Bookshelf

Biologie ist ein riesiges Thema. Der Planet Erde beherbergt eine atemberaubende Vielfalt an Lebensformen. Wir kennen bereits 286.000 Arten von Blütenpflanzen, 500.000 Arten von Pilzen und 750.000 Arten von Insekten. Darüber hinaus werden immer noch viele weitere Arten entdeckt. Vor fünfzig Jahren war die Wissenschaft der Biologie in verschiedene Disziplinen unterteilt, die das Leben auf unterschiedlichen Ebenen analysierten. Es gab Morphologie, Physiologie, Biochemie, Taxonomie, Ökologie, Genetik und so weiter, die alle weitgehend in getrennten akademischen Abteilungen arbeiteten. Die Entdeckungen in der Genetik haben jedoch einige der wichtigsten vereinheitlichenden Themen für die gesamte Biologie geliefert, so dass jetzt konzeptionelle Fäden die Teildisziplinen verbinden.

Der wichtigste thematische Faden, der von der Genetik geliefert wird, ist buchstäblich ein Faden, das Genmolekül DNA. Wir wissen heute, dass die DNA die Informationsgrundlage für alle Prozesse und Strukturen des Lebens ist. Das DNA-Molekül hat eine Struktur, die für zwei der wichtigsten Eigenschaften des Lebens verantwortlich ist: die Fortpflanzung und die Erzeugung von Formen. Wir werden in diesem Buch lernen, dass die DNS eine doppelhelikale Struktur ist, deren inhärentes Design so beschaffen ist, dass sie zur Herstellung von zwei identischen Kopien repliziert werden kann. Die DNA-Replikation ist die Grundlage für jede Art von Reproduktion, sowohl auf zellulärer als auch auf organismischer Ebene. Die DNA repliziert sich vor der Zellteilung und ermöglicht es den Chromosomen, sich in Chromatiden zu teilen, die schließlich zu Tochterchromosomen werden, die in die Tochterzellen gelangen. Dieser Prozess der Replikation und der Chromatidenbildung verläuft bei der Teilung ungeschlechtlicher und geschlechtlicher Zellen im Wesentlichen ähnlich und ist in Abbildung 1-8 schematisch dargestellt. (Es ist jedoch zu beachten, dass die beiden Arten der Zellteilung viele Unterschiede aufweisen, auf die wir in späteren Kapiteln eingehen werden.) Wir sehen also, dass es die Eigenschaft der DNA-Replikation ist, die es ermöglicht, Replikate von Zellen und Organismen herzustellen und über die Zeit hinweg zu erhalten (Abbildung 1-9). Die DNA kann also als der Faden betrachtet werden, der uns mit all unseren evolutionären Vorfahren verbindet. Darüber hinaus erzeugt die DNS eine Form, weil in die lineare Abfolge der Bausteine eines DNS-Moleküls ein Code geschrieben ist, der die Anweisungen für den Aufbau eines Organismus enthält; wir können dies als Information oder „das, was notwendig ist, um eine Form zu geben“ betrachten. Die einzigartigen Merkmale einer Art, ob Strukturen oder Prozesse, stehen unter dem Einfluss derDNA. So sehen wir hinter den von Morphologen untersuchten Strukturen, den von Physiologen untersuchten Reaktionen, den von Evolutionisten untersuchten Homologien usw. den verbindenden Faden des DNA-Moleküls.

Abbildung 1-8

Wenn neue Zellen gebildet werden, ermöglicht die DNA-Replikation, dass ein Chromosom zu einem Paar Chromatiden wird, die schließlich zu Tochterchromosomen werden und in die neuen Zellen übergehen.

Abbildung 1-9

Die DNA-Replikation ist die Grundlage für die Aufrechterhaltung des Lebens durch die Zeit.

Die DNA funktioniert in allen Organismen praktisch auf die gleiche Weise. Das ist an sich schon ein weiteres verbindendes Thema, aber es bedeutet auch, dass das, was wir in einem Organismus lernen, oft prinzipiell auf andere Organismen übertragen werden kann. Aus diesem Grund hat die Genetik ausgiebig Gebrauch von Modellorganismen gemacht, von denen viele in den Seiten dieses Buches erscheinen werden. Die Fortschritte, die in den letzten Jahrzehnten in der Humangenetik erzielt wurden, sind zu einem großen Teil den Fortschritten zu verdanken, die mit so einfachen Modellorganismen wie Bakterien und Pilzen erzielt wurden.

Die Genetik hat auch einige der prägnantesten analytischen Ansätze geliefert, die heute im gesamten Spektrum der biologischen Disziplinen verwendet werden. An erster Stelle steht die Technik der genetischen Dissektion. Bei diesem experimentellen Ansatz kann jede Struktur oder jeder Prozess auseinandergenommen oder „seziert“ werden, indem man untersucht, wie mutierte Gene sie beeinflussen. Durch die Untersuchung der Abnormalität können wir auf den Normalfall schließen. Bei der Untersuchung der Entwicklung erwachsener Organismen aus einer befruchteten Eizelle zum Beispiel identifiziert jedes mutierte Gen, das eine Entwicklungsanomalie hervorruft, eine Komponente des normalen Entwicklungsprozesses. Die genetische Sektion von gelähmten mutierten Stämmen von Fadenwürmern hat zu einem Verständnis der Gene geführt, die die normale Bewegung kontrollieren. Das Gesamtbild eines bestimmten Prozesses kann durch die Verknüpfung all dieser genetisch kontrollierten Komponenten zusammengesetzt werden.

Wir haben gesehen, dass die molekulare Gentechnik neue Perspektiven in der angewandten Biotechnologie eröffnet hat, aber dieselben Techniken sind ebenso nützlich in der Grundlagenforschung.Wissenschaftler haben Gene in Hefe manipuliert, um völlig künstliche, funktionelle Chromosomen zu erzeugen, die riesige Mengen an zusätzlicher DNA für spezifische experimentelle Zwecke tragen können. In jüngster Zeit wurden sogar künstliche menschliche Chromosomen hergestellt, die in menschliche und andere Säugetierzellen eingeschleust werden können. Die Möglichkeit, ein Gen in einem Reagenzglas zu isolieren, seine Struktur auf bestimmte Weise zu verändern und es dann wieder in den Organismus einzuführen, hat das schärfste Skalpell für die genetische Sektion geschaffen.

Eine weitere erfolgreiche Technik ist die Verwendung bestimmter Gene als Marker. So wie man in einer biologischen Studie Tiere oder Pflanzen mit bunten Markierungen kennzeichnen kann, verwenden Genetiker bestimmte leicht nachweisbare Formen von Genen, um Strukturen – Chromosomen, Zellen oder Individuen – im Auge zu behalten. Diese Technik findet in allen biologischen Disziplinen Anwendung, von der Forensik über die Zellbiologie bis hin zur Evolution und Ökologie. So werden heute beispielsweise Gene für menschliche Krankheiten aufgrund ihrer chromosomalen Nähe zu nicht verwandten Markersequenzen isoliert (Technik des positionellen Klonens). Mit der Möglichkeit, Gene von Organismus zu Organismus zu übertragen, haben die Genetiker die residenten Gene durch „Reporter“-Gene ersetzt, deren Funktionen sich leichter nachweisen und experimentell untersuchen lassen. (Ein Reportergen ist eine Art Markergen, das eher die Funktion als die Struktur kennzeichnet.)Das Luciferase-Gen aus Glühwürmchen wurde auf diese Weise verwendet; das Gen kann so in Tier- oder Pflanzenchromosomen eingesetzt werden, dass es die Zellen zum Leuchten bringt, egal in welchem Entwicklungsstadium das ursprüngliche Gen an dieser Stelle aktiv war. Auch ein Gen für grün fluoreszierendes Protein aus Quallen wird als Reporter verwendet. Mikros mit diesem Gen leuchten unter UV-Bestrahlung grün (Abbildung 1-10). Alles in allem hat die Gentechnik die biologischen Wissenschaften revolutioniert, und kein Biologe kann es sich heute leisten, dieses leistungsfähige Analyseinstrument zu ignorieren.

Abbildung 1-10

Transgene Mäuse, denen das Quallen-Gen für grün fluoreszierendes Protein in die Chromosomen eingesetzt wurde. (KYODO News International/AP.)

Die vielleicht größte Erfolgsgeschichte der Biologie ist die Aufklärung darüber, wie genau die Gene ihre Arbeit tun, mit anderen Worten, wie sich die Information bildet. Es ist eine faszinierende Geschichte, die sich mit erstaunlicher Schnelligkeit entwickelt hat. Heute sind die Kodierung und der Fluss der genetischen Information in den Zellen die Grundlagen des modernen biologischen Denkens und die Basis, von der aus experimentelle Erkundungen starten. Es lohnt sich, die wichtigsten Aspekte des Flusses der genetischen Information oder, anders ausgedrückt, des Wirkens der Gene zusammenzufassen, was als das neue Paradigma der Biologie bezeichnet wurde.Abbildung 1-11 zeigt schematisch die wichtigsten Aspekte des Wirkens der Gene in einer verallgemeinerten Zelle eines Eukaryoten. Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen membrangebundenen Zellkern besitzen. Tiere, Pflanzen und Pilze gehören alle zu den Eukaryonten. Innerhalb des Zellkerns befindet sich eine Reihe von Chromosomen, und außerhalb des Kerns befindet sich eine komplexe Reihe von Membranstrukturen, einschließlich des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats, sowie Organellen wie die Mitochondrien und Chloroplasten.

Abbildung 1-11

Vereinfachte Darstellung der Genaktivität in einer eukaryotischen Zelle. Der grundlegende Fluss der genetischen Information verläuft von der DNA über die RNA zum Protein. Vier Arten von Genen sind dargestellt. Gen 1 reagiert auf externe regulatorische Signale und stellt ein Protein für den Export her; Gen 2 reagiert auf (mehr…)

Innerhalb des eukaryotischen Zellkerns synthetisieren einige proteinkodierende Gene ihr Proteinprodukt mehr oder weniger konstant, andere müssen jedoch je nach den Bedürfnissen der Zelle oder des Organismus ein- und ausgeschaltet werden. Das Signal zur Aktivierung eines Gens kann von außerhalb der Zelle kommen, zum Beispiel von einer Substanz wie einem Steroidhormon. Das Signal kann aber auch aus dem Inneren der Zelle kommen, z. B. von einem speziellen regulatorischen Gen, dessen Aufgabe es ist, andere Gene ein- und auszuschalten.Die regulatorischen Substanzen binden an eine spezielle Region des Gens und leiten die Synthese von Transkripten der DNA des Gens ein. In der proteinkodierenden Region eines eukaryotischen Gens befinden sich Abschnitte, die nicht für die Übersetzung in ein Protein bestimmt sind. Diese nicht kodierenden Bereiche des Gens werden als Introns bezeichnet; sie werden aus dem ursprünglichen Transkript herausgeschnitten. Die verbleibendeRNA-Sequenz bildet die Boten-RNA. Die mRNA-Moleküle gelangen durch die Kernporen in das Zytoplasma, wo zytoplasmatische Organellen, die so genannten Ribosomen, an die mRNA binden und die Informationen der RNA-Sequenz in Protein übersetzen. Die mRNA durchläuft die Ribosomen, die den Zusammenbau des Polypeptids katalysieren, der Kette von Aminosäuren, die die Primärstruktur des Proteins bilden wird. Jede Aminosäure wird durch ein spezifisches Transfer-RNA-Molekül (tRNA) zum Ribosom gebracht, das an eine bestimmte Kodierungseinheit der mRNA andockt. Die tRNAs werden von speziellen tRNA-Genen synthetisiert. Die tRNAs werden nie in Proteine übersetzt; sie werden ständig recycelt und liefern ihre spezifische Aminosäure an die Ribosomen. Das Ribosom selbst besteht aus einem komplexen Satz von Proteinen und mehreren Arten von RNA, der sogenannten ribosomalen RNA (rRNA). Die Gene für die rRNA befinden sich in einer speziellen chromosomalen Region, dem so genannten Nukleolarorganisator. Wie die tRNA wird die rRNA nie in ein Protein übersetzt.

NACHRICHT

Proteinkodierende Gene funktionieren über zwei Schritte der Informationsübertragung:

Jedes Protein-kodierende Gen kodiert für ein separates Protein mit spezifischen Funktionen entweder innerhalb der Zelle (zum Beispiel das quadratische Protein in Abbildung 1-11) oder für den Export in andere Teile des Organismus (das kreisförmige Protein). Die Synthese von Proteinen für den Export (sekretorische Proteine) findet an Ribosomen statt, die sich auf der Oberfläche des rauen endoplasmatischen Retikulums befinden, einem System großer abgeflachter Bläschen. Die fertigen Aminosäureketten werden in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums geleitet, wo sie sich spontan zusammenfalten und ihre Proteinform annehmen. Die Proteine können in diesem Stadium modifiziert werden, werden aber schließlich in die Kammern des Golgi-Apparats und weiter in sekretorische Gefäße geleitet, die mit der Zellmembran verschmelzen und ihren Inhalt nach außen abgeben.

Proteine, die für die Funktion im Zytosol bestimmt sind, und die meisten Proteine, die in Mitochondrien und Chloroplasten funktionieren, werden im Zytosol auf Ribosomen synthetisiert, die nicht an Membranen gebunden sind. So werden beispielsweise die Proteine, die als Enzyme in der Glykolyse fungieren, auf diese Weise hergestellt. Die Proteinsynthese erfolgt nach demselben Mechanismus unter Verwendung der gleichen Arten von tRNAs. Das fertige Protein löst sich vom Ribosom und faltet sich im Zytosol in seine richtige Form. Die für die Organellen bestimmten Proteine sind mit speziellen Markierungen versehen, um sie gezielt in die Organelle einzubringen. Darüber hinaus verfügen Mitochondrien und Chloroplasten über eigene kleine zirkuläre DNA-Moleküle. Die Synthese von Proteinen, die von Genen auf der mitochondrialen oder chloroplastischen DNA kodiert werden, findet auf Ribosomen im Inneren der Organellen selbst statt. Daher haben die Proteine in den Mitochondrien und Chloroplasten zwei verschiedene Ursprünge, entweder sind sie kernkodiert und werden in die Organelle importiert, oder sie sind organellenkodiert und werden innerhalb des Organellenkompartiments synthetisiert.

Prokaryoten sind Organismen wie Bakterien, deren Zellen eine einfachere Struktur haben; es gibt keine kern- oder membrangebundenen Strukturen innerhalb dieser Zellen. Die Proteinsynthese in Prokaryonten ähnelt im Allgemeinen derjenigen in Eukaryonten, wobei mRNA, tRNA und Ribosomen verwendet werden, aber es gibt einige wichtige Unterschiede. Zum Beispiel haben Prokaryoten keine Introns.