Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens

Fragen zur Entstehung
und den
Grundprozessen des Lebens
(5)
Bausteine der Zelle
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© Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio
Überblick
Wie‘s weiter geht
-- Lebensmoleküle
-- Grundprozesse des Lebens
-- Das anthropische Prinzip
-- Lebensweisen
-- Freiheit des Willens
-- Lebensenergie
-- Information und Evolution
-- Ein plausibles Szenarium
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Biosolvens
Biosolvens
Gasförmige Lebewesen?
-- Vollständige Raumausfüllung, Durchmischung, keine
Individualität
Leben nur als Festkörper?
-- Beweglichkeit von Molekülen?
=> Flüssigphase erforderlich, Gasphase wichtig
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Wasser
Wasser
Dipol
Wasserstoffbrücken
Energie ≈20 kJ/mol H-Brücken
jedes Molekül zweifach vernetzt, Kooperativität
=> Geordnete Struktur, erklärt viele der besonderen Eigenschaften
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Wasser
Wasser -2
Oberflächenspannung (72 dyn cm-1)
z. Vgl. Benzol 29, Äthyläther 17 dyn cm-1
(Oberflächenspannung entsteht dadurch, dass an der Oberfläche
Wechselwirkungen nicht nach allen Richtungen gleich (isotrop) sind. )
• hochgeordnete (hydrophobe) Struktur, schwer zu durchdringen,
Neuston als angepasste Lebensgemeinschaft
• Tropfenform (kleinste Oberfläche)
• Sehr hohe Verdampfungswärme (41 kJ mol-1)
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Wasser
Wasser -3
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3
Wasser
Wasser -4
• hohe Wärmekapazität (1 cal g-1 K-1)
z. Vgl. Steine, Eisen... (0.2 cal g-1 K-1)
• geringe Wärmeleitfähigkeit
• hervorragendes Lösungsmittel für Salze und polare Stoffe
• Dissoziierbar zu H+ und OH- (hydratisiert)
Durch Dipole werden ionisierbare Gruppe (-NH2, -COOH) dissoziiert
=> zusätzliche Wasserstoffbrücken
Salze in geringer Konzentration verbessern Löslichkeit von Proteinen
(Einsalz-Effekt durch Anbieten der hydratisierbarer Positionen)
Salze in hoher Konzentration verschlechtern Löslichkeit von Proteinen
(Aussalz-Effekt durch Konkurrenz um Wasserhüllen)
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Wasser
Wasser -5
• Wasser fördert Vesikelbildung von hydrophoben Substanzen (Lipiden)
• Schlechter elektrischer Leiter, Leitfähigkeit durch Salze erhöht
• Hohe Dielektrizitäts-Konstante, d.h. Wasser verringert die
Wechselwirkung von elektrischen Ladungen,
z.B. 1/80 vgl. mit Luft, 1/3 vgl. mit Alkohol
Spannung über biologische Membranen 180 mV/8 nm > 20 000 V/mm
• Dichte-Anomalie: höchste Dichte bei 4°C, da dort bereits semikristalline
Struktur, Eis voluminösere Gitterkstruktur
=> Seen frieren nicht von unten zu!
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Wasser & Leben
Wasser & Leben
• 60 - 99 % der Masse aller Lebewesen
• der häufigste Reaktionspartner bei biologischen Reaktionen
• Wasserspaltung nur unter Lichteinwirkung (Photosynthese)
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Bausteine
Bausteine der Lebewesen
zum Beispiel
• Subatomare Bausteine
• (Quarks, ...) Protonen, Elektronen
• Chemische Elemente
• Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff
• Moleküle
• Wasser: H2O, Zucker: C6H12O6, Peptid
• Molekülaggregate
• Multi-Enzymkomplex
• Organellen
• Zellkern, Mitochondrium
• Zellen
• Bakterium, Mundschleimhautzelle
• Gewebe
• Fettgewebe
• Organ
• Herz
• Organismen
• Bakterium, Amöbe, Mensch, Baum
(• • • Population, Lebensgemeinschaft)
Die Zelle ist die kleinste Einheit mit allen Kennzeichen von Leben.
Lebewesen bestehen aus einer (die meisten!) oder aus vielen Zellen.
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Zelle
Zelle
Zellwand + Membran
=> Luftballon im Jutesack (statt Luft eher Hotel-Honig)
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Membranen
Membranen
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Membranen
Membran-Eigenschaften
• Phospholipid-Doppelschicht 6 - 8 nm dick
• Vesikelbildung, nicht reißfest, aber dicht,
• Semipermeabel = strikt selektiv permeabel
Durchlässig für: Gase, kl. ungeladene Moleküle (H2O, kl. Alkohole,
kl. Säuren, Essigsäure, Propionsäure, Benzoesäure), wenige
geladene Hemmstoffe (Ionophore, lipophile Ionen)
Undurchlässig für: Ionen (Na+ [10-9 * H2O], K+, Cl-, H+...), Glucose,
ATP, größere Moleküle (z.B. Proteine)
• Feldstärke: > 20 000 V/mm
• Membranproteine (30 - 50 % der Trockenmasse)
• Funktion (!?)
Abgrenzung des Individuums, Transport, Energiestoffwechsel,
Kommunikation,
• organismentypische Variationen: Steroide nur bei Eukaryoten,
Hopanoide bei Prokaryoten, Etherlipide bei Archäen
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DNA
DNA- & RNABausteine
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DNA
DNA-Doppelhelix
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DNA
DNA-Struktur
• Zwei antiparallele Stränge, Doppel-Helix (Spirale)
• zwei [A]=[T] oder drei [G]≡[C] Wasserstoffbrücken
3‘-OH --------------------------------------> 5‘-OH
A
G
G
C
T
T
A
. .
...
...
...
. .
. .
. .
T
C
C
G
A
A
T
5´-OH <------------------------------------ 3´-OH
• ringförmig in Bakteriengenom und Plasmiden
• "einfacher" Mechanismus für Replikation und Transkription, ->
Komplementärstrang-Bildung
• Eukaryoten: Mehrere lineare Chromosomen, Histone zur Verpackung,
Telomerasen zur Verlängerung linearer Chromosomen
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RNA
RNA
• einsträngig, z.T. Schleifen
• Uracil statt Thymin
• Ribose etwas weniger stabil
• 80 % ribosomale RNA
(rRNA)
• 1-5 % messenger RNA (mRNA)
• 10 - 15 % transfer RNA (tRNA)
• Katalyse (!): Proteinsynthese an Ribosomen:
mehrere RNA-Stränge + 70 Proteine
Verbreitung universell, hochkonserviert
=> Einheit der Biochemie => phylogenetischer Stammbaum
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DNA-/RNA-Information
DNA
J. Watson und F. Crick 1953
• Information, Datenbank
Bakterium 2 - 4*106 Nukleotide (1 mm Faden)
1 Bit (binary digit) = 1 Ja-Nein-Entscheidung (0/1)
1 Byte = 8 Bit ≈1 Buchstabe
(Computer-Zeichensatz mit 256 = 28 Zeichen)
Auswählen: 1 Nukleotid aus 4 entspricht 2 Bit (ld 4)
4 Millionen Nukleotide entsprechen 1 MByte ≈1 Diskette
Mensch
3*109 Nukleotide (1 m Faden, ≈25 000 Gene, in jeder Zelle!)
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Genetischer Code
Der
genetische
Code
Die Sequenz von je
drei Basen (von
innen nach außen zu
lesen) legt fest,
welche Aminosäure
in ein Protein
eingebaut wird
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Genetischer Code
Der genetische Code
• definiert 20 Aminosäuren (+ 2 seltene)
• 64 Tripletts, alle möglich, aber nicht nötig (degeneriert)
Unschärfe der tRNAs bei 3. Base
• "kommafrei", Rasterverschiebung möglich
• AUG Startcodon, UAA/UGA/UAG Stopp-Codon
• Nicht Aminosäure sondern Anticodon wird erkannt
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Transkription und
Translation
Von der DNA
zum Protein
Ribosomen sind Organellen
aus ribosomaler RNA und
Proteinen. Die Ribosomen
der Prokaryoten sind etwas
kleiner ('70 S') als die der
Eukaryoten('80 S').
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Aminosäuren
Aminosäuren
Strukturformeln der
wichtigsten zwanzig
Aminosäuren und
Ausbildung einer
Peptidbindung
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Aminosäuren
Aminosäuren
Selenocystein und
Pyrrolysin werden
ebenfalls (durch
andere Interpreation
von Stopp-Codons)
codiert.
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Chiralität
Chiralität
Alanin
C
D
B
A
D
A
A
C
B
C-Atom mit 4 verschiedenen
Liganden
A
C
C
B
B
A
A
C-Atom mit 3
verschiedenen
Liganden
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Chemische
Zusammensetzung
Aus welchen
Molekülen
besteht eine
Zelle
chemisch?
Cypionka, Grundlagen der
Mikrobiologie
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Anthropisches Prinzip
Das anthropische Prinzip oder warum gibt es die Welt?
Könnte das Universum existieren, wenn es darin keine bewussten Wesen gäbe?
• Schwaches anthropisches Prinzip (WAP, weak anthropic principle)
Alle beobachtbaren physikalischen und kosmologischen Größen haben Werte in dem
Bereich, der für die Evolution des Lebens notwendig ist.
• Starkes anthropisches Prinzip (SAP)
Das Universum musste zu einem bestimmten Zeitpunkt Bedingungen hervorbringen,
die die Entwicklung von Leben gestatten.
• Finales anthropisches Prinzip (FAP)
Intelligente Informationsverarbeitung muss irgendwann im Universum in Erscheinung
treten und kann danach niemals wieder aussterben.
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Anthropisches Prinzip
Anthropisches Prinzip - Ein wissenschaftlicher Beweis für Gott!?
by:Zeitschrift Starobserver Oktober 2000
http://www.student-online.net/Publikationen/597/ap.pdf
Das Universum ist darauf angelegt, Beobachter zuzulassen! So lautet dieses Prinzip
in seiner starken Fassung. In der Schwachen Fassung: Das physikalische Universum,
das wir beobachten, hat eine Struktur, die die Existenz von uns als Beobachtern
zulässt. Letztlich bedeutet dies, dass sich entweder das Universum bewusst so
entwickelt hat, um Leben zu schaffen, oder daß hier ein Schöpfer am Werk war.
Der Grund für diese unwissenschaftliche These der Wissenschaftler ist, dass unser
Universum und erst recht das Leben quasi auf des Messers Schneide aufgebaut sind.
Beispiele:
Wenn man die Kernkräfte der Atome nur um ein halbes Prozent ändern würde, dann
gäbe es entweder keinen Kohlenstoff oder aber keinen Sauerstoff und somit kein
Leben, jedenfalls nicht so wie üblich! Jedoch hätten sich alle andere Elemente in den
Sternen nicht sehr unterschiedlich entwickelt.
Wäre die Gravitationskraft nur einen winzigen Bruchteil größer, hätte sich das
Universum nach kurzer Zeit nicht weiter ausgedehnt, wäre sie minimal kleiner, hätte
sich die Materie nie zu Galaxien und Sternen vereinigt.
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Anthropisches Prinzip
...
Die Menge des Elements Kohlenstoff im Universum wäre 10.000mal kleiner,
wenn es nicht ein Beryllium-Isotop (jenes mit einer Lebenszeit von einer 100
Trillionstel Sekunde) gäbe.
Quasi um nicht kapitulieren zu müssen, schlagen Wissenschaftler unendlich viele
sog. Paralleluniversen vor mit jeweils unterschiedlichen kosmischen Konstanten,
dann wäre unser Universum eben zufällig eines mit den richtigen Bedingungen
für Sternentwicklung und Lebensentwicklung!
...
Dann gibt es noch die Stringtheorie, nach der es nur winzige eindimensionale
Fäden, sog. Strings, kurz nach dem Urknall gab, aus denen sich später die
Elementarteilchen bildeten. Alle Naturkonstanten ließen sich hiermit auf eine
fundamentale Größe reduzieren, die quasi zwangsläufig alles bestimmt.
Allerdings besteht auch hier die Möglichkeit einer planenden Tätigkeit eines
Gottes, da es nach der Stringtheorie in einem sehr frühen Stadium des
Universums doch die Möglichkeit zur Variation geben würde!
Jedenfalls läßt sich das Anthropische Prinzip z.Zt. nicht mehr einfach
wegdiskutieren!
?
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Das anthropische Prinzip wirft Fragen auf, gibt jedoch
keine Erklärungen - außer übernatürlichen.
Zufall ist nicht beweisbar.
Ist freier Wille beweisbar?
Wir sehen das Universum so, wie es ist, weil wir nicht da
wären, um es zu beobachten, wenn es anders wäre.
Durch welche Zufallskette kommt es dazu, dass ein
Lottospieler den Jackpot knackt?
Versuchen Sie, mich zu überreden, auf den Tisch zu
springen! Kann ich das überhaupt?
Der Negativ-Befund hat keine Beweiskraft.
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... von unserer Homepage (Click of the week)
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