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- Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: ...für Dummies
- Sprache: Deutsch
Nukleinsäuren und Proteine sind die Moleküle, auf denen sich jede Art von Leben gründet - vom einzelligen Bakterium bis zum ausgewachsenen Elefanten. Dieses Buch gibt Ihnen einen umfassenden Überblick über den Wissenschaftsbereich, der sich mit diesen Molekülen beschäftigt. Petra Neis-Beeckmann erklärt Ihnen verständlich und fundiert alles, was Sie über Genomik und Proteomik wissen müssen. Beginnend mit den genetischen und biochemischen Grundlagen tauchen Sie ein in die Welt der DNA, RNA, Enzyme und Co. Aber auch für die praktische Arbeit im Labor bekommen Sie alles Wichtige an die Hand: So werden von PCR bis Sequenzanalyse alle wichtigen molekularbiologischen Methoden besprochen. Farbige Abbildungen und ein Kapitel zum aktuellen Thema Genome Editing runden das Buch ab.
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Seitenzahl: 698
Veröffentlichungsjahr: 2020
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Molekularbiologie für Dummies
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
3. Auflage 2020
© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition © 2020 by Wiley Publishing, Inc.
All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.
Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.
Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Coverfoto: © denisismagilov/stock.adobe.comKorrektur: Frauke Wilkens
Print ISBN: 978-3-527-71757-6ePub ISBN: 978-3-527-82802-9
Widmung
Für Johannes
Über die Autorin
Dr. Petra Neis-Beeckmann studierte Biologie mit dem Schwerpunkt Genetik und Molekularbiologie an der Universität Ulm. Für ihre darauf folgende Doktorarbeit zum Thema Genkartierung arbeitete sie mehrere Jahre in einem molekularbiologischen Labor der Universität Hohenheim. Weitere wissenschaftliche Erfahrungen sammelte die Autorin bei einer Biotech-Firma in Tübingen, bei der sie als Molekularbiologin eigene Projekte leitete. Es folgte ein Studium der Journalistik an der Universität Hohenheim, das sie mit einer Untersuchung der Berichterstattung über Stammzellforschung abschloss. Zurzeit arbeitet sie als freie Journalistin für verschiedene Medien und lebt mit ihrer Familie in der Nähe von Stuttgart.
Über die Fachkorrektorin
Dr. Susanne Katharina Hemschemeier forschte viele Jahre als Mikrobiologin und Proteinbiochemikerin an der Universität Bielefeld, in Gießen und an der UCLA in Los Angeles, bevor sie die praktische Arbeit im Labor an den Nagel hängte und sich in Mainz mit der Erstellung von E-Learning-Materialien für das Chemie- und Biochemiestudium befasste. Sie arbeitet derzeit als selbstständige Autorin und Übersetzerin für wissenschaftliche Texte und lebt mit ihrer Familie in Berlin und Stuttgart.
Tabellenverzeichnis
Kapitel 3
Tabelle 3.1: Übersicht über die vier verschiedenen Nukleotide, aus denen die DNA aufgebaut i...
Kapitel 9
Tabelle 9.1: Die Erkennungssequenzen und Schnittmuster einiger Restriktionsenzyme
Kapitel 14
Tabelle 14.1: Konzentration der Agarosegele für optimale Trennergebniss...
Tabelle 14.2: Konzentration der PAA-Gele für optimale Trennergebnisse s...
Kapitel 15
Tabelle 15.1: Fehlersuche bei der PCR
Kapitel 20
Tabelle 20.1: Fiktives Beispiel für die unterschiedlichen Proteinmuster v...
Tabelle 20.2: Trennbereiche von PAA-Gelen für Proteine: Je kleiner das Pr...
Kapitel 25
Tabelle 25.1: Beispiele für Lebensmittel mit möglichen gentechnisch ...
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Einführung
Sie finden, dass sich Molekularbiologie trocken anhört? Moleküle rufen in Ihnen Erinnerungen an den Chemieunterricht wach, als Sie sich mit Reaktionsgleichungen quälen mussten und man Ihnen bestenfalls dazu noch Molekülmodelle chemischer Substanzen gezeigt hat? Und Biologie ist auch nicht gerade beliebt und erinnert Sie vielleicht eher an abstrakte Einzeller oder Pflanzensystematik als an spannende Experimente?
Nicht so DIE MOLEKULARBIOLOGIE, wie sie heute in Labors auf der ganzen Welt praktiziert wird. Diese moderne Wissenschaft ist eine richtig spannende Sache – kein bisschen trocken, sie geht jeden Einzelnen von uns ganz persönlich an! Und ist deshalb wichtig, sehr wichtig sogar, denn sie beschäftigt sich mit dem Code des Lebens und wird oft auch DIE LEBENSWISSENSCHAFT genannt. Das behaupte ich nicht nur, weil ich ein Buch darüber geschrieben habe. Die Molekularbiologie geht den Geheimnissen des Lebens auf den Grund – wie Leben funktioniert und wie man es für Mensch und Umwelt möglichst lange (lebenswert) erhalten kann.
Molekularbiologen erforschen die Grundlagen des Lebens. Sie beschäftigen sich mit Nukleinsäuren und den Proteinen – den Molekülen also, auf denen jede Art von Leben gründet – ob das von uns Menschen, Tieren, Pflanzen oder Bakterien. Diese Moleküle sind dafür verantwortlich, wie wir aussehen und wie gut unser Körper funktioniert. Bereits als ich zum ersten Mal von Vererbung, DNA und RNA gehört hatte, packte mich die Faszination, die vom Geheimnis um den Code des Lebens ausgeht – ich erinnere mich noch genau daran. Von da an habe ich versucht, möglichst viel über die Moleküle des Lebens zu erfahren und zu lernen, wie man mit ihnen umgeht. Ich bin noch immer und immer wieder begeistert, welche Geheimnisse die Molekularbiologie zutage fördert. In diesem Buch habe ich versucht, Ihnen etwas von dieser Faszination weiterzugeben – es wäre schön, wenn es mir gelungen wäre. Außerdem ist es mir ein Anliegen, Sie mit dem nötigen Hintergrundwissen in die Lage zu versetzen, sich eine eigene Meinung zu bilden über den Sinn (und manchmal natürlich auch den Unsinn) der molekularbiologischen Forschungsergebnisse, die in den Labors produziert werden. Bei der Berichterstattung unserer Medien und angesichts mancher Wissenschaftler oder Mitmenschen, die laut ihre Meinung über alle Art von Molekularbiologie kundtun, ist das manchmal gar nicht so einfach – da muss man sich gut auskennen. Ich hoffe sehr, dass Sie dies nach der Lektüre der folgenden Kapitel tun!
Über dieses Buch
Molekularbiologie für Dummies möchte Ihnen einen umfassenden Überblick über die beiden großen Teilgebiete der Molekularbiologie – Genomik und Proteomik – geben. Dieses Buch wird Sie über theoretische Erkenntnisse informieren, die Molekularbiologen in den letzten Jahren gewonnen haben, Sie in die praktische Arbeit in einem molekularbiologischen Labor einführen und mit den wichtigsten Methoden bekannt machen, die zur täglichen Arbeit des Molekularbiologen gehören. Ich habe dabei versucht, den Text möglichst so zu gestalten, dass Sie einen Einstieg ins Thema finden, der Ihnen Spaß macht, selbst wenn Sie noch nichts oder nicht viel über Molekularbiologie wissen. Aber auch Fortgeschrittene und Profis können auf unterhaltsame Weise bestimmte Aspekte vertiefen und werden mit praktischen Hinweisen versorgt.
Konventionen in diesem Buch
Die Sprache des Molekularbiologen kann (wie leider so oft bei Spezialisten) ziemlich kompliziert und für Außenstehende manchmal etwas verwirrend sein. Dieses Buch ist deshalb so geschrieben, dass Sie es hoffentlich gerne lesen, ohne für jedes Kapitel eine Recherche im Internet starten oder sich an einen Wissenschaftler Ihres Vertrauens wenden zu müssen, um das Geschriebene zu verstehen. Dabei möchte ich die Sprache des Molekularbiologen aber bewusst nicht vermeiden, da ich denke, dass es dazugehört, sich in Maßen damit zu befassen, wenn man beginnt, etwas Neues zu lernen (außerdem wäre das Buch sonst für die Profis total langweilig!). Fachausdrücke sind deshalb zunächst so einfach wie möglich erklärt, werden aber bewusst im Text eingesetzt, um Sie Stück für Stück in der Welt des Molekularbiologen heimisch werden zu lassen und Ihnen damit auch etwas von der typischen Laboratmosphäre nahezubringen. Die Texte sind dabei wie folgt gestaltet:
Jeder wissenschaftliche Begriff, der in einem Kapitel neu auftaucht, ist
kursiv
geschrieben.
Ist mir ein Begriff besonders wichtig, so habe ich ihn
fett
oder auch
fett kursiv
gedruckt.
Links zu interessanten Webseiten sind
in dieser Schrift
gekennzeichnet.
In den grauen Kästen, die Sie in manchen Kapiteln finden, stehen Informationen, die Sie zum Verständnis des Sachverhalts nicht unbedingt benötigen – Geschichten hinter wissenschaftlichen Entdeckungen, Details zu Experimenten oder Neuheiten aus der Forschung.
Mir war wichtig, Sie so weit wie möglich mit chemischen Formeln zu verschonen. Einige Formeln sind jedoch für das Verständnis wirklich wichtig, und diese wenigen Formeln sollten Sie sich gut ansehen, um das Prinzip dahinter zu erkennen (Sie müssen die Formeln nicht auswendig lernen!).
Was Sie nicht lesen müssen
Um die wichtigsten molekularbiologischen Prinzipien zu verstehen, müssen Sie dieses Buch nicht Wort für Wort durcharbeiten. Sie müssen sich zum Beispiel nicht unbedingt die Abschnitte mit den Symbolen »Technischer Kram«, »Zusatzinformation« oder die grau unterlegten Kästen zu Gemüte führen. Hier stehen weiterführende oder einfach unterhaltsame Informationen, die Sie brauchen, wenn Sie ein absoluter Molekularbiologie-Profi werden wollen, oder die einfach nur interessant sind.
Törichte Annahmen über den Leser
Während ich dieses Buch geschrieben und viele Informationen über Molekularbiologie gesammelt und sortiert habe, habe ich mir gedacht, dass Sie als Leser
Schüler sind, der sich auf das Abitur oder eine Biologie-Klausur vorbereitet.
Student der Biologie oder Medizin sind, der für Genetik- oder Molekularbiologie-Prüfungen lernt und sich zusätzlich zu den klassischen Lehrbüchern über Theorie oder Methoden informieren möchte.
ein medizinisch-, chemisch- oder biologisch-technischer Assistent sind, der in einer molekularbiologischen Abteilung arbeitet beziehungsweise arbeiten möchte und einen Einstieg ins Thema sucht.
jemand sind, der sich schon immer einmal über Molekularbiologie informieren wollte oder sich vielleicht auch beruflich damit auseinandersetzen muss.
Vielleicht sind Sie auch einfach ein (kritischer) Patient oder Verbraucher, der verstehen möchte, was in der Wissenschaft passiert, wie man sie jetzt schon nutzt und was sie in Zukunft für Chancen und Risiken bieten kann. Oder Sie sind ein Molekularbiologie-Profi, der einfach gern über sein Fachgebiet liest (so wie ich selbst) oder auch die eine oder andere Anregung für seine eigene Lehrtätigkeit sucht. In jedem Fall habe ich für alle diese Personengruppen mein Bestes getan, um das Thema so informativ, spannend und unterhaltsam wie möglich zu gestalten.
Wie dieses Buch aufgebaut ist
Molekularbiologie für Dummies ist ganz einfach aufgebaut: Zunächst einmal möchte ich Ihnen etwas molekularbiologisches Grundwissen vermitteln, falls Sie ganz neu ins Thema einsteigen. Dann stelle ich Ihnen Werkzeug und Arbeitsbereich des Molekularbiologen vor, und wir begeben uns gemeinsam in die Praxis: erst in ein genomisches Labor, in dem man mit Nukleinsäuren arbeitet, dann in ein proteomisches Labor – dem Reich der Proteinfreunde. Zum Schluss möchte ich Ihnen noch ein paar Beispiele für Anwendungen der Molekularbiologie im Alltag vorstellen.
Teil I: Molekularbiologisches Grundwissen
In diesem Teil wird erklärt, was Molekularbiologie ist, wie eine Zelle aufgebaut ist und wo das Arbeitsmaterial des Molekularbiologen – DNA, RNA und Proteine – zu finden ist. Weiterhin finden Sie jeweils eigene Kapitel über diese Moleküle, in denen chemischer Aufbau, Struktur und Funktion oder charakteristische Eigenschaften erklärt werden.
Teil II: Das Werkzeug des Molekularbiologen
Dieser Teil führt Sie in die Arbeitswelt des Experimentators ein. Zunächst einmal lernen Sie ein typisches Labor kennen. Dann machen Sie Bekanntschaft mit einigen Helfern (Bakterien und Viren) und verschiedenen Handwerkern wie zum Beispiel Schere, Klebstoff, Zerstörer oder dem Arbeitstier, ohne die der Molekularbiologe sein Material überhaupt nicht bearbeiten und so auch keine Forschung betreiben könnte. Außerdem lernen Sie den molekularbiologischen Fuhrpark kennen, der Nukleinsäuren in fremde Zellen transportiert – eine wichtige Voraussetzung für viele Experimente.
Teil III: Genomik – die Arbeit mit genetischem Material
Hier geht es um Techniken, mit denen in einem genomischen Labor gearbeitet wird. Es beginnt mit einer Sammlung von Standardmethoden, die jeder Experimentator beherrschen sollte. Weitere wichtige Techniken wie die Elektrophorese, die Polymerase-Kettenreaktion oder die Klonierung werden in jeweils eigenen Kapiteln ausführlich erklärt. Abschließend stelle ich verschiedene Strategien vor, wie die Sequenz eines Gens oder die Genfunktion untersucht werden können.
Teil IV: Proteomik – die Arbeit mit den Genprodukten
Teil IV stellt verschiedene Techniken vor, mit denen Genprodukte (die Proteine) untersucht und analysiert werden können und die typisch für die Arbeit in einem Proteomiklabor sind. Ein erstes Kapitel beschreibt Methoden, die beispielsweise angewandt werden, um Proteine zu isolieren, zu spalten, zu färben oder deren Struktur herauszufinden. In einem zweiten Kapitel geht es um die Beziehungen zwischen den Proteinen in Zellen und Geweben untereinander und darum, wie man diese erforschen kann.
Teil V: Molekularbiologie im Alltag
Für diesen Teil habe ich einige Beispiele für Anwendungen der Molekularbiologie ausgewählt, die bereits in unserem Alltag Einzug gehalten haben oder mit denen man in Zukunft rechnen kann. Im Kapitel über personalisierte Medizin geht es um individuelle Behandlungsmöglichkeiten, die dem Wohl unserer Gesundheit dienen sollen. Danach werden die Einsatzmöglichkeiten für Gen- oder Proteinchips aufgezeigt und die Herstellung therapeutisch wichtiger Proteine am Beispiel des Insulins erklärt. Den Schluss bildet ein ausführliches Kapitel über Molekularbiologie in Landwirtschaft und Ernährung. Hier geht es unter anderem um geklonte Lebewesen, transgene Tiere und Pflanzen oder um die Medikamentenproduktion mithilfe molekularbiologischer Methoden.
Teil VI: Der Top-Ten-Teil
Dies ist praktisch der Service-Teil dieses Buches. Hier sind in einem ersten Kapitel die Rezepte einiger wichtiger Reagenzien, Puffer und Lösungen aufgelistet, die täglich im molekularbiologischen Labor gebraucht werden. Das zweite Kapitel ist eine Liste von nützlichen Internetadressen, mit deren Hilfe Sie sich noch intensiver mit dem Thema befassen könnten (wenn Sie wollen!) oder sich manches schon angesprochene Thema auf andere Art zu Gemüte führen können, zum Beispiel als Spiel.
Bonuskapitel: Synthetische Biologie - Biobasteln für Profis
Unter www.wiley-vch.de/de/dummies/downloads und dem Eintrag »Molekularbiologie für Dummies« finden Sie ein kostenloses Bonuskapitel zum Download.
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden
Die kleinen Symbole an den Seitenrändern dieses Buches machen Sie auf verschiedene Bedeutungen der einzelnen Textabschnitte aufmerksam.
Dieses Symbol weist auf Informationen hin, die für das Verständnis besonders wichtig sind und die Sie möglichst nicht auslassen sollten. Gut wäre es auch, wenn Sie sich diese Details merken würden.
Hinter diesem Zeichen verstecken sich Dinge, die für ein generelles Verständnis nicht unbedingt nötig sind. Hier finden Sie zusätzliche Informationen, falls Sie sich intensiver mit der Molekularbiologie beschäftigen möchten und gar zum Profi werden wollen.
Was Sie hier lesen, ist zwar nützlich und versorgt Sie mit interessantem Wissen. Sie können diese Abschnitte aber gerne überspringen, wenn Sie sich nur generell einen kurzen Überblick verschaffen wollen.
Hinter dem Praxis-Symbol finden Sie Protokolle oder Methoden aus der täglichen Arbeit im Labor. Sollten Sie nur an theoretischem Wissen interessiert sein, lassen Sie diese Abschnitte einfach aus.
Hier sind Details zu finden, die zwar nicht sehr wichtig sind, die ich Ihnen aber besonders ans Herz legen möchte, weil sie das Verständnis erleichtern oder sich mancher Sachverhalt dadurch besser merken lässt.
Wie es weitergeht
Alle … für Dummies-Bücher sind so geschrieben, dass Sie in jedem beliebigen Kapitel beginnen oder sich auch hier und da einzelne Abschnitte ansehen können, die Sie besonders interessieren. Sie können trotzdem jederzeit zu Details zurückkehren, die Sie vielleicht übersprungen haben, aber im Nachhinein vielleicht doch noch einmal nachlesen wollen. Inhalts- und Stichwortverzeichnis sowie Verweise in den Kapiteln führen Sie in diesem Fall sicher zum gesuchten Wissen. Sie können dieses Buch aber auch von vorn bis hinten lesen, dann erhalten Sie einen systematischen Überblick über Grundlagen, Methoden und neueste wissenschaftliche Errungenschaften der Molekularbiologie.
Teil I
Molekularbiologisches Grundwissen
IN DIESEM TEIL …
Bevor Sie ein molekularbiologisches Labor betreten und erfahren, mit welchen Methoden man dort arbeitet und welche Anwendungen heute möglich sind, müssen wir uns erst einmal mit ein paar Grundlagen der Molekularbiologie beschäftigen. Zum Beispiel sollten Sie wissen, was Molekularbiologie überhaupt ist (siehe Kapitel 1), wo Sie das Untersuchungsmaterial des Molekularbiologen in der Zelle finden können und wie eine Zelle überhaupt aussieht (siehe Kapitel 2). Und natürlich müssen Sie DIE Moleküle des Lebens – DNA, RNA und Proteine –, um die sich in der Molekularbiologie alles dreht, zunächst einmal kennenlernen (siehe Kapitel 3 bis 5). Sie erfahren, wie die Moleküle des Lebens aussehen, worin sie sich unterscheiden und welche Funktion sie im Körper jedes Lebewesens haben. Kurz gesagt: In diesem ersten Teil möchte ich Ihnen zunächst einmal etwas Theorie vermitteln, bevor Sie dann im nächsten Teil in die Praxis einsteigen können.
Kapitel 2
Grundlagen der Molekularbiologie
IN DIESEM KAPITEL
Erste Kontakte mit der ZelleWo man DNA oder RNA findet, wenn man sie suchtWie ein Gen aufgebaut istDer Fluss der genetischen InformationEin Molekularbiologe findet sein Arbeitsmaterial (DNA, RNA und die Proteine) in fast allen Zellen eines Lebewesens. Um die Molekularbiologie wirklich verstehen zu können, müssen Sie zunächst einmal wissen, wie eine typische Zelle überhaupt aussieht, wo Sie diese Arbeitsmaterialien finden können und in welcher Struktur sie vorliegen. Außerdem müssen Sie wissen, was DNA und RNA miteinander zu tun haben und wie der genetische Code in ein funktionstüchtiges Protein übersetzt wird. Bevor wir uns der Molekularbiologie zuwenden und in die Gentechnik einsteigen (also mit der DNA arbeiten können), müssen wir uns zunächst noch mit ein bisschen Zellbiologie und Genetik beschäftigen. Und genau das wollen wir in diesem Kapitel tun.
Aufbau der Zelle in Kürze
Die Zelle ist die kleinste eigenständige Einheit eines Organismus, also praktisch der Baustein, aus dem jedes Lebewesen zusammengesetzt ist. Einzeller bestehen eben nur aus einem solchen Baustein, Mehrzeller wie wir Menschen aus vielen.
Beim Menschen ist eine Zelle im Durchschnitt lediglich 25 Mikrometer groß. Würde man aber alle 100 Billionen Zellen, aus denen ein Erwachsener besteht, aneinanderreihen, käme man auf eine Strecke, die fast 60-mal um die Erde reichen würde.
Eine Zelle ist grundsätzlich eigenständig und kann sich selbst erhalten. Das heißt, sie kann Nahrung aufnehmen und in Energie umwandeln, wachsen und sich vermehren, Reize aufnehmen und verarbeiten. Im Allgemeinen sind Zellen aber nicht gern allein, sie schließen sich zu Geweben zusammen und formen so zum Beispiel Organe, um sich ihre Arbeit zu teilen. Das heißt, es gibt auch Zellen – wie in der Haut oder der Leber –, die ausgewiesene Spezialisten für bestimmte Aufgaben im Organismus sind und dann nicht mehr allein existieren können.
Zur Grundausstattung jeder menschlichen Zelle gehört
die
Zellmembran
. Sie ist praktisch die Außenwand des Hauses »Zelle« und ihre schützende Hülle.
die
Organellen
und der
Kern
der Zelle. Sie stellen verschiedene Räume dar, die unterschiedliche Funktionen haben und in denen ganz bestimmte Reaktionen ablaufen können, für die sie das Mobiliar des jeweiligen Raumes brauchen.
das
Cytosol
, der flüssige Inhalt der Zelle. Es füllt sie aus wie die Luft unsere Häuser. Auch hier können zahlreiche Stoffwechselreaktionen stattfinden. Cytosol und Organellen (jedoch ohne den Zellkern) bilden zusammen das
Cytoplasma
.
Es gibt auch Zellen, die ein bisschen anders aussehen, nämlich die von Bakterien und Archaeen (Archaebakterien) (Letztere sind Urbakterien, die oft in extremen Umgebungen wie Vulkanen oder in der Tiefsee leben).
In der Natur kommen grundsätzlich zwei Arten von Zellen vor, einfache Zellen wie die der Bakterien und die Zellen höherer Lebewesen:
Prokaryotische Zellen
sind fast immer Einzeller; dazu zählen die
Bakterien
, die
Blaualgen
,
Cyanobakterien
genannt (die eigentlich keine Algen, sondern photosynthetische Bakterien sind), und die
Archaeen
. Prokaryoten
haben keinen von einer Membran umschlossenen Zellkern. Ihre DNA schwimmt mehr oder weniger heimatlos im Cytoplasma
(also im wässrigen Inneren) der Zelle herum, und die Zellen selbst sind nicht in unterschiedliche Räume unterteilt. Bakterien sind praktisch so etwas wie eine Einzimmerwohnung.
Eukaryotische Zellen
sind die Zellen der
ein- oder mehrzelligen Pflanzen und Tiere
. Sie sind komplizierter strukturiert als prokaryotische Zellen und besitzen einen »echten« Zellkern
, der von einer Kernhülle umschlossene DNA enthält. Die Zellen sind durch die Organellen in verschiedene (Reaktions-)Räume unterteilt, die die Biologen als
Kompartimente
bezeichnen. Eine eukaryotische Zelle kann man sich also wie ein deutlich komfortableres Apartment mit mehreren Zimmern vorstellen.
Gegen Ende der 1970er-Jahre entdeckte der amerikanische Mikrobiologe Carl Woese neben den Bakterien und den eukaryotischen Zellen die dritte Domäne des Lebens, von dem die meisten Menschen kaum etwas wissen – die Archaeen oder Archaebakterien, wie sie auch genannt werden. Archaeen sind zwar Prokaryoten, da sie keinen Zellkern besitzen – aber eben keine Bakterien. Sie stehen in vielerlei Hinsicht evolutionsbiologisch zwischen den sehr alten Bakterien und den »moderneren« eukaryotischen Zellen. Archaeen leben oft in extremen Umgebungen wie Salzseen, Vulkanen oder in der Tiefsee und können zum Teil sogar extreme Salzkonzentrationen oder Temperaturen von weit über 100 °C aushalten. Für die Natur sind sie sehr wichtig, weil sie an allen wesentlichen Stoffkreisläufen beteiligt sind.
Wenn ich im Folgenden von »höheren« Lebewesen – den Eukaryoten – spreche, meine ich alle Organismen von der Hefe bis zum Menschen, die keine Bakterien, Blaualgen oder Archaeen sind.
Eine typische prokaryotische und eine eukaryotische Zelle werden in Abbildung 2.1 gezeigt.
Abbildung 2.1: Prokaryotische und eukaryotische Zelle
Bei den Prokaryoten – also den Lebewesen, deren Zellen keinen »richtigen« Kern besitzen – sind DNA und RNA mehr oder weniger in der Zelle verteilt. Da Prokaryoten meistens Einzeller sind, enthalten sie weniger DNA als Eukaryoten. Der Bakterienorganismus ist zudem relativ einfach gebaut und benötigt deshalb weniger in den Nukleinsäuren gespeicherte Informationen als der Organismus von höheren Lebewesen. Zum Beispiel hat der Mensch in jeder Zelle ein etwa tausendmal größeres Genom als ein Darmbakterium in seiner »Einzimmerwohnung-Zelle«. Bei höheren Lebewesen gibt es verschiedene Orte in der Zelle, an denen DNA und RNA zu finden sind.
DNA-Verstecke in der eukaryotischen Zelle
Lebewesen, deren Zellen einen »echten«, vom Rest der Zelle abgegrenzten Zellkern besitzen, nennt man also Eukaryoten (übersetzt heißt das so viel wie »die mit dem richtigen Kern«). Weil ihre Zellen in mehrere Kompartimente – also Räume – unterteilt sind, gibt es verschiedene Orte, an denen man Nukleinsäuren antreffen kann. Und zwar:
Einzeller frisst Einzeller – die Endosymbiontenhypothese
Mitochondrien, die kleinen Kraftwerke in unseren (und fast allen anderen eukaryotischen) Zellen haben Eigenschaften, die darauf hindeuten, dass ihre Vorfahren vor ein bis zwei Milliarden Jahren einmal frei lebende Bakterien waren. Diese sind:
ein eigenes Genom,eigene Ribosomen und tRNAs (siehe dazu Kapitel 5, Abschnitt »Zu Besuch in einer Proteinfabrik«), mit deren Hilfe sie selbst Proteine herstellen,eine innere Membran, die das Mitochondrium in einzelne Räume unterteilt.Man kann sie also fast als eigene kleine Zellen in der Zelle ansehen.
Aus diesem Grund geht man bei der sogenannten Endosymbiontenhypothese (siehe Abbildung 2.2) davon aus, dass die Mitochondrien vor langer, langer Zeit so entstanden sind, dass ein einzelliges Lebewesen ein anderes gefressen hat, die beiden aber eine Art Symbiose eingegangen sind. Der verschluckte Einzeller in der Zelle überlebte und wurde als Mitochondrium zum unverzichtbaren Bestandteil dieser Zelle, der von nun an die Energieversorgung übernahm (quasi ein »Haustier«).
Abbildung 2.2: Schematische Darstellung der Endosymbiontenhypothese
Auch die Chloroplasten der Algen und Pflanzen sind vermutlich auf diese Weise entstanden, nur dass hier ein photosynthetischer Prokaryot verschlungen wurde, der sich im Laufe der Evolution als überaus nützlich für die Energieversorgung der Zelle erwies.
Molekularbiologen haben übrigens entdeckt, dass man anhand von nur 13 Genen des Mitochondrien-Genoms die maximale Lebensdauer fast jeder beliebigen Tierart voraussagen kann. Ein Tier kann demnach umso länger leben, je seltener eine bestimmte Aminosäure in den Kraftwerken seiner Zellen – den Mitochondrien – vorkommt. Je seltener die Aminosäure Cystein ist, desto stabiler das Protein und damit desto langlebiger die Tierart. Beispielsweise könnte nach diesen Berechnungen der Mensch maximal 120 Jahre leben, die Maus dagegen nur vier Jahre und manche Würmer sogar nur etwa zwei Wochen.
RNA geht ihren eigenen Weg
Wo DNA ist, findet man in der Regel auch RNA, doch umgekehrt gilt das nicht unbedingt. Im Zellkern, den Mitochondrien oder Chloroplasten wird die Information, die in der DNA gespeichert ist, ständig abgelesen und in RNA übersetzt. Aus dem Zellkern wird die neu zusammengebaute RNA dann durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert. Hier findet an den Ribosomen, den Eiweißfabriken der Zelle, die Proteinsynthese statt.
Das heißt, RNA findet man außer im Zellkern, den Mitochondrien oder Chloroplasten auch im Cytoplasma der Zelle. Das gilt nicht für die DNA! Und das hat auch seinen Sinn: Die DNA ist nämlich viel zu kostbar, um sie außerhalb des geschützten Raums »Zellkern« Gefahren auszusetzen.
Chromosomen sind Träger der Gene
Stellen Sie sich vor, Sie müssten einen etwa 400 Meter langen Faden in einem Stecknadelkopf unterbringen. Wie würden Sie das machen? So ähnlich ist beim Menschen das Verhältnis der DNA-Länge zum Zellkern – genauer gesagt 2 Meter DNA zu 10 Mikrometern Zellkern. Hier ist eine wirklich raffinierte Wickeltechnik gefragt, sonst funktioniert das überhaupt nicht. Die Zelle hat diese Art der Verpackungskunst mithilfe von Chromosomen gelöst.
Im Zellkern liegt die DNA (und damit unsere Erbinformation, die Gene) in Form von Chromosomen vor. Chromosomen bestehen aus Chromatin
