JUL - 492 - ZO Junl1967
KERNFORSCHUNGSANLAGE JCJLICH DES LANDES N 0 R DR HE 1 N ·WESTFALEN • E. V.
Arbeitsgruppe Institut für Zoologie
Lebendbeobachtungen und
elektronenmikroskopische Untersuchungen
der Neuentstehung von Mitochondrien
in gezüchteten Hühnerherzzellen
von
Ernst &Yendt und Dieter ...§.._chäfer
Als Manuskript gedruckt
Berichte der Kernfo rsch u n 91a n 1 a g e Jülich - Nr. 492
Arbeitsgruppe Institut für Zoologie Jül - 492 - ZO
Dole.: Animal Cells - Electron Microscopy Mitochondria - Development
OK: 591.81 : 537.533.35 576.311.347: 576.1
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Lebendbeobachtungen und
elektronenmikroskopische Untersuchungen
der Neuentstehung von Mitochondrien
in gezüchteten Hühnerherzzellen
von
ErnsthY'endt und Dieter _ichäfer
- 1 -
Einleitung
Die Mitochondrien haben als Reaktionsorte der Energiegewinnung
für das Leben der Zelle eine zentrale Bedeutung (9). Die An
zahl der in der lebenden Zelle vorhandenen Mitochondrien paßt
sich dem Energiebedarf der jeweilig herrschenden Stoffwechsel
situation an (13). Daher werden in der Interphasezelle immer
wieder neue Mitochondrien gebildet, wenn durch eine Steigerung
des Stoffwechsels der Energieverbrauch wächst oder wenn geal
terte Mitochondrien ersetzt werden müssen. Auch die aus einer
Mitose hervorgegangenen jungen Zellen, auf die sich die Mito
chondrien der Mutterzelle rein zufallsmäßig verteilen (6),
müssen ihr Chondriom komplettieren (4), um ihren Energiehaus
halt decken zu können.
Die Frage, auf welchem Wege die tierische Zelle ihr Chondriom
vermehrt oder ergänzt, hat die Cytologen seit langem beschäf
tigt und zu unterschiedlichen, manchmal auch widersprüchlichen
Ergebnissen geführt. Eine Zusammenfassung einschlägiger Lite
ratur findet sich bei Wohlfarth-Bottermann (36). Nach Wohl
farth-Bottermann (36) kann die Vermehrung der Mitochondrien
auf zwei grundsätzlich verschiedene Weisen erfolgen, nämlich
1. durch Fragmentierung aus ihresgleichen und 2. aus anders
artigen Zellstrukturen, d. h. durch Entstehung de novo. Wäh
rend die Vermehrung des Chondrioms über den Weg der Teilung
schon vorhandener Mitochondrien durch Versuchsergebnisse bei
Ciliaten (36) überzeugend belegt werden konnte, bestehen hin
sichtlich der Neubildung aus andersartigen Vorstufen noch er
hebliche Ungewißheiten, da bisher keine Übereinstimmung dar
über erzielt werden konnte, welche Zellstrukturen als Bil
dungsorganelle der Mitochondrien anzusehen sind.
Der Versuch, die de novo-Entstehung der Mitochondrien allein
mit Hilfe elektronenoptischer Methoden morphologisch zu ana
lysieren, stößt insofern auf Schwierigkeiten, als die normale
Neubildungsrate der Mitochondrien so gering ist, daß im Dünn
schnittpräparat nur wenige Entwicklungsstadien angetroffen
werden. Darüber hinaus ist die Zusammenstellung der elektronen
optischen Zustandsbilder dieser Einzelstadien zu einer lücken-
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losen Gesamtdarstellung des Entwicklungsprozesses ohne phasen
kontrastmikroskopischen Vergleich mit den Verhältnissen in
der lebenden Zelle recht problematisch. Für Untersuchungen
über die Neuentstehung von Mitochondrien ist es daher sinn
voll, nach wirksamen Mitteln zu suchen, mit deren Hilfe sich
die Normalrate der Mitochondrienbildung spürbar erhöhen läßto
Hierzu ist aus Arbeiten von Hirsch (11) und Wendt (33) schon
bekannt, daß Zellen, die mit subletalen Dosen von Röntgen
strahlen behandelt wurden, ihre Mitochondrien im Laufe eini
ger Stunden weitgehend einschmelzen, während gleichzeitig jun
ge Mitochondrien in großer Anzahl neu gebildet werden.
In der vorliegenden Arbeit berichten wir von Versuchen an ge
züchteten Hühnerherzmyoblasten, bei denen wir das Chondriom
durch verträgliche Röntgenbestrahlungen abgebaut haben, um so
eine verstärkte Neubildung von Mitochondrien zu erzwingen.
Diesen Regenerationsprozess haben wir zunächst in seinen ein
zelnen Phasen bei der lebenden Zelle beobachtet. Die dabei er
hobenen Befunde konnten dann als Richtschnur für die nachfol
gende elektronenmikroskopische Analyse dieses Vorganges ver
wendet werden. Eine weitere wertvolle Hilfe f'ür die elektronen
optischen Untersuchungen ergab sich aus der Verwendung von
Glutaraldehyd als Fixierungsmittel, weil so eine sichere Ab
grenzung der Mitochondrienvorstufen von andersartigen Zell
strukturen möglich wurde.
Material und Methoden
a. Lichtmikroskopie und Bestrahlungstechnik
Herzexplantate 8tägiger Leghornembryonen wurden zunächst 8 Ta
ge lang in Rollertubes vorgezüchtet und dann als Deckglaskul
turen auf' Maximowkammern umgesetzt. Nach 2 weiteren Kulturta
gen konnten wir die gut entwickelten Deckglaskulturen zur Be
strahlung und Lebendbeobachtung auf planparallele Beobachtungs
kammern übertragen. Das Kulturmedium bestand aus der synthe
tischen Nährf'lüssigkeit nTCM" der Behringwerke, das mit 5 % Embryonalextrakt von Btägigen Leghornembryonen und J % mensch-
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lichem Nabelschnurserum versetzt war. Die phasenkontrastmikro
skopischen Lebendbeobachtungen wurden mit einem Ortholux-Mikro
skop durchgeführt, das in einen Hüllthermostaten (37°) einge
baut war. Als Bestrahlungsgerät diente eine mit Beryllium
fenster (Eigenfilterwert 1,6 mm Be) ausgerüstete Spektralana
lysenröhre. Die Bestrahlungen erfolgten bei 40 kV durch ein
o,6 mm dickes Aluminiumfilter und einer Dosisleistung von
600 R/min. Dabei wurden die Kulturen durch das Deckglas der
geschlossenen Kammer hindurch bestrahlt. Der Objektabstand be
trug 25 cm. Zur Dosismessung diente eine Weichstrahlkammer.
Für Vitalfärbungen verwendeten wir polychromes Methylenblau,
das im Verhältnis 1 : 20000 mit physiologischer Lösung nach
Pannet und Compton verdünnt wurde.
b. Elektronenmikroskopische Präparation
Zur elektronenmikroskopischen Untersuchung wurden die Hühner
herzmyoblasten 2 1/2 Tage lang in Polypropylen-Petrischalen
bei 37° C gezüchtet und bei der gleichen Temperatur bestrahlt.
Die Fixierung der gezüchteten Zellen erfolgte nach der durch
Weissenfels (30) modifizierten Methode von Gordon, Miller und
Bensch (8) mit 2 % Glutaraldehyd + 0,5 % CaC12 in 0,05 M
Cacodylatpuffer, pH 7,4, 1/4 Std bei 4° C. Nach dem Auswaschen
des Glutaraldehyds mit 6,5 % Sucrose in 0,05 M Cacodylatpuffer
lösung bei pH 7,4 wurde das Untersuchungsmaterial osmiert und
im 70 %igen Alkohol der Entwässerungsreihe mit 1 % Phosphor
wolframsäure und 1 % Uranylacetat 3 Std nachkontrastiert. Die
gesamte Präparation erfolgte in Kunststoffpetrischalen, die
nach der Polymerisation ohne Beschädigung des Objektes leicht
vom Vestopalblock entfernt werden konnten.
Zur Herstellung der Dünnschnitte dienten Mikrotome der Fa.
LKB. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden mit dem
Zeiss EM 9 auf 6,5 x 9 cm Agepe-Film hergestellt. Für die Aus
wertung lagen 1200 Mikrofotos vor.
Für beratende Hilfe danken wir Herrn Prof. Dr. R. Danneel und
Herrn Prof. Dr. N. Weissenfels, für technische Unterstützung
Frau B. Zarbock, Frl. I. Spieckermann und Frl. I. Rosocha.
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Ergebnisse
a. Lichtmikroskopische Befunde
1.) Die Mitochondrien der unbestrahlten Myoblastenzelle
Im lebenden Hühnerherzmyoblasten lassen sich die Mitochondrien
mit dem Phasenkontrastmikroskop gut beobachten. Ihre Zahl
wechselt je nach dem Alter und dem Zustand der Zelle zwischen
50 und 80 Stück. Obschon ihre Gestalt in mannigfacher Weise
variiert, lassen sich drei Grundtypen unterscheiden, nämlich
Faden-, Keulen- und Kugelmitochondrien. Daneben treten noch
stabförmige, verzweigte, perlschnurartige und in anderer Weise
unregelmäßig geformte Mitochondrien auf, die aber alle als
vorübergehende Abwandlungen des Fadentyps anzusehen sind. Die
bis zu 10 f langen und 0,5 - 1 p dicken Fadenmitochondrien
übertreffen die übrigen Formen bei weitem an Größe. Die Länge
der Keulenmitochondrien, die aus einem kugeligen Anfangsab
schnitt (Durchmesser 0,3 - 1 p) und einem dünneren fädigen
Schwanzteil bestehen, beträgt höchstens 4 f • Der Durchmesser
der Kugelmitochondrien schwankt zwischen 0,3 und 1 P• Viel
fach liegt die Größe der Keulen- und Kugelmitochondrien auch
noch unter den hier angegebenen Meßwerten, d. h. also an der
Grenze des Auflösungsvermögens des Lichtmikroskops. Daß es
sich auch bei diesen winzigen Partikeln um Mitochondrien han
delt, kann man aber bei längerer Lebendbeobachtung eindeutig
erkennen, da diese Strukturen allmählich kräftiger werden und
die Gestalt von Fadenmitochondrien annehmen. Ferner lassen
sie sich mit verschiedenen Vitalfarbstoffen in der für Mito
chondrien charakteristischen Weise anfärben.
2.) Die Mitochondrien der bestrahlten Zelle
Der Einfluß ionisierender Strahlen auf die Mitochondrien tie
rischer Zellen ist schon mehrfach untersucht worden. Bei licht
mikroskopischen Beobachtungen an lebenden und fixierten Zellen
verschiedener Herkunft ließ sich feststellen, daß starke Strah
lendosen Deformationen, Fragmentationen und eine Teilauflösung
des Chondrioms zur Folge haben (11, 16, 25, 20, 33). Eine Br-
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weiterung dieser Ergebnisse brachten elektronenoptische Unter
suchungen bestrahlter Zellen, wonach sich die Innenstrukturen
der Mitochondrien auch schon nach der Einwirkung relativ ge
ringer Strahlendosen verändern und sogar völlig auflösen (7, 3, 26, 19, 35, 27, 23).
Bei unseren eigenen Versuchen an Htihnerherzmyoblasten in Ge
webekulturen konnten wir nach Bestrahlungen mit Röntgendosen
von 200 - 1500 R an den lichtmikroskopisch erfaßbaren Struk
turen der Mitochondrien noch keine signifikanten Veränderungen
feststellen. Erst nach stärkeren Bestrahlungen mit 2000 bis
3000 R, einem Dosisbereich, der jedoch noch unter der Letali
tätsgrenze liegt (32, 33), ließen sich bei der phasenkontrast
mikroskopischen Lebendbeobachtung mit Sicherheit Veränderungen
des Chondrioms erkennen.
Dabei kommt es nach einer auf die Bestrahlung folgenden 4-bis 5stündigen Latenzzeit, während der die Mitochondrien sich
ganz normal verhalten, zunächst zu einer merklichen Einschrän
kung ihrer Bewegungsaktivität. Gleichzeitig bringen die Mito
chondrien vielfach seitliche Verzweigungen und Verästelungen
hervor, von denen sich bald mehr oder weniger große Teilstücke
ablösen. Ferner kann man sehen, wie die Mitochondrien sich an
einer oder an mehreren Stellen aufblähen, wobei sie ein ballon
artiges Aussehen erhalten. Zugleich ziehen sie sich allmählich
aus den Zellausläufern zurück und suchen die zentralen Zellbe
zirke auf. In der Regel umlagern sie dann 6 - 7 Stunden nach
der Bestrahlung das Zentroplasma und den Zellkern. Hier zertei
len sie sich meist in etwa 3 bis 4 p lange Bruchstücke, die
alsbald in ihrer mittleren Region beträchtlich anschwellen,wo
bei die Enden dieser Fragmente aber ihre ursprüngliche Dicke
von etwa 1 p beibehalten. Auf diese Weise verarmen die distalen
Zellregionen mehr und mehr an normalen Mitochondrien. An ihrer
Stelle erscheinen in dem für die weitere Beobachtung frei ge
wordenen Cytoplasma zahlreiche Kugelmitochondrien von 0,3 bis
0,5 f Durchmesser, die im Phasenkontrastmikroskop ein dunkel
graues Aussehen haben. In Anlehnung an die Arbeiten von Weissen
fels (29) bezeichnen wir diese Kügelchen als Promitochondrien.
Die weitere Lebendbeobachtung zeigte auch, daß sich aus die-
- 6 -
sen Partikeln dünne fädige Anhänge entwickeln, wodurch sie ein
keulenförmiges Aussehen erhalten. Diese Keulenmitochondrien
wachsen schließlich im Verlauf einiger Stunden zu Fadenmito
chondrien normaler Größe heran.
Die Phasenkontrastaufnahmen der Abb. 1 a - d sollen dies ver
anschaulichen. Bild 1a zeigt den Ausläufer eines Hühnerherz
myoblasten in Gewebekultur, der 6 Stunden zuvor mit 2400 R be
strahlt wurde. Man sieht hier einige durch Strahlenwirkung
pathologisch veränderte Mitochondrien (M), die stark verdickt
sind und seitliche Verzweigungen ausgebildet haben. Über das
weitere Schicksal dieser degenerierenden Mitochondrien geben
die in einstündigem Abstand aufgenommenen Zustandsbilder b -
d Auskunft; wie man sieht, zerfallen die Mitochondrien in mehre
re Teilstücke, die kernwärts abwandern.
In der Peripherie und im Mittelteil der Zelle erkennt man auf
den Photographien b - d deutlich kleine, kontrastreiche Kügel
chen (PM1 ) sowie blassere fädige, teilweise keulenförmige Ge
bilde unterschiedlicher Größe (PM2 ). Bei den ersteren handelt
es sich, wie die fortlaufende Lebendbeobachtung eindeutig be
wies, um kugelige Promitochondrien und bei den letzteren um
die aus diesen hervorgehenden jungen Mitochondrien in verschie
denen Entwicklungszuständen. Diese Bilder zeigen also, daß in
den bestrahlten Myoblastenzellen nicht nur Mitochondrien abge
baut werden, sondern auch, daß diese anschließend sehr rasch
durch neue ersetzt werden können.
Dieser Vorgang wird noch deutlicher, wenn man die lebenden
Zellen nach der Bestrahlung mit polychromem Methylenblau vital
anfärbt und im Hellfeldmikroskop untersucht. Polychromes
Methylenblau besteht aus verschiedenen Farbstoffkomponenten
(10), von denen das Tetramethylthionin die erwachsenen Mito
chondrien blau färbt (14, 31), während das Trimethylthionin
die kugeligen Promitochondrien rot tingiert.
Ein entsprechendes färberisches Verhalten zeigen auch die
Mitochondrien bzw. ihre Vorstufen in den bestrahlten Myo
blastenzellen. Wir konnten immer wieder feststellen, daß sich
die rundlichen Promitochondrien sowie die kugeligen Anfangs
abschnitte der keulenförmigen Mitochondrien, aus denen sich
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die jungen Mitochondrien entwickeln, deutlich rot färbten.
Die fädigen Anhänge der Keulenstadien sowie die jungen und
die ausgewachsenen Mitochondrien nahmen dagegen stets eine
kräftige blaue Färbung an.
b. Elektronenmikroskopische Befunde
Eingehende methodologische Untersuchungen haben schon früher
ergeben, daß gezüchtete Hühnerherzmyoblasten sich mit Glutar
aldehyd (8) nahezu optimal fixieren lassen. Die gute Struktur
erhaltung der mit Glutaraldehyd fixierten Zellen ist schon bei
der lichtmikroskopischen Kontrolle erkennbar (JO) und wirkt
sich ganz besonders vorteilhaft im Bereich der Feinstrukturen
aus. So läßt sich das endoplasmatische Retikulum (ER in Abb. Z) aufgrund seiner dichten Füllung klar erkennen, und sogar seine
vesikulären Anteile können von den fast leer erscheinenden
Golgi-Vakuolen (GV in Abb. 2) eindeutig unterschieden werden.
Das gleiche gilt für die Knospen des endoplasmatischen Retiku
lums (j PM in Abb. Ja und Jb, PM in Abb. Je), die in be~trahl
ten (2400 R) Hühnerherzmyoblasten häufig vorkommen und die
selben Strukturmerkmale aufweisen wie die von Weissenfels (29)
und Danneel (5) beschriebenen Promitochondrien.
Die ausgezeichnete Fixierungsleistung des Glutaraldehyds hat
uns bewogen, das Problem der de novo-Entstehung von Mitochon
drien bei Hühnerherzmyoblasten im Anschluß an unsere Lebend
beobachtungen noch einmal elektronenmikroskopisch zu überprü
fen.
Nach Glutaraldehyd-Fixierung haben die ER-Knospen (j PM in
Abb. Ja und Jb) eine wesentlich dichtere Füllung als das endo
plasmatische Retikulum selbst und lassen sich daher gut von
den Retikularschläuchen abgrenzen (Doppelpfeil in Abb. Jb).
Während diese Knospen des ER, die wir schon als Promitochon
drien bezeichnen können, noch im Verband mit dem Retikular
system stehen, wird bereits die innere der beiden Mitochon
drienhüllmembranen sichtbar (Pfeil in Abb. Jb), von der aus
später die Cristae mitochondriales in den Innenraum vorstoßen
(Pfeilmarkierungen in Abb. Je). Von diesem Zeitpunkt an sind
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die kontrastreichen Abkömmlinge des Retikularsystems mit
Sicherheit als Promitochondrien identifizierbar.
Es muß aber auch mit der Möglichkeit gerechnet werden, daß die
in den Abb. Ja, b und c erkennbaren Entwicklungsvorgänge erst
nach der Ablösung der Knospen vom ER ablaufen. So erkennt man
in Abb. Jd und Je junge Promitochondrien (PM) ohne nachweis
bare Verbindung mit dem Retikularsystem. Die Pfeilmarkierungen
bei diesen Aufnahmen weisen wieder auf Cristae hin.
Die Entwicklung der kugel- bis eiförmigen Promitochondrien von
ca O,J p Durchmesser zu normalen Fadenmitochondrien von 5 -10 p Länge verläuft so, wie schon die lichtmikroskopischen
Untersuchungen ergeben haben. Im Elektronenmikroskop sieht man
auch die keulenartigen Übergangsf'ormen sehr deutlich (Abb. Je
und Jf). Sie weisen zwei verschiedene Abschnitte auf, nämlich
einen membranfreien, grundsubstanzhaltigen Bereich (G) und einen
mit Cristae (Cr) angefüllten Teil. Viele Anzeichen sprechen da
für, daß das Längenwachstum dieser Promitochondrien immer in
den mit Cristae besetzten Abschnitten erf'olgt. Hierbei dürfte
die Grundsubstanz teilweise zur Bildung der Cristae verwendet
werden.
In Übereinstimmung mit den Lebendbeobachtungen läßt sich also
aus den elektronenoptischen Bildern entnehmen, daß die Hühner
herzmyoblasten 8 Stunden nach der Bestrahlung mit 2400 R schon
wieder über funktionstüchtige Mitochondrien verfügen. Von die
sem Zeitpunkt an kann das Chondriom der Zellen wahrscheinlich
auch wieder durch Fragmentierung von Mitochondrien vervollstän
digt werden. Hierauf deutet jedenfalls die Einschnürung (Pfeil
markierung) des großen Mitochondriums in Abb. Jg hin.
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Diskussion der Ergebnisse
Über die Entstehung und Vermehrung der Mitochondrien wurden in
den letzten Jahren zahlreiche, einander oft widersprechende An
sichten geäußert, wie aus den zusammenfassenden Darstellungen
von Seelbach (28) und Wohlfarth-Bottermann (J6) hervorgeht.
Nach den elektronenmikroskopischen Untersuchungen von Wohlfarth
Bot termann (J6) können die Mitochondrien unter normalen Bedin
gungen aus ihresgleichen entstehen, also durch Teilung oder
Fragmentierung bereits vorhandener Mitochondrien. Hierfür spre
chen auch die Lebendbeobachtungen an subletal bestrahlten und
unbestrahlten Zellen (Diskussionsbeitrag Weissenfels, J6). Wird
jedoch das Chondriom der Hühnerherzmyoblasten durch eine Be
strahlung mit 2400 R geschädigt, dann greifen diese Zellen weit
gehend, vielleicht sogar ausschließlich, auf die Möglichkeit
zurück, Mitochondrien über Promitochondrien aus dem ER de novo
zu bilden.
In Übereinstimmung mit unseren Befunden nehmen auch Robertson
(21) und Andre (1) an, daß Mitochondrien vom endoplasmatischen
Retikulum aus neu entstehen können. Untersuchungen an Hefe
zellen (15) und regenerierenden Leberzellen (2) haben eben
falls gezeigt, daß hier die neuen Mitochondrien dem Retikular
system entstammen. Den Mechanismus der lokalen ER-Differen
zierung zur Mitochondrien-Vorstufe kennen diese Autoren ebenso
wenig wie wir.
Wie Weissenfels (29) und Wendt (JJ) bereits beobachtet haben,
treten in unbestrahlten Hühnerherzmyoblasten ebenfalls Pro
mitochondrien und keulenförmige Mitochondrienvorstufen auf.
Auch in unseren elektronenmikroskopischen Bildern von unbe
strahl ten Hühnerherzmyoblasten fanden wir regelmäßig Promito
chondrien, wenngleich in relativ geringer Anzahl. Die morpho
logischen Befunde stimmen mit den Beobachtungen an bestrahlten
Zellen überein. Die Mitochondrienneubildung verläuft also bei
bestrahlten und unbestrahlten gezüchteten Hühnerherzmyoblasten
grundsätzlich gleich; die Intensität der de novo-Entstehung
richtet sich dabei aber natürlich nach den Erfordernissen der
Zelle.
- 10 -
Der hohe Bedarf an funktionstüchtigen Mitochondrien in tei
lungsaktiven und in strahlengeschädigten Zellen ist verständ
lich, weil sowohl die normalen Synthesevorgänge als auch die
Regenerationsprozesse der Zelle außerordentlich energiezehrend
sind. Unter diesem Gesichtspunkt beurteilt auch~ (2) die
Notwendigkeit einer Mitochondrienneubildung nach Hepatektomie
bei Mäusen. Unsere eigenen und die hier angeführten Ergebnisse
anderer Autoren liefern aber noch keine Hinweise auf eine
etwaige Beteiligung von spezifischer Mitochondrien-DNS (17,
18) an der Entstehung und Entwicklung dieser Zellorganelle.
Vergleicht man die Wirkung von zwei verschieden hohen sub
letalen Röntgendosen auf die Mitochondrien gezüchteter Hühner
herzmuskelzellen, so ergibt sich zunächst ein etwas überra
schendes Ergebnis. Nach einer Bestrahlung mit 1200 R (23) fin
det man erst 12 - 15 Std später wieder normale Mitochondrien,
während nach der Einwirkung von 2400 R schon 8 - 12 Stunden
später funktionstüchtige Mitochondrien in den Zellen nachge
wiesen werden können. Die Erklärung hierfür ergibt sich aber
aus der Tatsache, daß die Mitochondrien bei der kleineren
Dosis nur reversibel geschädigt werden und nur Schwellungen
in begrenzten Bereichen aufweisen, die alsbald wieder behoben
werden. Nach der Bestrahlung mit 2400 R sind aber die meisten
Mitochondrien irreversibel geschädigt, so daß neue Mitochon
drien aus Vorstufen gebildet werden müssen, damit die Zellen
nicht zugrunde gehen. Dieser Prozeß läuft merkwürdigerweise
in kürzerer Zeit ab als die Behebung der Schäden an den mit
1200 R bestrahlten Mitochondrien.
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Zusarnmenfassunß_
An bestrahlten und unbestrahlten Hühnerherzmyoblasten in vitro
wurde die Mitochondrienneubildung licht- und elektronenmikro
skopisch untersucht.
Die phasenkontrastmikroskopische Lebendbeobachtung erbrachte,
daß die Zellen 6 - 7 Std nach einer Röntgenbestrahlung mit
2400 R merklich an funktionstüchtigen Mitochondrien verari:ien,
dann aber zunehmend kugelige Promitochondrien neu bilden, aus
denen sich Mitochondrien von normaler Größe entwickeln.
Die elektronenmikroskopischen Ergebnisse lassen sich anhand
des Schemas in Abb. 4 wie folgt zusammenfassen:
Das endoplasmatische Retikulum erzeugt Knospen, die als junge
Promitochondrien (a) bezeichnet werden ~issen. Während sie noch
am Retikularsystem festsitzen (b 1 ) oder erst nach ihrer Los
lösung vom endoplasmatischen Retikulum (b2 ) beginnen sie mit
der Ausbildung der inneren Hüllmembran. Später lassen die ku
geligen Promitochondrien in einem begrenzten Bereich die ersten
Cri stae mi t'ocllondriales erkennen ( c) und strecken sich gleich
zeitig in die Länge (d). Dabei entstehen Keulenformen (e), deren
kugelförmiger Teil mit einer Grundsubstanz angefüllt ist und
offenbar das Material für die weitere Cristae-Bildung liefert,
die mit dem Auswachsen des Mitochondrienschlauches einhergeht. ,, Die Promitochondrien gehen also in den fertigen Mitochondrien
( f) auf.
Summary
In irradiated and unirradiated chicken heart myoblasts culti
vated in vitro, the formation of mitochondria was studied by
means of phase contrast and electron microscopy.
By phase contrast observations of' the living object it was
found, that 6 to 7 hours af'ter irradiation with 24Gü tl, the
number of functionally active mitochondria decreased; sub
sequently there appeared in the cytoplasm numerous smnll
spherical pre-mitocltondria which soon increased in nurnber ancl
develop into mitochondria of normal size and structure.
- 12 -
The results with the electron microscope are illustrated in
the diagram (Plate 4). · t' 1 produces buds which must be considered The endoplasmic re icu um
as young pre-mitochondria (a). While they are still attached to
the reticular system (b1
) or after detaching from the endo
plasmic reticulum (b2
) they begin to establish an interior
membrane. Later on, in limited areas, the spherical pre-mito
chondria show the typical arrangement of cristae mitochondriales
(c) and simultanously they increase in length (d). Therewith the
pre-mitochondria assume a club-shaped form (e) the spherical
portion of which is filled with a dense ground-substance. This
ground-substance obviously produces the material for the further
formation of cristae mitochondriales which accompanies the out
growth of the mitochondrial tube. Thus the pre-mitochondria
transform into the definitive mitochondria (f).
Resume
Nous avons irradie des myoblasts de poulet en condition de
culture pour eclaircir la regeneration des mitochondries
d~fectueuses.
L'observation des cellules vivantes en contraste de phase a
demontre que les cellules irradiees par 2400 r de rayons X
s'appauvrissent tout d'abord en mitochondries, mais forment
ensuite par creation nouvelle des pro-mitochondries spheriques
qui plus tard se transforment en mitochondries de taille normale.
Les observations en microscopie ~lectronique peuvent itre
resumees ä l'aide de la figure 4. Le reticulum endoplasmique
des cellules irradiees produit d'abord des boutons qu'on peut
dejä designer comme des jeunes pro-mitochondries (a). Celles-ci
commencent immediatement ou apres leur separation de l'ergasto
plasme (b 1 , b 2 ) ä former des cr~tes mitochondriales (c} et puis
ä s'allonger. Le bout gonfle des jeunes mitochondries (e) con
tient evidemment le materiel necessaire pour completer les
cr~tes qui en outre s 1 augmentent pendant l'acroissement des
mitochondries.
Ainsi les mitochondries d~truites par irradiation sublethale
sont recr~es aussit~t en rapport avec le r~ticulum endoplas
mique.
- 1 J -
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J\bb. 1 Degeneration und Neubildung von Mitochondrien in
einer mit 2400 R bestrahlten Zelle. Aufnahmeabstand 1 Stun
de. M = geschädigte Mitochondrien: PM1= Promitochondrien:
PM2
= junge Mitochondrien; PMJ = aus Promitochondrien neu
gebildete Mitochondrien. Lebendaufnahmen, Phasenkontrast,
Vergr.: 2000 x
J\.bb. 2 Elektronenmikroskopisches Ausschnittsbild eines be
strahlten Hübnerherzmyoblaaten (2400 R). Schnitt durch die
kernnahe Golgi-Zone. Bei guter Erhaltung des Grundcytoplasmas
heben sich die leer erscheinenden Golgi-Vakuolen (GV) deut
lich von dem angefüllten endoplasmatischen Retikulum (ER)
ab. K =Kern. Vergr.: 50 000: 1
J\bb. 3 ~ Cytoplasmaausschnitte von 2400 R bestrahlten
Hühne1herzmyoblasten.
a Ausscbnittsbild mit Cieternen des endoplasmatischen
Retikulums (ER) und einem jungen Promitochondrium (j PM)
mit dunkler Füllung.
b Kontrastreiche Knospe des ER. Der Doppelpfeil weist aur
die Verbindungsstelle der Knospe mit dem ER hin, die Pfeil
markierungen auf die entstehende innere Mitochondrienmembran.
c Differenzierung der mitochondrialen Xnnenstrukturen (Preile).
d Promitochondrien ohne sichtbare Verbindung zum ER. Rechts
noch undifferenziert, Mitte Ausbildung der Innenstrukturen
(Pfeilmarkierungen)
e Sehr junges Keulenstadium zu Beginn des Längenwachstums.
G = Grundsubstanz, Cr = Cristae.
f Späteres Keulenstadium.
g Fertiges Mitochondrium mit seitlicher Verzweigung.
Vergr.: 50 000: 1