1 Einführung in biologische, chemische und physikalische Grundlagen

Christoph Gabler, Carlo Fasting

1.1 Nichtzelluläre und zelluläre Lebensformen

Die grundlegende Definition aller Lebensformen ist, dass sich diese durch die Nutzung von Nukleinsäuren als Speichermolekül von biologischer Information (= Erbgut) auszeichnen. Dabei werden i.d.R. die Desoxyribonukleinsäure (DNS = Deoxyribonucleic acid [DNA]) und bei einigen Viren auch die Ribonukleinsäure (RNS = Ribonucleic acid [RNA]) als Informationsspeicher genutzt. Bausteine der DNA sind die Nukleotide, die die Buchstaben (Basen) der Erbinformation bilden. Durch die Polymerisation von Nukleotiden zu Polynukleotiden können prinzipiell unbegrenzt lange, lineare Moleküle gebildet werden, auf denen die biologische Information für die Synthese von Proteinen als Abfolge von Trinukleotiden (Codons) gespeichert wird. Der genetische Code ist dabei universell und wird von allen Lebensformen identisch interpretiert.

Der Stammbaum des Lebens setzt sich aus nichtzellulären und zellulären Lebensformen zusammen. Zu den nichtzellulären Lebensformen zählen Viren, zu den zellulären Lebensformen zählen Bakterien, Einzeller, Pflanzen, Pilze und Tiere. Viren sind sehr vielgestaltig und für ihren Lebenszyklus zwingend auf Wirtszellen angewiesen. Klassischerweise sind Viren durch ihre geringe Größe von wenigen Nanometern (20–200 nm) definiert, sodass sie lichtmikroskopisch nicht darstellbar sind. Erst in den letzten 15 Jahren wurden die sog. Megaviren entdeckt, die mit Mimivirus und Pandoravirus fast die Komplexität von Bakterienzellen erreichen. So umfasst das Genom von Mimivirus 1,2 Millionen Basenpaare (Bp) mit mehr als 1000 Genen.

Die echten Lebensformen sind durch einen zellulären Aufbau gekennzeichnet und werden nach dem Vorhandensein eines Zellkerns eingeteilt: Prokaryonten (ohne Zellkern) und Eukaryonten (mit Zellkern) ( ▶ Abb. 1.1). Für die Aufrechterhaltung des Lebens mit den typischen Charakteristika (Bewegung, eigener Stoffwechsel für Wachstum und Entwicklung, Vermehrung) sind bestimmte Struktur- und Funktionseinheiten nötig. Der Aufbau und die Zusammensetzung sind art- bzw. organspezifisch. Die kleinsten Organismen bestehen nur aus einer einzelnen Zelle, z.B. Bakterien. Höhere Lebewesen, wie Tiere, sind immer Vielzeller mit organspezifischer Ausprägung der Zellen.

Zellen benötigen eine Plasmamembran, die das Zellinnere von der Umgebung abgrenzt. Diese Membran besteht aus Lipiden, vornehmlich Phospholipiden, und einer Vielzahl von Proteinen. Die Stabilität der Membran wird dadurch erreicht, dass die Lipiddoppelschicht eine polare Außen- und Innenseite besitzt und dazwischen die unpolaren Lipidanteile eingrenzt, die durch hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten wird. Das Innere der Zelle wird Zytoplasma genannt; im wässrigen Milieu sind zahlreiche polare Stoffe wie Proteine, Kohlenhydrate, Ribonukleinsäuren und Salze gelöst.

Zu den Prokaryonten (auch Prokaryoten) gehören zelluläre Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen. In die Gruppe der Prokaryonten werden dementsprechend die Eubakterien (Bakterien und Blaualgen = Cyanobakterien) und die Archaeen (Archaebakterien) eingeteilt. Die Prokaryonten sind ca. 0,1–1 Mikrometer (μm) groß. Prokaryotische Zellen enthalten einen einzigen Raum, das Zytoplasma, in dem sich frei eine ringförmige DNA, das Genom der Prokaryonten, befindet. Neben dem Genom kann es im Zytoplasma noch kleine ringförmige DNA-Moleküle, die Plasmide, geben, die aber nicht essenziell sind. Eine große Anzahl von Ribosomen, an denen die Proteinbiosynthese stattfindet, ist auch im Zytoplasma zu finden. Eine Zellmembran begrenzt das Zytoplasma und wird oft noch zusätzlich von einer stabilisierenden Polysaccharidschicht (Mureinschicht) umgeben.

Die Eukaryontenzellen sind komplexer als die Prokaryontenzellen aufgebaut und mit ca. 10–50 μm deutlich größer. Auch bei den Eukaryonten grenzt eine Plasmamembran das Zytoplasma nach außen hin ab. Im Zytoplasma befinden sich bei Eukaryonten die Zellorganellen; dies sind Kompartimente, die durch eine Membran vom Zytosol abgetrennt sind und in sich geschlossene Reaktionsräume bilden. Alle Eukaryontenzellen besitzen einen Zellkern, der das charakteristische Merkmal der Eukaryontenzelle ist. Im Zellkern ist die genomische DNA, das Erbgut, in Form von linearen DNA-Molekülen enthalten. Das raue endoplasmatische Retikulum (ER) ist von Ribosomen, an denen die Proteinbiosynthese stattfindet, besetzt. Der Golgi-Apparat ist ein weiteres in sich geschlossenes Membransystem und spielt eine wichtige Rolle bei der Reifung und beim Transport von Proteinen. Der Transport der Proteine zwischen den einzelnen Kompartimenten und der Zellmembran wird von kleinen Membranvesikeln (Endosomen) übernommen. Mitochondrien sind für den Stoffwechsel unverzichtbare Organellen. In ihnen laufen u.a. die Atmungskette und Adenosintriphosphat(ATP)-Synthese ab; sie werden daher auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Nach der Endosymbiontenhypothese ist die tierische, eukaryontische Zelle in einer frühen Evolutionsstufe durch die Aufnahme einer aeroben Bakterienzelle in eine primitive Zelle entstanden, die noch organellenfrei war. Im Laufe der Evolution entwickelte sich die aufgenommene Bakterienzelle zu einem Zellorganell und verlor ihre Autonomie. Für die Endosymbiontenhypothese spricht, dass die Mitochondrien viele Eigenschaften mit Bakterien teilen: So haben sie ein eigenes, zirkuläres Genom (mitochondriale DNA), das frei in der Matrix vorliegt, und eine eigene Translationsmaschinerie.

1.2 DNA – RNA – Protein

Die gesamte Erbinformation über den Organismus ist in der DNA enthalten. Hier ist die Kodierung in den Basentripletts für die einzelnen Proteine und für die Regulation der Proteinbiosynthese enthalten. Die Erbinformation wird vor jeder Zellteilung durch Replikation verdoppelt und ein einfacher Satz wird an jede Tochterzelle weitergegeben. Der Informationsfluss der genetischen Information erfolgt von der DNA über die sog. Boten-RNA (Messenger-RNA [mRNA]). Diese wird dann an den Ribosomen in die entsprechende Aminosäuresequenz, das Protein, übersetzt. Dieser Vorgang der Erhaltung der Erbinformation sowie die Umsetzung in das Protein erfordern einen hohen Energieeinsatz. Es werden ca. 90% der erzeugten Energie für diese gesamten Prozesse aufgewendet. Dies erfordert sowohl genau geregelte Prozessabläufe, die eine Energieverschwendung vermeiden als auch eine effiziente Erzeugung von Energie, größtenteils in Form von ATP, sicherstellen müssen. Energie ist ein zentraler Punkt in der Biochemie der Zelle. Sie muss bereitgestellt werden entgegen der Tendenz, den geringsten Energiezustand einzunehmen.

Die Zelle bewältigt diese Aufgabe, indem sie Nährstoffe aus der Umgebung aufnimmt, wie z.B. Glucose (C6H12O6). Glucose wird in nachfolgenden Stoffwechselwegen (Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette) den Gesetzen der Thermodynamik und Kinetik folgend mithilfe von Sauerstoff oxidiert und in einfache Moleküle (6 CO2 und 6 H2O) abgebaut ( ▶ Abb. 1.2).

Hier wird ein komplexes Molekül Glucose in einfachere und energetisch ärmere Moleküle abgebaut und dabei in der Zelle Energie gewonnen. Dabei folgt die Reaktion der Thermodynamik, indem mit der Entstehung einfacherer Moleküle eine höhere Unordnung erzeugt wird. Diese höhere Unordnung wird dadurch erzeugt, dass Produkte einen niedrigeren Aggregatzustand besitzen (Wasser flüssig) als das Substrat (Glucose fest). Zudem liegt noch eine höhere Anzahl von Produkten (12 Moleküle) versus Substraten (7 Moleküle) vor. Diese Moleküle höherer Unordnung werden dann in die Umgebung abgegeben. Man kann festhalten, dass Zellen Nährstoffe aufnehmen, diese in einfachere Moleküle zerlegen, dabei Energie gewinnen und diese zur Erzeugung einer höheren Ordnung (komplexe Makromoleküle) in der Zelle nutzen. Dabei erzeugen die Zellen eine höhere Unordnung in der Umgebung der Zelle.

Die Grundlage fast allen Lebens ist dabei die Photosynthese von grünen Pflanzen (und Cyanobakterien). Die Photosynthese ist der Energiestoffwechselweg, in dem es zu einer Primärproduktion von Glucose kommt. Bei der Photosynthese wird die...