Biophysik der Zelle


Zu meinem Unterricht an
der Universität Stuttgart gehörte auch die Vorlesung Biophysik der Zelle für Studierende der Technischen Biologie. Leider hatten immer zu viele von ihnen zum Abitur naturwissenschaftliche Fächer abgewählt. Um Interesse zu wecken, begann meine Vorlesung mit Grundlagen und interpretierte ein bekanntes Märchen.


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 µm 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). Das Bild zeigt, wie die Künstlerin Cora Fischer die Ankunft der Prinzen sieht.





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 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. Bei Cora Fischer heißt es dazu: "Okee, Jungs, der Rest kann geh'n."
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.

Einzelne Kapitel der Vorlesung können Sie als pdf-Datei herunterladen:
Kapitel 1      Einleitung
Kapitel 2     Mathematische Grundlagen
Kapitel 3     Statistische Methoden
Kapitel 4     Anatomie einer Eukaryotenzelle
Kapitel 5     Züchtung tierischer Zellen
Kapitel 6     Zellzyklus
Kapitel 7     Lichtmikroskopie
Kapitel 8     Elektronenmikroskopie
Kapitel 9     Künstliche und natürliche Membranen
Kapitel 10   Transport durch Membranen
Kapitel 11   Elektrophysiologie
Kapitel 12   Elektrische Potentiale an Membranen
Kapitel 13   Ionisierende und nicht ionisierende Strahlen
Kapitel 14   Größe und Struktur von Molekülen
Kapitel 15   Informationsübertragung zwischen Zellen

Mehr Informationen auf der Biophysik-Homepage des Instituts für Biomaterialien und biomolekulare Systeme