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1.1 Energiestoffwechsel im Gehirn Obwohl das Gehirn nur etwa 2 % des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es 20 % des gesamten täglichen Energiebedarfs des Körpers [17]. Das Gehirn nutzt hauptsächlich Glukose und Fettsäuren zur Energiegewinnung. Unter Ruhebedingungen ist der bevorzugte Stoffwechselweg des Gehirns die mitochondriale oxidative Phosphorylierung. Hoch beanspruchende Aktivitäten wie synaptische Plastizität, Lernen und Gedächtnis erfordern jedoch zusätzliche Beiträge aus der Glykolyse oder dem Laktatstoffwechsel [13, 18, 19]. Dies unterstreicht die entscheidende Rolle der Mitochondrien im Energiestoffwechsel des Gehirns. Laktat wirkt im Gehirn als "zweischneidiges Schwert"; es ist ein Substrat, das zur Aufrechterhaltung des Energiestoffwechsels im zentralen Nervensystem (ZNS) benötigt wird, aber eine übermäßige Laktatanreicherung im Gehirn kann Entzündungsreaktionen verursachen, die zu neurologischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit (AD) und der Parkinson-Krankheit (PD) führen können [20]. 1.2 Die Rolle der Mitochondrien im Energiestoffwechsel des Gehirns Hier diskutieren wir hauptsächlich die Rolle der Mitochondrien bei der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und der Glykolyse. OXPHOS versorgt das ZNS hauptsächlich mit Energie, wenn die Sauerstoffversorgung ausreichend ist oder unter Ruhebedingungen. Dieser physiologische Prozess findet in der inneren Mitochondrienmembran eukaryotischer Zellen oder im Zytoplasma von Prokaryoten statt. Es handelt sich um die gekoppelte Reaktion der ATP-Synthese aus ADP und anorganischem Phosphat, die durch die Energie angetrieben wird, die bei der Oxidation von Substanzen im Körper über die Atmungskette freigesetzt wird. OXPHOS hat im ZNS folgende Funktionen: (1) Aufrechterhaltung der neuronalen Funktion; (2) Unterstützung der Funktion von Gliazellen; und (3) Beeinflussung der Entwicklung und Reparatur des Nervensystems [21, 22]. Die Glykolyse im ZNS liefert hauptsächlich Energie, wenn die Sauerstoffversorgung unzureichend ist oder wenn ein dringender Energiebedarf besteht. Bei diesem physiologischen Prozess wird Glukose im Zytoplasma zu Pyruvat abgebaut, wobei für jedes abgebautes Glukosemolekül zwei Moleküle Pyruvat und zwei Moleküle ATP entstehen. Pyruvat wird durch die Laktatdehydrogenase (LDH) weiter zu Laktat verstoffwechselt, das dann in die Mitochondrien gelangen und zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden kann. Die Glykolyse kann schnell Energie liefern, um den normalen Betrieb von Neuronen und anderen Zellen aufrechtzuerhalten, wenn das ZNS aktiv ist. Gleichzeitig können die Zwischenprodukte der Glykolyse Substrate für andere physiologische Aktivitäten liefern. Beispielsweise kann Pyruvat in nicht-essentielle Aminosäuren wie Alanin umgewandelt werden, die an der Proteinsynthese beteiligt sind; es kann auch in Organen wie der Leber in Glukose umgewandelt werden, wodurch ein stabiler Blutzuckerspiegel aufrechterhalten wird. Darüber hinaus findet die Glykolyse zwar im Zytoplasma statt, arbeitet aber eng mit den Mitochondrien zusammen [23, 24]. Glykolyse und OXPHOS sind voneinander abhängig, und diese Abhängigkeit rührt von den Mitochondrien her. Die glukosegetriebene OXPHOS erfordert das Stattfinden der Glykolyse. Mitochondrien können Glukose nicht direkt oxidieren; daher muss Glukose zunächst die Glykolyse durchlaufen, wo sie Pyruvat (oder Laktat in Astrozyten) produziert, das in die Mitochondrien importiert und vollständig oxidiert werden kann [25]. 1.3 Energiestoffwechselstörungen im Gehirn von AD-Patienten Die Hauptursachen für Energiestoffwechselstörungen im AD-Gehirn lassen sich wie folgt zusammenfassen: (1) Dysregulation des Glukosestoffwechsels; (2) Beeinträchtigung der mitochondrialen Fettsäureoxidation (FAO);