2.1 Enzyme als Biokatalysatoren Biochemische Reaktionen wie zB

Bakterien zur Pistenreinigung
Das Schivergnügen oberhalb der Baumgrenze wird immer mehr zum Umweltproblem. Die empfindlichen Böden in
hochalpinen Lagen leiden unter intensiver Nutzung und hohen Schadstoffeinträgen. Mittels Bakterien wollen
Wissenschaftler jetzt die leidenden Böden in hochalpinen Regionen wieder sanieren.
Vor allem Abgase, Diesel- und Schmierölrückstände von Pistengeräten, Schneekanonen und Liften machen
Probleme. Eine Bodensanierung könnte schon bald notwendig werden.
Konventionellen Methoden stehen die großen Flächen, das schwierige Gelände und die Kälte entgegen.
Mikrobiologen der Universität Innsbruck haben dafür eine Lösung parat: Kältefeste Bakterien sollen dafür sorgen,
dass der Schnee auch künftig schneeweiß bleibt.
Nützliche Mikroorganismen
Boden- und Gewässerbakterien sorgen für einen biologischen Abbau der abgestorbenen tierischen und
pflanzlichen Substanzen durch Fäulnis und Gärung zu anorganischen Substanzen - also für die Re-Mineralisierung
organischen Materials. Durch Bakterien werden Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Phosphorkreisläufe
innerhalb der Natur in Funktion gehalten.
Die Verdauung von Mineralölen, Diesel und Schmierstoffen ist geradezu ein "Kinderspiel" für bestimmte Bakterien,
wenn nur ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Bei der Vielzahl an "Ölfressern" im Erdreich ist es meist nicht
einmal nötig, die Böden zu impfen. Es reicht ein Nährstoffcocktail als Stimulans.
Problem Betriebstemperatur
Bisher bestand die Ansicht, dass Bakterien eine bestimmte Temperatur benötigen, wenn sie Schadstoffe verdauen
sollen. Die besten Ergebnisse gab es im Bereich von 20 bis 40 Grad Celsius. Eine biologische Bodensanierung
käme also für hochalpine Lagen kaum in Frage - die Durchschnittswerte liegen weit darunter.
Bakterienstämme, die selbst Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt überstehen, wurden zwar in den
Polgebieten entdeckt, doch abgesehen von ihrer Kälteresistenz haben diese Mikroorganismen keine besonderen
mikrobiologischen Talente.
Kältefeste "Dieselfresser"
Die Entdeckung kältefester Bakterienstämme, die auch bei niedrigen Temperaturen Schadstoffe abbauen, ist das
Verdienst der Innsbrucker Mikrobiologen. Diese Mikroorganismen sind in ihrer natürlichen Umgebung mit
permanent kalten Temperaturen sowie mit wiederholtem Frieren und Tauen konfrontiert und haben dafür eigene
Überlebensstrategien entwickelt.
Ihre Enzyme arbeiten am besten bei niedrigen Temperaturen. Diese Biokatalysatoren könnte man zum Beispiel
auch für Kaltwaschmittel verwenden. Dass der biologische Abbau von Kohlenwasserstoffen wie Diesel durch diese
Bakterien kein Problem darstellt, wurde erst im Labor, dann in Freilandversuchen getestet. Mit durchwegs
zufriedenstellenden Ergebnissen.
Bodensanierung im Kühlschrank
In den Klimakammern des Instituts für Mikrobiologie der Universität Innsbruck wurden Altlasten und frisch mit Diesel
verseuchte Böden mit Bakterien geimpft und dann gedüngt. Schon nach 20 Tagen war die Dieselbelastung auf die
Hälfte zurückgegangen. Und das bei einer Temperatur von nur 10 Grad Celsius.
Beim zweiten Experiment im Laborkühlschrank wurden keine Bakterien zugesetzt. Die Erdproben wurde ausgiebig
mit Diesel getränkt und dann nur noch etwas gedüngt. Nach einem halben Jahr waren bis zu 90 Prozent der
Schadstoffe abgebaut.
Bewährungsprobe am Gletscher
In einer dreijährigen Feldstudie in einem Gletscherschigebiet in 3.000 Meter Seehöhe konnte der hohe
Schadstoffgehalt von drei Gramm Diesel/kg Boden, der von den Pistenpflegegeräten verursacht worden war, um 70
Prozent reduziert werden.
Die Arbeit haben bodeneigene Bakterien geleistet, denen nur mit einem Nährstoffcocktail auf die Sprünge geholfen
wurde. Fast die Hälfte der Dekontamination des Bodens war bereits im ersten Jahr erfolgt. Ohne den Zusatz von
Nährstoffen lief die Sanierung wesentlich langsamer und weniger effizient ab. Nach drei Jahren hatten die Bakterien
noch nicht einmal die Hälfte der Verschmutzung beseitigt.
Verzicht auf Gentechnik
Auf die Verwendung von gentechnisch optimierten Bakterien verzichten die Tiroler Mikrobiologen. Ihr Einsatz sei
wenig zielführend, meint der Institutsleiter Franz Schinner. Die genmanipulierten Bakterien hätten in freier Wildbahn
wenig Chance zu bestehen.
Die Vorteile der Biosanierung
Die Vorteile der biologischen Bodensanierung liegen vor allem in der Umweltverträglichkeit und in den relativ
niedrigen Kosten. Große Eingriffe sind nicht nötig, die ohnehin sensiblen hochalpinen Biotope werden nicht weiter
gestört. Ein Nachteil ist freilich die lange Dauer der Boden-Behandlung.
Der Schadstoffgehalt lässt sich allerdings allein durch
biologische Dekontaminationsverfahren nicht auf Null reduzieren. Die Abbauleistung sinkt mit der
Schadstoffkonzentration.
Außerdem entstehen aus den Mineralölrückständen im Lauf der Zeit chemische Verbindungen, die selbst von den
"hungrigsten" Bakterien nicht mehr zu bewältigen sind.
Biologische Reinigung
Die biologische Reinigung setzt sich aus drei Verfahrensschritten
zusammen:
1. anaerob, Phosphatelimination
2. anoxisch, Denitrifikation
3. aerob, Nitrifikation
Phosphatelimination: In der ersten biologischen Reinigung werden
vor allem Phosphate unter anaeroben Bedingungen abgebaut.
Volumen: 1450m³
Belebungsbecken I zur biologischen Phosphatelimination
Denitrifikation:
Die zweite Stufe der biologischen Reinigung findet unter
anoxischen Bedingungen statt. Da hier nur gebundener Sauerstoff
vorhanden ist, nehmen sich die Mikroorganismen den für sie
nötigen Sauerstoff aus der Verbindung der Nitratmoleküle (NO3).
Letztlich bleibt Stickstoff (N) übrig, der in die Atmosphäre
Denitrifikationsbecken
entweicht. Volumen: 1450m³
Nitrifikation:
In der dritten biologischen Reinigungsstufe werden unter aeroben
Bedingungen Ammoniumverbinungen durch Oxidation abgebaut.
Hier werden Mikroorganismen in hoher Konzentration mit Luft
gezüchtet und am Leben erhalten. Sie ernähren sich von
Schmutzstoffen und bilden dabei einen biologischen Schlamm.
Volumen: 2 x 3630m³
Nachklärung:
£Den letzten Schritt der Abwasserreinigung bildet die
Nachklärung. Hier werden Schlammflocken vom Abwasser durch
Absetzvorgänge getrennt und als Rücklaufschlamm wieder in die
Biologie zurückgeführt. Gleichzeitig wird Überschussschlamm mit
Zentrifugen eingedickt und in die Faulbehälter gepumpt.
Bioremediation von Schadstoffen oder wie das Gift zu Luft wurde.
Wir können sie nicht sehen, und erst wenn wir krank werden, spüren wir sie: Bakterien. Allerdings verdanken wir
ihnen auch unser Leben: die Natur würde in ihrem eigenen Unrat zugrunde gehen, wenn die kleinen Mikroben nicht
gründlich ihrer Arbeit nachgehen würden: abgestorbene Organismen in ihre Grundstoffe zu zerlegen und somit den
Humus für neues Leben zu bilden. Bakterien sind der Motor im natürlichen Kreislauf der Stoffe.
Verhältnismäßig neu im globalen Stoffkreislauf ist das menschliche Wirken: wir entnehmen Stoffe aus unserer
Umwelt, wandeln sie für verschiedenste Anwendungen um und geben sie nach Gebrauch verändert in die Umwelt
zurück. So wird zum Beispiel normales Kochsalz elektrolytisch in Salzsäure und Natronlauge umgewandelt.
Zusammen mit Kohlenwasserstoffen, die u.a. aus Öl isoliert werden, entstehen Kunststoffe. Diese Kunst-Stoffe sind
stabil gegen natürliche Zersetzung, sodass sie auf lange Zeit dem globalen Stoffkreislauf entzogen sind und, sofern
toxisch, zu gesundheitlichen und ökologischen Problemen führen.
Abhilfe kann hier die Bioremediation schaffen: sie ist der Einsatz von Biotechnologie zur Entgiftung und zum Abbau
von Schadstoffen. Sie ist eine attraktive, preiswerte Alternative zu physikalisch-chemischen Abbauverfahren oder
der Lagerung auf Sondermülldeponien. Bioremediation kann die vollständige Zersetzung organischer Schadstoffe
in ihre natürlichen Ausgangsprodukte erreichen und sie somit in den Stoffkreislauf zurückführen.
Grundlage hierfür ist die schier unerschöpfliche Vielfalt biologischer Reaktionen. In Jahrmilliarden haben sich
Bakterien an die vielfältigsten Umwelten anpassen müssen. Die Fähigkeit, in einer unwirtlichen Welt
zurechtkommen zu können, haben sie in den Erbanlagen archiviert und, falls die Umwelt sich wieder verändert,
abrufbereit vorliegen. Die kleinen Helfer lösen lebensnotwendige Mineralien aus Gestein, entgiften toxische
Schwermetalle, zersetzen organische Materie zu Wasser und Luft und sie können sogar viele Xenobiotika chemische Verbindungen, die der Mensch erschaffen hat und die während der 3,5 Milliarden Jahren Evolution in
der Natur nicht vorkamen - abbauen. Alle Reaktionen werden dabei von Biokatalysatoren, den Enzymen
durchgeführt. Der Abbau erfolgt schrittweise bis auf die Grundbausteine: vor allem Wasser und das Gas
Kohlendioxid.
Bioremediation kann vielfältig eingesetzt werden, die Haupteinsatzfelder sind dabei a) der Abbau von Nährstoffen,
b) der Abbau von organischen Giftstoffen, c) der Abbau von biologisch neutralen Kunststoffen und d) die Entgiftung
und/oder Entfernung von toxischen Schwermetallen.
Bioremediation von Nährstoffen
Nährstoffe sind die für das Wachstum von Organsimen notwendigen Stoffe, z.B. Kohlenhydrate, Proteine,
Phosphor- und Stickstoff-verbindungen. Sie sind für das einzelne Lebewesen essentiell und ungiftig, können in
großen Mengen jedoch ökologisch schädlich sein. Ein Beispiel hierfür sind die kommunalen Abwässer: für uns zwar
eine stinkende Brühe, die den Appetit dämpft statt anregt, doch für die gefräßigen kleinen Helferlein ist es lecker
Eintopf ! Sie fressen, atmen und wachsen, fressen, atmen und wachsen, und wenn sie brav ihren Teller
aufgegessen haben, ist der meiste Sauerstoff verbraucht. In Flüssen oder Seen würde dies nun zum massenhaften
Fischsterben führen und die ehedem große Artenfülle würde sich drastisch verringern. Der See oder Fluß wäre
zwar noch voller Leben, aber vom gleichen Reiz wie eine Monokultur. Um dies zu vermeiden, wird das Abwasser in
Kläranlagen gesammelt. Dort werden die Nährstoffen von den Bakterien verwertet und abgebaut, das von den
Nährstoffen geklärte Abwasser kann nun in die Umwelt entlassen werden. Unter den optimalen Bedingungen einer
kommunalen Kläranlage wachsen die Mikroben großartig und werden nach Erfüllung ihrer Pflicht als Brennstoff
oder Dünger weiterverwertet. Vom Feld auf den Teller, ins Abwasser, in die Kläranlage und auf das Feld zurück:
der Kreis schließt sich.
Bioremediation von organischen Giftstoffen
Die große Gefahr unseres technischen Zeitalters ist die Produktion großer Mengen hochgiftiger und chemisch
stabiler Verbindungen und ihre Verbreitung in der Umwelt. Beispiele hierfür sind chlorierte aromatische
Verbindungen wie chlorierte Dioxine (u.a. Seveso-Toxin) und PCBs (polychlorierte Biphenyle), die sich im
Fettgewebe von Mensch und Tier anreichern können. Mineralöle sind Umweltgifte, die immer wieder zu
Umweltkatastrophen führen. Über Tankerunglücke, Pipelinebrüche und kleine Unvorsichtigkeiten beim Tanken wird
das Umweltgift freigesetzt und verunreingt insbesondere das Grundwasser, wodurch
es die
Trinkwasserversorgung gefährdet.
Konventionelle chemisch-physikalische Prozesse müssen die Giftsstoffe erst aus dem Boden isolieren, um sie dann
zu verbrennen, wodurch wiederum Giftstoffe freigesetzt werden. Bioremediations-Verfahren hingegen können an
Ort und Stelle stattfinden: das Abbau-Potential der dort heimischen Arten kann durch Nährstoff-Zugabe stimuliert
werden, gegebenfalls können auch speziell angepaßte Bakterien eingesetzt werden. Die Vorteile sind der geringe
technische Aufwand und niedrigen Kosten, da keine komplexe apparatur benötigt wird. Ebenso von Vorteil ist die
Umweltfreundlichkeit des Verfahrens, da keine neuen Giftstoffe freigesetzt werden. Demgegenüber steht jedoch die
längere Prozessdauer.Ebenso von Nachteil ist es, dass an den meisten Altlasten-Standorten Gemische von vielen
verschieden Gitstoffen vorkommen, die in ihrer Gesamtheit von Bakterien nur schwer zu knacken sind. Über die
Optimierung der Mikroorganismen ist es jedoch möglich, dieses Problem zu lösen.
Doch nicht nur Böden und Gewässer können biologisch gereinigt werden, sondern auch organisch belastete – und
somit stinkende – Luft, z.B. in Kläranlagen, Intensivtierhaltung u.a. Die Mikrorganismen werden dazu auf einem
Träger mit großer Oberfläche angesiedelt, z.B. Holzspäne. Durch diesen Filter wird die verschmutzte Luft geleitet,
die „Duftstoffe“ werden vornehmlich zu Wasser und CO 2 umgewandelt und gereinigt verläßt die Luft den Filter.
Ähnliche Filter können auch zur Reinigung von Autotunnel-Abluft von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden
eingesetzt werden.
Bioremediation von bioabbaubaren Kunststoffen
Kunststoffe, die zur Verpackung dienen, sind in der Regel ungiftig und nicht bioabbaubar. Daher schädigen sie zwar
nicht direkt die Umwelt, vergrößern aber enorm die Müllmenge und führen indirekt zur Schadstoff-Freisetzung, falls
sie verbrannt werden. Eine Alternative ist der Einsatz von bioabbaubaren Kunststoffen mit anschließender
Kompostierung.
Die bioabbaubaren Kunststoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und je nach Anwendung
maßgeschneidert werden, sodass sie ihre Kompostierbarkeit mit guten mechanischen und thermischen
Eigenschaften kombinieren. Nach Gebrauch können sie durch Bakterien oder Pilze wieder zu ihren
Grundbausteinen Wasser und CO2 umgewandelt werden.
Bioremediation von toxischen Schwermetallen
Schwermetalle wie Blei, Cadmium oder Quecksilber finden in vielen industriellen Prozessen Verwendung. Über
Industrieabwässer und die Abluft von Müllverbrennungsanlagen gelangen sie in die Umwelt und schädigen alle
Lebewesen. Im Gegensatz zu organischen Schadstoffen, die in ihre ungiftigen Bausteine zerlegt werden können,
sind Schwermetalle Elemente, deren Menge nicht verändert werden kann. Allerdings kann die Giftigkeit und die
Bioverfügbarkeit der Schwermetalle verändert werden. Dazu haben Bakterien, Pilze und Pflanzen viele
verschiedene Selbstschutzmechanismen entwickelt:
Manche Arten sondern Polymere ab, die selektiv Schwermetalle binden, damit sie nicht in den Organismus
gelangen und Schaden anrichten können. Andere Arten bilden aus den gut löslichen und daher sehr toxischen
Schwermetallen schlecht lösliche Verbindungen, die nicht mehr in den Organismus gelangen und daher
unschädlich sind. Der Vorteil von Bioremediation in diesem Gebiet ist die hohe Selektivität biologischer Reaktionen:
die Schwermetalle können auch schon in geringsten Mengen gebunden oder entgiftet werden. Von Nachteil ist,
dass selbst angepaßte Organismen bei zu hohen Schwermetall-Konzentrationen absterben. Zur Zeit ist die
Bioremediation von Schwermetallen noch keine echte Konkurrenz zu etablierten physiko-chemischen Verfahren.
Bioremediation ist eine Technik mit großem Entwicklungspotential, das auf der enormen Vielfalt biologischer
Reaktionen beruht. Im Abbau überschüssiger Nährstoffe (kommunale Kläranlagen, Luftfilter u.ä.) ist Bioremediation
erfolgreich etabliert. Der biologische Abbau organischer Giftstoffe ist bereits bei Mineralöl-Verseuchungen
großtechnisch etabliert, der Abbau der hochgiftigen Dioxine, PAKs und PCBs hingegen erfolgt erst im
Labormaßstab und muß noch weiter verbessert werden. Die Remediation bioabbaubarer Kunststoffe ist machbar,
jetzt müssen diese umweltfreundlichen Kunststoffe nur noch die Märkte erobern. Die Bioremediation von
Schwermetallen steckt noch in den Kinderschuhen, hat jedoch ein großes Wachstumspotential. Einzelne Prozesse
stehen kurz vor der industriellen Anwendung.
2.1 Enzyme als Biokatalysatoren
Biochemische Reaktionen wie z.B. die Verbrennung von Glucose laufen bei
Zimmertemperatur recht langsam ab. Glucose kann z.B. tagelang an der Luft liegen, ohne
daß es zu einer nennenswerten Oxidation kommt.
Zellen lebender Organismen haben nicht soviel Zeit. Sie müssen solche wichtigen Prozesse
irgendwie beschleunigen.
Zunächst informieren wir uns über das Thema "Geschwindigkeit chemischer Reaktionen".
Danach haben wir eine Idee:
Entweder man erhöht die Konzentration der Ausgangsstoffe, oder die Temperatur, oder man senkt die Aktivierungsenergie der
Reaktion.
Die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion, die Edukte, haben eine bestimmte innere Energie, die nicht direkt gemessen
werden kann.
Die Reaktionsprodukte haben ebenfalls eine gewisse innere Energie, die ebenfalls nicht gemessen werden kann.
Was man dagegen leicht messen kann, ist der Energieunterschied zwischen der Energie der Produkte und der Energie der
Edukte, die sogenannte Reaktionsenergie oder besser Reaktionsenthalpie.
Die ersten beiden Varianten werden von den Zellen tatsächlich angewandt, sind jedoch stark begrenzt. So kann
die Temperatur in den Zellen nicht beliebig erhöht werden, denn bei über 45°C fangen die Proteine an zu
denaturieren, die Zelle stirbt.
Es bleibt also nur der andere Weg: die Aktivierungsenergie der ablaufenden Prozesse muß drastisch herabgesetzt werden. In der
Technik setzen die Menschen dazu sogenannte Katalysatoren ein.
Die Katalysatoren der Natur heißen Enzyme. Enzyme sind also Bio-Katalysatoren. Ein einzelnes Enzym-Molekül kann
Tausende von Reaktionsschritten katalysieren.
lle bisher bekannten Enzyme gehören zur chemischen Stoffklasse der Proteine . Erst in den letzten Jahren hat man einige
wenige enzymatisch aktive Substanzen entdeckt, die nicht zu den Proteinen, sondern zu den Nucleinsäuren gehören.
Proteine sind hochmolekulare organische Verbindungen, die aus vielen (manchmal über
1000) Aminosäuren zusammengesetzt sind.
Alle heute bekannten, in lebenden Organismen vorkommenden Proteine sind aus
lediglich 20 verschiedenen Aminosäuren zusammengesetzt.
Hier ist ein einfaches Protein abgebildet, das aus 13 Aminosäuren zusammengesetzt ist.
Die schwachen chemischen Bindungen zwischen den Aminosäuren bewirken eine
räumliche Faltung der Aminosäurekette. Die Primärstruktur (Reihenfolge der
Aminosäuren) faltet sich zu einer Sekundärstruktur (räumliche Ausrichtung der Aminosäurekette).
Die biochemischen Eigenschaften eines Proteins hängen letzten Endes jedoch nur von der Tertiärstruktur ab, von der
tatsächlichen Raumstruktur des Proteins. Wird diese Tertiärstruktur verändert, so kann sich bei einem Enzym auch die Struktur
des aktiven Zentrums ändern. Damit ändern sich aber auch die katalytischen Eigenschaften des Enzyms; im Extremfall sinkt die
Enzymaktivität auf Null.
Endprodukthemmung
Endprodukthemmung und Substratinduktion sind nur zwei einfache
Beispiele der Enzymregulation durch Effektoren . Im Stoffwechsel der Zelle
treten wesentlich komplexere Beziehungen auf. Ein Stoff X kann z.B. mehrere verschiedene Enzyme gleichzeitig hemmen bzw.
aktivieren, während umgekehrt ein Enzym Y durch mehrere verschiedene Effektoren gehemmt bzw. aktiviert werden kann.
Auf der folgenden Karte werden wir sehen, wie diese Enzymregulation durch Effektoren eigentlich genau funktioniert.
Bei vielen zellulären Stoffwechselketten kann man beobachten, daß eine Endprodukthemmung auftritt:
Die Aktivität eines Schlüsselenzyms (oft das erste Enzym einer Stoffwechselkette) wird mit zunehmender EndproduktKonzentration geringer.
Das ist ökonomisch sinnvoll, die Stoffwechselkette läuft nur ab, solange das Endprodukt in niedriger Konzentration vorliegt.
Substratinduktion
Hier liegt eine sogenannte Substratinduktion vor:
Das erste Glied einer Stoffwechselkette, der Ausgangsstoff bzw. das Substrat,
aktiviert ein Schlüsselenzym der Stoffwechselkette - i.d.R. das erste Enzym.
Auch das ist ökonomisch sinnvoll: wenn kein Substrat vorliegt, weshalb soll dann die ganze Stoffwechselkette ablaufen?
Im Genetik-Kurs in der Jahrgangsstufe 13 werden wir noch eine andere Art der Enzymregulation kennenlernen, die wesentlich
effizienter arbeitet.
Es gibt weitere Mechanismen, die die Aktivität eines Enzymes beeinflussen können - meistens negativ. Von einer
echten "Regelung" kann hier allerdings eine Rede sein.
Hemmung durch Schwermetalle
Schwermetallionen (Blei, Cadmium, Quecksilber etc.) lagern sich gern in das aktive Zentrum von Enzymen und blockieren
dasselbe, so dass die Umsatzrate auf Null sinkt. Die Ionen gehen eine feste Bindung mit dem aktiven Zentrum ein, die nicht
reversibel ist. Das Schwermetallion verbleibt im aktiven Zentrum, das Enzymmolekül ist damit sozusagen für immer
ausgeschaltet. Daher spricht man auch nicht von einer "Schwermetallhemmung", sondern von einer "Schwermetallvergiftung".
Kompetitive Hemmung
Enzyme sind bekanntlich substratspezifisch. Sie interagieren mit dem Substrat nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Nun gibt es
aber Stoffe, die fast genauso aufgebaut sind wie das jeweilige Substrat und daher in das aktive Zentrum des Enyums eingelagert
werden. Oft ist es dann aber so, dass dieser substratähnliche Stoff vom Enzym nicht umgesetzt werden kann. Nach kurzer Zeit
löst sich der substratähnliche Stoff vom Enzym, und ein neuer Reaktionszyklus kann stattfinden. Wenn sich in der Lösung sehr
viele "echte" und nur sehr wenige "falsche" Substratmoleküle befinden, macht sich diese kompetitive Hemmung nur wenig
bemerkbar. Enthält die Lösung aber anteilsmäßig recht viele "falsche" Substrate, so sinkt die Enzymaktivität merklich, weil ja
weniger Produktmoleküle entstehen.
Moleküle und Mechanismen des Lebens
Den unterschiedlichen Ausdrucksformen des Lebens unterliegen gemeinsame molekulare Muster und Prinzipien.
Bakterien, Würmer oder der Mensch benutzen dieselben Bausteine, um Makromoleküle herzustellen. Der Fluß der
genetischen Information von der DNA zur RNA und weiter zum Protein ist im wesentlichen in allen Organismen
derselbe, und ATP ist die universelle "Energiewährung" in biologischen Systemen.
Es gibt vier Basis-Elemente, welche 96 Prozent der lebenden Materie aufbauen: Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O),
Wasserstoff (H) und Stickstoff (N). Die restlichen vier Prozent werden durch Phosphor (P), Schwefel (S), Calcium
(Ca), Kalium (K) und einigen weiteren Elementen gebildet.
Atome setzen sich zu Molekülen zusammen. Lebende Organismen sind aus einem begrenzten Satz kleiner
organischer Moleküle aufgebaut. Die Hauptklassen sind Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Nukleotide. Zucker
sind die wichtigste Quelle chemischer Energie für die Zelle und sind dienen in Form der Polysaccharide als
Energie-Speicher. Fettsäuren sind ebenfalls als Energiespeicher wichtig; ihre wesentliche Funktion liegt aber in der
Bildung zellulärer Membranen. Aminosäuren bilden die Proteine, vielseitige Makromoleküle. Nukleotide sind in die
intrazellulären Signalsysteme verwickelt und haben eine zentrale Funktion in der Energieübertragung.
Hauptsächlich dienen sie jedoch als Bausteine der Informations-Makromoleküle DNA und RNA.
Reversible Wechselwirkungen von Molekülen stehen im Mittelpunkt des Lebens, wobei schwache chemische
Bindungen eine wichtige Rolle spielen. Nichtkovalente Kräfte spielen eine Schlüsselrolle bei der exakten DNAReplikation, bei der Faltung von Proteinen zu komplexen dreidimensionalen Strukturen, bei der spezifischen
Erkennung von Substraten durch Enzyme und bei der Bindung von Signalmolekülen. Die drei wichtigsten
nichtkovalenten Bindungstypen sind elektrostatische Bindungen, Wasserstoffbrücken und van-der-WaalsBindungen. Wasser beeinflußt diese Bindungstypen in unterschiedlicher Weise, wobei zwei seiner Eigenschaften
von besonderer Bedeutung sind: Wasser ist ein polares Molekül, und Wassermoleküle haben eine große Affinität
zueinander.
Aufgrund seiner Polarität und seiner Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken kann sich Wasser an vielen
Wechselwirkungen beteiligen. Es ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für polare Moleküle und schwächt
Ionenbindungen und Wasserstoffbrücken.
Die Suche nach Wasser auf dem Mond, dem Mars und dem Jupiter hat eine Ursache darin, daß dieses Molekül die
wichtige Voraussetzung für die Existenz von Leben auf anderen Welten ist.
Obwohl eine Zelle zu 70 bis 95 Prozent aus Wasser besteht, ist sie ansonsten zum größten Teil aus Verbindungen
aufgebaut, die als Basis Kohlenstoff haben. DNA, Proteine, Kohlenhydrate und andere Moleküle, durch die sich
belebte von unbelebter Materie unterscheidet, sind alle aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, die untereinander und
mit den Atomen anderer Elemente verknüpft sind. Kohlenstoff kann vier kovalente Bindungen eingehen, sich zu
komplizierten molekularen Gerüsten verbinden und mit verschiedenen anderen Elementen verknüpft werden. Die
Vielseitigkeit des Kohlenstoffs ermöglicht die große Vielfalt organischer Moleküle. Sie alle weisen besondere
Eigenschaften auf, die aus der speziellen Anordnung ihrer Kohlenstoffgerüste und der daran gebundenen
funktionellen Gruppen hervorgehen. Die Variation dieses Gerüsts ist eine wichtige Quelle für die molekulare
Komplexität und Vielfalt lebender Materie. Die gesamte biologische Vielfalt basiert auf dieser molekularen
Variabilität.
Die Eigenschaften eines organischen Moleküls hängen nicht nur vom Aufbau des Kohlenstoffgerüsts ab, sondern
auch von den molekularen Komponenten, die daran geknüpft sind. Solche Atomgruppierungen werden funktionelle
Gruppen genannt. Die sechs für die Chemie des Lebens wichtigsten Gruppen sind: die Hydroxylgruppe (-OH), die
Carbonylgruppe (-CO), die Carboxylgruppe (-COOH), die Aminogruppe (-NH2), die Sulfhydrylgruppe (-SH) und die
Phosphatgruppe.
Die zentralen Moleküle des Lebens sind die DNA, die RNA und die Proteine. Die Nukleinsäuren sind für den
genetischen Steuerungsmechanismus verantwortlich, während die Eiweiße die entscheidenden
Stoffwechselmoleküle darstellen.
Proteine haben verschiedenartigste Funktionen. Sie katalysieren als Enzyme fast alle chemischen Reaktionen in
biologischen Systemen. Sie dienen als Transport- und Speichersubstanz für viele kleine Moleküle und Ionen: Eisen
wird im Blutplasma durch Transferrin transportiert und in der Leber als Komplex mit einem anderen Protein, dem
Ferritin, gespeichert. Hämoglobin dient als Träger des Sauerstoff in den roten Blutkörperchen.
Weiterhin sind Proteine Hauptbestandteil von Muskelgewebe, dessen Kontraktion durch die Bewegung zweier
Arten von Eiweißfilamenten, Actin und Myosin, zustandekommt. Wanderungen der Chromosomen während der
Mitose oder die Fortbewegung von Samenzellen mit Hilfe ihrer Geißeln beruhen ebenfalls auf kontraktilen
Systemen aus Proteinen.
Die hohe Zugfestigkeit von Haut und Knochen wird durch das Faserprotein Kollagen gewährleistet.
Antikörper sind hochspezifische Proteine, die Fremdsubstanzen wie Viren, Bakterien und Zellen erkennen und
binden können.
Die Antwort von Nervenzellen auf spezifische Reize wird durch Rezeptorproteine vermittelt. Rhodopsin ist der
Photorezeptor in den Stäbchen der Netzhaut, und in den Synapsen werden durch Rezeptoren Nervensignale von
einer Nervenzelle auf die andere übertragen.
In höheren Organismen werden Wachstum und Differenzierung von Wachstumsfaktorproteinen kontrolliert. So
steuert der Nervenwachstumsfaktor die Ausbildung neuronaler Netzwerke.
Die Aktivität verschiedener Zellen in vielzelligen Organismen wird von Hormonen koordiniert. Viele dieser
Substanzen sind Proteine, wie das Insulin.
Generell dienen Proteine in allen Zellen als Sensoren, die den Fluß von Energie und Materie lenken.
Die elementaren Strukturuntereinheiten der Proteine sind die Aminosäuren. Alle Eiweiße werden aus einem Satz
von 20 Aminosäuren aufgebaut, die sich in Größe, Gestalt, Ladung, Wasserstoffbindungsfähigkeit und chemischer
Reaktivität unterscheiden. Ein Protein besitzt eine präzise definierte Aminosäuresequenz.
Die Aminosäuresequenz ist das Bindeglied zwischen der genetischen Botschaft der DNA und der
dreidimensionalen Struktur, die die biologische Funktion des jeweiligen Proteins gewährleistet.
Aminosäuren werden durch Peptidbindungen zu Polypeptidketten verknüpft. Polypeptidketten können sich zu
regelmäßigen Strukturen falten: -Helix und -Faltblatt. Die Faltung von Proteinen erfolgt durch Assoziation von
-helikalen und -Faltblattstrukturen. Spiralisiserte -Helices treten im Keratin der Haare, im Myosin des Muskels
und im Fibrin von Blutgerinnseln auf. Wenn man bedenkt, daß sich diese Stoffe alle von der gleichen Molekülgestalt
ableiten und wahrscheinlich allesamt Ausprägungen einer einzigen Grundidee sind, so stellt sich hier wohl eines
der großen Koordinationsprinzipien im Stammbaum der biologischen Moleküle dar.
Proteine sind Makromoleküle mit der einzigartigen Eigenschaft, unterschiedlichste Moleküle zu erkennen und mit
ihnen zu reagieren. Dies liegt daran, daß sie komplementäre Oberflächen und Vertiefungen ausbilden können. Die
große Vielfalt von Seitenketten an diesen Oberflächen und Höhlungen ermöglicht Wasserstoffbrücken,
elektrostatische Bindungen und van-der-Waals-Bindungen mit anderen Molekülen. Darüber hinaus können die
Stärke dieser Wechselwirkungen und ihre Dauer genau kontrolliert werden. Die katalytischen Fähigkeiten der
Proteine beruhen darauf, daß sie Substratmoleküle in genau definierter Orientierung binden und beim Knüpfen und
Lösen chemischer Bindungen Übergangszustände stabilisieren können. Konformationsänderungen, die zwischen
voneinander entfernten Orten eines Proteinmoleküls übertragen werden, sind von entscheidender Bedeutung bei
der Energie- und Informationsübertragung durch Proteine. Proteine können also aufgrund ihres Bauplans als
molekulare Schalter dienen und Signale empfangen, integrieren und weiterleiten.
Die DNA ist ein langes, fadenförmiges Molekül aus Desoxyribonukleotiden, die jeweils aus einer Base, einem
Zucker und einer Phosphatgruppe bestehen. Die Basen der DNA tragen die genetische Information, während die
Zucker- und Phosphatgruppen eine strukturelle Aufgabe erfüllen. Als die Doppelhelixstruktur der DNA entdeckt
wurde, legte die komplementäre Natur der beiden Stränge sofort die Vermutung nahe, daß bei der DNA-Replikation
jede Kette als Matrize für die andere dient. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat jedes Stranges liegt in der Doppelhelix
außen, während die Purin- und Pyrimidin-Basen nach innen gekehrt sind. Die beiden Ketten werden von
Wasserstoffbrücken zwischen Basenpaaren zusammengehalten. Adenin (A) paart immer mit Thymin (T), Guanin
(G) immer mit Cytosin (C). Die Replikation der DNA wird von DNA-Polymerasen bewerkstelligt - Enzymen, die ihre
Anweisungen von der DNA-Matrize erhalten. Diese Enzyme sind außerordentlich spezifisch: sie replizieren DNAMoleküle mit einer Fehlerquote von weniger als 1 pro einer Million Nukleotide. Die Gene aller Zellen und vieler
Viren bestehen aus DNA.
Die DNA ist nicht die direkte Matrize für die Proteinsynthese; diese Aufgabe erfüllen RNA-Moleküle. Eine spezielle
Klasse von RNA-Molekülen, die messenger-RNA, dient als Informationsüberträger in der Proteinbiosynthese.
Andere RNA-Moleküle sind Teile der Proteinsynthesemaschinerie; dazu gehören die transfer-RNA und die
ribosomale RNA. Alle Formen zellulärer RNA werden von RNA-Polymerasen synthetisiert, die ihre Anweisungen
von DNA-Matrizen erhalten. Diesem Prozeß der Transkription schließt sich die Translation an, die Synthese von
Proteinen nach Instruktionen, die von einer mRNA-Matrize stammen.
Der genetische Code ist manifestiert in der Beziehung zwischen der Basensequenz in der DNA und der
Aminosäuresequenz in einem Protein. Jeweils drei DNA-Basen codieren für eine Aminosäure. Die Proteinsynthese
findet an Ribosomen statt.
Neugebildete Proteine enthalten Signalsequenzen, damit sie ihrem spezifischen Bestimmungsort zugeleitet werden
können. Die meisten Gene höherer Eukaryoten sind diskontinuierlich. Bei solchen unterbrochenen Genen sind
codierende Sequenzen (Exons) durch nichtcodierende Zwischensequenzen (Introns) getrennt. Eine
bemerkenswerte Eigenschaft vieler Exons liegt darin, daß sie funktionelle Domänen in Proteinen codieren.
Die Existenz von Introns und Exons hat weitreichende Konsequenzen für die Evolution. Neue Proteine entstanden in der
Evolution wahrscheinlich durch Mischung von Exons; diese Exons codierten für Proteindomänen wie strukturelle Elemente,
Bindungsstellen und katalytische Regionen. Introns waren vielleicht schon in den Urgenen vorhanden, gingen aber während der
Evolution schnell wachsender Organismen wie Bakterien und Hefen verloren