3-D-Mikroskopie Forscher fotografieren das Innere der Zellkraftwerke

Ohne Mitochondrien geht gar nichts, sie ziehen aus der Nahrung die lebenswichtige Energie für die Zellen. Nun haben Wissenschaftler erstmals die feinsten Strukturen im Inneren der Zellkraftwerke mit einem Lichtmikroskop fotografiert. Es ist der Ort, wo der letzte Akt der Verdauung stattfindet.


Zum Leben braucht der Körper Energie und die kommt aus der Nahrung. Die landet im Magen und dem Darm, wo sie in ihre Bestandteile zerlegt wird: Zucker, Fett, Eiweiß. Das sind die Energieträger, die den Körper wie einen Motor am Laufen halten. Dann beginnt die große Verteilungsmaschinerie: Denn ob im Gehirn, im Herz, in der Leber oder in den Muskeln - permanent sind die Zellen des Körpers bei der Arbeit. Und die verbraucht Energie. Mit dem Blut gelangt der Zucker zu allen Zellen des Körpers. Aber wie gewinnt die Zelle nun daraus ihre Energie?

Es ist ein ähnliches Problem, wie bei der Nutzung von Kohle oder Erdgas: Man muss die im Ausgangsstoff enthaltene Energie umwandeln in die benötigte Form, meist in Strom oder Wärme. Das passiert in einem Kraftwerk: Kohle wird verbrannt, mit der Hitze Wasser verdampft, der Dampf treibt Turbinen an, die erzeugen über magnetische Induktion Strom.

Auch Zellen haben eigene Kraftwerke, in die Zucker hineinkommt und Energie in der benötigten Form herauskommt: die Mitochondrien. Erstmals haben die Wissenschaftler Alexander Egner, Stefan Hell und Stefan Jakobs vom Max Planck Insitut für Biophysikalische Chemie in Göttingen die Feinstruktur dieser Zellkraftwerke mit einem Lichtmikroskop fotografiert. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse und die spektakulären Bilder in der Fachzeitschrift "Nano Letters".

Mitochondrien sind kleine linsenförmige Gebilde, 200 bis 400 Nanometer breit (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Sie sind umgeben von einer äußeren Membran. In ihrem Inneren besitzen sie eine zweite Membran, die in feine fingerförmige Ausstülpungen gefaltet ist, die sogenannten Cristae. Im Inneren dieser Cristae findet die Endstation der Verdauung statt. Im Prinzip passiert dabei das gleiche, als ob der Zucker in einem Kraftwerk verbrannt würde - unter Sauerstoffverbrauch, mit den Abfallprodukten CO2 und Wasser. Die in ihm enthaltene Energie wird in Molekülen gespeichert. Tatsächlich aber wird der Zucker nicht verbrannt, sondern in vielen biochemischen Reaktionen abgebaut.

Die Lichtmikroskopie besaß bislang eine physikalische Grenze: Strukturen, die kleiner waren als 250 bis 500 Nanometer blieben unsichtbar, Mitochondrien waren dabei gerade zu erkennen. Um kleinere Dinge abzubilden, brauchte man Elektronenmikroskope, die eine wesentlich höhere Auflösung besitzen. Mit der speziellen Technik der Fluoreszenz-Nanoskopie gelang es den Forschern nun aber, die Auflösung auf 30 Nanometer zu erhöhen und die Cristae abzubilden.

Die Forscher fanden heraus, dass die fingerförmigen Ausstülpungen recht unregelmäßig in einem Mitochondrium angeordnet sind. Regionen mit hoher Dichte wechselten sich ab mit Lücken. Zudem waren sie nicht immer lotrecht zur Längsachse des Mitochondriums angeordnet, wie man bislang immer angenommen hatte.

Da einige menschliche Erkrankungen auf Störungen der Cristae-Anordnungen zurückgehen, glauben die Forscher, dass ihre neue Technik bei der Aufklärung ihrer dreidimensionalen Dynamik hilfreich sein könnte.

lub



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