Prof. Gerald Pollack: Eine neue Zellbiologie?

Haben die Thesen von Prof Gerald Pollack das Potential, die gesamte Zellbiologie auf den Kopf zu stellen?

Wir stellen Ihnen heute einige Erkenntnisse aus dem aufrüttelnden Buch „Cells, Gels and the Engines of Life“ von Prof. Gerald Pollack vor, welches das Potential hat, die Biologie wie wir sie bisher kennen, völlig auf den Kopf zu stellen.

Wie der Titel nahelegt, geht es um Zellen, Gele und irgendetwas, was das Leben antreibt. Konkret geht es nicht darum, neue kleine Puzzlestücke des zellulären Stoffwechsels darzustellen - wie zum Beispiel ein neuer Reaktionsweg oder ein neu identifiziertes Enzym. Sondern es geht um die Grundlagen der gesamten Zellbiologie – um ihr Fundament. Das ist überraschend, denn sowohl Experten als auch Laien würden wohl annehmen, dass auf dieser Ebene alles geklärt sei. Dem scheint nicht so zu sein. Prof. Gerald Pollack stellt den traditionellen Ansichten der Biologie - wie die Zelle aufgebaut ist und wie sie funktioniert - ein spektakuläres, neues Modell gegenüber.

Wasser als Funktionselement

Es geht in erster Linie darum, wie Wasser als Funktionselement in unseren Zellen die Abläufe und Zustände in der Zelle mitbestimmt. Prof. Gerald Pollack gilt als DER moderne Wasserforscher schlechthin - er hat sich in die Wasserthematik vertieft wie kaum ein anderer. Deshalb hat er sowohl einen ausreichenden Überblick als auch die Kompetenz, die bisherige Grundannahme der Biologie in Frage zu stellen. Bis jetzt geht man davon aus, dass Wasser in lebenden biologischen Systemen wie Zellen und Geweben lediglich ein Lösungsmittel ist und selbst nicht in die Abläufe eingreift. Pollack meint nun statt dessen, dass Wasser DIE Rolle schlechthin in allen biologischen Systemen spielt.

Kalium-Natrium-Pumpen in der Zellmembran – gibt es sie wirklich oder sind sie nur eine These der Schulmedizin?

Prof. Gerald Pollack beklagt - und damit ist er nicht alleine, dass die derzeitigen Modelle der Zelle auf einer Reihe von schlecht oder gar nicht begründeten Annahmen beruhen. Ein Beispiel ist das Phänomen der extrem unterschiedlichen Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle, auf das wir gleich noch konkreter eingehen werden. So ist etwa die intrazelluläre Natriumkonzentration niedrig, obwohl Natrium die Zellmembran durchdringen kann. Um diese Erklärungslücke zu füllen, nehmen Wissenschaftler die Existenz einer Ionen-Pumpe in der Zellmembran an, die die Zelle von Natrium befreit. Diese Hypothese besteht bis heute, ist aber nie bewiesen worden.

Ebenso ist Gerald Pollack der Meinung, dass die Wissenschaft die Zellmembranen viel zu sehr ins Zentrum der Aufmerksamkeit gestellt hat. Er hingegen möchte das unscheinbare Zytoplasma und insbesondere die Eigenschaften von wässrigen Gelen stärker in den Vordergrund rücken und damit wohl auch der Wahrheit näher kommen.

Wie definiert Gerald Pollack „Gel“?

Gele sind seines Verständnisses nach eine Art „nicht flüssiges“ geordnetes Wasser, sprich Wasser im vierten Aggeregatzustand oder auch EZ Wasser genannt. Man denke an eine Gurke: Sie besteht zu ca. 97 Prozent aus Wasser und tropft doch nicht, wenn man sie auseinander schneidet.

Warum tropft die Gurke nicht?

Pollacks beschreibt diese Art von Wasser in seinem auch im deutschsprachigen Raum sehr bekannten Buch „Wasser - mehr als nur H2O“ („The Forth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid and Vapor“)

Seine Haupthypothese in Sachen Zellbiologie nun ist, dass Gele und Phasenübergänge im Zytoplasma (= gesamter lebender Inhalt einer Zelle) als treibende Kräfte für verschiedene biologische Mechanismen wirken.

Ein neues Modell, das überprüft werden muss. Pollack betont mehrmals, dass es jedem überlassen ist, sich darauf einzulassen und zu entscheiden, ob er es annehmen möchte oder nicht.

Der wissenschaftliche Dissens ist abzusehen. Daher dürfte dieses Buch mit Sicherheit nicht nur Beifall erhalten. Dies ist auch Prof. Pollack klar und daher trägt er seine kühnen Hypothesen sehr vorsichtig Schritt für Schritt vor – immer belegt durch wissenschaftliche Arbeiten – damit vor allem Experten nicht gleich verschreckt werden, sondern sich seiner Begeisterung vielleicht anschließen können.

Brauchen wir ein neues Bild der Zelle?

Was könnte statt der (vielleicht gar nicht vorhandenen) Kalium-Natrium-Pumpen für das Konzentrationsgefälle von Kalium und Natrium in und außerhalb von Zellen verantwortlich sein?

Damit Sie das Folgende besser verstehen können, führen wir Sie zunächst durch einige Grundlagen der Zellbiologie.

Die Mineralstoffe sind innerhalb und außerhalb der Zelle extrem ungleich verteilt. Das mit Abstand häufigste Ion in der Zelle ist Kalium (K+). Die Ladung der Zelle wird außerdem durch eine große Menge von negativ geladenen Proteinen (A-) bestimmt (Proteine sind von Natur aus mehr oder weniger negativ geladen). Außerhalb der Zelle machen Natrium- und Chlorid-Ionen (Na+, Cl-) den allergrößten Teil der Ionen aus.

Ionenkonzentrationsgradienten

Bid: Darstellung der Verteilung der wichtigsten Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle (Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ionenkonzentrationsgradienten.svg)

EZ-Wasser

Die genannten biologisch relevanten Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle sammeln aufgrund ihrer Ladung Wassermoleküle um sich herum an – wir sprechen von der so genannten Hydrathülle. Da das Wasser der Hydrathülle in seiner Struktur von freiem, unbeeinflussten Wasser abweicht, nennt man es strukturiertes Wasser bzw. EZ-Wasser. Gleiches findet man auch an Flächen wie den Zellmembranen, die das Wasser in ähnlicher Weise beeinflussen. (Mehr zu EZ-Wasser können Sie in unserem Beitrag https://misterwater.eu/video-strukturiertes-wasser/ erfahren)

Diese Strukturierung des Wassers wird als Grund für die nicht-flüssige Beschaffenheit des Zytoplasmas angeführt, die es ermöglicht, dass die Zellorganellen auf eine bestimmte Art in der Zelle verteilt sind und nicht an der Zellmembran kleben oder frei durch die Zelle umher schwimmen. Man muss sich das Zellwasser als eine Art Gel vorstellen. Gelartiges Zellwasser soll ebenfalls der Grund dafür sein, dass das Zytoplasma bei deutlichen Minusgraden nicht einfriert. Auch hat es für die Diffusionsfähigkeit und die Verteilung der Ionen eine erhebliche Bedeutung.

Grundsätzlich gilt: Je größer der gelöste Stoff, desto geringer die Löslichkeit in strukturiertem Wasser. Da Zellwasser nun überwiegend strukturiert ist, haben es große Ionen schwerer, in die Zelle einzudringen als kleine.

Ein Beispiel: Natrium-Ionen (Na+) sind deutlich kleiner als Kalium-Ionen (K+). Da aber die Hydrathülle des Natriums deutlich größer ist als die des Kaliums, gehört das Natrium-Ion zu den größeren, unbeweglicheren Ionen. Was dazu führt, dass Natrium-Ionen schlechter löslich sind und sich eher in unstrukturiertem als in strukturiertem Wasser aufhalten.

Die interessanten Zell-Experimente von Prof. Gerald Pollack

Experiment #1

Prof. Pollack postuliert nun: Man könnte geneigt sein anzunehmen, dass der Grund für die niedrige Natrium-Konzentration im Inneren der Zelle in der geringen Löslichkeit von Natrium im Zellplasma liegt. Das lässt sich überprüfen.

Wenn man eine Zelle mit verletzter Zellmembran in ein Bad mit Natrium-Ionen gibt, müssten – wenn es nach den Gesetzen der Diffusion geht – die Natrium-Ionen in die Zelle einströmen bis innen die gleiche Konzentration erreicht ist wie außerhalb der Zelle im Bad. Wenn die oben erklärte These mit dem strukturierten Zellwasser stimmt, dann dürften Natrium-Ionen jedoch nur zu einem begrenzten Maß in die Zelle eindringen können.

Das Experiment bestätigt Pollacks These. Trotz seiner hohen Konzentration in der umgebenden Salzlösung blieb Natrium aus dem Zellinneren deutlich ausgeschlossen. Sogar nach vielen Tagen im Natrium-Ionen-Bad blieb die Natriumkonzentration in der Zelle weiterhin auf einem niedrigen Wert von 15 % des Wertes der äußeren Lösung.

Die spannende Frage ist noch: wie hoch ist die Natrium-Konzentration in einer intakten Zelle? In einer gesunden Zelle beträgt sie typischerweise 10%. Diese Ähnlichkeit verleiht der These Gewicht, dass sich die niedrige Natrium-Konzentration in der intakten Zelle hauptsächlich auf der Grundlage eines größenabhängigen Ausschlusses herleitet und nicht durch die in der Schule gelehrten Natrium-Kalium-Pumpen. Interessant war noch, dass der Eintrag der Natrium Ionen speziell nur an der Stelle der verletzten Membran stattfand, Natrium aber nicht weiter ins Innere der Zelle vordrang.

Zellversuch-Ionenverteilung

Experiment #2

Wenn man das gleiche Experiment mit Kalium-Ionen durchführt, geschieht das Gegenteil. Die Kalium-Ionen strömen gegen das Diffusionsgefälle in die Zelle, bis in der Zelle die Konzentration an Kalium in der Zelle dreimal höher ist als im Bad.

Das ist verblüffend, denn

  • - beide Ionen sind ja positiv geladen,
  • - es gibt keine Membran, die den inneren und äußeren Bereich trennt und
  • - es gibt auch keine Elektroden, die per Spannungsgefälle den Weg für die Ionen vorzeichnen.
Kalium-Natrium-Verteilung

Ionen-Adsorption (Anhaftung)

Allerdings gibt es noch einen wesentlichen Faktor, der die Verteilung von Ionen in der Zelle ganz wesentlich beeinflusst. Und das ist die Anhaftung der Ionen an Proteine im Zytoplasma. Um die Ionenverteilung zu verstehen, muss auch dieser Faktor berücksichtigt werden.

Sämtliche Proteine haben an den Oberflächen ihrer Struktur Stellen mit starker positiver bzw. negativer Ladung. Die positiv geladenen Stellen ziehen negative Ionen wie Chlorid an und die negativ geladenen Stellen ziehen Natrium und Kalium an.

In dem Wettbewerb, wer an den negativen Ladungen der Proteine andocken darf, gibt es eine Konkurrenz zwischen Natrium, Kalium und Wassermolekülen. Dabei hat das Natrium-Ion eindeutig die schlechtesten Karten. Erstens sind die Wassermoleküle extrem in der Überzahl und deutlich beweglicher. Zweitens sind auch die Kalium-Ionen mengenmäßig überlegen. Außerdem spielt die Größe der Hydrathülle um das Ion eine Rolle. Damit eine Adsorption stattfinden kann, muss die Hydrathülle des Ions entfernt werden. Um die größere Hülle des Natriums zu entfernen, wird mehr Energie benötigt als für die kleinere Hülle des Kaliums. Also kommt das Kalium zum Zug, zudem wird es stärker von den negativen Stellen der Proteine angezogen.

Da alle anderen positiven Ionen in der Zelle nur in kleiner bis sehr kleiner Menge vorkommen, hat das Kalium-Ion alle Vorteile auf seiner Seite, um die Stellen an den Proteinen einzunehmen.

Experiment #3

Um die Anhaftung der Kalium-Ionen zu beweisen, haben sich Forscher das Kalium-Efflux-Experiment ausgedacht. Man beobachtet, in welcher Menge und in welchem Tempo die Kalium-Ionen eine von der Zellmembran befreite Zelle verlassen.

Nach der Auflösung der Zellmembran trat Kalium erst nach einer beträchtlichen Zeitverzögerung aus der Zelle aus. Als es schließlich austrat, erfolgte dies gemeinsam mit den Proteinen der Zelle. Dieses Ergebnis unterstützt die angenommene Verbindung zwischen Kalium und Zell-Proteinen. Ähnliche Experimente, die an roten Blutkörperchen ausgeführt wurden, kamen zu vergleichbaren Ergebnissen.

Das Experiment #2 spricht auch dafür, dass Kalium-Ionen in der Zelle festgehalten werden. Gleichzeitig sind die Erkenntnisse aus Experiment #2 eine Erklärung dafür, wie Zelle einen so großen Konzentrationsunterschied der Kalium-Ionen ohne Hilfsmittel wie Kalium-Natrium-Pumpen oder Zellmembranen aufrecht erhalten können.

Experiment #4

Eine andere Art von Experiment konzentriert sich auf die Art und Weise, wie Kalium in der Zelle verteilt ist. Wenn Proteinoberflächen Kalium adsorbieren, müssten proteinreiche Regionen reich an Kalium sein, während proteinarme Regionen deutlich weniger Kalium aufweisen sollten. Diese Annahme wurde von dem deutschen Biophysiker Ludwig Edelmann und anderen in verschiedenen Ansätzen immer wieder getestet und bestätigt.

Folgerung von Prof. Gerald Pollack:

Ein hervorstechendes Merkmal dieses Verteilungsmechanismus ist, dass sich das System im Gleichgewicht befindet. Für die Aufrechterhaltung ist keine Energie erforderlich. Es sind keine speziellen Hilfsmittel erforderlich, um Kalium innerhalb der Zelle und Natrium außerhalb der Zelle zu halten - all dies ergibt sich direkt aus den grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften des Zytoplasmas.

Zellpotentiale

Folgerichtig stellt sich die Frage, ob damit auch das Zellpotential eine unmittelbare Folge der Eigenschaften des Zytoplasmas ist oder ob die Zelle in irgendeiner Art „nachhelfen“ muss. Beispielsweise, wie die heutige Lehrmeinung annimmt, mit aktiver Steuerung der Ionenverteilung.

Interessanterweise wurde die Idee, dass das Zytoplasma selbst für die Erzeugung des Zellpotentials verantwortlich bzw. mitverantwortlich ist, von verschiedenen Forschern schon seit 1964 experimentell untermauert. Mikroelektroden, die in von ihrer Membran befreite Zellen eingebracht wurden, zeigen stets negative Potenziale gegenüber der Außenseite. Es wurden dabei Potentiale von bis zu minus 50 mV gemessen.

Man kann die Frage auch auf einem Blatt Papier angehen: Rein rechnerisch haben Forscher die negative Ladung der Zellproteine mit der Ladung der Kalium- und Chlorid-Ionen in der Zelle verglichen. Das Ergebnis: Die Ionen reichen nicht aus, um die überschüssige negative Ladung der Proteine auszugleichen. Das Zytoplasma ist also alleine durch die Menge und Art der Proteine, die Verteilung der Ionen und durch die physikalischen Eigenschaften des EZ-Wassers negativ geladen. Das gleiche gilt für künstliche Gele aus Proteinen. Auch hier kann man ein stabiles negativ Gel-Potenzial messen, ohne es durch eine elektrische Spannung oder anderes aufrecht halten zu müssen.

Diese beiden Ergebnisse galt es nun auch an der lebendigen Zelle zu bestätigen.

Experiment #5 und #6

Da der Aufbau der Experimente zur Ermittlung des Zellpotenzials sehr kompliziert ist, verschonen wir Sie hier mit den vielen Details.

Jedenfalls ergaben verschiedenartige Experimente, dass das Potential des Zytoplasmas (siehe oben) recht gut dem Potential einer intakten Zelle entspricht.

Ein zusätzlicher Test besteht darin, die Potenziale des Zytoplasmas und der Zelle in Situationen zu vergleichen, in denen die Ladung im Zytoplasma verändert wird. Die beiden Potentiale müssten sich gleichermaßen verändern, wenn die Membran für Ionen frei durchgängig ist und nicht selektiv den Durchgang der Ionen steuert.

Das bestätigte sich. Erstens steigt das intrazelluläre Kalium durch eine Erhöhung des extrazellulären Kaliums an. Zweitens verändert dies das Potenzial der Zelle.

In Abhängigkeit von einer Veränderung der Kalium-Konzentration in der Zelle verringert sich bzw. erhöht sich das Zellpotenzial: Mehr Kalium-Ionen verringern es, weniger Kalium-Ionen erhöhen es. Wie zu erwarten haben weder eine Konzentrationsänderung der Natrium- noch der Chlorid-Ionen einen merklichen Einfluss auf das Zellpotential.

Experiment #7

Um zu belegen, dass die Proteine in der Zelle wesentlich zum Zellpotential beitragen, suchten Forscher Zellen mit einer anderen Proteinzusammensetzung im Vergleich zu den bisher untersuchten Gewebe- oder Muskelzellen. Diese fand man bei den roten Blutkörperchen, welche deutlich mehr positive und weniger negative Ladungen tragen. Tatsächlich betragen experimentell gemessene Potentiale roter Blutkörperchen nur ca. -10 mV im Vergleich zu den -70 bis -90 mV, die in den meisten Muskelzellen gemessen werden.

Aktionspotentiale

Klettern wir auf der Schwierigkeitsskala eine Stufe nach oben. Wenn das Zellpotential eine passive Folge der Eigenschaften des Zytoplasmas ist, kann die Zelle dann allein daraus auch ein Aktionspotenzial bilden, wie es Nerven- und Muskelzellen tun? Mit den bisherigen Erkenntnissen ist das noch nicht denkbar.

Es spricht jedoch vieles dafür. Forscher beobachteten, wie Potentialschwankungen durch strukturelle Veränderungen im Zytoplasma entstehen. So zeigen beispielsweise flüssige gegenüber gelförmigen Regionen von Amöben Potential-Unterschiede in der Größenordnung von 40 mV.

Der entscheidende Punkt bei der Erzeugung des Aktionspotenzials sind die strukturellen Veränderungen im Zytoplasma. Also, ob das Zytoplasma in einem unstrukturiertem oder in einem strukturiertem gelartigem Zustand ist.

Und auch das wurde erstmals schon in den 1960er-Jahren gezeigt.

Erstens hat sich gezeigt, dass Gel-Phasenübergänge als Reaktion auf geringfügige Veränderungen des pH-Werts oder der Temperatur zu einer Vielzahl unterschiedlicher, weit verbreiteter Veränderungen der Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Zusammensetzung der gelösten Stoffe und Form führen.

Können Zellen ohne Membran überleben?

Wenn Sie die Beschreibungen der Experimente gelesen haben, ist Ihnen vielleicht eine ungewöhnliche, um nicht zu sagen paradoxe, Bemerkung aufgefallen. Manche Untersuchungen werden an Zellen gemacht, die dazu „ausgezogen“ werden, von denen also die Zellmembran entfernt wird. Das macht einige Experimente erst möglich und erleichtert den Blick ins Zytoplasma.

Dabei passiert eben das Paradoxe: Nichts. Die Zelle läuft nicht aus wie ein aufgeschlagenes, rohes Ei. Das Zellpotential bleibt erhalten und die Zelle lebt – zumindest eine Zeit lang – weiter. Was bedeutet, dass die Zellmembran offensichtlich nicht das maßgebliche Zellorgan ist, um den Stofftransport zu steuern und das Zellpotential zu bewahren.

Unser Fazit:

Haben die Thesen von Prof. Gerald Pollack das Potential, die herrschende Zellbiologie auf den Kopf zu stellen? Wir finden definitiv ja. Die Tatsache allerdings, dass das Buch „Cells, Gels and the Engines of Life“ schon im Jahr 2001 erstmalig erschienen und bisher nicht viel an biologischer Revolution passiert ist, erinnert an das Zitat von Max Planck: „Neue Ideen setzen sich nicht dadurch durch, dass ihre Gegner überzeugt werden, sondern dadurch, dass sie aussterben!“

Fazit Professor Pollack: Das Zellwasser spielt die Hauptrolle, nicht die Membran

Es ist eigentlich unfassbar, wie viel dafür spricht, dass das etablierte und an allen Schulen der Welt gelehrte Zellmodell gar nicht der Wahrheit entspricht. Dass einige Dinge offensichtlich übersehen oder falsch erklärt werden. Dank Prof. Pollack scheinen wir den tatsächlichen Vorgängen in den Zellen nun etwas näher zu kommen.

Und eins zeichnet sich ab: Dass strukturiertes Wasser nicht nur eine Nebenrolle, sondern eine Hauptrolle in der Zellbiologie zu spielen scheint.

Wir empfehlen: Achten Sie darauf, täglich sauberes, für die Zellen gut verfügbares Wasser zu trinken.

Unsere Wasserexperten beraten Sie gern. Vereinbaren Sie jetzt Ihren persönlichen Beratungstermin unter: https://misterwater.eu/misterwater-beratungstermin-vereinbaren/

Dieser Artikel ist eine Kurzzusammenfassung der Kapitel 6 und 7 aus dem Buch „Cells, Gels and the Engines of Life“ und entstand mit freundlicher Genehmigung durch Prof. Gerald Pollack. Wir weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Veröffentlichung dieses Textes auf unserer Website nicht stillschweigend eine Empfehlung unserer Produkte bedeutet. Eine Komplettversion der deutschen Übersetzung der Kapitel 6 und 7 kann per Mail bei uns angefordert werden.

Quellen:

1. Gerald H2O2. Pollack: „Cells, Gels and the Engines of Life: A New, Unifying Approach to Cell Function“ (Kapitel 6 und 7) - https://www.ebnerandsons.com/products/cells-gels

2. Arnold, W. Cells, Gels, and the Engines of Life. Mod Pathol 14, 876 (2001). https://doi.org/10.1038/modpathol.3880404 - https://www.nature.com/articles/3880404

3. Oberst, A. Cells, Gels, and the Engines of Life. Cell Death Differ 10, 266–268 (2003). https://doi.org/10.1038/sj.cdd.4401201 - https://www.nature.com/articles/4401201#citeas

Beitragsbilder:  © Ground Picture - Shutterstock 1889548990

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Tags

Mineralien, Prof. Gerald Pollack, zelluläres Wasser


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