Die Bedeutung von Strahlungseigenschaften der Elektronen und therapeutischen Low Level Laser Licht beim mitochondrialen Energietransfer

Lutz Wilden(1) und Rainer Karthein(2),
(1) Privatpraxis Dr. Lutz Wilden, Kurallee 16, 94072 Bad Füssing (2) TüV Rheinland/Berlin-Brandenburg, Zentralabteilung Strahlenschutz, Köln, Deutschland

Korrespondenz an: Dr. Lutz Wilden, Kurallee 16, 94072 Bad Füssing, Tel. 08531/980198, Fax 08531/980119, E-Mail info@dr-wilden.de

Abstract

Der zelluläre Energietransfer findet in den Mitochondrien statt. In der modelltheoretischen Vorstellung dieses komplexen Gesamtprozesses werden Elektronen als die Energieträger des Energietransfers betrachtet. Dabei steht das klassische Teilchenbild der Elektronen im Vordergrund. Einige Einzelschritte des Gesamtprozesses sind bisher jedoch nur inkonsistent mit dem Teilchenmodell erklärbar und widersprechen der gebräuchlichen korpuskulären Vorstellung von den Elektronen. Der Welle-Teilchen-Dualismus der Elektronen läßt andererseits grundsätzlich auch Strahlungsphänomene zur Erklärung des zellulären Energietransfers zu. Dies gilt insbesondere für den Elektronenfluß im Gesamtprozeß. Ebenfalls wird der Einfluß elektromagnetischer Strahlung in Form von durch Low-Level Laser erzeugten Lichtes durch die Betrachtung des für die einzelnen Umwandlungsschritte vom Nährstoff bis zum energiereichen Adenosintriphosphat relevanten Energiebereiches deutlich. Hier existiert, wie in der Arbeit gezeigt, eine auffallend gute übereinstimmung der Energiewertebereiche von Energieabgabe- und -aufnahmesystemen des Gesamtprozesses. Durch die Berücksichtigung von Strahlungphänomenen lassen sich somit modelltheoretisch Einzelschritte des zellulären Energietransfers konsistent verstehen.

Einleitung
Jede lebende Zelle braucht Energie. Die für die vielfältigen Funktionen der Zelle benötigte Energie stammt aus den vom Organismus aufgenommenen Nährstoffen. Die in den Nährstoffverbindungen enthaltene chemische Energie ist in primärer Form für die Zellen jedoch nicht direkt verwertbar, sondern muß biochemisch in eine zellulär nutzbare Form transferiert werden. Die bedeutendste zellulär nutzbare Form ist das energiereiche Adenosintriphosphat (ATP)-System. Ort des zellulären Energietransfers sind die Mitochondrien, denen somit eine Schlüsselfunktion für die eukaryotische Zelle zukommt. Biochemische Modelle des Energietransfers machen die Elektronen als Energieträger für die einzelnen Umwandlungsschritte verantwortlich. Es beginnt damit, daß energiereiche Elektronen durch den Metabolismus im Zitronensäurezyklus gewonnen werden, in der Elektronen-Transportkette der inneren Mitochondrienmembran (Atmungskette) ihre anfängliche Energie verlieren und wieder bei der Reduktion von Sauerstoff O2 zu Wasser H2O verbraucht werden. Unter der klassischen korpuskulären Vorstellung von Elektronen wird der Energietransfer aus den Nährstoffen bis hin zu den mitochondrialen Strukturen auf der inneren Membran als ein Fließprozeß energiereicher Elektronen (Elektronenfluß) beschrieben. Mehrere Prozesse in einem so gedachten Elektronenfluß sind jedoch nur unzureichend, wenn nicht inkonsistent zum Teilchenaspekt der Elektronen erklärbar.

Elektronen
Die Elektronen gehören zu den leichten Elementarteilchen. Sie sind Bestandteil der grundlegenden Bausteine, aus denen alle Materie aufgebaut ist. Die korpuskulären Modelleigenschaften (Masse, Ladung) der Elektronen erklären auf fundamentale Art und Weise bis heute den Aufbau der Materie (J. J. Thomson, Nobelpreis 1906). G. P. Thomson (sein Sohn) zeigte 30 Jahre später durch Elektroneninterferenzen bei Durchstrahlung polykristalliner Metallfolien den Welle-Teilchen-Dualismus des Elektrons (Nobelpreis 1937). Die zentralen Beziehungen des Welle-Teilchen-Dualismus sind durch die Einstein- de-Broglieschen Relationen für die Wellenlänge und Frequenz von Materiewellen gegeben /1/. Diese Beziehungen stellen den Zusammenhang zwischen Teilchen- und Welleneigenschaften der Elektronen, aber auch anderer Objekte z.B. Photonen (Quantenteilchen der elektromagnetischen Strahlung) her, ohne die klassische Teilchenmechanik zu verletzen. Der zentrale Beweis für den Welle-Teilchen-Dualismus für Photonen ergibt sich aus der Tatsache, daß Elektronen durch elektromagnetische Strahlung energetisch angeregt werden, d.h., daß elektromagnetische Strahlung ihre Energie auf die Elektronen übertragen kann. Zur Beschreibung atomarer Prozesse, an denen Elektronen als auch elektromagnetische Strahlung beteiligt sind, kann modelltheoretisch sowohl der Wellen- wie der Teilchen-Begriff angewandt werden. Wellen- und Teilcheneigenschaften von Elektronen sind komplementär zueinander, d.h. ihre Ausbreitung sind insbesondere durch die Wellen- und ihre Wechselwirkung mit atomaren Systemen durch die Teilcheneigenschaften gekennzeichnet. Diese physikalischen Tatsachen finden im folgenden bei der Betrachtung des mitochondrialen Energietransfers verstärkt Berücksichtigung.

Das klassische Bild des mitochondrialen Energietransfers
Der mit dem mitochondrialen Energietransfer verknüpfte Elektronentransport wird biochemisch unter dem Teilchenaspekt des Elektrons betrachtet. Die Elektronen haben innerhalb des mitochondrialen Energietransfers die Funktion, das energetische Kraftwerk in den Mitochondrien, die ATP-erzeugende oxidative Phosphorylierung, als Energieträger in folgender Art und Weise anzutreiben. Damit die oxidative Phosphorylierung überhaupt arbeiten kann, muß sie an eine Elektronenquelle (Donator) und an einen Elektronensammler (Akzeptor) angeschlossen sein. Wesentliche Elektronendonatoren dabei sind das Nicotinadenindinukleotid (NAD+/NADH)-System und das Flavinadenindinucleotid (FAD/FADH2)-System. Durch den Nährstoffabbau im Zitronensäurezyklus werden Elektronen gewonnen, die durch NADH und FADH2 zur Atmungskette weitergeleitet werden. Durch den Elektronenfluß innerhalb der Atmungskette werden die Elektronen in die ATP-erzeugende oxidative Phosphorylierung eingeschleust und letztlich mit Sauerstoff O2 zu H2O vereinigt. Ausgehend vom diesem prinzipiellen biochemischen Grundmodell existieren folgende Vorstellungsbilder des mitochondrialen Elektronenflusses, die sich als hydrodynamische, elektrochemische und biomechanische Modelle bezeichnen lassen.

Das hydrodynamische Modell
Das hydrodynamische Modell veranschaulicht den Aspekt des mitochondrialen Energietransfers durch den Elektronenfluß über definierte Potentialniveaus, auf denen Elektronen entweder aufgenommen oder abgegeben werden. Dieser zelluläre Elektronenfluß ist dabei mit der Anlage eines künstlichen Wasserlaufs mit mehreren Wasserfällen vergleichbar. Die Wasserfälle ergeben sich durch auf unterschiedlichen Höhen befindlichen, miteinander verbundenen Wasserreservoire. Die Höhe der Wasserreservoire entspricht dem Oxidations-Reduktions-Potential (Redoxpotential) der jeweiligen Redoxpaare (Donator-Akzeptor), wobei nicht jeder Wasserfall (Elektronenfluß) an ein Kraftwerk Energieumwandlungssystem, d.h. oxidative Phosphorylierung) angeschlossen zu sein braucht. Wenn jedoch im Elektronenfluß Energieumwandlungssysteme (oxidative Phosphorylierung) vorhanden sind, wird von Seiten der Natur versucht, möglichst viele, die Energie transferierende Stufen in eine gesamte, den Elektronenfluß aufrechterhaltende Potentialdifferenz einzubauen /2/.

Das elektrochemische Modell
Der mitochondriale Energietransfer und Elektronenfluß werden im elektrochemischen Modell folgendermaßen dargestellt. Die bei der übertragung von Elektronen von einem energetisch höheren Potential auf ein niedrigeres Niveau freigesetzte Energie wird verwendet, um Protonenpumpen als Teil eines feingearbeiteten Elektronen-Transportvorgangs in der Mitochondrienmembran anzutreiben. Der Vorgang ist im Grunde vergleichbar einer elektrischen Batterie, die Strom durch eine Reihe von Elektromotoren fließen läßt. Allerdings fließen in biologischen Systemen Elektronen von einem Ort zum anderen nicht über elektrische Leiter, sondern über frei bewegliche Moleküle als Elektronentransporter (Elektronecarrier), die Elektronen an einer Stelle aufnehmen (Akzeptoren) und an einer anderen wieder abliefern (Donatoren) /3/.

Das biomechanische Modell
Das korpuskulär geprägte Vorstellungsbild der zellulären Elektronenflusses (biomechanische Modell) erfordert die Realisierung einer komplexen und bisher noch nicht endgültig erklärbaren Elektronentransport-Biomechanik. Dabei beginnt der mitochondrialen Elektronentransport im Zitratzyklus mit der Gewinnung energiereicher Elektronen. Im Detail werden in vier Oxidations-Reduktions-Reaktionen drei Elektronenpaare auf die oxidierte Form des NAD+ und ein Paar auf die oxidierte Form des FAD) übertragen. Diese in ihren reduzierten Formen (NADH und FADH2) energiereichen Elektronenakzeptoren werden wieder regeneriert, wenn sie ihre Elektronen an die Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran weitergeben. NADH gibt seine Elektronen dabei infolge von Zufallszusammenstößen an membrangebundene Proteine ab, FADH als Bestandteil der inneren Membran gibt seine Elektronen direkt an die Atmungskette weiter. Bei dieser übertragung verlieren die Elektronen die aufgrund des hohen Redoxpotentials in Bezug auf den molekularen Sauerstoff vorhandene Energie, die nun unter Schaffung eines Protonengradienten und der dadurch angetriebenen oxidativen Phosphorylierung zur ATP-Erzeugung transferiert werden kann. In aeroben Organismen stellt dieser Prozeß die Hauptquelle für ATP dar. Zu den charakteristischen Kennzeichen dieses Prozesses gehören u.a.:
  1. Die oxidative Phosporylierung geschieht in der Atmungskette, die als integraler Teil an der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Das durch die extramitochondrial ablaufende Glykolyse reduzierte NADH kann die Mitochondrienmembran genauso wenig wie die Energiequellen Pyruvat und Fettsäuren durchdringen. Die Mitochondrienmembran ist ein strukturelles Transporthindernis. Um in die Mitochondrien zu gelangen, wo NADH die Elektronen-Hauptquelle darstellt, ist es daher auf die Unterstützung von Membrantransportsystemen (Shuttle) angewiesen. Als mengenmäßig bedeutendste Transportsystem des zytoplasmatischen NADH in die Mitochondrien gilt der Malat-Aspartat-Shuttle (Malat-Zyklus) /4/.
  2. Die Anordnung der Atmungskette enthält zahlreiche Elektronencarrier wie z.B. Cytochrome, Flavine usw. Die übertragung der Elektronen vom NADH oder FADH2 zum Sauerstoff geschieht in mehreren Stufen über diese Elektronentransporter, wobei zusätzlich durch Protonenpumpen in der mitochondrialen Matrix ein Membranpotential (Protonen-motorische Kraft) aufgebaut wird. Gemäß dem korpuskulären biomechanischen Modell des Elektronenflusses werden die energiereichen Elektronen entlang der Atmungskette über eine Reihe von Elektronencarriern (Flavine, Eisen-Schwefel-Komplexe, Chinone und Cytochrome) bis zur Wiedervereinigung mit O2 befördert. Diese Elektronencarrier sind mit Ausnahme der Chinone prosthetische Gruppen von Proteinen, in deren Reaktionszentren fast ausschließlich reaktive übergangsmetalle sitzen. Die Vorstellung vom Elektronentransport innerhalb der Atmungskette besteht dabei darin, daß im Großen und Ganzen die Elektronen von einem Metallatom zum nächsten durch Rotations- und Translationsbewegungen weitergegeben werden /2/. So werden die Elektronen im Verlaufe ihrer Transportstrecke entlang der Atmungskette bis zum niedrigsten Energieniveau, d.h. Sauerstoff, heruntertransportiert und geben ihre Energie ab. Jedes NADH beispielsweise gibt zwei Elektronen ab, jedes O2-Molekül benötigt aber vier Elektronen zur Bildung von Wasser. Ein korpuskulär gedachter Elektronenfluß erfordert daher dem Modell entsprechend quantitativ das Vorhandensein verschiedener Elektronen-Sammel- und Verteilungsstellen entlang der Atmungskette, in denen Änderungen der Elektronenzahl ausgeglichen werden /3/.
  3. Die treibende Kraft der oxidativen Phosphorylierung ist das durch den Elektronenfluß in der Atmungskette geschaffene Membranpotential der inneren Mitochondrienmembran und das Elektronenübertragungspotential des NADH oder FADH2. Die Potentialdifferenz in Bezug auf den O2 beträgt 1,14 V; die freie Energie der Oxidation des NADH durch O2 entspricht 220kJ/Mol. Bis zur endgültigen Elektronenübertrag auf O2 werden drei oxidative Phosphorylierungseinheiten gespeist. Dadurch kann der größte Teil der freiwerdenden Energie äußerst vorteilhaft genutzt werden und geht nicht als Wärme an die Umgebung verloren. Im korpuskulären Modell wird dabei ein indirekter Reaktionsweg vorgesehen, indem Wasserstoffatome zuerst in Protonen und Elektronen aufgespalten werden (Bildung von Hydrid-Ionen (= Wasserstoffatome mit zusätzlichen Elektronen und H+). Innerhalb der Atmungskette werden die Protonen und Elektronen wiederum vorübergehend zusammengeführt, bis sie erst am Ende der Elektronen-Transportkette endgültig mit den Protonen vereinigt werden /3/.
Das neue Bild des mitochondrialen Elektronenflusses unter Berücksichtigung von Strahlungsphänomenen
Unter der bisher vorherrschenden Berücksichtigung des Teilchenaspektes der Elektronen wird der Energietransfer aus den Nährstoffmolekülen wie beispielswiese Pyruvat usw. hinüber zu den molekularen mitochondrialen Strukturen der Atmungskette als ein Fließprozeß energiereicher Elektronen (Elektronenfluß) beschrieben. Mehrere Prozesse innerhalb dieses Elektronenflusses sind dabei jedoch nur unzureichend (siehe oben) erklärbar. Dazu gehören die Transport- und Ausbreitungsprozesse der Elektronen und der damit verbundene Energietransport als auch die Wechselwirkungen der Elektronen mit den beteiligten Komponenten des mitochondrialen Energietransfers. Auch die Frage der Koordination der Prozesse auf allen Ebenen wird ebenfalls nur unbefriedigend mit dem Zufallsprinzip beantwortet. Nach dem molekularen Teilchenbild der Biochemie werden die Prozesse in den Zellen als zufallsbestimmte, chaotische Ereignisse ohne synergetische Präzision angesehen /5/. NADH gibt seine Elektronen bei Zufallszusammenstößen an die Atmungskette ab. Die korpuskuläre Vorstellung sieht dazu gezielte Schwingungs- und Rotationsbewegungen der einzelnen Komponenten bis hin zum quantenmechanischen Durchtunneln von Molekülbarrieren vor /6/. Begründet werden diese Vorstellungen unter anderem auch durch die übereinstimmung der tatsächlich beobachteten Geschwindigkeiten der Elektronenübertragung mit der zu erwartenden Häufigkeit zufälliger Zusammenstöße zwischen den beweglichen Elektronencarriern und den Enzymkomplexen (ermittelte Rate: ca. 5 - 20 Millisekunden). Bisher ist diese angenommene Zufälligkeit der Zusammenstöße jedoch gleichzeitig mit der Feststellung verknüpft, daß keine Notwendigkeit besteht, eine festgefügte strukturelle Anordnung der Elektronentransportkette zu fordern, sowie den geordneten Elektronentransfer einzig von der Spezifität der funktionellen Wechselwirkungen zwischen den Atmungskettenkomponenten abhängig zu machen /3/.

Vom Teilchenaspekt zu Strahlungsphänomenen
Durch Berücksichtigung von Strahlungsphänomenen, die aufgrund des Teilchen-Welle-Dualismus grundsätzlich zur Natur der Elektronen gehören, kann der korpuskulär mit dem mitochondrialen Elektronenfluß verknüpfte Energietransfer auch als Strahlungsprozeß beschrieben werden. Entgegen den oben angesprochenen zufälligen, chaotischen Vorstellungen vom mitochondrialen Energietransfer im klassischen, korpuskulären Bild vollziehen sich funktionsbezogene Bewegungen und Änderungen in der Zelle auf hochgeordnete Art und Weise /7/. Der Regelkreis Zelle und letztendlich das gesamte System Mensch wäre sonst nicht möglich. Dieses Regelprinzip funktioniert jedoch nur, wenn sich die hochstrukturierten Prozessen auf langreichweitige Wechselwirkungen, die eine weitaus größere Reichweite als chemische Kräfte besitzen, zwischen den Komponenten und Systemen zurückführen läßt. Dies bedeutet jedoch das Abrücken vom ausschließlich molekularen Standpunkt und offenbart somit den Schwingungsaspekt der Materie /5/. Der klassische molekulare Teilchenaspekt z.B. des mitochondrialen Elektronenflusses erweist sich modelltheoretisch als Welle. Der Zusammenhang zwischen Energietransport (Strahlung) und Ordnung (molekulare Struktur) zeigt sich beispielsweise dann, wenn in struktureller Form gebundenen Energie bei der Auflösung der Strukturen frei wird bzw. sich umgekehrt wieder strukturell manifestiert. Dadurch werden viele, bisher nur schwer verständliche Aspekte z. B. auch des am mitochondrialen Energietransfer beteiligten Elektronenflusses erklärbar (siehe oben). Einfluß elektromagnetischer Strahlung
Chemische Reaktionen in der Zelle bestehen im wesentlichen aus Spaltungen von oder Verbindungen zwischen zellulären Reaktionspartnern. Beispiele dafür sind der Nähstoffabbau im Zitronensäurezyklus und die ATP-Produktion in der Atmungskette. Damit es zu einer chemischen Reaktion in der Zelle kommt, müssen die beteiligten Komponenten genügend Bewegungsenergie erhalten, um aufeinanderzutreffen. Weiterhin ist auch meist eine - wenigstens kurzzeitige - Anregung von mindestens einem der Reaktanten notwendig, um beispielsweise elektrische Ladungsverteilungen zu ändern, so daß mit dem Partner neue Einheiten gebildet werden können /5/. Die An- und Abwesenheit von Strahlung bestimmter Frequenz oder Wellenlänge, Intensität, Ausbreitungsrichtung oder Polarisation in der Zelle entscheiden darüber, ob Reaktion ablaufen oder unterdrückt werden /7/. Dies wird im folgenden auf der Basis der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit den am mitochondrialen Energietransfer beteiligten Systemen und Komponenten diskutiert. Als fundamentale Basis dient dabei zunächst der Energiewertebereich, innerhalb dessen die am mitochondrialen Energietransfer beteiligten Energieträger sich bewegen. Dieser zelluläre Energiewertebereich läßt sich z. B. an folgenden primär am Energietransfer beteiligten Systemen aufzeigen.

  1. Ausgangspunkt der Energiebetrachtung stellen die Bindungsenergien verschiedener chemischer Bindungsarten von Komponenten des zellulären Nährstoffabbaus, die im Zitronensäurezyklus gespalten bzw. abgebaut werden, dar. Tabelle 1 zeigt typische Energiebereiche für Bindungsenergien chemischer Bindungsarten (Van der Waals-, Hydrogen-, kovalente und ionische Bindungen) in Joule. Diese Energien lassen sich auch in entsprechende Strahlungsenergien, dargestellt in Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung, umrechnen. Zur Umrechnung der chemischen Bindungsenergien in die Energien elektromagnetischer Strahlung wird folgende fundamentale Einsteinsche Relation (Gleichung 1) angewandt. Elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge l in Meter [m] ist umgekehrt proportional zur Energie E der elektromagnetischen Strahlung in Joule [J]:
    E=h.(c/lamda)          [J] (Gleichung 1)
    mit E = Energie der elektromagnetischer Strahlung in [ J ], h = 6,6256.10exp-34 [ J . s ] (Plancksches Wirkungsquantum), c = 2,9979.10exp8 [ m/s ] (Lichtgeschwindigkeit) und l = Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in [ m ].

    Tabelle 1

    Im Vergleich dazu liegt die Wellenlänge des für das menschliche Auge sichtbaren Bereiches der elektromagnetischen Strahlung zwischen etwa 400 - 800 nm. Die Bindungsenergien chemischer Bindungen erfüllen im wesentlichen den Energiebereich des sichtbaren Lichts, reichen darüberhinaus aber auch zum Teil in den infraroten und ultravioletten Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Bindungsenergien von Hydrogenbindungen entsprechen in etwa Wellenlängen des niederenergetischen Bereich des sichtbaren Lichtes, von gelb über rot ins nahe Infrarot.
  2. Im Metabolismus der Zelle wird, wie oben skizziert, die chemische Energie, die in den einzelnen Bindungsarten steckt, beim Aufbrechen der Bindungen freigesetzt und durch korrespondierende molekulare Strukturen der Mitochondrien in für die Zelle verwertbare Energie umgewandelt. Diese molekularen Strukturen bestehen aus den mitochondrialen Elektronendonator- und -akzeptorsystemen sowie den Atmungskettenkomponenten. Auch für diese Systemen lassen sich charakteristische Energiewertebereiche angeben. Eine der auf der molekularen Seite des Energietransfers korrespondierende funktionelle Struktur ist das Nicotinadenindinucleotid (NAD+/NADH)-System. Sein Photoabsorptionsspektrum ist in Abbildung 1a dargestellt. Das im korpuskulären Modell des Elektronentransfer ebenfalls als Lieferant energiereicher Elektronen vorhandene FAD/FADH2-System zeigt ein ähnliches Absorptionsverhalten wie das NAD+/ NADH-System (siehe Abbildung 1b). Das NAD+/NADH System befindet sich im mitochondrialen Matrixraum in gelöster Form in unmittelbarer Nähe zu den molekularen Strukturen der Atmungskette. Das FAD/FADH2-System ist dagegen selbst schon Bestandteil der auf der inneren Mitochondrienmembran fest montierten Pigmenten der Atmungskette.

    Abbildung 1

    Das Photoabsorptionspektrum ist aufgrund seines physikalischen Ursprungs (spezifische Molekülorbitalstruktur) charakteristisch für das jeweils betrachtete System. Absorptionsmaxima in den Spektren kennzeichnen den Bereich elektromagnetischer Strahlung, in dem das System die meiste Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung absorbieren kann. Was mit der absorbierten Energie passiert, hängt von den physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Systeme und den ihnen eigenen elektronischen Zuständen ab. Mögliche Energieabgaben ergeben sich z.B. durch Relaxation, Fluoreszenz, Wärmeumwandlung oder dynamische Konformationsänderungen. Grundsätzlich besteht im Vergleich zu den Energien chemischer Bindungen (Tabelle 1) eine auffallend gute übereinstimmung der Energiewertebereiche beider bisher betrachteter, am mitochondrialen Energietransfer beteiligter Komponenten. Die im Zitronensäurezyklus beispielsweise aus kovalenten Kohlenstoffbindungen und aus Hydrogenbindungen freiwerdenden Energien chemischer Bindungen stimmen gut mit den Absorptionsspektren der NAD+/NADH und FAD/FADH2 -Systeme überein, wenn man sie in Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung angibt (siehe auch Abbildung 1 und Tabelle1).
  3. Ein weiterer energetischer Bereich, den es zu betrachten gilt, ergibt sich aus den Schlüsselstrukturen innerhalb der mitochondrialen Atmungskette, den sogenannten Elektronencarriern /3/. Viele absorbieren Licht im sichtbaren, nahen ultravioletten und infraroten Spektralbereich und ändern ihre Farbe, wenn sie oxidiert bzw. reduziert werden. Ganz allgemein hat jeder von ihnen ein Absorptionsspektrum und eine Reaktivität von einer so gut unterscheidbaren Spezifität, daß sich ihr Verhalten selbst in Rohextrakten spektroskopisch verfolgen läßt //. Hervorzuheben sind die Flavin und Häm-Komponenten. Flavine bilden eine bemerkenswerte Klasse grün-gelber Pigmente, die sich von Riboflavin oder Vitamin B2 ableiten. In Verbindung mit Proteinen bilden Häme (Eisen-Porphyrine) eine ganze Palette farbiger Moleküle, die blutrot bis erbsengrün aussehen. Einen wesentlichen Bestandteil der Atmungskette bilden somit die Metalloproteine. Dazu zählen Proteine mit Eisen-Schwefelzentren, Hämgruppen und Kupferatomen. Die drei großen Enzymkomplexe der Atmungskette mit solchen Metalloproteinen sind der NADH-Dehydrogenasekomplex, der Cytochrom b/c1-Komplex und der Cytochrom-Oxidase-Komplex (Cytochrom a/a3). Eine übersicht über einige wesentliche Elektronencarrier mit Angabe ihrer Absorptionsmaxima zeigt Tabelle 2.

    Tabelle 2

    Wie oben angegeben, sind diese Komponenten der Atmungskette durch ihre Absorptionsbanden (Photoabsorptionsspektren) eindeutig charakterisierbar. Die kurzwelligen Absorptionsmaxima der Spektren stammen vom Protein, der längerwellige Absorptionsbereich in der Regel vom aktiven (Metall-)Zentrum des jeweils betrachteten Elektronencarriers. Auch diese vorgefundenen Energiebereiche stimmen ebenfalls auffallend gut mit den Energien freiwerdender chemischer Bindungen (Tabelle 1) und den Absorptionsbanden der Elektronendonator- und Akzeptorsysteme überein (Abbildung 1). Eine in die mitochondriale Atmungskette einstrahlende elektromagnetische Strahlung kann also, entsprechend ihrer Energie (Frequenz oder Wellenlänge) von den dort sich befindenden Elektronencarriern bzw. wie Antennenpigmenten direkt absorbiert werden. Der effektive Energiebereich reicht dabei vom UV über den fürs Auge sichtbaren Bereich bis zum IR. Damit entsprechen alle innerhalb der Atmungskette ablaufenden elektrochemisch angegebenen Energieniveaus dem infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung.

Die oxidative Phosphorylierung wird durch die enge Verbindung von Elektronencarrier mit Proteinmolekülen ermöglicht. Die Proteine lenken die Elektronen durch die Atmungskette, so daß sie wirksam und in der richtigen Reihenfolge von einem Enzymkomplex zum anderen gelangen. Diese Elektronensteuerung geschieht durch allosterische Umlagerungen in den beteiligten Proteinen. Die Steuerung wie Energiebereitstellung für solche dynamischen Proteinkonformationsänderungen oder Schwingungen im Makromolekülen läßt sich durch Strahlungsphänomene erklären /5/. Die Berücksichtigung von Strahlungsphänomenen im Zusammenhang mit dem mitochondrialen Energietransfer und Elektronenfluß eröffnet somit neue Möglichkeiten der Interpretation der aus dem katabolen Stoffwechsel letztendlich freiwerdenden Energie und ihrer Aufnahme durch die molekularen Strukturen der inneren Mitochondrienmembran. Dadurch ergibt sich auch eine Erklärung der Wirkung elektromagnetischer Strahlung in Form von Licht auf den mitochondrialen Energietransfer. Je nach Wellenlänge kann Licht (Photonen) beispielsweise Makromoleküle anregen, die Geometrie der Moleküle zu verändern sowie Elektronen Energie übermitteln. Licht hat grundsätzlich eine unmittelbar anregende Wirkung auf zelluläre Strukturen, wie bereits mehrfach experimentell nachgewiesen wurde /13, 14/. Es bedarf jedoch auf zellulärer Ebene hinsichtlich der biostimulativen Wirkung der elektromagnetischen Strahlung (z.B. im Bereich des natürlichen solaren Lichtes) noch eines erheblichen Forschungsaufwands. Primäre Forschungsziele ergeben sich dabei in der Aufklärung zellulärer Stimulationspunkte sowie des Wirkkomplexes der unmittelbar anregenden Wirkung elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit den Komponenten der Atmungskette, die sich somit als eine Art Antennenpigmente verstehen lassen.

Low Level Laserlicht
Die stimulative Wirkung elektromagnetischer Strahlung in Form von Low Level Laserlicht auf den Menschen wird heute schon vielfach angewandt /15, 16, 17/. Es ist bekannt, daß die Wirkungen von Low Level Laserlicht keinesfalls thermischer Natur sind /18/. Variationen der Energie elektromagnetischer Strahlung zeigen, daß Wirkungen von Laserlicht auf bestimmte Bereiche des Spektrums elektromagnetischer Strahlung begrenzt sind. Besonders wirksam scheint der Wellenlängen(Energie-)bereich elektromagnetischer Strahlung zwischen 600 und 700 nm (roter Bereich) /19/. Low level Laserlicht aus dem roten und nahem infraroten Bereich entspricht aber auch gerade den in der Atmungskette relevanten und charakteristischen Energie- und Absorptionsniveaus. Dies deutet auf das Wirkzentrum von Low Level Laserlicht in der Form hin, daß die Energie des Laserlichtes auf die Komponenten sogenannter Antennenpigmente der Atmungskette anregend wirkt und als unmittelbare Folge davon für die Vitalisierung der Zelle durch die Steigerung der mitochondrialen ATP-Produktion sorgt. Diese Art Stimulierung läßt sich dabei als biologische Resonanzeffekt sehen /18/. Die Komponenten dieser Antennenpigmente (Elektronencarrier) sind demnach Resonatoren verschiedener Größe und Form, die mit einer spezifischen Wellenlänge (= Energie) elektromagnetischer Strahlung resonieren und die Energie der Strahlung funktionell, d.h. für Regulationsprozesse in der Zelle, umsetzen können /5/. Die Verknüpfungen zwischen den dabei für die Zelle relevanten Energiewertebereiche, ausgedrückt in Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung, zeigt Abbildung 2.

Abbildung 2

Auf der einen Seite stehen die in Tabelle 1 angegebenen charakteristischen Energieinhalte chemischer Bindungen, die durch den zellulären Nährstoffabbau freigesetzt werden. Demgegenüber befinden sich auf gleichen Energieniveaus die Absorptionsbanden der mitochondrialen Komponenten der Atmungskette insbesondere die Elektronencarrier mit ihren Antennenpigmenten (siehe Abbildung 1 und Tabelle 2). Dieser relevante Energiewertebereich stimmt auffallend gut mit dem therapeutisch genutzten Energiebereich elektromagnetischer Strahlung des Low-Level Laser Lichts überein.

Zusammenfassung In den Mitochondrien wird die in Nährstoffverbindungen enthaltene chemische Energie in eine zellulär nutzbare Form transferiert. Biochemische Modelle dieses Energietransfers machen Elektronen als Energieträger für die einzelnen Transferprozesse verantwortlich. Energiereiche Elektronen werden im Zitronensäurezyklus gewonnen, werden durch die Elektronentransportkette der inneren Mitochondrienmembran (Atmungskette) unter sukzessiver und höchst effektiver Energieabgabe geschleust und reduzieren am Ende Sauerstoff zu Wasser. In der klassichen korpuskulären Vorstellung von Elektronen wird der mitochondriale Energietransfer durch diesen Fließprozeß energiereicher Elektronen (Elektronenfluß) beschrieben. Die Modellierung ist dabei fest mit dem Teilchenaspekt der Elektronen verbunden. Aufgrund bisheriger Inkonsistenzen im Modell des Elektronenflusses mit dem korpuskulären Bild der Elektronen und dem von der Natur der Elektronen gegebenen Welle-Teilchen-Dualismus ergeben sich für den mit dem mitochondrialen Energietransfer verknüpften Elektronenfluß in den Mitochondrien deutliche Hinweise auf die Berücksichtigung von Strahlungsphänomenen. Der Zusammenhang zwischen Energietransport durch Strahlung und Ordnung in struktureller Form läßt sich beispielsweise dadurch darstellen, wenn in struktureller Form gebundene Energie bei der Auflösung der Strukturen frei wird (Nährstoffabbau/-spaltung) oder umgekehrt sich wieder manifestiert (Reduktion von Sauerstoff zu Wasser). Auch der Einfluß elektromagnetischer Strahlung bestimmter Wellenlängenbereiche auf den mitochondrialen Energietransfer läßt sich durch die Betrachtung der für die Atmungskette relevanten Energiebereiche verdeutlichen. Je nach Wellenlänge kann elektromagnetische Strahlung beispielsweise in Form von Licht Makromoleküle anregen, Konformationsänderungen von Proteinen bewirken oder Elektronen Energie übermitteln. Unter Berücksichtigung von Strahlungsphänomenen innerhalb des mitochondrialen Energietransfers und dem damit verknüpften Elektronenfluß innerhalb der Atmungskette finden somit die experimentell gefundene Steigerung der mitochondrialen ATP-Produktion durch Low Level Laserlicht auf zellulärer Ebene eine Erklärung. An dieser Stelle bedarf es jedoch für solch modelltheoretische Vorstellungen und biostimulativen Wirkungen der Strahlungsphänomene noch weiteren Forschungsbedarfs.


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Tabelle 1

Vergleich von charakteristischen Energiebereichen chemischer Bindungsarten mit der Photonenenergie elektromagnetischer Strahlung (ausgedrückt in Wellenlängen der Strahlung) /8, 9, 10/

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Abbildung 1
Photoabsorptionsspektren des NAD+/NADH-Systems, (Inlet:FAD/FADH2-System) /8/

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Tabelle 2
Absorptionsbanden der Photoabsorptionsspektren wichtiger Elektronencarrier der mitochondrialen Atmungskette /12/. Die Absorptionbanden im UV-Bereich stammen von den Aminosäuren des Proteins wie beispielsweise Tryptophan und Tyrosin, die Soret-, b- und a- Banden von den prostetischen (Metall-) Gruppen.

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Abbildung 2
Vergleich relevanter Energiebereiche ausgedrückt in Energiewerten elektromagnetischer Strahlung zwischen chemischen Bindungen, Komponenten der zellulären Atmungskette und Low-Level Laser-Licht

Abbildung 2

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