(5) Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens

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Fragen zur Entstehung und den

Grundprozessen des Lebens

www.icbm.de/pmbio

(5)

Bausteine der Zelle

Überblick

-- Lebensmoleküle

-- Grundprozesse des Lebens -- Das anthropische Prinzip -- Lebensweisen

-- Freiheit des Willens -- Lebensenergie

-- Information und Evolution -- Ein plausibles Szenarium

Wie‘s weiter geht

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Biosolvens

Gasförmige Lebewesen?

-- Vollständige Raumausfüllung, Durchmischung, keine Individualität

Leben nur als Festkörper?

-- Beweglichkeit von Molekülen?

=> Flüssigphase erforderlich, Gasphase wichtig

Dipol

Wasser

Wasserstoffbrücken

Energie≈20 kJ/mol H-Brücken

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Wasser

Wasser -2

Oberflächenspannung(72 dyn cm^-1) z. Vgl. Benzol 29, Äthyläther 17 dyn cm^-1

(Oberflächenspannung entsteht dadurch, dass an der Oberfläche Wechselwirkungen nicht nach allen Richtungen gleich (isotrop) sind. )

•hochgeordnete (hydrophobe) Struktur, schwer zu durchdringen, Neustonals angepasste Lebensgemeinschaft

•Tropfenform(kleinste Oberfläche)

•Sehr hohe Verdampfungswärme(41 kJ mol^-1)

Wasser

Wasser -3

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Wasser

•hohe Wärmekapazität(1 cal g^-1K^-1) z. Vgl. Steine, Eisen... (0.2 cal g^-1K^-1)

•geringe Wärmeleitfähigkeit

•hervorragendes Lösungsmittelfür Salze und polare Stoffe

•Dissoziierbarzu H⁺und OH^-(hydratisiert)

Durch Dipole werden ionisierbare Gruppe (-NH₂, -COOH) dissoziiert

=> zusätzliche Wasserstoffbrücken

Salze in geringer Konzentration verbessern Löslichkeit von Proteinen (Einsalz-Effektdurch Anbieten der hydratisierbarer Positionen) Salze in hoher Konzentration verschlechtern Löslichkeit von Proteinen

(Aussalz-Effektdurch Konkurrenz um Wasserhüllen)

Wasser -4

Wasser

Wasser -5

•Wasser fördertVesikelbildungvon hydrophoben Substanzen (Lipiden)

•Schlechter elektrischer Leiter, Leitfähigkeit durch Salze erhöht

•HoheDielektrizitäts-Konstante, d.h. Wasser verringert die Wechselwirkung von elektrischen Ladungen,

z.B. 1/80 vgl. mit Luft, 1/3 vgl. mit Alkohol

Spannung über biologische Membranen 180 mV/8 nm > 20 000 V/mm

•Dichte-Anomalie: höchste Dichte bei 4°C, da dort bereits semikristalline Struktur, Eis voluminösere Gitterkstruktur

=> Seen frieren nicht von unten zu!

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Wasser & Leben

• 60 - 99 % der Masse aller Lebewesen

• der häufigste Reaktionspartner bei biologischen Reaktionen

• Wasserspaltung nur unter Lichteinwirkung (Photosynthese)

Wasser & Leben

Bausteine

• Subatomare Bausteine

• Chemische Elemente

• Moleküle

• Molekülaggregate

• Organellen

• Zellen

• Gewebe

• Organ

• Organismen

(• • • Population, Lebensgemeinschaft)

• (Quarks, ...) Protonen, Elektronen

• Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff

• Wasser: H₂O, Zucker: C₆H₁₂O₆, Peptid

• Multi-Enzymkomplex

• Zellkern, Mitochondrium

• Bakterium, Mundschleimhautzelle

• Fettgewebe

• Herz

• Bakterium, Amöbe, Mensch, Baum zum Beispiel

Die Zelle ist die kleinste Einheit mit allen Kennzeichen von Leben.

Lebewesen bestehen aus einer (die meisten!) oder aus vielen Zellen.

Bausteine der Lebewesen

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Zelle

Zellwand + Membran

=> Luftballon im Jutesack (statt Luft eher Hotel-Honig)

Membranen

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Membranen

Membran-Eigenschaften

•Phospholipid-Doppelschicht 6 - 8 nm dick

•Vesikelbildung, nicht reißfest, aber dicht,

•Semipermeabel = strikt selektiv permeabel

Durchlässig für: Gase, kl. ungeladene Moleküle (H₂O, kl. Alkohole, kl. Säuren, Essigsäure, Propionsäure, Benzoesäure), wenige geladene Hemmstoffe (Ionophore, lipophile Ionen)

Undurchlässigfür: Ionen (Na⁺[10^-9* H₂O], K+, Cl-, H+...), Glucose, ATP, größere Moleküle (z.B. Proteine)

• Feldstärke: > 20 000 V/mm

•Membranproteine(30 - 50 % der Trockenmasse)

• Funktion(!?)

Abgrenzung des Individuums, Transport, Energiestoffwechsel, Kommunikation,

• organismentypische Variationen: Steroidenur bei Eukaryoten, Hopanoidebei Prokaryoten, Etherlipidebei Archäen

DNA

DNA- & RNA-

Bausteine

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DNA

DNA-Doppelhelix

DNA-Struktur

DNA

•Zwei antiparallele Stränge, Doppel-Helix (Spirale)

•zwei [A]=[T] oder drei [G]≡[C] Wasserstoffbrücken 3‘-OH ---> 5‘-OH

A G G C T T A . . ... ... ... . . . . . .

T C C G A A T

5´-OH <--- 3´-OH

•ringförmig in Bakteriengenom und Plasmiden

•"einfacher" Mechanismus für Replikation und Transkription, ->

Komplementärstrang-Bildung

• Eukaryoten: Mehrere lineare Chromosomen, Histone zur Verpackung, Telomerasen zur Verlängerung linearer Chromosomen

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RNA

•einsträngig, z.T. Schleifen

•Uracil statt Thymin

•Ribose etwas weniger stabil

•80 % ribosomale RNA (rRNA)

•1-5 % messenger RNA (mRNA)

•10 - 15 % transfer RNA (tRNA)

•Katalyse(!): Proteinsynthese anRibosomen:

mehrere RNA-Stränge + 70 Proteine

Verbreitung universell, hochkonserviert

=> Einheit der Biochemie => phylogenetischer Stammbaum

DNA-/RNA-Information

DNA

J. Watson und F. Crick 1953

•Information, Datenbank

Bakterium2 - 4*10⁶Nukleotide (1 mm Faden) 1 Bit (binary digit) = 1 Ja-Nein-Entscheidung (0/1) 1 Byte = 8 Bit ≈1 Buchstabe

(Computer-Zeichensatz mit 256 = 2⁸Zeichen) Auswählen: 1 Nukleotid aus 4 entspricht 2 Bit (ld 4) 4 Millionen Nukleotide entsprechen 1 MByte ≈1 Diskette

Mensch 3*10⁹Nukleotide (1 m Faden, ≈25 000 Gene, in jeder Zelle!)

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Die Sequenz von je drei Basen (von innen nach außen zu lesen) legt fest, welche Aminosäure in ein Protein eingebaut wird

Genetischer Code

Der

genetische Code

Genetischer Code

Der genetische Code

•definiert 20 Aminosäuren (+ 2 seltene)

•64 Tripletts, alle möglich, aber nicht nötig (degeneriert) Unschärfe der tRNAs bei 3. Base

•"kommafrei", Rasterverschiebung möglich

•AUG Startcodon, UAA/UGA/UAG Stopp-Codon

•Nicht Aminosäure sondern Anticodon wird erkannt

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Ribosomen sind Organellen aus ribosomaler RNA und Proteinen. Die Ribosomen der Prokaryoten sind etwas kleiner ('70 S') als die der Eukaryoten('80 S').

Transkription und Translation

Von der DNA zum Protein

Aminosäuren Strukturformeln der wichtigsten zwanzig Aminosäuren und Ausbildung einer Peptidbindung

Aminosäuren

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Aminosäuren

Selenocystein und Pyrrolysin werden ebenfalls (durch andere Interpreation von Stopp-Codons) codiert.

Aminosäuren

Chiralität

A

D C

B

Alanin

A B

D C

C-Atom mit 4 verschiedenen Liganden

A

A C

B B

A A

C

C-Atom mit 3 verschiedenen

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Chemische Zusammensetzung

Aus welchen Molekülen besteht eine Zelle

chemisch?

Cypionka, Grundlagen der Mikrobiologie

Könnte das Universum existieren, wenn es darin keine bewussten Wesen gäbe?

•Schwaches anthropisches Prinzip (WAP,weak anthropic principle)

Alle beobachtbaren physikalischen und kosmologischen Größen haben Werte in dem Bereich, der für die Evolution des Lebens notwendig ist.

•Starkes anthropisches Prinzip (SAP)

Das Universum musste zu einem bestimmten Zeitpunkt Bedingungen hervorbringen, die die Entwicklung von Leben gestatten.

•Finales anthropisches Prinzip(FAP)

Intelligente Informationsverarbeitung muss irgendwann im Universum in Erscheinung treten und kann danach niemals wieder aussterben.

Das anthropische Prinzip oder warum gibt es die Welt?

Anthropisches Prinzip

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Anthropisches Prinzip - Ein wissenschaftlicher Beweis für Gott!?

by:Zeitschrift Starobserver Oktober 2000

http://www.student-online.net/Publikationen/597/ap.pdf

Das Universum ist darauf angelegt, Beobachter zuzulassen! So lautet dieses Prinzip in seiner starken Fassung. In der Schwachen Fassung: Das physikalische Universum, das wir beobachten, hat eine Struktur, die die Existenz von uns als Beobachtern zulässt. Letztlich bedeutet dies, dass sich entweder das Universum bewusst so entwickelt hat, um Leben zu schaffen, oder daß hier ein Schöpfer am Werk war.

Der Grund für diese unwissenschaftliche These der Wissenschaftler ist, dass unser Universum und erst recht das Leben quasi auf des Messers Schneide aufgebaut sind.

Beispiele:

Wenn man die Kernkräfte der Atome nur um ein halbes Prozent ändern würde, dann gäbe es entweder keinen Kohlenstoff oder aber keinen Sauerstoff und somit kein Leben, jedenfalls nicht so wie üblich! Jedoch hätten sich alle andere Elemente in den Sternen nicht sehr unterschiedlich entwickelt.

Wäre die Gravitationskraft nur einen winzigen Bruchteil größer, hätte sich das Universum nach kurzer Zeit nicht weiter ausgedehnt, wäre sie minimal kleiner, hätte sich die Materie nie zu Galaxien und Sternen vereinigt.

...

Die Menge des Elements Kohlenstoff im Universum wäre 10.000mal kleiner, wenn es nicht ein Beryllium-Isotop (jenes mit einer Lebenszeit von einer 100 Trillionstel Sekunde) gäbe.

Quasi um nicht kapitulieren zu müssen, schlagen Wissenschaftler unendlich viele sog. Paralleluniversen vor mit jeweils unterschiedlichen kosmischen Konstanten, dann wäre unser Universum eben zufällig eines mit den richtigen Bedingungen für Sternentwicklung und Lebensentwicklung!

...

Dann gibt es noch die Stringtheorie, nach der es nur winzige eindimensionale Fäden, sog. Strings, kurz nach dem Urknall gab, aus denen sich später die Elementarteilchen bildeten. Alle Naturkonstanten ließen sich hiermit auf eine fundamentale Größe reduzieren, die quasi zwangsläufig alles bestimmt.

Allerdings besteht auch hier die Möglichkeit einer planenden Tätigkeit eines Gottes, da es nach der Stringtheorie in einem sehr frühen Stadium des Universums doch die Möglichkeit zur Variation geben würde!

Jedenfalls läßt sich das Anthropische Prinzip z.Zt. nicht mehr einfach wegdiskutieren!

?

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Wir sehen das Universum so, wie es ist, weil wir nicht da wären, um es zu beobachten, wenn es anders wäre.

Durch welche Zufallskette kommt es dazu, dass ein Lottospieler den Jackpot knackt?

Der Negativ-Befund hat keine Beweiskraft.

Das anthropische Prinzip wirft Fragen auf, gibt jedoch keine Erklärungen - außer übernatürlichen.

Zufall ist nicht beweisbar.

Versuchen Sie, mich zu überreden, auf den Tisch zu springen! Kann ich das überhaupt?

Ist freier Wille beweisbar?

... von unserer Homepage (Click of the week)