Ein Blick ins Mikroskop

MAN hat die Zelle als Grundeinheit des Lebens bezeichnet. Alles Lebende — Pflanzen, Tiere und Menschen — setzt sich aus Zellen zusammen. Im Lauf der Jahre haben Wissenschaftler einen Blick auf die Abläufe im Zellinnern geworfen und viele Geheimnisse der Molekularbiologie und der Genetik entschlüsselt. Sehen wir uns die Zellen und das, was die Wissenschaft über diese faszinierenden, mikroskopischen Lebenseinheiten herausgefunden hat, einmal genauer an.

Ein Blick auf das Mikroskopische

Zellen sind unterschiedlich geformt. Sie können rechteckig oder quadratisch aussehen. Manche sind rund, andere eiförmig, und wieder andere wirken einfach wie Kleckse. Ein Beispiel ist die Amöbe, ein einzelliger Organismus, der überhaupt keine feste Form hat. Sie verändert ihre Gestalt, während sie sich bewegt. Interessanterweise läßt die Form einer Zelle oft auf ihre Funktion schließen. So sind einige Muskelzellen lang und dünn und ziehen sich zusammen, wenn sie im Einsatz sind. Die Nervenzellen, die im ganzen Körper Botschaften weiterleiten, haben lange Verzweigungen.

Zellen sind auch unterschiedlich groß. Die meisten sind allerdings zu klein, als daß man sie mit bloßem Auge sehen könnte. Der Punkt am Ende des Satzes kann uns eine Vorstellung von der durchschnittlichen Größe einer Zelle vermitteln. Auf diesem kleinen Fleck hätten an die 500 Zellen von mittlerer Größe Platz. Wenn einem das schon winzig vorkommt, braucht man sich nur einmal vorzustellen, daß manche Bakterienzellen noch ungefähr 50mal kleiner sind. Was ist die größte Zelle? Diese Auszeichnung kann der Dotter des Straußeneis für sich beanspruchen — ein einzelliger „Gigant“, der etwa so groß ist wie ein Tennisball.

Da die meisten Zellen mit bloßem Auge nicht zu sehen sind, nehmen Wissenschaftler Instrumente wie das Mikroskop zu Hilfe, um sie zu erforschen.a Selbst damit lassen sich einige komplizierte Feinstrukturen der Zelle nicht genau erkennen. Dabei kann man mit einem Elektronenmikroskop eine Zelle zirka 200 000fach vergrößern — ein Faktor, der eine Ameise gut 800 Meter lang erscheinen ließe. Doch sogar bei dieser Vergrößerung sind einige Details der Zelle nicht auszumachen.

Wissenschaftler haben festgestellt, daß die Zelle hoch kompliziert ist. In seinem Buch The Fifth Miracle erklärt der Physiker Paul Davies: „Jede Zelle steckt voller winziger Gebilde, die geradewegs aus einem Ingenieurhandbuch stammen könnten: winzige Pinzetten, Scheren, Pumpen, Motoren, Hebel, Ventile, Röhren, Ketten und sogar Fahrzeuge in Hülle und Fülle. Doch die Zelle ist natürlich mehr als lediglich eine Ansammlung von Apparaten. Die verschiedenen Bestandteile greifen ineinander und bilden ein reibungslos funktionierendes Ganzes, vergleichbar mit einer ausgeklügelten Fertigungsstraße in einer Fabrik.“

Die DNS — das Vererbungsmolekül

Menschen bestehen wie auch vielzellige Pflanzen und Tiere am Anfang aus einer einzigen Zelle. Nachdem diese Zelle eine bestimmte Größe erreicht hat, teilt sie sich in zwei Zellen. Dann teilen sich diese beiden Zellen und bilden vier Zellen. Nach weiteren Teilungen spezialisieren sich die Zellen und werden zum Beispiel zu Muskelzellen, Nervenzellen oder Hautzellen. Im weiteren Verlauf gruppieren sich viele Zellen zur Bildung von Gewebe. Muskelzellen beispielsweise tun sich zu Muskelgewebe zusammen. Verschiedene Gewebearten bilden Organe wie das Herz, die Lunge und die Augen.

Unter der dünnen Hülle jeder Zelle befindet sich eine gallertige Flüssigkeit, das Zytoplasma. Weiter innen liegt der Zellkern, der durch eine feine Membran vom Zytoplasma getrennt ist. Der Zellkern wird auch als Steuerungszentrale bezeichnet, weil er fast alle Tätigkeiten der Zelle dirigiert. Der Kern enthält das genetische Programm der Zelle, geschrieben als Desoxyribonukleinsäure — kurz: DNS.

DNS-Moleküle liegen fest verdrillt in den Chromosomen der Zelle. Die Gene, das heißt Abschnitte der DNS-Moleküle, bergen alle Informationen in sich, die nötig sind, um uns zu dem zu machen, was wir sind. „Das genetische Programm in der DNS gewährleistet, daß sich jedes Lebewesen von allen anderen Lebewesen unterscheidet“, heißt es in der World Book Encyclopedia. „Dieses Programm bewirkt, daß sich ein Hund von einem Fisch unterscheidet, ein Zebra von einer Rose und eine Weide von einer Wespe. Es sorgt dafür, daß jeder Mensch auf der Erde anders ist.“

Der Informationsgehalt der DNS einer einzigen menschlichen Zelle ist unfaßbar groß. Er entspricht ungefähr dem von einer Million Seiten wie dieser. Da die DNS dafür zuständig ist, Erbinformationen von einer Zellgeneration an die nächste weiterzugeben, hat man sie auch schon als Gesamtplan allen Lebens bezeichnet. Aber wie sieht die DNS eigentlich aus?

Die DNS besteht aus zwei umeinandergewundenen Strängen und hat die Form einer Wendeltreppe oder einer in sich verdrehten Leiter. Die beiden Stränge sind durch Kombinationen von vier Verbindungen, die man Basen nennt, miteinander verknüpft. Jede Base des einen Strangs bildet mit einer Base des anderen Strangs ein Paar. Diese Basenpaare sind die Sprossen der in sich verdrehten DNS-Leiter. Die genaue Abfolge der Basen im DNS-Molekül ist für die genetische Information ausschlaggebend. Einfach ausgedrückt, bestimmt diese Abfolge so gut wie alles — von der Haarfarbe bis zur Nasenform.

DNS, RNS und Protein

Proteine sind die am häufigsten vorkommenden Makromoleküle in den Zellen. Man schätzt, daß sie bei den meisten Organismen über die Hälfte des Trockengewichts ausmachen. Proteine setzen sich aus kleineren Bausteinen, den Aminosäuren, zusammen. Sie werden zum Teil vom Körper selbst hergestellt und zum Teil durch die Nahrung aufgenommen.

Proteine haben viele Aufgaben. Das Hämoglobin zum Beispiel, ein Protein in den roten Blutkörperchen, transportiert überallhin im Körper Sauerstoff. Dann sind da noch die Antikörper, die dem Organismus helfen, Krankheiten abzuwehren. Andere Proteine wie das Insulin unterstützen den Stoffwechsel und regulieren verschiedene Zellfunktionen. Alles in allem können im menschlichen Körper Tausende verschiedener Proteinarten vorhanden sein. In einer einzelnen Zelle kommen mitunter Hunderte vor.

Jedes Protein erfüllt eine spezielle Aufgabe, die von seinem DNS-Gen festgelegt wird. Doch wie wird die genetische Information in einem DNS-Gen entziffert, so daß ein bestimmtes Protein produziert werden kann? Wie die Grafik „Wie Proteine entstehen“ zeigt, muß die in der DNS gespeicherte genetische Information zuerst vom Zellkern in das Zytoplasma übertragen werden, wo sich die Ribosomen, die Proteinfabriken, befinden. Dieser Transfer wird von einer Vermittlerin bewerkstelligt, der Ribonukleinsäure (RNS). Die Ribosomen im Zytoplasma „lesen“ die RNS-Anweisungen und reihen Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge aneinander, um ein bestimmtes Protein zu bilden. Somit gibt es eine Wechselbeziehung zwischen DNS, RNS und der Proteinherstellung.

Wo liegt der Ursprung?

Das Studium der Genetik und der Molekularbiologie fesselt Wissenschaftler schon seit Jahrzehnten. Der Physiker Paul Davies ist skeptisch, ob ein Schöpfer hinter alldem steht. Doch er räumt ein: „Jedes Molekül hat eine spezifische Funktion und einen festen Platz in dem gesamten Gefüge, so daß die richtigen Gebilde hergestellt werden. Es findet ein reges Hin und Her statt. Moleküle müssen sich, um ihre Aufgabe korrekt erfüllen zu können, in der Zelle fortbewegen, wenn sie an der richtigen Stelle und zur richtigen Zeit mit anderen zusammentreffen sollen. Das alles läuft ab, ohne daß ein Chef die Moleküle herumkommandiert und sie an ihren Bestimmungsort lenkt. Kein Vorgesetzter überwacht ihre Tätigkeit. Die Moleküle tun einfach das, wozu sie da sind: blindlings umherrasen, gegeneinander stoßen, zurückprallen, sich umschließen. ... Gemeinsam gelingt es diesen unintelligenten Atomen irgendwie, den Tanz des Lebens mit äußerster Präzision zu vollführen.“

Mit gutem Grund sind viele, die die Abläufe im Zellinnern erforscht haben, zu dem Schluß gekommen, daß eine intelligente Macht für ihre Erschaffung verantwortlich sein muß. Wir wollen sehen, warum.

[Fußnote]

[Kasten/Diagramm auf Seite 5]

Ein Blick ins Innere der Zelle

Jede Zelle hat einen Zellkern — das Steuerungszentrum. Im Kern sind die Chromosomen enthalten, die aus fest verdrillten DNS-Molekülen und Proteinen bestehen. Unsere Gene liegen auf diesen DNS-Molekülen. Die Ribosomen, die Proteinfabriken, befinden sich im Zytoplasma, das den Zellkern umgibt.

[Diagramm]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Zelle

Ribosomen

Zytoplasma

Zellkern

Chromosomen

DNS — die Leiter des Lebens

[Diagramm auf Seite 7]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Wie sich die DNS repliziert

Zur einfacheren Darstellung wurde die in sich verdrehte DNS-Helix flach abgebildet.

1 Bevor sich Zellen teilen, um die nächste Zellgeneration hervorzubringen, müssen sie die DNS replizieren (eine Kopie der DNS herstellen). Zunächst sind Proteine daran beteiligt, Abschnitte der doppelsträngigen DNS aufzutrennen.

Protein

2 Dann verbinden sich nach den strengen Regeln der Basenpaarbildung freie (verfügbare) Basen in der Zelle mit den entsprechenden Basen an den zwei ursprünglichen Strängen.

Freie Basen

3 Schließlich entstehen zwei Ausfertigungen des Bauplans. Wenn sich die Zelle also teilt, bekommt jede neue Zelle den gleichen DNS-Bauplan.

Protein

Protein

Die DNS-Basenpaarregel:

A immer mit T

A T Thymin

T A Adenin

C immer mit G

C G Guanin

G C Cytosin

[Diagramm auf Seite 8, 9]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Wie Proteine entstehen

Zur einfacheren Darstellung ist ein aus 10 Aminosäuren bestehendes Protein abgebildet. Die meisten Proteine bestehen aus mehr als 100.

1 Ein spezielles Protein trennt einen Abschnitt der DNS-Stränge auf.

Protein

2 Freie RNS-Basen heften sich an die freigelegten DNS-Basen nur eines Stranges und bilden so einen Strang Boten-RNS.

Freie RNS-Basen

3 Die neugebildete Boten-RNS löst sich ab und bewegt sich auf die Ribosomen zu.

4 Eine Transfer-RNS nimmt eine Aminosäure auf und transportiert sie zu dem Ribosom.

Transfer-RNS

Ribosom

5 Während sich das Ribosom an der Boten-RNS entlangbewegt, werden Aminosäuren miteinander zu einer Kette verknüpft.

Aminosäuren

6 Während die Proteinkette gebildet wird, beginnt sie die Form anzunehmen, die ihre richtige Funktion garantiert. Dann wird die Kette vom Ribosom freigegeben.

Die Transfer-RNS hat zwei wichtige Enden:

Das eine erkennt den Kode der Boten-RNS

Das andere Ende trägt die richtige Aminosäure

Transfer-RNS

RNS-Basen verwenden U statt T, daher paart sich U mit A

A U Uracil

U A Adenin