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Einfach märchenhaft: Biophysik der Zelle
In der Vorlesung Biophysik der Zelle werden funktionelle und strukturelle Eigenschaften
von Zellen erläutert und Methoden vorgestellt, mit denen diese untersucht werden
können. Als geübter Internet-Surfer haben Sie vielleicht eine Minute benötigt,
um diese Seite zu öffnen und schon müssen Sie eine schlechte Nachricht lesen.
In dieser Zeit haben Sie nämlich
144 Millionen rote Blutkörperchen
verloren, ganz zu schweigen von den vielen anderen Zellen, die während dieser
Zeit in Ihrem Körper abgestorben sind. Es besteht aber kein Grund zur Panik,
denn genauso viele sind auch wieder dazugekommen, wenn man von den Nervenzellen
absieht. Niemand ist nach dieser Vorlesung mehr derselbe, und zwar nicht nur
in Bezug auf rote Blutkörperchen, sondern auch auf viele andere Zellen, ganz
zu schweigen von geistigen Erfahrungen und Erinnerungen, die uns verändern.
Diesen Sachverhalt hat vor etwa 2500 Jahren schon Heraklit mit seinem Ausspruch
"alles fließt, nichts besteht" beschrieben und kein Mensch
hat sich darüber zu Tode geängstigt. "Nicht einmal in denselben Strom
tauchen wir ein zweites Mal hinab: es sind dann nicht mehr die gleichen Wasser
und auch wir sind nicht mehr dieselben, die wir einst waren". Heraklit
hat seinen Ausspruch sicherlich nicht mit Studien der roten Blutkörperchen begründet,
aber richtige Erkenntnisse kann man ja auf vielerlei Wegen erzielen.
Ein Mensch besteht aus etwa 100 Billionen Zellen und glücklicherweise ist das
Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile, sonst wären wir nur ein Zellhaufen.
So komplexes Zubehör wie Geist und Seele wird aber aus dieser Vorlesung ausgeklammert.
Von den 100 x 1012 Zellen sterben in einer Stunde mehrere Milliarden
ab und werden durch neue ersetzt. Diese Zahl scheint sehr hoch zu sein, wenn
man sie aber in Bezug zur Gesamtzahl sieht, dann wird klar, dass pro 1000 Zellen
weniger als eine pro Stunde ersetzt wird und damit verliert die Zahl auch einiges
von ihrem Schrecken. Dass diese ständige Produktion von Zellen mit so wenig
Ausschuss gelingt, ist eine der Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung unseres
eigenen Lebens. Dass es aber immer "fehlerhafte" Reproduktionen -
die Mutationen - von Zellen gegeben hat, ist andererseits aber Grundvoraussetzung
für die Vielfalt der Arten, die wir heute auf unserer Welt antreffen. Mehr als
200 Zelltypen können wir im Menschen unterscheiden, und leider treten immer
wieder fehlerhafte Reproduktionen - Krebszellen auf.
Betrachten wir zwei Zellen, mit denen unser Leben begann: Ei- und Samenzelle.
Wenn beide sich finden, wird eine Folge von Ereignissen gestartet, die das Inhaltsverzeichnis
der Vorlesung "Biophysik der Zelle" liefert. Eine Eizelle ist eine
besondere Zelle, sie hebt sich schon durch ihre Größe von den anderen Zellen
ab, erreicht beim Menschen etwa 150  Durchmesser und ist damit fast zehnmal
so groß wie ein Lymphozyt und hundertmal dicker als eine Samenzelle. Sie reift
über einen langen Zeitraum heran und kann nur während eines kurzen Zeitraums
befruchtet werden. Eine Eizelle ist wie Dornröschen: für lange Zeit inaktiviert
und unnahbar, reift sie zu voller Blüte heran. Die Dornenhecke wird zur durchlässigen
Blumenhecke und wird attraktiv für viele Prinzen (Samenzellen = Spermien). Die
junge Künstlerin Cora Fischer hat dies in ihrer Vorlesungsausarbeitung so dargestellt:
Sobald das erste Spermium mit der Eizelle in Kontakt kommt und an den richtigen
Rezeptor koppelt, kehrt sich ihr Membranpotential von negativen zu positiven
Werten um, wodurch allen anderen Spermien eine weitere Annäherung verwehrt ist.
Dazu müssen Membrankanäle aktiviert werden und der Fluss von Ionen, wie Kalium,
Natrium, Kalzium und Protonen kann beginnen, was dazu führt, dass die Membranen
der Eizelle und die des Spermiums miteinander fusionieren. Cora Fischer hat
dafür wieder eine eigene Interpretation.
Bei einem beliebten Untersuchungsobjekt — den Seeigel-Eiern — lässt
sich dieser Vorgang mit eingestochenen Glas-Mikroelektroden verfolgen.
Dieses Befruchtungspotential ist ein Schutz gegen Polyspermie, welche zu einer
genetischen Katastrophe im Ei führen würde. Langfristig schützt sich das Ei
durch Ausbildung einer extrazellulären Hülle, die einen mechanischen Schutz
gegen Polyspermie bildet und die Entwicklung des Embryos unbeeinflusst von Umwelteinflüssen
ermöglicht.
Cora Fischers Interpretation dieses Sachverhalts ist hier zu sehen:
In der Eizelle bildet sich nun ein Zytoskelett aus, so dass intrazellulärer
Transport möglich wird. Die beiden Kerne verschmelzen miteinander, Zellteilung,
Wachstum und Differenzierung können ihren vorprogrammierten Verlauf nehmen.
Das bedeutet Stoff- und Energieaufnahme, Ausbildung von Zell-Zell-Verbindungen
für mechanische Kontakte und interzelluläre Signalübertragung, Koordination
der Abläufe durch Informationsaufnahme und -weiterleitung.
An diesem Beispiel der Eizelle können wir sehen, dass drei Faktoren die belebte
Natur auszeichnen:
Stoffwechsel, Selbstvermehrung, Mutation.
Sie sind alle auf molekulare und damit physikalische Prozesse zurückzuführen,
allerdings macht die hohe Komplexität biologischer Objekte das Erkennen von
Ursache und Wirkung nicht immer einfach. Um Materie - egal ob lebend oder tot
- zu untersuchen, benötigen wir zunächst unsere 5 Sinne. Mit hören, sehen,
riechen, tasten, und schmecken lassen sich zweifelsfrei bereits eine
Menge Dinge erkennen. Biophysik setzt dort an, wo unsere 5 Sinnesorgane nicht
mehr ausreichen, sei es weil sie nicht fein genug sind - z.B. für bestimmte
Frequenzbereiche des Lichts oder des Schalls - oder weil wir für bestimmte Vorgänge
kein Sinnesorgan besitzen. Wir können z.B. keinen Strom messen und dass man
Gleichstrom mit einer Hand und Wechselstrom mit zwei Händen messen soll, ist
ein schlechter Scherz, der nicht zum Ausprobieren verleiten sollte.
Dort wo unsere Sinnesorgane versagen oder wo keine angelegt sind, helfen wir
uns mit Sonden, um so Auskunft über ablaufende Prozesse zu erhalten. Mit solchen
Sonden können wir zunächst etwas über den Aufbau der Materie, ihre Struktur,
erfahren. Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Spektrum der elektromagnetischen
Wellen, mit der Kenntnis seiner Eigenschaften und den entsprechenden Geräten,
gelingt es "versteckte" Information sichtbar zu machen (Beispiel:
Phasenkontrast, Polarisation). Durch den Einsatz anderer Bereiche aus dem Spektrum
elektromagnetischer Wellen kann höher aufgelöst werden (Beispiel: Elektronenmikroskopie,
Röntgen-Strukturanalyse). Benutzen wir Strom als Sonde, dann lernen wir etwas
über die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand und Leitfähigkeit der untersuchten
Materie oder können Moleküle über ihre Wanderungseigenschaften im elektrischen
Feld charakterisieren. Erzeugen wir mit Hilfe der Ultrazentrifuge ein Gravitationsfeld,
dann werden Aussagen zur Dichte der Zellen möglich.
Lebewesen und Zellen haben stets einen Energiebedarf und können über Umsatz
von freier Energie durch chemischen Stoffwechsel (Metabolismus) einen Energievorrat
anlegen. Viele Untersuchungen befassen sich daher mit der Wechselwirkung zwischen
Energie und biologischem Material. Energie kann in vielfältiger Form zugeführt
werden: Wärme, Druck, chemische Reaktion, elektrischer Strom, Strahlung, akustische
Schwingungen. Vom Standpunkt der Energetik aus stellt jede lebende und sich
vermehrende Zelle sowie jeder höhere Organismus ein offenes System dar. Im offenen
System kann nicht nur freier Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden,
sondern auch ein Stoffaustausch, durch den natürlich auch Information übermittelt
werden kann. Diese drei Merkmale
Struktur, Energie, und Information
charakterisieren jedes lebende System. Sie sind also auch Teil dieser Vorlesung.
Weiterführende Literatur
- Molecular Biology of the Cell
B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson
Garland Publishing Inc., New Jork & London, 1994 (3. Auflage)
(auch auf deutsch bei VCH)
- Cell Physiology Source Book
N. Sperelakis (ed.)
Academic Press New York 2001 (3. Auflage)
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