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Die Evolution der eukaryoten Zelle

Im Griechischen bedeutet das Wort eukaryot zwar „wahrer Kern“, doch neben diesem Kern enthalten eukaryote Zellen noch vieles mehr, darunter auch die Mitochondrien. Ursprünglich waren die Mitochondrien unabhängige Bakterieneinheiten, die irgendwann andere Bakterienzellen besiedelten. Anstatt dabei wie üblich verdaut zu werden, wurden sie zum symbiotischen Partner. In einer Symbiose profitieren beide Beteiligten in irgendeiner Form vom Vorhandensein des anderen. Man könnte die Mitochondrien auch als Ursprung aller Probiotika betrachten: Ein Mikroorganismus, der seinem Wirt guttut.

Dieser Theorie zufolge hat irgendwann vor ungefähr zwei Milliarden Jahren ein Bakterium ein anderes umschlossen. Anfangs war jeder dieser beiden Organismen völlig autonom und enthielt alle Gene für ein unabhängiges Leben. Nachdem der eine jedoch den anderen aufgenommen hatte, ohne ihn dabei zu zersetzen, experimentierten die beiden mit zahllosen unterschiedlichen biochemischen und genetischen Kombinationen.

Dieser Prozess von Versuch und Irrtum verlief über die unverstellbare Zeitspanne von 1,2 Milliarden Jahren, an deren Ende das umschlossene Bakterium sich ganz auf die Energieproduktion verlagert hatte (und zum Mitochondrium geworden war), während der Rest dieser primitiven neuen eukaryoten Zelle eine spezialisierte Struktur und Funktion entwickelt hatte. Für die Geschichte des uns bekannten Lebens scheint die Übernahme der Mitochondrien der entscheidende Moment gewesen zu sein. Falls dies stimmt, würden wir die uns bekannte Vielfalt allen irdischen Lebens den Mitochondrien verdanken. Ohne sie hätte sich die Welt nicht über den Einzeller hinaus entwickelt.

Obwohl die Mitochondrien ursprünglich Bakterien waren, haben sich die eukaryoten Zellen, die sie erzeugt haben, inzwischen auf vielerlei spannende Weise weit von ihrem bakteriellen Ursprung entfernt. Erstens sind die meisten eukaryoten Zellen im Vergleich zu Bakterien riesig. In der Regel ist ihr Zellvolumen 10 000 bis 100 000 Mal größer als das der Bakterien.

Zweitens haben die eukaryoten Zellen (wie bereits erwähnt) einen Zellkern. Dieser Zellkern ist normalerweise eine kugelige Doppelmembran, welche die kompakte Masse der DNA umschließt, die ihrerseits in schützende Proteine verpackt ist. Bakterien hingegen besitzen keinen Zellkern, und ihre DNA liegt in einer eher primitiven, ungeschützten Form vor.

Der dritte Unterschied ist die Größe des Genoms (der Gesamtzahl der Gene). Bakterien enthalten üblicherweise weit weniger DNA als eukaryote Zellen. Zudem haben eukaryote Zellen viel mehr nicht codierende DNA (DNA-Abschnitte, die keine Gene codieren) als Bakterien. Früher ging man davon aus, dass all diese nicht codierende DNA nur „Müll“ wäre – sozusagen „Junk-DNA“ ohne Sinn und Zweck. Neuere Forschungen zeigen jedoch auf, dass die DNA keineswegs nur Proteine codiert. Große Abschnitte der nicht codierenden DNA (oder zumindest Teile davon) erfüllen vielmehr zahlreiche Aufgaben. Allerdings benötigt diese Riesenmasse zusätzlicher DNA in den eukaryoten Zellen (im Vergleich zu Bakterien) viel mehr Energie, um sich – korrekt – zu kopieren.

Der letzte wichtige Unterschied, über den ich sprechen möchte, ist die Organisation der DNA. Wie bereits erwähnt, liegt bakterielle DNA in Form eines einzigen kreisrunden Chromosoms vor. Dieses Chromosom ist zwar in der Zellwand verankert, treibt aber ansonsten frei durch die Zelle. Da die Bakterien-DNA nicht von einer schützenden Proteinhülle umgeben ist, ist sie leicht zugänglich, sobald es um die Replikation geht. Bakteriengene schließen sich zudem gern zu funktionellen Gruppen mit ähnlichen Aufgaben zusammen. Außerdem enthalten Bakterien weiteres DNA-Material in Form von winzigen Ringen, den sogenannten Plasmiden. Diese kleinen Ringe replizieren sich unabhängig von den Bakterien und können relativ schnell auf andere Bakterien übertragen werden. Eukaryote Gene hingegen scheinen nach keiner erkennbaren Ordnung organisiert zu sein. Ihre Abfolge ist häufig in viele kleine Abschnitte unterteilt, die durch lange Strecken nicht codierender DNA unterbrochen sind. Um ein bestimmtes Protein zu bilden, muss oft ein langer DNA-Abschnitt abgelesen und separat abgeteilt werden, ehe die codierenden Abschnitte verbunden werden, um ein verständliches Gen zu formen, das letztlich als Code für die Proteinherstellung dient. Dabei ist es bereits ziemlich kompliziert, überhaupt an diese Gene heranzukommen, weil die Chromosomen fest in die sogenannten Histone eingepackt sind. Diese Histone bieten einerseits einen gewissen Schutz vor möglichen DNA-Schädigungen, erschweren aber andererseits den leichten Zugriff auf diese Gene. Wenn die Gene für die Zellteilung repliziert oder für die Proteinherstellung kopiert werden müssen, muss sich zuvor die Struktur der Histone so verändern, dass der Zugriff auf die DNA möglich wird. Diese Aufgabe übernimmt eine andere Proteingruppe, von der bereits die Rede war, nämlich die Transkriptionsfaktoren.

Ich möchte diese Diskussion nicht weiter ausbreiten. Worum es hier geht, ist die zentrale Aussage, dass Bakterien evolutionstechnisch von brutaler Effizienz sind. Die meisten eukaryoten Zellen hingegen sind gigantische, unglaublich komplexe Einheiten, und diese Komplexität hat energetisch ihren Preis.

Doch auch viele andere Aspekte der eukaryoten Zelle sind sehr energieaufwendig. Ein Beispiel hierfür ist das Zytoskelett im Inneren der eukaryoten Zelle im Gegensatz zur Zellwand der prokaryoten (bakteriellen) Zelle. Beide haben ähnliche Funktionen – sie sollen strukturellen Halt liefern –, doch das Konzept unterscheidet sich fundamental. Der Unterschied entspricht dem zwischen dem Knochenskelett im Inneren eines Menschen und der äußeren Hülle (Exoskelett) eines Insekts oder Krustentiers.

Bakterienwände sind unterschiedlich strukturiert und zusammengesetzt, bieten aber in der Regel starren äußeren Halt, der die bakterielle Form erhält und das Bakterium davor bewahrt, bei einer plötzlichen Umgebungsveränderung zu platzen oder in sich zusammenzufallen. Im Gegensatz hierzu besitzen eukaryote Zellen normalerweise eine flexible Außenmembran, der ein inneres Zytoskelett strukturelle Stabilität verleiht. Dieses Zytoskelett ist ein sehr dynamisches Gebilde, das ständig umgeformt wird und schon deshalb seinerseits eine signifikante Energiequelle benötigt. Dank dieses Riesenvorteils können eukaryote Zellen ihre Form verändern, was sie häufig sehr vehement tun. Ein klassisches Beispiel sind die Makrophagen (eine Form der weißen Blutkörperchen), die schädliche Fremdpartikel, Bakterien oder Überreste abgestorbener Zellen umschließen.

Insgesamt verbraucht praktisch jeder Aspekt im Leben einer eukaryoten Zelle – Formveränderung, Wachstum, Ausbildung eines Zellkerns, Speichern von massenweise DNA, Multizellgebilde – große Mengen Energie und ist damit von der Existenz der Mitochondrien abhängig. Ohne Mitochondrien gäbe es vermutlich keine höher entwickelten Tiere, weil ihre Zellen lediglich in der Lage wären, Energie über anaerobe Atmung zu gewinnen (also ohne Sauerstoff). Dieser Prozess ist allerdings weit weniger effizient als die aerobe Atmung in den Mitochondrien (mit Sauerstoff). Tatsächlich können die Zellen dank der Mitochondrien 15 Mal mehr Energie (in Form der „Zellwährung“ ATP) erzeugen, als es anderweitig möglich wäre. Und komplexe Lebewesen wie der Mensch können nur dank großer Mengen Energie überleben.

Mitochondrien: Sie sind die Macht

Evolutionär haben die Mitochondrien sich zu Kraftwerken – also Energiefabriken – der Zelle entwickelt. Diese Organellen agieren wie ein zelluläres Verdauungssystem, das Nährstoffe aufnimmt, zerlegt und daraus Energie für die Zelle erzeugt. Der Prozess der Energiegewinnung wird als Zellatmung bezeichnet, und die meisten hiermit verbundenen chemischen Reaktionen laufen in den Mitochondrien ab.

Die winzigen Mitochondrien eignen sich von ihrer Form her perfekt dazu, ihre harte Arbeit zu maximieren. Wie bereits erwähnt, enthält jede Zelle Hunderte bis hin zu mehreren Tausend Mitochondrien. Die konkrete Anzahl richtet sich nach der Aufgabe der Zelle. Herz- und Skelettmuskulatur (die für die mechanische Arbeit große Mengen an Energie benötigen) enthalten große Mengen Mitochondrien. Dies gilt auch für die meisten Organe (wie die Bauchspeicheldrüse, die Insulin synthetisieren muss, oder die Leber mit ihren Entgiftungsaufgaben) und für das Gehirn (die Nervenzellen verbrauchen massenweise Energie).

Jegliche Lebensform, die keine eigene Energie erzeugen kann, ist im Grunde genommen tot. Ohne Energie gibt es kein Leben. Atmen versorgt das Blut mit Sauerstoff, der in jede einzelne unserer zig Milliarden Körperzellen transportiert wird. Diesen Sauerstoff befördert die Zelle wiederum zu den Mitochondrien, die damit über die sauerstoffabhängige sogenannte aerobe Zellatmung aus Glukose, Fettsäuren und mitunter Aminosäuren Energie gewinnen. Es ist zwar schwer vorstellbar, doch wir sind Gramm für Gramm die wohl mächtigste Energiefabrik im Universum. Laut einer interessanten Modellrechnung, die Nick Lane in seinem Buch Power, Sex, Suicide (2005) aufstellte, scheinen wir jede Sekunde 10 000-mal mehr Energie pro Gramm zu erzeugen als die Sonne.

Ein spiritueller Deutungsansatz

Dass vor Milliarden Jahren ein einziges Mal rein zufällig eukaryote Zellen entstanden, wirft die ernsthafte Frage auf, ob hier wohl eine höhere Macht im Spiel war. Eine friedliche Koexistenz von Wissenschaft und Spiritualität (und vielleicht sogar manchen Religionen), wie sie viele akademische und philosophische Abhandlungen nahelegen, ist durchaus möglich. Wenn wir allerdings auf „Neustart“ drücken würden und alles noch einmal von vorne losginge, würde sich gemäß der Theorie der konvergenten Evolution bei ausreichend Zeit (in Dimensionen von Milliarden von Jahren) vieles ganz ähnlich entwickeln wie bisher. Das sollte man im Kopf behalten. Denn wir würden auf dieselben Flaschenhälse und Probleme zusteuern, und angesichts einer endlichen Zahl idealer Lösungen besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die natürliche Selektion zu sehr ähnlichen Lösungen führen würde. Bei dieser Vorstellung frage ich mich, ob denkbares Leben auf anderen Planeten biochemisch in ähnlicher Weise auf Konvergenz basiert.

Diese Diskussion sollte in einem ganz anderen Buch stattfinden, doch der Umstand, dass in Meteoriten, die älter sind als unser Sonnensystem, Aminosäuren nachgewiesen wurden (die Bausteine des Lebens), und dass in interstellarem Staub PQQ (ein Nährstoff, auf den ich in Kapitel 3 näher eingehe) gefunden wurde, so scheint die Saat des Lebens auf der Erde aus dem Kosmos herzurühren. Wir sind wahrhaftig Sternenkinder.

Das ist vermutlich nicht für jeden so leicht zu akzeptieren. Schließlich erscheint uns der Mensch aus egozentrischer Sicht als etwas Besonderes. Unser Bewusstsein unterscheidet uns von der mechanischen Welt der Physik und Chemie und vielleicht sogar von niederen Lebensformen. Fakt ist jedoch, dass die grundsätzlichen Ähnlichkeiten zwischen allen Lebewesen die Unterschiede übersteigen. Mir ist absolut bewusst, wie kritisch die Evolutionstheorie mit der natürlichen Selektion vonseiten der Religion betrachtet wird. Am liebsten würde ich dieses Thema ganz vermeiden, doch man kann nicht über Evolution sprechen, ohne den massiven Widerstand der Religion einzugestehen. Angesichts der Vielzahl an Nachweisen, die im Laufe der Jahrhunderte gesammelt wurden, scheint die Negierung der Evolution jedoch auf ziemlich tönernem Fuße zu stehen. Vor allem aber würden wir uns mit einer solchen Einstellung ihrer fantastischen Geschichte verschließen.

Natürlich ist vieles noch nicht bekannt. Zahlreiche wissenschaftliche Thesen sind spekulativ, aber dessen sollte man sich nicht schämen und es auch nicht verwerfen. Wissenschaft beruht immer auf vorläufigen Modellen, und wir wissen auf keinem Gebiet auch nur annähernd alles. Doch wenn Naturbeobachtungen einer Theorie widersprechen (wie anerkannt, alt oder beliebt sie auch sein mag), dann wird diese Theorie ohne großes Federlesen verworfen, und die Jagd nach einer anderen, besseren Theorie nimmt neue Fahrt auf. So sind wir bei unserem gegenwärtigen Verständnis der Mitochondrien gelandet: Es wurden viele Theorien vorgeschlagen, hinterfragt, überprüft und entweder bestätigt oder verworfen. Denn das macht die Wissenschaft aus – sie ist eine Wissensgrundlage im steten Wandel.

Traditionelle Religionen sollten sich in Bezug auf die Evolution weiterentwickeln und Glaubenssätze einbeziehen, in denen die Evolution von einer höheren Macht gelenkt wird. Streng wissenschaftlich orientierte Menschen sollten allerdings ihrerseits anerkennen, dass wir nur glauben, viel zu wissen. In Wahrheit wissen wir ziemlich wenig. Man sollte sich stets bescheiden daran erinnern, dass (zumindest gemäß den Schätzungen von Neil de-Grasse Tyson) alles, was wir über das uns bekannte Universum und unsere Realität wissen – von der simpelsten Chemie bis hin zur unglaublich komplexen Quantenphysik – höchstens vier Prozent all dessen umfasst, was es zu wissen gäbe. Das heißt, 96 Prozent unseres Universums und unserer gegenwärtigen Realität kennen wir gar nicht – von Verstehen ganz zu schweigen. Die Vorstellung, wir könnten tatsächlich oben und unten unterscheiden, ist so anmaßend wie einst die Überzeugung, die Erde sei eine Scheibe.

Ist das, was in diesem Buch steht, nun das letzte Wort? Wahrscheinlich nicht. Nahezu alles, was wir in der Vergangenheit für die Wahrheit hielten, hat sich später als völlig falsch oder unvollständig herausgestellt. Es spiegelt jedoch den derzeitigen Stand unseres Wissens, und ich bin sehr gespannt auf neue Ergebnisse, die dieses gegenwärtige Wissen untermauern oder uns einen vollkommen (oder geringfügig) anderen Weg weisen.

Was nach einem weiteren Abstecher zur Science-Fiction schreit, diesmal jedoch nicht zu Star Wars, sondern zu Matrix. In diesem Film decken die Maschinen ihren Energiebedarf, indem sie die Energie abschöpfen, die über riesige „Humanenergiefarmen“ erzeugt wird. Lanes Berechnungen zufolge wäre dies gar nicht so abwegig. Laut Lane übersteigt die Energieerzeugung bestimmter energieproduzierender Bakterien wie Azotobacter die der Sonne um einen Faktor von 50 Millionen. Und das wiederum wirft die Frage auf: „Wieso verwendet noch niemand Azotobacter als saubere, biologische Energiequelle?“ Ich bin doch bestimmt nicht der Einzige, dem solche milliardenschweren Ideen kommen!

Das Wichtigste über Mitochondrien

In den meisten Abbildungen werden Mitochondrien stäbchenförmig dargestellt, obwohl sie in Wahrheit viele Formen annehmen können. Sie sind nämlich ziemlich flexibel und können sich wie Bakterien teilen oder aber sich zu komplexen Strukturen zusammenschließen. Untersuchungen ergaben, dass sie keineswegs reglos sind, sondern jeweils in den Bereich wandern, wo sie gerade benötigt werden. Ihre Bewegungen scheinen mit einem Mikrotubuli-Netzwerk zusammenzuhängen, das man sich wie die Knochen einer Zelle vorstellen kann (das Zytoskelett, das der Zelle seine Form verleiht). Innerhalb dieses Netzwerks werden sie wahrscheinlich über Motorproteine transportiert.

Metabolisch aktive Zellen wie die Herz-, Muskel- oder Gehirnzellen enthalten Tausende Mitochondrien. Die Eizelle (Oozyte) enthält die atemberaubende Zahl von 100 000 Mitochondrien, Spermien hingegen nicht einmal 100. Rote Blutkörperchen und Hautzellen haben allenfalls ein paar wenige. Gewichtsmäßig besteht der menschliche Körper zu bis zu zehn Prozent aus Mitochondrien. Zahlenmäßig sind das etwa zehn Billiarden, wofür die „Macht der Menge“ ziemlich passend erscheint.

Abbildung 1.1 Struktur eines einzelnen Mitochondriums. Erkennbar ist die Doppelmembran, wobei die innere Membran viele Male gefaltet ist, um die Oberfläche zu vergrößern.

Erscheinungsbild und Größe der Mitochondrien erinnern nach wie vor an jene Bakterien, die sie einst waren. Im Gegensatz zu Bakterien sind Mitochondrien allerdings nicht durch eine Zellwand vom Rest der Zelle getrennt, sondern durch eine durchgehende, glatte Außenmembran. Die Innenmembran ähnelt der Bakterienmembran, ist jedoch in enge Falten gelegt, die sogenannten Cristae (siehe Abbildung 1.1).

Diese Cristae vervielfachen die Oberfläche der Innenmembran in der Organelle. Energie wird in erster Linie in dieser Innenmembran erzeugt, und die Struktur der Cristae optimiert diesen Bereich. Die Energieproduktion auf der Membran erfolgt durch die Übertragung von Elektronen entlang einer Molekülkette. Diese Atmungskette, die auch als mitochondriale Elektronentransportkette bezeichnet wird, befindet sich ebenso wie die verschiedenen Enzyme für die Energiesynthese in und auf der inneren Membran.

Der Innenraum (die Matrix – nein, nicht der Film, sondern der innerste Teil der Mitochondrien) enthält die Enzyme des Zitronensäurezyklus‘ (auch: Tricarbonsäurezyklus, Krebs-Zyklus oder Citratzyklus). Die im Zitronensäurezyklus entstehenden Moleküle (NaDH und FADH₂) werden in die Elektronentransportkette eingespeist. Beide Enzymsysteme liegen dicht nebeneinander, sodass all dies reibungslos und ohne Verzögerung ablaufen kann.

Zellatmung und oxidative Phosphorylierung: Die Grundlagen

Jedes Kind weiß, dass wir atmen und essen müssen, um zu überleben. Aber warum eigentlich? Warum (beziehungsweise wie) gewinnen wir lebensspendende Energie, wenn wir den Körper mit Sauerstoff und Nahrung versorgen? Die Zellatmung ist die wichtigste Aufgabe der Mitochondrien. Die Enzyme des Citratzyklus und der Elektronentransportkette nehmen Moleküle auf, die bei der Verdauung unserer Nahrung entstehen, und kombinieren sie mit Sauerstoff (O₂). Dabei wird Energie frei. Dieser Kombinationsprozess kann in der Zelle nur in den Mitochondrien ablaufen. Nur so erhält die Zelle ihre Energie.

Den meisten Menschen würde diese Erklärung ausreichen. Um zu begreifen, wie wichtig dieser Vorgang für Gesundheit und Krankheit ist – der Grund, weshalb Sie dieses Buch lesen –, müssen wir an dieser Stelle jedoch weiter in die Tiefe gehen.

Beginnen wir mit den Ausgangsstadien des Glukosestoffwechsels, der Glykolyse, die im Zytosol abläuft. Hier wird die Glukose (also der Zucker) über eine bestimmte Abfolge chemischer Reaktionen in das Molekül Pyruvat umgewandelt. Das Pyruvat wird anschließend in die Matrix der Mitochondrien transportiert, wo es über eine weitere Reaktionskette zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) wird. Danach beginnt die eigentliche Magie, denn Acetyl-CoA ist das Ausgangsprodukt für den Zitronensäurezyklus, in dem die abschließende Energiegewinnung aus der Nahrung optimiert wird. Bei diesem Schritt entsteht Kohlendioxid (CO₂), das wir ausatmen, sowie zwei Energiemoleküle: NADH und FADH₂. Auch beim Abbau von Fettsäuren entsteht Acetyl-CoA, das gleichfalls den Zitronensäurezyklus durchläuft.

Die nächste Phase nennt sich oxidative Phosphorylierung und findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. Die reaktionsfreudigen Elektronen aus NADH und FADH₂ werden über diverse Carrier in der Transportkette weitergereicht und reagieren letztlich mit Sauerstoff. Dabei entsteht Wasser. Bei jedem Schritt in der Atmungskette pumpt die Energie, die bei diesen Transferreaktionen von den Elektronen abgegeben wird, Protonen (Wasserstoffatome) aus der Matrix in den Intermembranraum. Dabei entsteht eine hohe Protonenkonzentration zwischen den Membranen und eine niedrige Konzentration in der Matrix. Dieser Konzentrationsunterschied (der Gradient) ist gespeicherte potenzielle Energie. Die hohe Protonenkonzentration im Intermembranraum will „stromabwärts“ in die Matrix fließen. Das erfolgt über spezialisierte Kanäle, die dann Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen, die universelle Energiewährung, die alle Zellen verwenden, um ihren Aufgaben nachzugehen. Dieser Vorgang entspricht einem Reservoir (Intermembranraum) hinter einem Staudamm (innere Membran), in das Wasser (Protonen) gepumpt wird. Wenn das Wasser über einen Kanal im Damm abgeleitet wird, treibt es die Turbinen an, die hydroelektrische Energie produzieren (siehe Abbildung 1.2).

Abbildung 1.2 Der Prozess der Energieproduktion in den Mitochondrien entspricht den Grundprinzipien eines Wasserkraftwerks. Wenn Wasser (Protonen) in ein Reservoir (Intermembranraum) läuft, das von einem Damm (innere Membran) abgesperrt ist, baut sich Druck auf. Dieser Druck bringt das Wasser dazu, durch einen Kanal im Damm abzufließen, wobei es die Turbinen antreibt, damit hydroelektrische Energie entsteht.

Das ist ein sehr effizienter Weg, die in der Nahrung gespeicherte Energie zur ATP-Produktion zu nutzen. Letztlich dienen all die unverzichtbaren Prozesse, über die sich der Körper am Leben hält (z. B. Atmen und Essen), dem Zweck, die Mitochondrien mit den Substanzen zu versorgen, aus denen sie Energie erzeugen. Aus etwas ernüchternder, reduktionistischer Sicht könnte man auch behaupten, wir wären nur dazu da, um unsere Mitochondrien am Leben zu erhalten.