Frankfurt Institute for Molecular Life Sciences (FMLS) - CEF-MC

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leben verSteHen
alle lebewesen bestehen aus Zellen. leben verstehen
bedeutet daher in erster linie: Zellen verstehen.
Zahlreiche organismen sind einzeller. Durch biochemisch
gesteuerte prozesse produzieren sie auf kleinstem
raum energie, betreiben stoffwechsel, synthetisieren
alle zum leben notwendigen Verbindungen und vermehren
sich. Dabei tauschen sie mit ihrer umgebung
ständig energie und materie aus. Zellen – und damit
alle lebewesen – leben in einem fließenden Gleichgewicht,
das auf einem ausgeklügelten regelmechanismus
beruht. so erneuern sich die Zellen des menschlichen
Körpers vollständig innerhalb von sieben monaten. Die
Bäckerhefe benötigt dafür zwei stunden, das Darmbakterium
Escherichia coli nur 20 minuten. Der ausspruch
des griechischen philosophen Heraklit »alles fließt«, der
seiner lehre von der einheit aller Dinge entsprang, erfährt
durch die erkenntnisse der Zellbiologie eine neue,
aktuelle Bedeutung.
auf der molekularbiologischen ebene begannen Biologen
und Chemiker das rätsel des lebens mitte des
vergangenen Jahrhunderts zu entschlüsseln: den genetischen
Code. alle Zellen speichern ihre genetische
Information in form von Dna, verpackt in Chromosomen,
die entweder in einem membranumschlossenen
Zellkern (eukaryonten) oder in einem kernäquivalenten
Bereich, dem nucleoid (prokaryonten), zusammengefasst
sind. Die analyse genetischer Veränderungen
hatte für die evolutionstheorie große Bedeutung, denn
sie stellte Darwins Idee auf eine molekulare Grundlage:
Verwandtschaften zwischen lebewesen lassen sich
heute aus der Ähnlichkeit der Gene erschließen. experimente
mit künstlich erzeugten mutationen verdeutlichen
nicht nur die funktion einzelner Gene, sondern
auch, wie im laufe der erdgeschichte Varianten von
spezies entstanden sind – eine wichtige Grundlage für
die evolution. Den Höhepunkt dieses wissenschaftlichen
abenteuers, das zahlreiche biotechnologische anwendungen
mit sich brachte, bildete die sequenzierung
des menschlichen Genoms im Jahr 2000.
erst in jüngster Zeit ist auch das »schwester-molekül«
der Dna, die rna, aus dem schattendasein als bloßes
Botenmolekül herausgetreten. Die rna, die bis auf
eine nukleobase aus den gleichen Bausteinen besteht
wie die Dna, transportiert eine Kopie der genetischen
Information zu den ribosomen, wo sie in proteine umgesetzt
wird – aber rna kann noch viel mehr: Durch
Basenpaarungen innerhalb eines rna-strangs können
schleifen entstehen, die mit anderen schleifenstrukturen
komplexe dreidimensionale architekturen bilden.
Diese weisen eine ähnliche strukturelle Vielfalt auf wie
die proteine und können als Bindestellen für andere
moleküle (liganden) oder als katalytische Zentren dienen.
nach dem Genom ist eine der nächsten großen wissenschaftlichen
Herausforderungen zum Verständnis
des lebens das proteom: Die summe aller unterschiedlichen
proteine (eiweiße), die im Körper entstehen. als
exakt gebaute molekulare maschinen übernehmen proteine
vielfältigste funktionen: sie können andere moleküle
erkennen, binden, transportieren oder verändern.
Das ist erstaunlich, denn der genetische Code aus vier
Buchstaben wird in die vergleichsweise geringe Zahl
von nur 20 aminosäuren, den Grundbausteinen der
proteine, übersetzt. Diese aufgabe übernehmen in der
Zelle die ribosomen: sie verknüpfen aminosäuren zu
langen polypeptid-Ketten.
Das Geheimnis ihrer funktion liegt bei den proteinen
in ihrer dreidimensionalen struktur, die durch
eine reihe komplizierter faltungen entsteht – so wie
ein Wollfaden erst wärmt, wenn er zu einem pullover
verstrickt wird. Wie diese strukturen entstehen, ist
heute zum größten teil noch unbekannt, da es eine ungeheure
Vielfalt potentieller möglichkeiten gibt. ebenso
ist nur ein Bruchteil der proteinstrukturen bisher experimentell
aufgeklärt worden. Da viele proteine ihre
funktion darüber hinaus nicht allein, sondern im Konzert
mit anderen proteinen im dicht bevölkerten Inneren
der Zelle erfüllen, wird die aufgabe, ihre funktion
im lebendigen organismus zu verstehen, noch einmal
komplizierter.
Die hohe Komplexität heutiger Zellen wäre ohne membranen
nicht denkbar. sie trennen nicht nur das Zellinnere
von der außenwelt, sondern unterteilen auch
die Zelle selbst in verschiedene reaktionsräume (Kompartimente),
die unabhängig voneinander arbeiten.
Das Zusammenspiel dieser einheiten untereinander
und der austausch mit der umwelt werden dadurch
gewährleistet, dass membranen für bestimmte stoffe
durchlässig sind. auch hier spielen proteinkomplexe,
die membranen wie poren oder kompliziert aufgebaute
pumpen durchziehen, eine entscheidende rolle. membranproteine
haben darüber hinaus eine schlüsselfunktion
bei der Gewinnung von adenosintriphosphat
(atp) in den mitochondrien, die die Zelle mit energie
versorgen. Zur aufklärung dieses mechanismus haben
Cef-forscher wesentlich beigetragen. sie fügten damit
dem großen puzzle, das leben zu verstehen, ein weiteres
teil hinzu.