Sind AMPK- und mTOR-Signalwege der molekulare Schlüssel zu einem langen Leben?

Bist du ein Fan von Langlebigkeit und möchtest mehr über die komplizierten Vorgänge in unseren Zellen erfahren? Sind dir Begriffe wie „mitochondriale Alterungstheorie” und „oxidativer Stress” bekannt? Super!

Dann lies weiter und finde heraus, was die AMPK- und mTOR-Signalwege sind und wie sie mit Langlebigkeit zusammenhängen. Zum Schluss erfährst du, welche Nahrungsergänzungsmittel die Langlebigkeitswege beeinflussen.

Mitochondriale Alterungstheorie

Sicher hast du schon mal den Ausdruck „an Altersschwäche gestorben” gehört, was ehrlich gesagt meist besser klingt als ein langes Leiden oder ein schrecklicher Unfall. Aber was bedeutet „an Altersschwäche gestorben” eigentlich? Stirbt man an einer altersbedingten Krankheit oder an den Folgen des Lebens?

Was dieser Ausdruck tatsächlich bedeutet, ist die Anhäufung von altersbedingten Prozessen in unserem Körper und deren Zusammenbruch, wenn sie nicht mehr richtig funktionieren. Es scheint, dass mit der Zeit unsere Fähigkeit, Infektionen abzuwehren, unsere Zellen zu teilen und zu verhindern, dass unsere DNA mutiert und Probleme verursacht, nicht mehr so gut funktioniert wie früher. Und das passiert mit zunehmendem Alter jeden Tag mehr und mehr.

In einer lebenden Zelle gibt es viele bewegliche Teile, die koordiniert und richtig funktionieren müssen, ganz zu schweigen vom gesamten Organismus. Die Kraftwerke unserer Zellen, die Mitochondrien, spielen jedoch eine wichtige Rolle beim Altern.

Sie sind die Orte, an denen Energie produziert wird, zumindest zum größten Teil. Das Energiemolekül, das sie produzieren, heißt Adenosintriphosphat oder kurz ATP. Sie sind auch die Orte, an denen der größte Teil des oxidativen Stresses in der Zelle entsteht. Oxidativer Stress und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind zwar wichtig für die Regulierung einiger anderer Prozesse, können aber in höheren Mengen sehr schädlich sein (1).

Wie lange leben Mitochondrien im Menschen?

Die Lebensdauer von Mitochondrien, oder besser gesagt eines einzelnen Mitochondriums, kann zwischen einigen Tagen und mehreren Monaten liegen. Unser Körper bestimmt, wie lange sie leben, je nach Art der Zelle, des Gewebes oder des Organs. Das heißt aber nicht, dass sich Mitochondrien nicht teilen können oder dass wir sie alle verlieren. Die Mitochondrienbiogenese, also der Prozess der Bildung neuer Mitochondrien, findet ständig in unseren Zellen statt.

Mit zunehmendem Alter können wir jedoch immer weniger dieser neu gebildeten Mitochondrien produzieren. Der Körper kann beschädigte Mitochondrien auch nicht mehr so schnell reparieren oder durch Mitophagie entfernen. Schritt für Schritt nimmt ihre Anzahl ab, ebenso wie ihre wichtigen Funktionen.

Hier ein Vergleichsbeispiel:

• Junge, gesunde Person: Bei einem 25-Jährigen kann die Mitophagie beschädigte Mitochondrien innerhalb weniger Stunden bis zu einigen Tagen beseitigen und so eine hohe Zelleffizienz und Stoffwechselgesundheit aufrechterhalten.
• Ältere Person: Bei einem 70-Jährigen kann derselbe Prozess deutlich länger dauern, möglicherweise mehrere Tage bis Wochen, was zu einer Ansammlung beschädigter Mitochondrien und einer verminderten Zellfunktion führt.

Mitophagie ist Teil des allgemeinen Prozesses der Autophagie, bei dem Zellen alte und zerstörte Teile der Zelle entfernen und wiederverwenden. Dieser Prozess kann durch Fasten verstärkt werden. Mehr dazu erfährst du hier:

• Die Rolle der Autophagie für Gesundheit und Langlebigkeit.

Mitochondriale Alterung – Symptome

Einige Symptome der mitochondrialen Alterung (oder von Problemen mit der Mitochondrienfunktion) bei Kindern und Erwachsenen können sein:

• Sehstörungen,
• Hörverlust,
• Wachstumsstörungen,
• Herzrhythmusstörungen,
• neurologische Störungen,
• Muskelstörungen,
• Diabetes.

Was sind molekulare Signalwege?

Lebende Zellen führen eine ganze Reihe von Funktionen gleichzeitig aus, um sicherzustellen, dass sie wachsen, genug Energie haben und Infektionen und Mutationen abwehren können. Signalwege sind Namen für eine bestimmte Gruppe von biochemischen Reaktionen in einer Zelle, die zu einer oder mehreren Funktionen führen. Diese Signalwege können oft durch einen plötzlichen Anstieg der Konzentration eines Moleküls, zum Beispiel Glukose, oder durch extrazelluläre Signale ausgelöst werden.

Ein Beispiel für einen Signalweg wäre die Freisetzung von Insulin aus den Betazellen der Bauchspeicheldrüse.

Wenn wir etwas essen, wird die Nahrung langsam in den Zucker Glukose zerlegt, der dann im Blut zirkuliert. Die Betazellen der Bauchspeicheldrüse können diesen Anstieg der Glukosekonzentration wahrnehmen und setzen Insulin frei, um anderen Zellen zu signalisieren, dass sie die Glukose aufnehmen sollen.

Natürlich läuft der Signalweg selbst über eine Vielzahl einzelner Reaktionen ab. Meistens überschneiden sich verschiedene Signalwege oder haben die gleichen auslösenden Reaktionen. Manchmal führen diese Reaktionen am Ende zum gleichen Ergebnis.

Was ist der AMPK-Signalweg?

Der AMPK-Signalweg steht für „AMP-aktivierte Proteinkinase”. Erinnerst du dich an das Energiemolekül ATP? AMP ist ähnlich, aber es handelt sich um Adenosinmonophosphat statt um Triphosphat. AMP aktiviert ein bestimmtes Protein, das als Proteinkinase bezeichnet wird. Diese Aktivierung findet statt, wenn die Zelle wenig Energie hat, d. h. wenn sie mehr AMP als ATP hat, was die Reaktion auslöst.

Die AMP-aktivierte Proteinkinase aktiviert dann eine ganze Reihe von Funktionen, um sicherzustellen, dass die Zelle sofort mehr Energie produziert. Außerdem verhindert sie, dass energieverbrauchende Reaktionen stattfinden.

Der AMPK-Signalweg für Langlebigkeit

Der AMPK-Signalweg ist ein interessantes Ziel für die Langlebigkeit, da er eine Verbindung zwischen der Energieproduktion in den Zellen und allen Funktionen, die von dieser Energie abhängen, darstellt. Durch die Aktivierung des AMPK-Signalwegs kannst du das Energieniveau erhöhen und Folgendes regulieren:

• Stoffwechselprozesse,
• die zelluläre Homöostase,
• die Stressresistenz,
• das Überleben und Wachstum von Zellen,
• den Zelltod,
• die Autophagie,

Viele aktuelle wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass eine Aktivierung des AMPK-Signalwegs die Lebensdauer von Fruchtfliegen verlängert (2). Dieser Signalweg verringerte auch den oxidativen Stress bei Ratten, Mäusen und Würmern (3, 4, 5).

Was ist der mTOR-Signalweg?

Ein weiterer funktioneller Signalweg, der für die Langlebigkeit von großem Interesse ist, ist der mTOR-Signalweg. Der Name steht für die Proteinkinase, die das „mechanistische Ziel von Rapamycin” ist, da sie als Ziel des Medikaments Rapamycin in Säugetieren entdeckt wurde.

Dieser Signalweg ist eine weitere Gruppe komplexer Funktionen, die hauptsächlich an der Steuerung der Zellteilung und des Zelltods beteiligt sind. Der mTOR-Signalweg steuert:

• Zellteilung und -wachstum,
• Zellüberleben,
• Stoffwechsel,
• Autophagie,
• Immunreaktionen.

Dieser Signalweg ist in der Regel bei vielen Krankheiten wie Arthritis, Diabetes, Krebs und neurologischen Erkrankungen beeinträchtigt.

mTOR-Signalweg für Langlebigkeit

Als zentraler Punkt vieler Entscheidungen, die eine Zelle treffen muss, ist der mTOR-Signalweg ein beliebtes Ziel für Langlebigkeit. Im Gegensatz zum AMPK-Signalweg muss der mTOR-Signalweg aber gehemmt werden, um die Lebensdauer zu verlängern. Sobald mTOR gehemmt ist, geht die Zellteilung weiter und der Zelltod sowie der Proteinabbau verlangsamen sich. Der genaue Mechanismus, wie das passiert, ist aber noch nicht ganz klar.

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass die Hemmung von mTOR durch Rapamycin die Lebensdauer von Hefezellen, Würmern, Fruchtfliegen und Mäusen verlängert (6). Vieles über mTOR wissen wir aus Studien zu Krebs, daher fehlt noch einiges an Forschung zu seiner Rolle für die Langlebigkeit.

Nahrungsergänzungsmittel für die Langlebigkeit

Der AMPK-Signalweg hat bekannte aktivierende Moleküle, von denen einige als Nahrungsergänzungsmittel bekannt sind. Dazu gehören Metformin, Berberin und Resveratrol, die gerade in klinischen Studien am Menschen auf ihre Wirkung auf die Langlebigkeit getestet werden. Interessanterweise sind auch Kalorienrestriktion (und Fasten) sowie regelmäßige Bewegung als Aktivatoren des AMPK-Signalwegs bekannt (7).

Kalorienrestriktion und regelmäßige Bewegung hemmen auch den mTOR-Signalweg, was die Lebensdauer verlängert. Rapamycin ist natürlich ein weiterer Hemmstoff des mTOR-Signalwegs und eine bekannte Substanz zur Verlängerung der Lebensdauer.

Ein weiteres Nahrungsergänzungsmittel, das den AMPK-Signalweg stark aktiviert und den mTOR-Signalweg hemmt, ist Berberin. Dabei handelt es sich um ein spezielles Antioxidans, das aus der Berberinpflanze gewonnen wird und ein beliebtes Nahrungsergänzungsmittel zur Gewichtsreduktion, bei Herz-Kreislauf-Problemen und beim polyzystischen Ovarialsyndrom ist. Untersuchungen an Tier- und Zellmodellen zeigen auch, dass es sich positiv auf die Verlängerung unserer Lebensdauer auswirken könnte (8).

Viele dieser Moleküle haben aber den Status von Medikamenten (wie Metformin für Diabetes) und es fehlt noch an ordentlicher Forschung zu Nahrungsergänzungsmitteln für Langlebigkeit in klinischen Studien am Menschen.

Literaturquellen:

1. Hwang AB, Jeong DE, Lee SJ. Mitochondria and organismal longevity. Curr Genomics. 2012 Nov;13(7):519-32. doi: 10.2174/138920212803251427.
2. Ulgherait M, Rana A, Rera M, Graniel J, Walker DW. AMPK moduliert die Gewebe- und Organismusalterung auf nicht zellautonome Weise. Cell Rep. 25. September 2014; 8(6):1767-1780. doi: 10.1016/j.celrep.2014.08.006.
3. Ning YC, Cai GY, Zhuo L, Gao JJ, Dong D, Cui S, Feng Z, Shi SZ, Bai XY, Sun XF, Chen XM. Eine kurzfristige Kalorienrestriktion schützt vor Nierenalterung bei alten Ratten, indem sie die Autophagie erhöht und oxidative Schäden reduziert. Mech Ageing Dev. November-Dezember 2013; 134(11-12):570-9. doi: 10.1016/j.mad.2013.11.006.
4. Greer EL, Dowlatshahi D, Banko MR, Villen J, Hoang K, Blanchard D, Gygi SP, Brunet A. Ein AMPK-FOXO-Signalweg vermittelt die durch eine neuartige Methode der Nahrungsrestriktion bei C. elegans induzierte Langlebigkeit. Curr Biol. 9. Oktober 2007; 17(19):1646-56. doi: 10.1016/j.cub.2007.08.047.
5. Senesi P, Montesano A, Luzi L, Codella R, Benedini S, Terruzzi I. Metformin-Behandlung verhindert durch Bewegungsmangel verursachte Schäden bei Mäusen. J Diabetes Res. 2016;2016:8274689. doi: 10.1155/2016/8274689.
6. Papadopoli D, Boulay K, Kazak L., Pollak M., Mallette F. A., Topisirovic I., Hulea L. mTOR als zentraler Regulator von Lebensdauer und Alterung. F1000Res. 2. Juli 2019; 8:F1000 Faculty Rev-998. doi: 10.12688/f1000research.17196.1.
7. Stancu AL. AMPK-Aktivierung kann das Altern verzögern. Entdeckungen (Craiova). 31. Dezember 2015; 3(4):e53. doi: 10.15190/d.2015.45.
8. Neag MA, Mocan A, Echeverría J, Pop RM, Bocsan CI, Crişan G, Buzoianu AD. Berberin: Botanisches Vorkommen, traditionelle Verwendung, Extraktionsmethoden und Bedeutung bei Herz-Kreislauf-, Stoffwechsel-, Leber- und Nierenerkrankungen. Front Pharmacol. 21. August 2018; 9:557. doi: 10.3389/fphar.2018.00557.