N269. Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften VORTRAGE KARL ERNST WOHLFARTH-BOTTERMANN ERNST ZEBE

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1 Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften VORTRAGE N269 KARL ERNST WOHLFARTH-BOTTERMANN Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung für Zellbewegungen ERNST ZEBE Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren Westdeutscher V erlag

2 249. Sitzung am 2. Februar 1977 in Düsseldorf 1977 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag GmbH Printed in Germany ISBN

3 Inhalt Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann, Bonn Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung für Zellbewegungen Literaturnachweise Abbildungen Diskussions bei träge Professor Dr. med. Otto Hauswirth; Professor Dr. rer. nat. Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann; Professor Dr. rer. nat. Ernst Zebe; Professor Dr. rer. nat. Andreas Sievers; Professor Dr. rer. nat. Ludwig Heilmeyer; Dr. rer. nat. Manfred Hauser; Professor Dr. phil. Maximilian Steiner; Professor Dr. phil. Joseph Straub; Professor Dr. rer. nat. Johann Schwartzkopff; Professor Dr. phil. Lothar Jaenicke Ernst Zebe, Münster/Westf. Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren 51 Literaturverzeichnis Diskussionsbeiträge Professor Dr. phil. Lothar Jaenicke; Professor Dr. rer. nat. Ernst Zebe; Professor Dr. rer. nat. Ludwig Heilmeyer; Professor Dr. rer. nat. Walter Kleinow; Professor Dr. phil. Joseph Straub; Dr. rer. nat. Manfred Hauser

4 Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung für Zellbewegungen Von Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann, Bonn Die Erfolge der modernen Zellbiologie beruhen wesentlich auf der Anwendung von zwei Methoden: 1. der Elektronenmikroskopie, die uns Kenntnisse über den feineren Bau von Zellen und Geweben verschafft hat, und 2. der fraktionierten Ultrazentrifugation von Zellbestandteilen, das heißt der Isolierung größerer Mengen von reinen Zellorganellen aus Zellhomogenaten. Der zweiten Methode verdanken wir die Fortschritte der modernen Biochemie. Beide Methoden haben die wesentlichen Aussagen der im vergangenen Jahrhundert aufgestellten Zellenlehre" bestätigt, wonach Zellen die Bausteine der höheren Organismen und gleichzeitig ihre kleinsten physiologisch wirksamen Einheiten sind. Der menschliche Körper besteht aus etwa 10 14, das heißt 100 Billionen Zellen, eine unvorstellbar hohe Zahl. Zum Vergleich mag dienen, daß Sekunden in etwa 3 Millionen Jahren vergehen. Die Elektronenmikroskopie gibt Auf schluß über den Zusammenhang der Zellen im Gewebeverband sowie über ihre komplizierte Konstruktion aus Biomembranen. Diese Technik vermittelt aber immer nur ein statisches Bild. Bei vielen biologischen Grundvorgängen, wie z. B. während der Embryonalentwicklung und bei der Zellteilung, aber auch bei pathologischen Veränderungen (Metastasierung von Tumoren), spielen Zellbewegungen eine bedeutende Rolle. Es handelt sich um die nicht-muskulär bewirkte Krafterzeugung im Rahmen der allgemeinen Zellmobilität (,,amöboide Bewegung"), die immer mit Zellgestalt-Veränderungen und einem intrazellulären Organellen-Transport verbunden ist. Solche dynamischen Vorgänge können mit Hilfe der Elektronenmikroskopie aber nur sehr begrenzt erfaßt werden. Allein die quantitative Bedeutung dieser dynamischen Prozesse ist schon daran zu ermessen, daß im menschlichen Körper in jeder Sekunde (!) ungefähr 3 Millionen Erythrozyten neu gebildet werden müssen. Die klassischen Objekte für die Untersuchungen von Zellbewegungen sind Amöben und Myxomyceten (azelluläre Schleimpilze, vgl. Abb. 1 ). Die

5 Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren Versuch einer vergleichenden Betrachtung verschiedener Formen des Katabolismus im Tierreich Ernst Zebe, Münster/Westf. Für die Unterhaltung der vielfältigen Prozesse, die in ihrer Gesamtheit das Leben ausmachen, benötigen alle Organismen Energie. Diese Energie wird in der Regel durch die Oxydation bestimmter organischer Verbindungen gewonnen. Die ersten Organismen hatten für die Oxydationsreaktionen keinen Sauerstoff zur Verfügung. Ihr Energiestoffwechsel war deshalb durch Gärungen gekennzeichnet, durch Oxydationen also, bei denen der Substratwasserstoff auf organische Verbindungen anstatt auf Sauerstoff gelangt. Die in einer zweiten Phase einsetzende Evolution von Organismen, die die Fähigkeit zur Photosynthese besaßen, führte zu einer allmählichen Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre. Dies ermöglichte dann die Entwicklung aerober Formen der Energieproduktion und damit die maximale Ausnutzung des Energiegehalts der Nährstoffe durch einen vollständigen Abbau zu Kohlendioxyd und Wasser. Alle rezenten mehrzelligen Pflanzen, der überwiegende Teil der Protozoen und sämtliche Metazoen sind durch einen prinzipiell aeroben Energiestoffwechsel charakterisiert. Scheinbare Ausnahmen stellen mit Sicherheit sekundäre Entwicklungen dar, die bestimmte Stadien einiger höher organisierter Organismen bei der Anpassung an besondere Umweltbedingungen vollzogen haben. Ein aerober Stoffwechsel setzt die ausreichende Versorgung mit Sauerstoff voraus. Bei allen luftatmenden Tieren ist diese Bedingung wegen des hohen Sauerstoffgehalts der Luft erfüllt. Zwar können einige Gewebe eine Ausnahmestellung einnehmen, indem sie - wie z. B. Erythrocyten, Nierenmark, Retinazellen und helle Muskelfasern bei Wirbeltieren - durch anaerobe Energieproduktion, in diesem Fall durch Glykolyse, gekennzeichnet sind. Das anfallende Laktat gelangt aber mit dem Blutstrom in andere Gewebe und Organe, z.b. ins Herz, wo es der Endoxydation zugeführt wird, oder in die Leber, wo eine Glukoneogenese, d. h. die Resynthese von Glukose, stattfindet. Ein solches Zusammenspiel verschiedener Organe ermöglicht einen insgesamt aeroben Stoffwechsel des Organismus und damit die ökonomische Ausnutzung der Nährstoffe. Nur in seltenen Fällen tritt hier Sauerstoffmangel ein, wenn z. B. der Energiebedarf infolge starker Muskelarbeit die Kapazität der Energieproduktion übertrifft oder wenn die