Wir haben verschiedene Zellorganellen schon kennengelernt, allen voran Mitochondrien und Chloroplasten bei Zellatmung und Photosynthese, den Zellkern bei der DNA und die Grundlagen der Biomembranen.
In diesem Beitrag wenden wir uns weiteren Zellorganellen zu, vornehmlich dem endoplasmatischen Reticulum und dem Golgi-Apparat.
Im letzten Beitrag befassten wir uns mit der Mitose, bei dem das genetische Material gleichmäßig auf die Tochterzellen weitergegeben wird.
Wir erinnern uns: Menschen haben 46 Chromosomen: 44 Autosomen und die zwei Gonosomen, auch Geschlechtschromosomen genannt (Bei Frauen XX und beim Mann XY). Genauer gesagt haben wir 23 homologe Chromosomenpaare, d. h. jedes Chromosom kommt doppelt vor. Man spricht von diploid. Die Ausnahme stellt natürlich das Y-Chromosom des Mannes dar, welches nicht homolog zum X-Chromosom ist; dennoch bilden beide das Paar der Geschlechtschromosomen. Der diploide Chromosomensatz kommt zustande, weil bei der sexuellen Vermehrung Eizelle und Spermazelle miteinander verschmelzen, ein Vorgang den man als Befruchtung bezeichnet. Eizelle und Spermazelle sind die Keimzellen und diese haben nur einen halben Chromosomensatz, man spricht von haploid. Wie dieser halbe Chromosomensatz entsteht, wird in diesem Beitrag geklärt.
Wir wissen nun wie unsere DNA vermehrt wird über einen Prozess, der sich Replikation nennt. Hier werden wir uns mit der Vermehrung von Zellen befassen.
Grundsätzlich: Alle Zellen stammen von Zellen ab. Die Zellteilung ist bei allen Lebewesen Grundvoraussetzung für die Reproduktion (Fortpflanzung) und bei vielzelligen Organismen zudem für Wachstum, Regeneration und Reparatur. Für eine jede Zellteilung sind vier Ereignisse erforderlich:
Alle Zellen verarbeiten ihre Informationen aus ihrer Umwelt. Ein Signal kann aus der Umgebung des Organismus stammen, wie etwa der Geruch einer weiblichen Motte, die bei Dunkelheit einen Paarungspartner anlockt. Ein Signal kann aber auch von innerhalb des Organismus kommen, wie bei Zellen der Leber, wo von Zellen anderer Organe gebildete Signalmoleküle die Aufnahme oder die Freisetzung von Glucose steuern. Natürlich bedeutet das reine Vorhandensein eines Signals noch nicht, dass eine Zelle darauf reagiert. Damit eine Zelle auf ein Signal reagieren kann, benötigt sie ein spezifisches Rezeptorprotein, welches das Signal aufnimmt; außerdem ist ein Signalübertragungsweg (Signaltransduktionsweg) nötig, damit die aufgenommene Information zelluläre Prozesse auch beeinflussen kann. Ein Signaltransduktionsweg ist eine Abfolge von molekularen Vorgängen und chemischen Reaktionen, die zu einer Reaktion bzw. einer Antwort der Zelle auf ein Signal führen. Signaltransduktionswege variieren im Detail sehr stark, ihre Grundstruktur ist ihnen jedoch gemeinsam: Ein solcher Weg beginnt mit einem Signal und dessen spezifischem Rezeptor und mündet in eine Reaktion. Signalmoleküle lassen sich in drei Typen einteilen (Abb. 1):
In den vorherigen Beiträgen haben wir den Bau der DNA kennengelernt und ihre Rolle bei der Zellteilung und der Herstellung von Proteinen. Die menschliche Zelle hat aber über 20.000 Gene und nicht jede Zelle unseres Körpers ist gleich. Muskelzellen brauchen andere Proteine als Nervenzellen usw. Es wäre ziemlich ineffizient, wenn alle Gene gleichzeitig in jeder Zelle exprimiert werden. Es muss also ein System vorhanden sein, dass Gene nur in den Zellen exprimiert werden, wo sie benötigt werden und auch zum richtigen Zeitpunkt. Dies wird mittels der Genregulation gesteuert. Je früher die Zelle in den Prozess der Proteinsynthese eingreift, umso weniger Energie und Aminosäuren verschwendet sie.
In unserem Kapitel über den Aufbau der DNA stellten wir fest, dass diese Informationen für den Aufbau von Proteinen enthält, die Gene. Proteine haben wir ebenfalls kennengelernt. Proteine können quasi gesehen als Genprodukte verstanden werden. Werden Gene abgelesen und in Proteine übersetzt spricht man auch von Genexpression. Das zugehörige Verb lautet exprimieren (Abb. 1). Die Gesamtheit der Gene wird als Genotyp bezeichnet, die Merkmale für die sie codieren – als Phänotyp.
Wir werden alle älter, das ist nicht zu verhindern. Dass wir älter werden, hat z. T. auch mit unserer DNA zu tun, bzw. ihrer Vermehrung, mit der wir uns hier befassen werden.
Wenn sich eine Zelle teilt, so muss ihr Genom auch an die Tochterzellen weitergegeben werden. Damit dies geschehen kann, muss die DNA verdoppelt werden. Als Replikation bezeichnet man einen zellulären Vorgang, bei dem eine DNA-Doppelhelix mithilfe spezifischer Enzyme identisch verdoppelt wird. Nur unter dieser Voraussetzung entstehen bei einer nachfolgenden Zellteilung Tochterzellen mit gleicher genetischer Ausstattung.
Gastbeitrag von Franz Blaes Ich werde immer wieder auf einen Text angesprochen, den ich als Kommentar unter den Post eines Facebook-Hobby-Virologen geschrieben habe, dessen medizinischer und molekularbiologischer Wissensstand -so wie man es bei vielen Facebook-Spezialisten beobachten kann- ungefähr dem eines ausgewachsenen Pantoffeltierchens entspricht. Daher hier der Text nochmals mit einigen Vorbemerkungen/Antworten auf Nachfragen: 1. Die … Weiterlesen
Gastbeitrag von Christian Kaller
Der Tübinger Forscher Friedrich Miescher gilt als der Entdecker der Nukleinsäuren. Er isolierte in den Sechziger- und Siebzigerjahren des 19. Jahrhunderts aus tierischen und menschlichen Geweben eine Substanz, die er Nuklein nannte, da er diese Substanz aus dem Nukleus, also dem Zellkern, isoliert hatte.
Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde postuliert, dass Nukleinsäuren Träger von Erbinformationen sind.
Wir befassten uns im letzten Beitrag mit der Zellatmung. Bei der Zellatmung wird aus Zucker mit Hilfe von Sauerstoff Energie in Form von ATP gespeichert. Als Produkte entstehen dabei CO2 und Wasser.
In diesem Beitrag befassen wir uns mit der Photosynthese. Diese ist quasi gesehen die umgekehrte Richtung der Zellatmung: Aus CO2 und Wasser werden Zucker und Sauerstoff.
Die entsprechende Summenformel der Photosynthese lautet: 12 H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2 +6 H2O. Eine vereinfachte, verkürzte Formel reduziert die Anzahl der Wassermoleküle, da sie sich mathematisch rauskürzen lassen: 6 H2O +6 CO2 → C6H12O6 +6 O2 (vgl. Abb. 1).
In einem der vorherigen Beiträge befassten wir uns mit den Grundlagen der chemischen Reaktion und den Enzymen, sowie dem Adenosintriphosphat. An dieser Stelle wird es Zeit sich mit einigen konkreten chemischen Reaktionen in unserer Zelle zu befassen.
Wir haben gelernt, dass Kohlenhydrate, zu denen u. a. Zucker und Stärke gehören, unsere zentrale Energiequelle sind, auf der fast alle Stoffwechselprodukte beruhen. Doch wie schaffen es unsere Zellen aus diesen Kohlehydraten ihre Energie zu gewinnen?
Dies geschieht mittels der Zellatmung.
Wir haben gelernt, chemische Reaktionen durch eine Reaktionsgleichung darzustellen. Wie würde diese Reaktionsgleichung bei der Veratmung von Glucose ausschauen?
Im letzten Beitrag dieser Reihe befassten wir uns mit Atomen, dem Periodensystem und wie sich Atome miteinander verbinden. Dieses Mal geht es ans Eingemachte, nämlich um unsere Nährstoffe. Wir essen ja eine ganze Menge unterschiedlichsten Kram. Doch alles was wir Essen und uns die Energie gibt, die wir brauchen, um zu überleben – oder dieses Video zu schauen, lässt sich in drei Stoffgruppen einteilen: Proteine, Kohlenhydrate und Lipide.
Nachdem wir nun so einiges über das Wasser erfahren haben, wenden wir uns größeren Molekülen zu. Abgesehen vom Wasser sind die meisten Moleküle in unserem Körper organische Verbindungen. Aber was heißt organische Verbindung überhaupt? Das sind Verbindungen, die Kohlenstoffatome enthalten. Und tatsächlich: alle größeren Moleküle und Naturstoffe haben das Element Kohlenstoff: ob Zucker, ob Eiweiße oder Fette. Doch warum ausgerechnet Kohlenstoff?
Im ersten Kapitel befassten wir uns mit dem grundlegenden Aufbau der Zelle. Dort erwähnte ich, dass wir uns danach mit den biochemischen Grundlagen befassen werden. Doch vorher müssen wir sogar noch weiter ins Detail gehen. Wir starten nämlich mit den chemischen Grundlagen. Etwas, was vielen nicht behagt und manche sogar eine gewisse Abneigung verspüren. Aber diese nicht-biologischen Grundlagen sind insofern wichtig, um später bestimmte Stoffwechselprozesse leichter verstehen zu können.
Keine Angst: Ich werde mich auch hier nicht zu weit aus dem Fenster ragen und nur das wichtigste erklären.
In diesem Teil lernen wir, wie Atome aufgebaut sind und sie sich miteinander verbinden, etwas über das Periodensystem der Elemente und zum Ende wird es ein wenig nass, denn es geht ums Wasser.
Doch fangen wir ganz klein an. Wir haben gelernt, dass die Zelle die kleinste Einheit des Lebens ist. Doch in der Welt der Materie geht es natürlich kleiner. Zellen bestehen aus verschiedenen Verbindungen: Wasser, Proteine, Fette, Zucker, Vitamine usw. usf. Hierbei sprechen wir von Molekülen. Moleküle sind wiederrum aus Atomen zusammengesetzt.
Das Atom ist jeweils der kleinste Teil der Materie eines Elementes. Eine lange Zeit nahm man an, dass Atome der kleinste überhaupt existierende Teil der Materie sind. Atom heißt nämlich: unteilbar. Heute wissen wir natürlich, dass Atome ihrerseits aus subatomaren Teilchen bestehen. Die für uns bekanntesten subatomaren Teilchen und die, die für unsere Videoreihe völlig ausreichen, sind die Protonen und Neutronen, sowie die Elektronen (Abb. 1).
Mit diesem Artikel starte ich eine Artikelserie, die sich mit dem Aufbau und Funktionen der zelle befasst. Die Zellbiologie, auch Cytologie genannt, ist ein Teilgebiet der Biologie, welches die biologischen Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen versucht. Die Zellbiologie hat engste Kontakte mit anderen biologischen Disziplinen, wie der Biochemie, Molekularbiologie, Zoologie und Botanik. In dieser Videoreihe wird es nicht anders aussehen. Mein Wunsch ist es verschiedenste Prozesse, die in einer Zelle geschehen darzustellen. Ihr erfahrt etwas über den Aufbau der Zelle, über Zellatmung, Photosynthese und andere Stoffwechselprozesse sowie die gesamten Vorgänge der Molekulargenetik, wie Aufbau und Funktion der DNA, die Proteinbiosynthese, Genregulation etc.
Unser Planet hat eine schier unendliche Anzahl verschiedenster Lebensformen, die die Materie aus der Umgebung aufnehmen und diese nicht nur dazu nutzen, um sich selbst zu erhalten, sondern auch Kopien von sich anfertigen, sich also vermehren. Doch Leben als solches zu definieren ist tatsächlich nicht einfach. Denn wenn es um das Leben geht, denken wir häufig an uns selbst oder vielleicht an unsere Haustiere. Doch auch Pflanzen leben, Pilze und Bakterien auch. Viren gelten nicht als Lebewesen, stehen aber in ihrer Daseinsform zwischen belebter und unbelebter Materie.
Im Beitrag über das Corona-Virus wurde erwähnt, dass es auch sogenannte endogene Retroviren gibt. Zur Erinnerung: Endogene Viren können ihr Genom in das Genom des Wirtes einpflanzen und über die Keimzellen an die nächste Generation vererben.
Diese endogenen Viren machen tatsächlich einen beachtlichen Anteil unseres Genoms aus.
Kreationisten sind verliebt in Fossilien. Sie wissen zwar nicht viel davon, denn meist referieren sie aus Kinderbüchern über Dinosaurier, reden aber umso mehr wirres Zeug darüber. Schließlich stacheln sie sich untereinander auf, gebetsmühlenartig zu widerholen, es gebe nichts als Lücken im Fossilbericht. Sie stellen die Behauptung auf, dass wenn Evolution wahr wäre, müssten es Millionen und Abermillionen von sogenannten Übergangsformen geben. Und diese Übergangsformen müsste man im Fossilbericht wiederfinden. Diese gäbe es jedoch nicht, behaupten sie dann aber. Wenn man ihnen dann einige Übergangsformen zeigt, z. B. Archaeopteryx, dann sagen sie, dass Archaeopteryx nicht den Übergang von Dinosauriern zu Vögeln zeige, sondern einfach nur ein fertiger Vogel sei. Bei genauerer Betrachtung wird man jedoch feststellen, dass Kreationisten eine sehr obskure Vorstellung dessen haben, was eine Übergangsform ist und ihnen jegliche Kenntnis der Anatomie, Systematik, ja gar der Biologie und Wissenschaft überhaupt fehlt. Schauen wir uns mal einige ihrer Vorstellungen an:
Eigentlich war es nicht mein Ziel einen weiteren Beitrag zu Corona zu machen, denn beim ersten wurden eigentlich alle wichtigen Fakten genannt. Wer Interesse hat, kann sich das Video gerne nochmal anschauen. Und: Wer bis Minute 11 nicht folgen konnte, hat sich meines Erachtens nach jegliches Recht verspielt, über Corona zu urteilen. Der erste Beitrag behandelte nicht nur die Grundlagen der Virologie und die Ursprünge des neuen Corona-Virus, sondern setzte sich auch kritisch mit den Thesen von Wodarg und Bhakdi auseinander und widerlegte einige Verschwörungsmythen um das Corona-Virus, u. a. die Behauptung, dass es in einem Geheimlabor gezüchtet wurde. Und eigentlich wurde alles Notwendige erwähnt. Eigentlich. Denn ich habe mir niemals zu träumen gewagt, dass in Bezug zu Corona sich noch weiterer Irrsinn verbreitet, den ich nicht unkommentiert lassen möchte. Im Wesentlichen möchte ich in diesem Beitrag die Frage der Übersterblichkeit durch Corona, den Vergleich mit Influenza, dem R-Wert und die PCR-Tests behandeln. Es geht hier also nochmals um rein medizinische Aspekte. Es werden noch weitere Beiträge kommen, die sich mit der Schweinegrippe, der Sache um Bill Gates und diverser Verschwörungsmythen über Corona, die im ersten Beitrag nicht gedeckt wurden und die unerträgliche Hetze gegen China befassen.
Lesetext: Homologie
In den vorherigen Kapiteln haben wir uns intensiv mit der phylogenetischen Systematik und Kladistik befasst.
Wir halten fest: Lebewesen sind ein Mosaik aus apomorphen und plesiomorphen Merkmalen. Doch wie bestimme ich, welche Merkmale apomorph und welche plesiomorph sind?
Das System von Linne hat einige große Schwächen:
Linné war kein Anhänger der Evolution, sondern glaubte an die Konstanz der Arten. Linné ordnete die verschiedenen Tiere und Pflanzen nach ihren Merkmalen, evolutionäre Ursprünge kamen ihm dabei nicht in den Sinn.
Dass Evolutionsverlauf und Verwandtschaftsbeziehungen früher keine große Rolle spielten, zeigt sich z. B. darin, dass Elefanten, Flusspferde und Nashörner als Dickhäuter (Pachydermes) zusammengefasst wurden, obwohl wir heute wissen, dass alle drei Gruppen unterschiedlichen evolutionären Linien entsprangen. Elefanten sind näher mit den Schliefern und Seekühen verwandt, Nashörner werden mit den Pferden und Tapiren zu den Unpaarhufern zusammengefasst und Flusspferde sind Paarhufer, deren nächsten heute lebenden Verwandten die Wale sind.
Es braucht also ein Ordnungsprinzip, dass den Evolutionsverlauf und die Verwandtschaftsbeziehungen berücksichtigt, denn nicht Merkmale definieren Gruppen, sondern die Abstammung. Es muss also untersucht werden, welche Merkmale geeignet sind die Verwandtschaftsbeziehungen zu ermitteln. Hier bedient man sich der Methoden der phylogenetischen Systematik.