Vom Molekül zum Menschen

Ein Blick auf die Größe

Ein Angström ist ein Zehnmillionstel eines Millimeters, also 1×10-10 Meter. Die folgende Abbildung vermittelt eine Vorstellung von der relativen Größe einiger der oben beschriebenen biologischen Strukturen.

Der Abstand zwischen zwei Kohlenstoffatomen in einer Fettsäurekette beträgt etwas mehr als ein Angström. Ein Glukosemolekül ist etwa 9 Angström groß. Bakterien sind Zehntausende von Angström groß. Und als grobe Schätzung könnte eine typische menschliche Zelle etwa 1/100 Millimeter groß sein, was etwa 1/10 der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Eine faszinierende Perspektive auf die Größe der Dinge, von den kleinsten bis zu den größten Objekten im Universum, finden Sie unter http://htwins.net/scale2/.

Trotz ihrer mikroskopischen Größe ist in Zellen ständig eine Menge los. Diagramme und Mikrofotografien stellen Zellen als starre, statische Säcke dar, die in der Zeit eingefroren sind, aber wenn wir irgendwie eine Reise ins Innere einer Zelle machen könnten, wären wir verblüfft von der Schönheit, der Komplexität und der unglaublichen Aktivität. Sie können zumindest einen kleinen Einblick in das Innenleben einer Zelle erhalten, wenn Sie sich die Animation „The Inner Life of a Cell“ der Harvard University (in voller Länge mit Kommentar) ansehen, die die Leukozytenaktivierung bei einer Entzündung zeigt. Einige der im Video verwendeten Begriffe werden Ihnen fremd sein, aber das Video vermittelt einen großartigen Eindruck vom Innenleben der Zellen und zeigt, dass Zellen dynamische Strukturen sind, in denen ständig viele Prozesse ablaufen.

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Die Macht der Polymere

Eines der grundlegenden Konzepte in der Biologie ist, dass einfache molekulare Strukturen (Monomere) miteinander verbunden werden können, um immer komplexere Strukturen zu bilden. Zum Beispiel können Zuckermonomere wie Glukose und Fruktose miteinander verbunden werden, um sehr große Polysaccharide wie Stärke und Glykogen zu bilden. Aminosäuren können miteinander verbunden werden, um Polypeptide (Proteine) zu bilden. Nukleotide können miteinander verknüpft werden, um DNA und RNA zu bilden.

Neben der Verknüpfung von Molekülen zu langen Ketten können sich viele Moleküle unter geeigneten Bedingungen selbst zu immer komplexeren molekularen Aggregaten zusammenfügen, z. B. zu Membranen oder Lipoproteinen. Und biologische Membranen können die Struktur für intrazelluläre Organellen bilden, die spezialisierte und komplexe Funktionen ausüben können. Mikrotubuli beispielsweise sind hohle Zylinder, die ein inneres Gerüst für eukaryontische Zellen bilden und auch Bahnen darstellen, auf denen membrangebundene Materialien oder Organellen innerhalb der Zelle von Ort zu Ort transportiert werden können. Das Mikrotubuli-Netzwerk verbindet beispielsweise den Golgi-Apparat mit der Plasmamembran, um sekretorische Vesikel für den Export oder das Einsetzen in die Plasmamembran zu leiten. Die Bewegung dieser membrangebundenen „Pakete“ entlang der Mikrotubuli wird durch Motorproteine (die Träger) erleichtert, die sich entlang der Mikrotubuli bewegen, indem sie ihre dreidimensionale Konformation ändern. Dieser Prozess wird durch Adenosintriphosphat (ATP) angetrieben. Bei jedem „Schritt“ gibt das Motormolekül einen Teil des Mikrotubulus frei und ergreift eine zweite Stelle weiter hinten im Filament.

Diese Mikrotubuli sind Polymere, die aus Untereinheiten eines Proteins namens Tubulin bestehen. Jede Untereinheit des Mikrotubulus besteht aus zwei leicht unterschiedlichen, aber eng verwandten, einfacheren Einheiten, dem Alpha-Tubulin (in der Abbildung unten als gelbe Kügelchen dargestellt) und dem Beta-Tubulin (als grüne Kügelchen dargestellt). Unter geeigneten Bedingungen aggregieren oder ordnen sich diese Untereinheiten auf eine bestimmte Art und Weise, die schnell ein Mikrotubuli bildet. Umgekehrt können sich diese Mikrotubuli auch schnell wieder auflösen.

Quelle: https://micro.magnet.fsu.edu/cells/microtubules/microtubules.html

Das folgende Video ist ein TED-Vortrag, in dem der Animator David Bolinsky eine Zusammenarbeit zwischen Animatoren und Biologen an der Harvard-Universität beschreibt, bei der man einen Eindruck von der Schönheit und Komplexität eukaryontischer Zellen erhält. Das Phänomen, dass Monomere zu komplexen und hochfunktionalen makromolekularen Polymeren zusammengesetzt werden, wird an mehreren Stellen veranschaulicht.

Der gesamte Vortrag dauert 9:49. Spulen Sie das Video auf 3:24 vor, um die einleitende Beschreibung zu überspringen. Die eigentliche Handlung beginnt bei etwa 6:50. Es gibt nichts, was Sie auswendig lernen müssen. Bewundern Sie einfach die Komplexität und Schönheit der Zellen.

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Das nächste Video gibt einen grundlegenden Überblick über den Aufbau und die Funktion von Zellen (6:00 Min.), und das zweite Video bietet eine kurze Beschreibung des Aufbaus und der Funktion der Organellen in einer eukaryotischen Zelle (4:46 Min.).

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Höhere Organisationsebenen

Man sieht, dass Zellen, die kleinste Einheit, die die Kriterien für Leben erfüllt, hoch komplex sind. Diese Komplexität resultiert jedoch aus der Verknüpfung einfacher Moleküle zu einer Vielzahl von immer vielfältigeren und komplexeren Strukturen, die wiederum die Grundlage für eine noch höhere Organisationsebene und Komplexität bilden, indem sie sich zu makromolekularen Komplexen wie Membranen, Organellen, Mikrotubuli und Lipoproteinen zusammenfügen. Von der zellulären Ebene aus kann man sich dann die Aggregation von Zellen zu Geweben vorstellen, die die Grundlage für Organe und sogar Organsysteme in einer unglaublich vielfältigen Reihe von multizellulären Organismen bilden.

Angepasst von: http://www.theorganicstartupbook.com/2012/07/07/evolutionary-levels-sublevels-4-of-5/

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