Wie Zellen funktionieren

Transkript

1 Wie Zellen funktionieren

2 David S. Goodsell Wie Zellen funktionieren Wirtschaft und Produktion in der molekularen Welt Mit einem Vorwort Reinhard Renneberg 2. Auflage Aus dem Englischen übersetzt von Isolde Hummel

3 Titel der Originalausgabe: The Machinery of Life Aus dem Englischen übersetzt von Isolde Hummel Translation from the English language edition: The Machinery of Life by David S. Goodsell Copyright Springer Science+Business Media, LLC 2009 All Rights Reserved Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag, der Herausgeber und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de 2. Auflage 2010 Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2010 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Dr. Meike Barth Redaktion: Dr. Birgit Jarosch Herstellung und Satz: Crest Premedia Solutions (P) Ltd, Pune, Maharashtra, India Umschlaggestaltung: wsp design Werbeagentur GmbH, Heidelberg ISBN

4 Das Immunsystem durchdringt die Zellwand eines Bakteriums Unser Blut enthält Proteine, die eindringende Zellen und Viren erkennen und zerstören. Diese Abbildung zeigt eine Bakterienzelle im Querschnitt (untere Bildhälfte; in Grün-, Blau- und Violetttönen dargestellt) während eines Angriffs durch Proteine des Blutserums (oben; gelb und orange). Y-förmige Antikörpermoleküle lösen den Prozess aus, indem sie an die Zellober äche binden; die Antikörper werden wiederum von dem sechsarmigen Protein in der oberen Bildmitte erkannt. Damit beginnt eine Reaktionskaskade, in deren Verlauf ein Membranangriffskomplex gebildet wird, der die Zellwand des Bakteriums durchdringt ( ).

5 Vorwort zur deutschen Ausgabe Kreativität ist ALLES zitiert David Goodsell auf seiner Website den Künstler Pablo Picasso. Ich bin David nie persönlich begegnet, aber wir arbeiten über das Internet bestens kreativ zusammen. Gefunden habe ich ihn, als ich auf der Suche war nach anschaulichen Bildern für meine Bücher bei Spektrum Akademischer Verlag. Eines meiner Hobbies ist es dabei, in das Suchprogramm Google Images meines Computers den Namen eines Biomoleküls einzutippen und dann zu klicken. Macht man das beispielsweise für das Enzym Glucoseoxidase, fallen unter den Abbildungen, die man erhält, sofort die klaren pastellfarbenen Molekülstrukturen von David Goodsell auf. Klickt man weiter, landet man auf seiner Website. David ist Associate Professor am Scripps Research Institute im zauberhaften La Jolla in Kalifornien, einem Mekka der modernen Biologie. Er entwickelt Methoden für Computer-Aided Drug Design, z. B. sucht er mit dem Computer neue Arzneimittelstrukturen, um die Resistenz des Humanimmunschwächevirus (HIV) gegen chemische Hemmstoffe zu überlisten. Seine Liebe und Leidenschaft gilt den Protein- und Zellstrukturen. Er schreibt monatlich einen Steckbrief über Proteine in Molecule of the Month der Protein Data Bank (PDB). Seitdem ich das entdeckt habe, ebere ich seinen neuen Steckbriefen entgegen. Sie sind populär geschrieben, und ich weiß selbst, das ist Schwerstarbeit und sie zeigen stets neue Strukturen in sehr klaren Formen und Farben. Meine chinesischen Studenten benutzen für ihre Kurz-Vorträge bei mir sehr gern David Goodsells Bilder. Warum? Sie zeigen das Wesentliche sehr wichtig für Lernende! Die Molekülbilder, selbst in so beliebten Lehrbüchern wie Stryers Biochemie, sind ansonsten verwirrend detailliert dargestellt. Davids Moleküle kann man sich dagegen plastisch vorstellen. Und sie sind ästhetisch einfach schön! Vielleicht spielt auch eine Rolle, dass David bekennender Yoga-Praktiker ist. Er sieht unsere Welt in Harmonie.

6 viii Vorwort zur deutschen Ausgabe Drei illustrierte Bücher hat David bisher verfasst: The Machinery of Life, deren deutsche Übersetzung Sie hier in Händen halten, Our Molecular Nature, the Body s Motors, Machines and Messages und Bionanotechnology, Lessons from Nature. Sie zieren alle meinen Bücherschrank. Wo kommt das meiner Meinung nach einzigartige Talent Davids her? Sein Großvater war ein begeisterter Aquarellist. Er zeigte David in der Kindheit das Malen mit Wasserfarben. An der Universität von Kalifornien in Los Angeles hatte er das Glück, bei Richard Dickerson zu studieren. Er spezialisierte sich auf Röntgenkristallogra e, womit sich Biomoleküle auf dem atomaren Niveau erforschen und darstellen lassen. Natürlich wollte David diese Moleküle möglichst anschaulich darstellen. Als Postdoc bei Arthur Olson in Scripps konnte er sich auf die Darstellung von Molekülen mit Computergra k konzentrieren. Wie wirken alle diese phantastischen Strukturen in der Zelle, in Aktion?, fragte sich Goodsell in dieser Zeit. Er nahm seine Wasserfarben und simulierte einen Teil einer Zelle. Das gelang ihm so gut, dass er daraus den ihm eigenen Stil, man könnte es als Goodsell-Stil bezeichnen, entwickelte. David nutzt zwei Grundtechniken: Bei individuellen Molekülen startet er mit den Atomkoordinaten und nutzt die Computergra k. Man kann so im Prinzip die Position jedes Atoms darstellen. Für die exakten Zellbilder benutzt er Wasserfarben und zeichnet mit Hand. Dabei beruhen Größe und Form der individuellen Moleküle auf deren Atomstrukturen. Ihre Lokalisierung dagegen basiert auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen. David Goodsell hat meine Vorstellungen von lebenden Zellen verändert. Sein Schnitt durch eine Zelle von Escherichia coli be ügelt Tausende Biofachleute, sein HI-Virus umgeben von Antikörpern ist bereits jetzt schon ein Klassiker. Zellen sind tatsächlich mit Biomolekülen extrem prall gefüllte Räume. Im futuristischen Singapurer Forschungszentrum Biopolis kann man eine ganze Gebäudewand mit Goodsells Zellstrukturen bewundern. Fast erinnern sie mich an mein prall gefülltes quirliges Hongkong. Dem Spektrum Akademischer Verlag ist sehr zu danken, dass er Wie Zellen funktionieren. Wirtschaft und Produktion in der molekularen Welt auf Deutsch herausgebracht hat. Eine Lücke ist nun geschlossen! Das Buch wird auch deutschsprachigen Studierenden und Bio-Interessierten phantastische Vorstellungen der Biowelt vermitteln und sie be ügeln, sich auch weiter dafür zu interessieren. Bon voyage, Goodsell-Buch! Im Winter 2009, Hongkong Prof. Reinhard Renneberg

7 Vorwort des Autors Stellen Sie sich einmal vor, wir könnten einen direkten Blick auf die Moleküle in einem lebenden Organismus werfen. Ein Röntgenmikroskop wäre dafür eine praktische Sache oder, wenn wir unserer Phantasie freien Lauf lassen, vielleicht ein Nanounterseeboot à la Asimov (leider ist beides nach dem heutigen Stand der Technik nicht realisierbar). All die Wunder, die wir aus erster Hand miterleben könnten: Antikörper, die ein Virus angreifen; elektrische Signale, die an Nervenfasern entlangjagen; Proteine, die neue DNA-Stränge herstellen. Viele Fragen, über die sich die Biochemiker heute noch den Kopf zerbrechen, könnten auf einen Blick beantwortet werden. Doch die im Nanobereich angesiedelte Welt der Moleküle ist von unserer vertrauten Welt durch einen schier unüberwindlichen, millionenfachen Größenunterschied getrennt, sodass sie für uns vollkommen unsichtbar ist. Ich möchte mit den Illustrationen in diesem Buch dazu beitragen, diese Kluft zu überbrücken, und uns einen Blick auf die molekulare Struktur von Zellen ermöglichen; es ist kein direkter Blick, sondern eine künstlerische Interpretation dessen, was wir sehen würden. Zu diesem Zweck habe ich in dieses Buch zwei Arten von Abbildungen aufgenommen: mit Wasserfarben gemalte Bilder, die einen kleinen Ausschnitt aus einer lebenden Zelle in einmillionenfacher Vergrößerung zeigen und die Anordnung der Moleküle in ihrem Inneren wiedergeben, sowie Computermodelle, die den genauen atomaren Aufbau einzelner Moleküle erkennen lassen. In der zweiten Au age sind diese Abbildungen nun ganz in Farbe zu sehen; sie geben einen Einblick in die aufregenden Fortschritte, die die Wissenschaft in den 15 Jahren seit Erscheinen der ersten Au age gemacht hat. Wie schon in der ersten Au age habe ich die Bilder unter verschiedenen thematischen Gesichtspunkten zusammengestellt. Da ist zum einen das Problem des Maßstabs. Die meisten von uns haben nur eine verschwommene Vorstellung davon, in welchem Größenverhältnis Wassermoleküle, Proteine, Ribosomen, Bakterien und Menschen zueinander stehen. Um ein

8 x Vorwort besseres Verständnis von ihrer relativen Größe zu vermitteln, habe ich bei allen Abbildungen mit wenigen, einheitlichen Vergrößerungsfaktoren gearbeitet. Den Bildern, die einen Einblick ins Innere lebender Zellen bieten (so wie die Abbildung vor dem Vorwort und auch die über die zweite Hälfte des Buches verteilten Wasserfarbbilder) liegt eine einmillionenfache Vergrößerung zugrunde. Ihr einheitlicher Maßstab erlaubt es, durch Hin- und Herblättern innerhalb der Kapitel die Größe von DNA, Lipidmembranen, Kernporen und all den anderen molekularen Maschinen in lebenden Zellen zu vergleichen. Bei den Computermodellen einzelner Moleküle habe ich ebenfalls nur wenige, einheitliche Vergrößerungsmaßstäbe verwendet, um den Vergleich zwischen ihnen zu erleichtern. Ich habe für die Abbildungen auch eine einheitliche Darstellungsform gewählt; wiederum, um den direkten Vergleich zu ermöglichen. Für alle Moleküle wurde ein Raummodell verwendet, bei dem jedes einzelne Atom als Kugel dargestellt ist. Bei den Bildern, auf denen Zellen zu sehen sind, ist die Form der Moleküle jeweils eine vereinfachte Version dieses Raummodells; gezeigt wird die äußere Form des Moleküls, ohne die Lage jedes einzelnen Atoms wiederzugeben. Die Farben sind selbstverständlich ganz und gar willkürlich gewählt, da die meisten dieser Moleküle farblos sind. Die Farbgebung soll dazu dienen, die Funktionsmerkmale der Moleküle und ihrer Zellumgebungen noch besser hervorzuheben. Bei den Abbildungen, die das Innere von Zellen darstellen, habe ich mich bemüht, jeweils an der richtigen Stelle eine realistische Menge von Molekülen einzuzeichnen, und auf die richtige Größe und Form geachtet. In den 15 Jahren seit Erscheinen der Erstau age ist eine beträchtliche Menge neuer Daten hinzugekommen, die diese Bilder stützen; die bis heute veröffentlichten Daten über die Verteilung und Konzentration von Molekülen sind jedoch bei weitem noch nicht vollständig. Deshalb unterliegen die Bilder von Zellen einer gewissen persönlichen Interpretation, insbesondere die Abbildungen der menschlichen Zellen in den Kapiteln 5 und 6. Wie bereits in der ersten Au age habe ich den Text für Leser ohne wissenschaftliche Vorkenntnisse geschrieben; der Grad von wissenschaftlicher Genauigkeit bei den Abbildungen sollte jedoch auch die Naturwissenschaftler unter meinen Lesern zufriedenstellen. Dem Laien bietet das Buch eine Einführung in die Molekularbiologie eine reich bebilderte Übersicht über die Moleküle, die für den Ablauf der lebenswichtigen Prozesse im Körper sorgen. In die Neuau age wurden viele neue Erkenntnisse aus dem Bereich der Molekularbiologie aufgenommen; sie enthält auch ein neues Kapitel über Leben, Altern und Tod.

9 Vorwort xi Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass dieses Buch keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt ich habe eine Reihe von Themen ausgewählt, die jene Aspekte der Molekularbiologie behandeln, die ich als besonders spektakulär und faszinierend emp nde. Wer detailliertere und umfassendere Informationen sucht, sei auf die hervorragenden Lehrbücher verwiesen, die am Ende des Buches aufgelistet sind. Insbesondere die Molekularbiologie der Zelle erleichtert den Zugang zum weiteren Studium fast aller Bereiche der Zell- oder Molekularbiologie. Was die Wissenschaftler unter meinen Lesern betrifft, so hoffe ich, dass das Buch ihre Vorstellungskraft weiter be ügeln wird. Die Abbildungen sollen ihnen helfen so wie sie mir selbst geholfen haben sich biologische Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung vorzustellen: dicht gedrängt im Inneren von lebenden Zellen. Ich danke all denen, die dieses Projekt von Anfang bis Ende begleitet haben. Arthur Olson hat mir wieder in jedem Stadium hilfreiche Anregungen gegeben und mir im Molecular Graphics Laboratory am Scripps Research Institute in La Jolla eine wunderbare Arbeitsumgebung geboten. Ein Großteil des Materials zu diesem Buch wurde im Rahmen meiner Serie Molecule of the Month an der RCSB Protein Data Bank erstellt, mit deren freundlicher Unterstützung ich die letzten acht Jahre lang Bildmaterial entwickeln und schreiben durfte. Mein Dank geht ebenfalls an die Fondation Scienti que Fourmentin-Guilbert für ihre freundliche Unterstützung dieses Projekts. Die Computermodelle wurden mit Methoden erstellt, die ich im Rahmen des Daymon Runyon-Walter Winchell Cancer Research Fund, der National Institutes of Health und der National Science Foundation entwickelt habe. Abschließend möchte ich Bill Grimm für seine Unterstützung und Zuversicht danken. La Jolla, CA (USA) D.S. Goodsell

10 Inhalt Vorwort zur deutschen Ausgabe vii Vorwort des Autors ix 1 Einführung Eine Frage des Maßstabs Die Welt der Moleküle Molekulare Maschinen Nucleinsäuren Proteine Lipide Polysaccharide Die seltsame Welt der zellulären Moleküle Prozesse des Lebens Aufbau der Moleküle Nutzung von Energie Schutz und Wahrnehmung Moleküle in Zellen: Escherichia coli Die schützende äußere Begrenzung Synthese neuer Proteine Energiegewinnung in der Zelle Zelluläre Propeller Molekulare Kriegsführung Die menschliche Zelle Vorteile der Kompartimente

11 xiv Inhalt 6 Der menschliche Körper Vorteile der Spezialisierung Infrastruktur und Kommunikation Muskel Blut Nervensystem Leben und Tod Ubiquitin und das Proteasom DNA-Reparatur Telomere Programmierter Zelltod Krebs Altern Tod Viren Poliovirus und Rhinovirus Grippevirus Menschliches Immunschwächevirus (HIV) Impfstoffe Wir und unsere Moleküle Vitamine Gifte mit breitem Wirkungsspektrum Bakterielle Toxine Antibiotika Arzneistoffe und Gifte des Nervensystems Wir und unsere Moleküle Atomkoordinaten Weiterführende Literatur Sachverzeichnis

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13 Kapitel 1 Einführung In unserer Welt wimmelt es nur so von vielfältigen Lebensformen. Stellen Sie sich vor, Sie machen einen gemächlichen Spaziergang durch einen bewaldeten Park. In der Mittagssonne tanzen die Schatten von Eichen und Ahornbäumen. Vögel und Schmetterlinge attern durch die Luft und ein Eichhörnchen klettert raschelnd einen Baumstamm hoch. In einem typischen Waldgebiet sind Sie von Dutzenden Baum- und anderen P anzenarten umgeben, zwischen denen sich noch mehr Vogelarten tummeln. Auf dem Boden krabbeln Insekten herum; sie klettern durchs Laub und summen durch die Luft. Sogar mitten in der Stadt kann man eine Vielzahl an P anzen nden einige sorgsam gep egt und einige, die das Augenmerk des Gärtners gerade nicht auf sich lenken wollen. Auch sie beherbergen die verschiedensten Vögel und Insekten, die alle inmitten von Häusern und Beton ihr Dasein fristen. Wenn Sie das nächste Mal durch einen Park schlendern oder eine Waldwanderung unternehmen, wenn Sie irgendwo sind, wo es P anzen und Tiere gibt, dann nehmen Sie sich einen Moment Zeit, und betrachten Sie Ihre Umgebung einmal mit dem Auge des Biologen. Vielleicht ist es der Wissenschaft ja möglich, viele Wunder, die uns bei unserer alltäglichen Wahrnehmung verborgen bleiben, zu enthüllen und in dieser Waldlandschaft verbirgt sich etwas wirklich Außergewöhnliches. Als sie die P anzen, Vögel und anderen Tiere, die um uns herum leben, erforschten, haben Abb. 1.1 Labor Zelle Alles Leben auf der Erde besteht aus Zellen, die sich wiederum aus Molekülen zusammensetzen. Hier ist eine einzelne Bakterienzelle im Querschnitt zu sehen. Sie ist von einer mehrschichtigen Zellwand umgeben (hier grün dargestellt). Die langen, korkenzieherförmigen Geißeln werden von Motoren in der Zellwand in eine Drehbewegung versetzt; mit diesem Antrieb bewegt sich die Zelle in ihrer Umgebung fort. Das Innere der Zelle ist gefüllt mit molekularen Maschinen, die Moleküle aufbauen und reparieren, verschiedene Energiequellen nutzbar machen, Gefahren aus der Zellumgebung erkennen und die Zelle vor ihnen schützen ( ).

14 2 1 Einführung die Wissenschaftler entdeckt, dass wir alle, Sie und ich, mit allen anderen Lebewesen auf der Erde verwandt sind. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie diese Verwandtschaft selbst erkennen. Schon ein üchtiger Blick genügt, um zu zeigen, dass wir eng mit Mutter und Vater verwandt sind, mit unseren Geschwistern und sogar mit den anderen Männern und Frauen, die vielleicht gerade auf einem Waldweg oder einer belebten Einkaufsstraße an uns vorbeigehen. Die Unterschiede zwischen uns sind minimal leichte Variationen in Körperbau und Hautfarbe. Wir verfügen über die gleichen Sinne; wenn wir gehen und sprechen, erfolgt das gleiche Zusammenspiel von Muskeln und Knochen; wir werden alle auf die gleiche Weise geboren und wir sterben, wenn unsere Körper am Ende einer ähnlich langen Zeitspanne verbraucht sind. Man muss keine Stammbäume zurückverfolgen, um zu beweisen, dass alle Menschen miteinander verwandt sind: Das wird schon beim bloßen Hinsehen klar. Um die Beziehung zu den nächsten biologischen Verwandten des Menschen zu erkennen, ist schon eine genauere Untersuchung erforderlich. Ein Besuch im Zoo führt uns vor Augen, wie nahe wir mit den dort üblicherweise lebenden Tieren verwandt sind. Vögel und Säugetiere, Reptilien, Amphibien und Fische sind alle entfernte Vettern von uns. Wir müssen ihre Anatomie etwas genauer betrachten, um die Familienähnlichkeit zu erkennen. Wir alle haben ein ähnliches Verdauungs- und Nervensystem sowie ein System von Knochen und Muskeln, die Kopf, Torso und vier Gliedmaßen umschließen. Die Unterschiede zwischen uns und einem Elefanten oder einer Eidechse sind eigentlich kaum der Rede wert: Sie haben längere Beine, dichtere Behaarung oder schärfere Zähne. Richtig interessant wird es, wenn wir beginnen, unsere biologische Familie im weiteren Sinne zu betrachten. Dazu gehören alle Lebewesen: P anzen, Schwämme, Insekten, Plattwürmer und alle möglichen entfernten und exotischen Verwandten. Um diese Verwandtschaftsbeziehungen aufzudecken, müssen wir tief in die Werkzeugkiste der Biologie greifen. Eine Untersuchung der Anatomie hilft uns nicht viel weiter wir unterscheiden uns so stark von einem Baum, dass es schwierig ist, sinnvolle Analogien etwa zwischen unserem Magen und einer Baumwurzel herzustellen, die beide der Nahrungsaufnahme dienen. Doch ein Blick durchs Mikroskop zeigt, dass alle lebenden Organismen aus Zellen bestehen und dass sich die Zellen eines Baumes und die Zellen unserer Hand verblüffend ähnlich sehen. Es ist wohl die erstaunlichste Erkenntnis der Biologie, dass sogar die Bakterien ein Teil unserer Familiengeschichte sind. Bakterien bestehen nur aus einer einzigen Zelle ( Abb. 1.1 ) statt den Billionen von Zellen, aus denen sich unser Körper zusammensetzt, und doch verwenden sie weitgehend die gleichen molekularen Maschinen wie die Körperzellen des Menschen. Bei

15 Eine Frage des Maßstabs 3 Abb. 1.2 Molekulare Maschinen Viele molekulare Maschinen sind in allen lebenden Zellen in fast identischer Form vorhanden. Das gilt vor allem für Moleküle, die für die Lebensprozesse von zentraler Bedeutung sind, so zum Beispiel das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, das beim Zuckerstoffwechsel aller drei abgebildeten Organismen eine entscheidende Rolle spielt. Die Abbildung zeigt die ähnliche Struktur eines Enzyms aus einer Bakterienzelle (links), einer P anzenzelle (Mitte) und aus menschlichen Zellen (rechts) ( ). sehr genauer Betrachtung der Moleküle, deren Zusammenspiel die Lebensfunktionen aufrechterhält, wird diese Ähnlichkeit deutlich ( Abb. 1.2 ). Jedes Lebewesen auf der Erde benutzt ähnliche molekulare Mechanismen, um sich zu ernähren, zu atmen, sich zu bewegen und fortzup anzen. Deshalb benötigen Bäume, Frösche und Botulismus-Bakterien allesamt Wasser und Nahrung; sie alle sterben, wenn es für sie zu heiß oder zu kalt wird; und sie können sich vermehren und neue Bäume, Frösche und Botulismus-Bakterien hervorbringen, wenn die äußeren Bedingungen günstig sind. In diesem Buch werden wir unser gemeinsames Erbe, die molekularen Maschinen, erforschen. Wir beginnen mit einer Betrachtung der Maschinen selbst und der seltsamen molekularen Welt, in der sie ihre Aufgaben erfüllen. Danach untersuchen wir ihr Zusammenwirken in lebenden Zellen. Zum Abschluss wird eine Reihe von speziellen Themen rund um den menschlichen Körper mit seinen Molekülen und Zellen behandelt. Eine Frage des Maßstabs Beinahe alles, wovon in diesem Buch die Rede sein wird, ist für das menschliche Auge zu klein. Zellen sind klein, wenn auch nicht unvorstellbar klein, und Moleküle sind winzig. Zellen sind etwa 1000-mal kleiner als Gegenstände in unserer Alltagswelt. Die größten Zellen, zum Beispiel Protozoen,

16 4 1 Einführung Abb. 1.3 Moleküle Für die Abbildungen in diesem Buch wurden zwei verschiedene Darstellungsformen verwendet. Um einzelne Moleküle abzubilden, z.b. das Hämoglobinmolekül (rechts), wurde mithilfe eines Computerprogramms für jedes Atom des Moleküls eine Kugel mit dem Kern als Mittelpunkt gezeichnet, etwa in der Größe der Elektronenwolke, die den Kern umhüllt. Auf diesen Abbildungen sind die einzelnen Atome leicht zu erkennen dieses hier ist mit facher Vergrößerung gezeichnet. Bei den von Hand gezeichneten Abbildungen, die die Moleküle in den Zellen zeigen, so wie der Ausschnitt aus einem roten Blutkörperchen (links), sind die Umrisse der Moleküle vereinfacht dargestellt und die einzelnen Atome sind so klein, dass man sie nicht sehen kann (sie wären bei dieser Vergrößerung etwa so groß wie ein Salzkorn). Alle von Hand gezeichneten Illustrationen wurden mit facher Vergrößerung erstellt. kann man mit einer Lupe erkennen, aber für die meisten Zellen des menschlichen Körpers braucht man ein Mikroskop. Eine typische Zelle in unserem Körper ist etwa 10 m lang das ist ungefähr 1000-mal kürzer als Ihr letztes Fingerglied. Einen 1000-fachen Größenunterschied kann man sich leicht vorstellen: Ein Reiskorn ist etwa 1000-mal kürzer als das Zimmer, in dem Sie sitzen. Stellen Sie sich vor, Ihr Zimmer wäre mit Reiskörnern gefüllt. So bekommen Sie eine Vorstellung von den etwa eine Milliarde Zellen, die Ihre Fingerspitze bilden. Eine weitere Verkleinerung um den Faktor 1000 bringt uns in die Welt der Moleküle. Moleküle sind so klein, dass sie kürzer sind als die Wellenlänge des Lichts; deshalb ist es nicht möglich, sie direkt mit einem Lichtmikroskop zu sehen. Stattdessen verwenden wir Methoden wie Röntgenstrukturanalyse, NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie, um die Anordnung der Atome in einem Molekül festzustellen, und erzeugen dann künstliche Bilder von ihnen ( Abb. 1.3 ). Ein durchschnittliches Protein aus einer beliebigen Zelle enthält etwa 5000 Atome; seine Länge beträgt etwa ein Tausendstel der Länge einer typischen Zelle oder ein Millionstel der Breite Ihrer Fingerkuppe. Um sich diese Größenordnung vorstellen zu können, denken Sie auch jetzt wieder

17 Die Welt der Moleküle 5 an ein Zimmer voller Reiskörner. So bekommen Sie eine Vorstellung von der Größe der Proteine, von denen es in jeder einzelnen Ihrer Zellen unzählige gibt. Die Welt der Moleküle Die Moleküle in unseren Zellen erfüllen ihre Aufgaben in einer fremden, uns nicht vertrauten Welt. Wir müssen also vorsichtig sein: Bei dem Versuch, einen molekularen Ablauf zu verstehen, könnte uns unsere Intuition im Stich lassen. Die Prinzipien, die für Objekte in unserem Alltag bestimmend sind Schwerkraft, Reibung, Temperatur, haben auf molekularer Ebene einen vollkommen anderen Ein uss und sind in ihrer Wirkung oft nicht wiederzuerkennen. Eine grundlegende Eigenschaft bleibt allerdings gleich, egal ob wir bei unserem Körper als Maßstab bleiben oder uns auf molekularer Ebene bewegen: die Festigkeit der Materie. Auf molekularer Ebene müssen wir uns nicht allzu sehr um die seltsamen Dinge kümmern, mit denen sich die Quantenmechanik beschäftigt: In einer ersten Annäherung kann man sagen, dass Moleküle eine bestimmte Größe und eine bestimmte Form haben, und man kann sich vorstellen, wie sie aufeinanderprallen und sich miteinander verbinden, wenn ihre Strukturen zusammenpassen. Wenn wir genau hinschauen, sind sie am Rand vielleicht ein bisschen unscharf, doch für unsere Zwecke können wir sie uns als physische Objekte vorstellen, so wie Tische und Stühle. Andere Eigenschaften sind in der molekularen Welt jedoch vollkommen anders. So sind Moleküle zum Beispiel so klein, dass die Schwerkraft für sie überhaupt keine Rolle spielt. Die Bewegungen und die Wechselwirkungen biologischer Moleküle werden vollständig von den sie umgebenden Wassermolekülen bestimmt. Bei Zimmertemperatur bewegt sich ein mittelgroßes Protein mit einer Geschwindigkeit von etwa fünf Metern pro Sekunde (der Geschwindigkeit eines schnellen Läufers). Könnte man es allein in einen leeren Raum setzen, würde dieses Protein eine Strecke, die seiner eigenen Länge entspricht, in etwa einer Nanosekunde (einem Milliardenbruchteil einer Sekunde) zurücklegen. In der Zelle wird dieses Protein jedoch auf allen Seiten von Wassermolekülen angestoßen. Es springt hin und her, stets mit großer Geschwindigkeit, aber es kommt dabei nur sehr langsam voran ( Abb. 1.4 ). Im Wasser braucht dieses typische Protein nun für eine Strecke von einer Proteinlänge beinahe 1000-mal länger. Stellen Sie sich eine ähnliche Situation in unserer gewohnten Umgebung vor. Sie betreten ein Flughafengebäude und wollen zu einem Schalter auf der anderen Seite der Halle. Der Abstand beträgt einige Meter eine

18 6 1 Einführung Abb. 1.4 Diffusion von Molekülen Moleküle bewegen sich ständig durch das Zellinnere; man bezeichnet dies als Diffusion. Sie werden mal hierhin, mal dorthin gestoßen. Diese Abbildung zeigt mehrere Phasen aus einer Computersimulation, in der sich ein Protein- und ein Zuckermolekül durch eine Bakterienzelle bewegen. Der Weg des Proteins ist blau dargestellt, der Weg des Zuckers rot. Ausgehend von gegenüberliegenden Seiten bewegen sie sich fast durch den gesamten Innenraum der Zelle, bevor sie einander erreichen. Entfernung, die in Relation zu Ihrer Körpergröße steht. Wenn die Halle leer ist, sind Sie in wenigen Sekunden hinübergegangen. Doch stellen Sie sich vor, die Halle wäre stattdessen zum Bersten voll mit anderen Menschen, die versuchen, sich zu ihrem jeweiligen Ab ugschalter durchzukämpfen. Bei all dem Drängeln und Schubsen brauchen Sie nun 15 Minuten, um auf die andere Seite der Halle zu gelangen. Während dieser Zeit werden Sie vermutlich überall im Raum herumgeschubst, vielleicht sogar ein paar Mal an Ihren Ausgangspunkt zurückgedrängt. Dies ähnelt dem Zickzackkurs, den Moleküle in der Zelle einschlagen (allerdings mit dem Unterschied, dass Moleküle kein bestimmtes Ziel haben). Jetzt können Sie sich natürlich fragen, wie in dieser chaotischen Welt überhaupt etwas erledigt werden kann. Es stimmt, dass die Bewegung willkürlich ist; es stimmt jedoch auch, dass sie im Vergleich zu Bewegungen in unserer vertrauten Umgebung sehr schnell erfolgt. Zufällige, diffuse Bewegungen sind für die meisten Funktionen innerhalb der Zelle ausreichend. Jedes Molekül wird einfach herumgestoßen, bis es den richtigen Platz gefunden hat. Um eine Vorstellung von der Geschwindigkeit dieser Bewegung zu bekommen, kann man sich eine typische Bakterienzelle wie die in Abbildung 1.1 gezeigte vorstellen und auf eine Seite der Zelle ein Enzym und auf die andere Seite ein Zuckermolekül plazieren. Die beiden werden