Biologische Datenübertragung

Energieeffizient durch kurze Wege

24. Februar 2015

Die Haarzellen des Innenohres übersetzen feinste Vibrationen in Nervenimpulse. Damit gehören sie zu den Zellen des menschlichen Körpers, die zu Höchstleistungen in der Lage sind. Durch genau aufeinander abgestimmte biophysikalische Prozesse gelingt es ihnen, akustische Signale in elektrische Impulse zu übersetzen, die dann ins Gehirn „gefunkt“ werden. Um das Gehirn jederzeit auf dem Laufenden zu halten, sind sie fähig im Millisekunden Takt Botenstoffe freizusetzen.Mit bisher unerreichter Präzision haben jetzt Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen, dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und dem Bernstein Zentrum Göttingen untersucht, wie kurz die Wege tatsächlich sind, über die sich der wichtige Botenstoff Calcium innerhalb der Zelle ausbreitet und wie genau dieser Botenstoff dabei auf Kurs gehalten wird. Durch kurze Wege wird die Energieeffizienz der Zellen maximiert. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher in der amerikanischen Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America).

Auf kurzen Wegen durch die Zelle

Sinnes- und Nervenzellen übertragen Informationen durch spezialisierte Zellkontakte, sogenannte Synapsen. Die Synapsen übertragen Informationen, in dem eine der Zellen in winzigen Bläschen (Vesikel) gespeicherte Botenstoffe freisetzt, die von der Nachbarzelle erkannt werden können. Die Anweisung zur Freisetzung der Botenstoffe gibt die „sendende “ Zelle mit Hilfe von Calciumionen. In ihrer Zellmembran befinden sich molekulare „Poren“, sogenannte Ionenkanäle, die die Erregung der Zelle registrieren und ab einem bestimmten Niveau Calciumionen in die Zelle einfließen lassen. In Haarzellen bilden diese Poren die entscheidende Übersetzungsmaschine zwischen den akustischen Signalen und den Nervenimpulsen, die ans Gehirn gesendet werden.

Um ihren Auftrag der Signalübertragung zu erfüllen, müssen die Calciumionen zügig ihre Empfängerstation auf dem Vesikel erreichen. Dieser molekulare Sensor befindet sich nach den Berechnungen der Max-Planck-Forscher weniger als 20 Nanometer (ca. 200 Atomdurchmesser) von der Eintrittsstelle der Ionen in die Zelle entfernt. Es ist physikalisch unvermeidlich, dass sich viele der Ionen als Irrläufer in die falsche Richtung bewegen oder über das Ziel hinausschießen. Ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen würden diese fehlgeleiteten Ionen außerhalb der Kontaktstellen die Freisetzung von Botenstoffen auslösen – was jedoch wirkungslos ist, weil sie außerhalb der Synapse nicht erkannt werden können. Da nach jeder Freisetzung Vesikel und Botenstoffe aufwändig recycelt werden müssen, wäre eine solche Freisetzung am falschen Ort für die Zelle eine erhebliche Energieverschwendung.

Die neuen Ergebnisse der Göttinger Forscher zeigen, dass die Haarzellen im Innenohr spezielle Eiweiße, sogenannte Calciumpuffereiweiße, verwenden, um „fehlgeleitete“ Ionen einzufangen. Mit Hilfe einer großen Konzentration von drei verschiedenen Calciumpufferproteinen vermeiden die Zellen somit Energieverschwendung.