Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens (5) Bausteine der Zelle www.icbm.de/pmbio © 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 1 Biosolvens Biosolvens Gasförmige Lebewesen? -- Vollständige Raumausfüllung, Durchmischung, keine Individualität Leben nur als Festkörper? -- Beweglichkeit von Molekülen? => Flüssigphase erforderlich, Gasphase wichtig © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio Wasser Wasser Dipol Wasserstoffbrücken Energie ≈20 kJ/mol H-Brücken jedes Molekül zweifach vernetzt, Kooperativität => Geordnete Struktur, erklärt viele der besonderen Eigenschaften © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 2 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) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio Wasser Wasser -3 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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! © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 4 Wasser & Leben Wasser & Leben • 60 - 99 % der Masse aller Lebewesen • der häufigste Reaktionspartner bei biologischen Reaktionen • Wasserspaltung nur unter Lichteinwirkung (Photosynthese) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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. © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 5 Zelle Zelle Zellwand + Membran => Luftballon im Jutesack (statt Luft eher Hotel-Honig) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio Membranen Membranen © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 6 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio DNA DNA- & RNABausteine © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 7 DNA DNA-Doppelhelix © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 8 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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!) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 9 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 10 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'). © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio Aminosäuren Aminosäuren Strukturformeln der wichtigsten zwanzig Aminosäuren und Ausbildung einer Peptidbindung © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 11 Aminosäuren Aminosäuren Selenocystein und Pyrrolysin werden ebenfalls (durch andere Interpreation von Stopp-Codons) codiert. © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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 © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 12 Chemische Zusammensetzung Aus welchen Molekülen besteht eine Zelle chemisch? Cypionka, Grundlagen der Mikrobiologie © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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. © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 13 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. © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 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! ? © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 14 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. © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio ... von unserer Homepage (Click of the week) © Heribert Cypionka www.icbm.de/pmbio 15