Oxidation von Succinat zu Wasser reduziert wird) [[71<\/strong><\/a>–73<\/strong><\/a>]], betrug der Anteil des f\u00fcr die ROS-Produktion verwendeten Sauerstoffs unter nicht-phosphorylierenden Bedingungen 2,2 % und unter phosphorylierenden Bedingungen 0,08 %. In \u00dcbereinstimmung mit diesen Werten und gem\u00e4\u00df der aktuellen Literatur wird ein sehr geringer Anteil des von Mitochondrien verbrauchten Sauerstoffs f\u00fcr die ROS-Produktion verwendet, der typischerweise auf 0,15 % bis 2 % des gesamten Sauerstoffverbrauchs gesch\u00e4tzt wird, wobei die meisten Studien ihn n\u00e4her am unteren Ende dieses Bereichs bei etwa 0,1\u20130,2 % [[74<\/strong><\/a>]] f\u00fcr Mitochondrien im Zustand 3 ansetzen.<\/p>\n\n\n\n

Die Werte dieser Ergebnisse zeigten, dass nicht nur die Mitochondrienpr\u00e4parate, die f\u00fcr die geerdeten Verdrahtungseinstellungen verwendet werden sollten, die Qualit\u00e4tskontrolle hinsichtlich Unversehrtheit und Kopplung bestanden, sondern auch die Versuchsaufbauten und -ans\u00e4tze.<\/p>\n\n\n\n

Erdungsexperimente<\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr die Erdungsexperimente wurden Kupferdr\u00e4hte um den Hals von konischen 15-ml-Reagenzgl\u00e4sern gewickelt. Ein d\u00fcnner Edelstahldraht, der mit der Kupferspirale verbunden war, hatte eine Schleife, die in die L\u00f6sung im Reagenzglas eingetaucht war, sodass er die Reagenzglasw\u00e4nde nicht ber\u00fchrte. Die Erdung wurde hergestellt, indem der Kupferdraht an einen Wasserhahn angeschlossen wurde. Das System war im geerdeten Zustand vollst\u00e4ndig mit dem Wasserhahn verbunden, was durch ein Multimeter als ordnungsgem\u00e4\u00df geerdet best\u00e4tigt wurde (siehe Methoden). Die Scheinbedingung replizierte diesen Aufbau, hatte jedoch keine Erdungsverbindung und diente als Kontrolle f\u00fcr m\u00f6gliche Nicht-Erdungseffekte. Die Kontroll-gruppe umfasste keine externe Verkabelung oder Erdung und diente als Vergleichsbasis (Abb. 2<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Abb.2<\/p>\n\n\n\n

Arrhenius-Diagramm f\u00fcr Zustand 3 mit Succinat-, ATP- und Wasserstoffperoxidproduktion durch isolierte, gereinigte Mitochondrien aus M\u00e4useleber. (A) Die Sauerstoffverbrauchsrate (OCR) mit Succinat und ADP (Zustand 3) durch isolierte Mitochondrien aus M\u00e4useleber wurde bei drei Temperaturen bewertet. Das Arrhenius-Diagramm wurde anhand des nat\u00fcrlichen Logarithmus der mittleren OCR-Raten bei jeder getesteten Temperatur erstellt. Die Daten wurden an ein lineares Modell angepasst (Gleichung siehe Grafik; Pearson-Korrelation r<\/em>(2) = \u22120,998; P<\/em> = 0,036). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar. F\u00fcr die Grafiken B und C wurden isolierte Mitochondrien mit Succinat und ADP (phosphorylierend; Zustand 3), nur mit dem Substrat (Succinat) (nicht phosphorylierend; Zustand 4) und mit dem Entkoppler FCCP (Carbonylcyanid-p<\/em>-trifluormethoxyphenylhydrazon) und Antimycin (entkoppelt; Zustand 3u mit Antimycin) inkubiert. Die ATP-Produktion (Panel B) und die Wasserstoffperoxid-produktion (Panel C) wurden in Aliquots (dreifach) nach 0, 15 und 30 Minuten bewertet, und die Raten wurden als Steigungen einer linearen Regressionsanpassung berechnet. Die statistischen Analysen wurden mit ANOVA (Varianzanalyse) gefolgt von Tukey’s Post-hoc-Test durchgef\u00fchrt. Die Boxplots in den Feldern B und C sind so gestaltet, dass sie 50 % der Daten innerhalb jeder Box umfassen, wobei der Medianwert (definiert als der Datenwert, der in der Mitte zwischen dem kleinsten und dem gr\u00f6\u00dften Wert liegt) als Linie dargestellt wird. Die Ober- und Untergrenze der Box geben die Grenzen von \u00b125 % der variablen Population an. Die Linien, die sich von der Ober- und Untergrenze jeder Box erstrecken, stellen die Minimal- und Maximalwerte innerhalb des Datensatzes dar, die in einen akzeptablen Bereich fallen. Jeder Wert au\u00dferhalb dieses Bereichs, der als Ausrei\u00dfer bezeichnet wird, wird als einzelner Punkt dargestellt (ein Ausrei\u00dfer ist definiert als jeder Punkt, dessen Wert entweder gr\u00f6\u00dfer als das obere Quartil +1,5 * Interquartilabstand oder kleiner als das untere Quartil \u2212 1,5 * Interquartilabstand ist). Ausrei\u00dfer werden in die Berechnungen f\u00fcr das Boxplot einbezogen. Alle Experimente wurden in mindestens zwei biologischen Replikaten und drei technischen Triplikaten durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Zun\u00e4chst haben wir den zeitlichen Verlauf der H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion durch Mausleber-mitochondrien unter Zustand 4 und 3u mit Antimycin bewertet, um die lineare Reaktion innerhalb des Zeitfensters zu bewerten (Abb. 3A<\/strong><\/a> und Abb. 3B<\/strong><\/a>). Unter den drei Bedingungen waren die Reaktionen unter Zustand 4 linear mit Korrelationskoeffizienten > 0,93 [Pearson-Korrelation r<\/em>(2) > 0,93, P<\/em> < 0,001]. \u00c4hnliche Ergebnisse wurden mit Zustand 3u und Antimycin erzielt. Eine einseitige Kovarianzanalyse (ANCOVA) ergab, dass die H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion unter geerdeten Bedingungen signifikant unterschiedlich und niedriger war als unter Schein- und Naivbedingungen f\u00fcr Zustand 4 (P<\/em> = 0,023) und Zustand 3u mit Antimycin (P<\/em> = 0,034).<\/p>\n\n\n

\n
\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n

Abb. 3 A-D <\/p>\n\n\n\n

Auswirkung der Erdung auf die ATP- und Wasserstoffperoxidproduktion sowie das Atemkontrollverh\u00e4ltnis in phosphorylierenden Mitochondrien. Die Wasserstoffperoxidproduktion wurde zu den angegebenen Zeitpunkten in Mitochondrien bewertet, die mit Succinat (A) und Succinat, FCCP und Antimycin (B) inkubiert wurden. Unter jeder Bedingung wurden Aliquots in dreifacher Ausfertigung entnommen: geerdet, Schein und naiv. Die linearen Regressionsgleichungen sind in jedem Feld dargestellt. Der P-Wert entspricht einer einseitigen ANCOVA (Kovarianzanalyse). Die Raten der ATP-Produktion (C) und der Wasserstoffperoxidproduktion (D) wurden in phosphorylierenden Mitochondrien (Zustand 3) bewertet. Die P-Werte wurden aus einer ANOVA-Analyse mit anschlie\u00dfender Tukey-Post-hoc-Analyse ermittelt. Alle Experimente wurden in zwei biologischen Replikaten und drei technischen Dreifachproben durchgef\u00fchrt. In den Feldern A und B stellen die Fehlerbalken die Standardabweichungen dar. Die Boxplots in den Feldern C und D zeigen 50 % der Daten innerhalb jeder Box, wobei der Median durch eine Linie angezeigt wird. Die Boxgrenzen stellen \u00b125 % der variablen Population dar. Die Linien, die sich von den Boxen aus erstrecken, stellen die Minimal- und Maximalwerte innerhalb eines akzeptablen Bereichs dar. Werte au\u00dferhalb dieses Bereichs, sogenannte Ausrei\u00dfer, werden als einzelne Punkte dargestellt (definiert als jeder Punkt, der gr\u00f6\u00dfer als das obere Quartil +1,5 * Interquartilsabstand oder kleiner als das untere Quartil \u2212 1,5 * Interquartilsabstand ist). Ausrei\u00dfer werden in die Boxplot-Berechnungen einbezogen.<\/p>\n\n\n\n

Die Raten der ATP-Produktion (Abb. 3C<\/strong><\/a>) und der H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion (Abb. 3D<\/strong><\/a>) wurden in Mitochondrien von M\u00e4useleber unter phosphorylierenden Bedingungen (Zustand 3) und unter den drei Einstellungen (geerdet, sham und naiv) bewertet. [Korrektur hinzugef\u00fcgt am 24. Juli 2025 nach der ersten Online-Ver\u00f6ffentlichung: Dieser Satz wurde korrigiert.] Unter geerdeten Bedingungen wurden im Vergleich zu Schein- und Naivbedingungen signifikante Unterschiede beobachtet. Die Varianzanalyse zeigte einen Haupteffekt der Erdung auf die ATP-Produktion [F<\/em> (2, 6) = 78,598, P<\/em> < 0,0001, P<\/em>\u03b72<\/sup> = 0,963]. Post-hoc-Analysen mit Tukey’s HSD zeigten, dass die ATP-Produktion unter geerdeten Bedingungen 444 \u00b1 2 nmol ATP \u00d7 (min \u00d7 mg Protein)\u22121<\/sup> betrug und damit signifikant h\u00f6her war als unter Scheinbedingungen (420 \u00b1 1; P<\/em> = 0,002) und unter Naivbedingungen (396 \u00b1 7; P<\/em> < 0,0001; Abb. 3C<\/strong><\/a>). In \u00dcbereinstimmung mit den Ergebnissen zur ATP-Produktion zeigte die Varianzanalyse einen Haupteffekt der Erdung auf die H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktionsraten [F<\/em>(2,6) = 10,803, P<\/em> = 0,010, p\u03b72<\/sup> = 0,783]. Post-hoc-Analysen mit Tukey’s HSD zeigten, dass die ROS-Produktion zwischen Schein- und Naivbedingungen nicht unterschiedlich war [in nmol H2<\/sub>O2<\/sub> \u00d7 (min \u00d7 mg Protein)\u22121<\/sup> 0,103 \u00b1 0,009 und 0,12 \u00b1 0,01; P<\/em> = 0,213], aber beide waren h\u00f6her als unter geerdeten Bedingungen (0,08 \u00b1 0,01; P<\/em> = 0,079 vs. Schein; P<\/em> = 0,009 vs. naiv; Abb. 3D<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassend war die ATP-Produktion unter geerdeten Bedingungen am h\u00f6chsten, begleitet von der niedrigsten mitochondrialen ROS-Produktion und der h\u00f6chsten Kopplung der ATP-Produktion an die Sauerstoffaufnahme oder den Elektronenfluss durch die Elektronentransportkette.<\/p>\n\n\n\n

In Anbetracht der Tatsache, dass die Erdung zu einem statistisch signifikanten Anstieg der ATP-Produktion im Vergleich zu Schein- und Naivbedingungen (5 bis 11 %) f\u00fchrte, jedoch mit einer st\u00e4rkeren Auswirkung auf die ROS-Produktion (R\u00fcckgang um 22 bis 33 %) als unter Schein- und Naivbedingungen, und dass Forschungsstudien darauf hindeuten, dass bereits eine geringf\u00fcgige Abnahme des Membranpotentials (<13 %) zu einer 1,2- bis 2-fachen Erh\u00f6hung der Atmungsrate und einer erheblichen (um 80 %) Verringerung der H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion f\u00fchren kann, w\u00e4hrend die Auswirkungen auf die Atmung im Zustand 3 minimal sind [[75<\/strong><\/a>, 76<\/strong><\/a>]], haben wir das mitochondriale Membranpotential unter den drei Bedingungen bewertet. Der \u0394\u03a8 unter naiven oder Scheinbedingungen unterschied sich nicht (\u2212174 \u00b1 9 und \u2212175 \u00b1 10 mV), w\u00e4hrend er unter geerdeten Bedingungen signifikant niedriger war (\u2212165 \u00b1 8 mV). Alle drei \u0394\u03a8 fielen in Gegenwart von FCCP auf Werte von \u221220 \u00b1 6 mV.<\/p>\n\n\n\n

Diskussion<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die Ergebnisse unserer Studie unterstreichen den signifikanten Einfluss der Erdung auf die Mitochondrienfunktion, insbesondere auf die ROS-Bildung, die sich wiederum auf die Kopplung des Elektronentransfers an die ATP-Produktion auswirkt. Durch die Verwendung fluoreszenzbasierter Assays zur Bewertung dieser Parameter konnten wir die St\u00f6reffekte vermeiden, die bei herk\u00f6mmlichen Metallsonden durch die Erdung der Mitochondrienl\u00f6sung auftreten. Dieser methodische Ansatz erm\u00f6glichte es uns, den Einfluss der Erdung auf die Mitochondrien zu isolieren und genau zu bewerten. Derzeit gibt es keine experimentellen Arbeiten, die eindeutig belegen, dass Erdung die bioenergetischen Parameter der Mitochondrien ver\u00e4ndert. Zwar gibt es verschiedene Behauptungen \u00fcber die gesundheitlichen Vorteile der Erdung, darunter auch m\u00f6gliche Auswirkungen auf oxidativen Stress, doch bleiben diese Behauptungen aufgrund fehlender direkter empirischer Belege weitgehend spekulativ. Unsere Studie zielte darauf ab, diese Wissensl\u00fccke zu schlie\u00dfen, indem wir experimentelle Daten zur Bewertung der Frage lieferten, ob Erdung messbare Auswirkungen auf die mitochondriale Atmung, das Membranpotenzial und oxidativen Stress hat. Anstatt einen kausalen Zusammenhang anzunehmen, haben wir systematisch getestet, ob Erdung unter kontrollierten Bedingungen einen bioenergetischen Einfluss aus\u00fcbt. Damit wollten wir eine Grundlage f\u00fcr zuk\u00fcnftige Untersuchungen zur potenziellen physiologischen Relevanz der Erdung auf mitochondrialer Ebene schaffen.<\/p>\n\n\n\n

Unsere Studie zeigte, dass Erdung zu einer leichten Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials f\u00fchrte, was die Verringerung der ROS-Produktion und die Erh\u00f6hung der ATP-Produktion erkl\u00e4rt. Obwohl die Abnahme ~5\u20136 % betrug und als geringf\u00fcgige biologische Auswirkung angesehen werden kann, muss ber\u00fccksichtigt werden, dass die Protonenleckraten in den Mitochondrien von S\u00e4ugetieren exponentiell mit \u0394\u03a8 ansteigen und dass die Erh\u00f6hung der Protonenleitf\u00e4higkeit \u00fcber die mitochondriale Membran mit steigendem \u0394\u03a8 ebenfalls nicht ohmsch ist. Protonen- und Elektronenleck sind eng miteinander verbunden, da die Superoxidproduktion sehr empfindlich auf die Abnahme von \u0394Proton aufgrund von Protonenleck reagiert [[77<\/strong><\/a>]]. Unsere Ergebnisse stimmen mit denen anderer Forscher \u00fcberein, die darauf hinweisen, dass bereits ein geringer R\u00fcckgang des Membranpotentials zu einer erheblichen Verringerung der H2<\/sub>O2<\/sub>-Produktion f\u00fchren kann [[75<\/strong><\/a>, 76<\/strong><\/a>]]. Dies steht im Einklang mit unseren Erkenntnissen und st\u00fctzt die Hypothese, dass elektrische Erdung die Bioenergetik der Mitochondrien durch subtile Ver\u00e4nderungen des Membranpotentials modulieren kann.<\/p>\n\n\n\n

Die mitochondriale Atmung und das Membranpotential werden h\u00e4ufig in Atmungskammern gemessen, die mit Elektroden ausgestattet sind, wie beispielsweise den h\u00e4ufig verwendeten Oxygraph-Systemen. Diese Systeme st\u00fctzen sich auf den Sauerstoffverbrauch als Indikator f\u00fcr die mitochondriale Aktivit\u00e4t. Allerdings ber\u00fccksichtigen sie nicht immer m\u00f6gliche Artefakte, die durch die Erdung der Mitochondrien entstehen \u2013 ein Ph\u00e4nomen, bei dem Mitochondrien physisch mit Oberfl\u00e4chen interagieren und dadurch ihr bioenergetisches Verhalten ver\u00e4ndern k\u00f6nnen. Wenn Mitochondrien in Suspension vorliegen, wie dies in vielen hochaufl\u00f6senden Respirometrie-Experimenten der Fall ist, k\u00f6nnen sie ihre nat\u00fcrlichen elektrochemischen Gradienten aufrechterhalten. Wenn Mitochondrien jedoch mit Kammeroberfl\u00e4chen wie den Elektroden eines Oxygraphen in Kontakt kommen, kann diese Erdung die Ladungsverteilung beeinflussen, was sich auf die Messung des Membranpotentials auswirkt und m\u00f6glicherweise den Sauerstoffverbrauch ver\u00e4ndert. In Systemen, in denen Mitochondrien auf Oberfl\u00e4chen abgelagert oder in Mikro-Kammern eingeschlossen sind, k\u00f6nnen Erdungseffekte zu einer Dissipation des Membranpotentials f\u00fchren, was eine k\u00fcnstliche Depolarisation oder eine ver\u00e4nderte Protonenleckdynamik zur Folge hat. Dies k\u00f6nnte zu einer Untersch\u00e4tzung der respiratorischen Kontrollverh\u00e4ltnisse oder zu einer Fehlinterpretation der mitochondrialen Kopplungseffizienz f\u00fchren. Das Verst\u00e4ndnis dieser m\u00f6glichen Effekte ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die gemessene Atmung und das gemessene Potenzial das physiologische Verhalten der Mitochondrien genau widerspiegeln. Der Vergleich von elektrodenbasierten O2<\/sub>-Verbrauchs-Messungen mit alternativen Ans\u00e4tzen, wie fluorometrischen potentialempfindlichen Farbstoffen oder isolierten Vesikelsystemen, kann dazu beitragen, zu kl\u00e4ren, wie die Erdung der Mitochondrien die bioenergetischen Bewertungen beeinflusst.<\/p>\n\n\n\n

Reduzierte ROS-Spiegel sind vorteilhaft, da \u00fcberm\u00e4\u00dfige ROS oxidativen Stress verursachen und Zellbestandteile wie Lipide, Proteine und DNA sch\u00e4digen k\u00f6nnen. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Erdung die mitochondriale Bioenergetik positiv beeinflusst, indem sie oxidativen Stress durch eine verringerte ROS-Produktion reduziert. Somit k\u00f6nnte Erdung ein vielversprechendes therapeutisches Ziel f\u00fcr die Ver\u00e4nderung der Pathophysiologie sein, die mit der mitochondrialen Superoxidproduktion und Erkrankungen verbunden ist, die durch erh\u00f6hten oxidativen Stress aufgrund von mitochondrialer Dysfunktion gekennzeichnet sind.<\/p>\n\n\n\n

Unsere Ergebnisse st\u00fctzen die Hypothese, dass Erdung in verschiedenen Kontexten therapeutisches Potenzial bietet. Verringerte ROS-Spiegel reduzieren oxidative Sch\u00e4den, was Prozesse verlangsamen kann, die mit Alterung und chronischen Krankheiten verbunden sind, die wiederum mit einer Abnahme der Mitochondrienfunktion einhergehen.<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassend unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung der Erdung in der Mitochondrienforschung und deuten auf potenzielle therapeutische Vorteile der Erdung f\u00fcr die Behandlung von Erkrankungen hin, die mit einer Funktionsst\u00f6rung der Mitochondrien und oxidativem Stress zusammenh\u00e4ngen. Zuk\u00fcnftige Studien sollten die langfristigen Auswirkungen der Erdung und ihre m\u00f6glichen Anwendungen in pr\u00e4ventiven und klinischen Kontexten untersuchen.<\/p>\n\n\n\n

Danksagung<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Wir danken J. Dayton und S. Wykoff-Clary f\u00fcr ihre technische Unterst\u00fctzung.<\/p>\n\n\n\n

Interessenkonflikt<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Alle Autoren haben finanzielle oder sonstige Interessen im Zusammenhang mit der eingereichten Arbeit offengelegt, die die Objektivit\u00e4t der Autoren beeintr\u00e4chtigen oder den Inhalt des Artikels beeinflussen k\u00f6nnten. Keine finanziellen oder nichtfinanziellen Interessenkonflikte k\u00f6nnten die Objektivit\u00e4t, Integrit\u00e4t oder den Wert dieser Ver\u00f6ffentlichung beeintr\u00e4chtigen, indem sie das Urteil und Handeln der Autoren bei der Darstellung, Analyse und Interpretation der Daten beeinflussen. C.G. ist Mitglied der Redaktion von Scientific Reports. Sie erhielt eine Verg\u00fctung als Field Chief Editor f\u00fcr Frontiers in Molecular Biosciences und Honorare f\u00fcr die Teilnahme an NIH-Peer-Review-Sitzungen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Studie im Orginal: https:\/\/febs.onlinelibrary.wiley.com\/doi\/full\/10.1002\/2211-5463.70062 Copyright der deutschen \u00dcbersetzung bei tz-gesundheit Zusammenfassung Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle bei der Energieproduktion in Zellen und der Regulierung von oxidativem Stress. Herk\u00f6mmliche Methoden zur Bewertung von mitochondrialem ATP und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) basieren auf Metallproben, die das System unbeabsichtigt erden und somit die Ergebnisse verf\u00e4lschen. Um den Einfluss der […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1,4,5],"tags":[7,52],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1160"}],"collection":[{"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1160"}],"version-history":[{"count":17,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1160\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1181,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1160\/revisions\/1181"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1160"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1160"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/tz-gesundheit.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1160"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}