Hypertext-Lernprogramm Eucyte
Roland Heynkes, 12.5.2019
Nach dem genialen Vorbild der TT-Programme des Klett-Verlages der 1970er Jahre soll dieses Hypertext-Lernprogramm Lernenden helfen, sich Wissen über die bekanntesten Bestandteile eukaryotischer Zelle selbst zu erarbeiten. Zu diesem Zweck ist der Lerntext so gestaltet, dass er sich möglichst individuell den Lernenden mit ihren sehr unterschiedlichen Voraussetzungen und Bedürfnissen anpasst.
Die blau umrandeten Kästen mit hellgrünem Hintergrund dienen ähnlich wie Überschriften der thematischen Orientierung.
Es folgen erklärende Texte und manchmal Bilder. Daran schließen sich die Fragen an, mit denen man sein Wissen prüfen kann.
Die blauen Tabellen enthalten unter der Frage alternative Antworten, von denen man die richtige auszusuchen versucht und diese anklickt. So springt man entweder zur nächsten Frage oder zu einer Korrektur.
Wird eine Frage falsch beantwortet, dann springt man zu einem rot umrandeten Kasten mit gelbem Hintergrund. Hier wird der Irrtum aufgeklärt. Wenn nötig, erhält man noch zusätzliche Erklärungen.
Am Ende einer Korrektur findet man ein rot umrandetes Kästchen mit hellgrünem Hintergrund. Es enthält einen Link, der zurück zur letzten Frage oder weiter zur nächsten führt.
So springt man auf direktem oder auf mehr oder weniger vielen Umwegen durch den Hypertext und erhält nur soviele Erklärungen, wie man benötigt. Wer sämtliche Fragen richtig beantworten kann, springt sehr schnell durch den Hypertext.
Dieses Lernprogramm ließe sich noch erweitern. Seine Erstellung war allerdings derart aufwändig, dass sich die Mühe für mich nicht lohnt, solange mir kein entsprechender Bedarf zurückgemeldet wird.
Als Robert Hooke 1662 mit seinem selbst gebauten Mikroskop als wahrscheinlich erster Mensch in einem Stück Kork Zellen sah, da konnte er nicht wissen, welche Bedeutung sie für alle Lebewesen haben. Heute haben wir es viel leichter, denn es gibt inzwischen vielfältige Möglichkeiten, sich über Zellen zu informieren. Die meisten Informationsquellen sind allerdings nur verständlich, wenn man bereits über Grundkenntnisse verfügt. Solches Basiswissen fragt dieser Hypertext ab und soll es wenn nötig auch vermitteln.
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Antworten müssen nicht nur korrekt sein, sondern auch noch genau zur Frage passen.
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Die Antwort ist inhaltlich völlig richtig. Sie erklärt aber nicht gut die Bedeutung von Zellen für das Leben.
Zellen sind in der Tat die extrem kompliziert aufgebauten kleinsten Einheiten des Lebens. Innerlich und miteinander arbeiten sie wie perfekte Uhrwerke. Selbst die einfachsten Zellen sind so komplex, dass sich niemand wirklich vorstellen kann, wie die erste Zelle entstehen konnte. Das Staunen über das Wunder des Lebens wird umso größer, je mehr man über Zellen weiß. Dazu muss man beginnen mit dem Kennenlernen der wichtigsten Bestandteile und Vorgänge einer Zelle, wobei sich dieser Lerntext auf tierische Eukaryoten-Zellen konzentriert. Dabei kann es helfen, eine tierische Zelle mit einer Stadt zu vergleichen. Zu diesem Zweck ordnen wir verschiedenen Komponenten einer Zelle Bestandteile einer Stadt mit vergleichbaren Funktionen zu.
Man kann zwar die Organellen einer eukaryotischen Zelle mit den Organen eines Organismus vergleichen, aber die Organellen schwimmen im Cytoplasma und nicht umgekehrt.
Von einem Organell spricht man nur, wenn es vom Cytoplasma abgegrenzt ist. Zusätzlich ist ein Organell nicht nur eine strukturelle, sondern gleichzeitig auch eine funktionelle Einheit.
Von einem Organell spricht man nur, wenn es vom Cytoplasma abgegrenzt ist. Viele Biologen verlangen sogar, dass ein Organell durch eine Membran vom Cytoplasma getrennt ist.
Aufgrund ihrer Abgrenzung können in Organellen Prozesse ablaufen, die Bestandteile des Cytoplasmas beeinträchtigen oder selbst von diesen gestört würden. Weil die verschiedenen Organellen unterschiedliche Aufgaben haben, nennt man sie funktionelle Einheiten. Das Cytoplasma ist zwar nicht wirklich strukturlos, aber das erkennt man erst bei extremen Vergrößerungen. Aber kommen wir nun zu den einzelnen Organellen.
Dreimal darf man raten.
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Der Zellkern ist eher eine Bibliothek als ein Rathaus.
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Leider ziehen die Autoren der meisten Biologiebücher aus Unkenntnis den schlechteren Vergleich mit dem Rathaus oder einer Konzernzentrale vor bzw. schreiben ohne nachzudenken von einander ab.
Wäre nämlich der Zellkern das Rathaus der Zelle, dann müsste er bestimmen, was in der Zelle passiert. Mit dieser Vorstellung ließe sich aber nicht erklären, dass sich aus einer befruchteten Eizelle rund 200 sehr unterschiedliche menschliche Zelltypen entwickeln, obwohl sich in deren Zellkernen die Baupläne praktisch nicht unterscheiden. Deshalb passt viel besser der Vergleich mit einer naturwissenschaftlich oder medizinischen Bibliothek, in der man sich Kopien von den wertvollen Büchern macht, die einen gerade interessieren. In enger Abstimmung mit anderen Zellen, beeinflusst von anderen äußeren Faktoren sowie in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Zustand entscheidet die Zelle selbst, welche Informationen aus dem Zellkern sie nutzt. Hinzu kommen noch zahlreiche vorgeburtliche, epigenetisch wirksame Einflüsse.
Die Hülle des Zellkerns wird von einem anderen Organell aufgebaut.
Das ist auch nicht nowendig, weil die Zellkernhülle Teil des Organells ist, welches die Membranen selbst produziert.
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Der Zellkern kann und muss seine Hülle nicht selbst herstellen.
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Sie ist nämlich Bestandteil des Endoplasmatischen Retikulums.
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Die Hülle des Zellkerns ist gleichzeitig Bestandteil des Endoplasmatischen Retikulums.
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Dieses Organell produziert die meisten Membranen einer eukaryotischen Zelle.
Das Endoplasmatische Retikulum hat wichtige andere Aufgaben.
Dieser erhält Membranen und Proteine in Form von Vesikeln vom Endoplasmatischen Retikulum, aber sie sind unterschiedliche Organellen.
Wie in einer Werkstatt oder Produktionshalle werden in ihm Membranen und alle Proteine hergestellt, die nicht im Inneren der Zelle bleiben sollen. Letzteres geschieht im rauen Teil des Endoplasmatischen Retikulums.
Vermutlich würde sich das endoplasmatische Retikulum für uns rauh anfühlen, wenn wir nicht viel größer als eine Zelle wären. Tatsächlich ist das endoplasmatische Retikulum viel zu klein, um vom menschlichen Tastsinn wahrgenommen zu werden.
Selbst wenn man von rauen Sitten im Inneren einer Zelle sprechen könnte, hätte das nichts mit dieser Namensgebung zu tun.
Erkennen kann man das allerdings nur auf elektronenmikroskopischen Bildern. Aber wo wir gerade bei den Ribosomen sind, können wir auch gleich überlegen, was Ribosomen sind.
Ribosomen sind sehr viel kleiner als Lysosomen.
Peroxisomen sehen aus wie Vesikel, während ein Ribosom keine Membran besitzt.
Ribosomen bestehen zu etwa zwei Dritteln aus RNA, der sogenannten ribosomalen RNA oder rRNA. Rund ein Drittel ihrer Masse besteht aus über 50 Proteinen bei Prokaryoten oder über 80 Proteinen bei Eukaryoten. Ribosomen setzen sich erst kurz vor Beginn der Protein-Biosynthese (Eiweiß-Herstellung) im Cytoplasma aus zwei Untereinheiten zusammen, die beide im Zellkern gebildet wurden. Die kleinere enthält nur eine rRNA, die größere bei Prokaryoten 2 und bei Eukaryoten 3.
Um Proteine herstellen zu können, benötigen die Ribosomen ähnlich wie Roboter genaue Anweisungen. Denn ohne Rezept wissen sie nicht, in welcher Reihenfolge sie die Monomere (20 verschiedene Aminosäuren) zu einem Polymer (Eiweiß) verbinden sollen. Den Prozess der Übersetzung der Bauanleitung (Gen, mRNA) in die Reihenfolge (Sequenz) der Aminosäuren in einem Eiweiß nennt man Translation.
Weil die Tertiärstruktur die Funktion eines Proteins bestimmt, kann seine Primärstruktur (Aminosäuresequenz) nicht dem Zufall überlassen werden. Für jedes Protein gibt es eine Gen genannte Bauanleitung, welche der evolutionären Selektion unterliegt.
Daher können die Bauanleitungen für die Proteine nicht in den Ribosomen stecken.
Die Bauanleitung für ein Protein ist also ein Gen. Genauer gesagt steckt sie in einem Gen. Vor der Bauanleitung gibt es in den meisten Genen außerdem eine Art Schalter, der erst aktiviert werden muss, damit Kopien von dem Gen gemacht werden. Der codierenden Sequenz folgt noch ein Stopp-Signal (Terminator), welches den Abschreibevorgang beendet.
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Translation ist das amerikanische Wort für Übersetzung.
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Das Kopieren der Nukleotidsequenz einer DNA (Gen) in die Nukleotidsequenz einer RNA (letztlich mRNA) ist aber keine Übersetzung, sondern da werden lediglich DNA-Nukleotide in RNA-Nukleotide umgeschrieben. Das Material ist ein anderes, aber die Information bleibt die selbe.
Die gewählte Aussage an sich ist also korrekt und sie beantwortet auch die Frage. Trotzdem soll es hier um die Transkription eines Gens in eine mRNA gehen, weil wir den Weg der Information vom Gen zum Protein verfolgen.
Ein Gen ist eine Informationseinheit oder genauer gesagt eine Bauanleitung. Das kann die Bauanleitung für eine rRNA, tRNA oder snRNA sein oder die Bauanleitung für ein Protein. Die Information steckt in der Reihenfolge der DNA-Nukleotide der DNA, die zusammen mit verschiedenen Proteinen ein Chromosom bildet. Bei der Transkription wird die Nukleotidsequenz der DNA in die Nukleotidsequenz einer RNA umgeschrieben, also transkribiert. Der Unterschied zwischen DNA-Nukleotiden und RNA-Nukleotiden besteht nur darin, dass den DNA-Nukleotiden ein einziges Sauerstoff-Atom fehlt. Außerdem enthält RNA statt der Nukleobase Thymin die sehr ähnliche Base Uracil, der verglichen mit Thymin nur eine Methylgruppe fehlt.
Die Transkription wird durch ein Enzym katalysiert, das DNA-abhängige RNA-Polymerase oder kurz RNA-Polymerase heißt, weil es nach der Vorlage einer DNA-Nukleotidsequenz aus vielen einzelnen RNA-Nukleotiden (Monomeren) ein langes Polymer herstellt. Dieses Polymer heißt RNA. Das Schema zeigt, wie an der RNA-Polymerase die beiden DNA-Einzelstränge der DNA-Doppelhelix getrennt werden, damit an einem der beiden DNA-Einzelstränge einzelne RNA-Nukleotide neue Basenpaare bilden und dann durch das Enzym zu einem primären (ersten, ursprünglichen, noch unveränderten) RNA-Transkript verbunden werden.
Bei Prokaryoten entsteht dabei normalerweise direkt eine mRNA. Bei Eukaryoten nennt man das (primäre) Produkt der Transkription prä-RNA (Vorläufer-RNA) oder hn-RNA. Vor allem zur Stabilisierung werden an die prä-RNA vorne (am 5'-Ende) eine Kappe (Cap-Struktur) und hinten (am 3'-Ende) viele Adenin-Ribonukleotide (poly-A-Schwanz) angehängt. Diese Bearbeitung der hn-RNA nennt man Prozessierung und dazu gehört auch noch das sogenannte Splicing. So nennt man international das Herausschneiden von Abschnitten der hn-RNA, die nicht als Bauanleitung für das Protein genutzt werden sollen. Das Ergebnis der Prozessierung (Bearbeitung) ist schließlich die mRNA, die dann durch eine Kernpore den Zellkern verlässt.
Und es wird keine mRNA eingebaut, sondern rRNA.
Sonst würde ja die Zelle immer weiter Proteine produzieren, die längst nicht mehr gebraucht werden. Aber bevor eine mRNA abgebaut wird, hat sie in der Zelle eine wichtige Aufgabe zu erfüllen.
Daher wird sie weder in Vesikeln transportiert, noch gelangt sie in den Golgi-Apparat.
Die Informationen der Bauanleitung stecken in der Reihenfolge der Nukleobasen in der mRNA. Das Problem dabei ist, dass es nur 4 verschiedene Basen (A,C,G,T) gibt, mit denen 20 verschiedene Aminosäuren codiert werden müssen. Möglich ist das nur, indem jeweils 3 Nukleotide zu einer Art Wort, einem sogenannten Codon zusammengefasst werden. Weil diese Codons (Wörter) aber ohne Lücken direkt hintereinander stehen, muss man genau wissen, an welcher Position man zu lesen beginnen muss. Bei einer Verschiebung des Leserasters um ein oder zwei Nukleotide misslingt die Übersetzung, weil dann völlig andere Wörter entstehen. Deshalb beginnt das Ribosom immer am Startcodon AUG mit der Übersetzung (Translation) der Reihenfolge der Codons der mRNA in die Sequenz der Aminosäuren im Protein.
Die Aminosäuren stehen ganz außen und die Codons werden von innen nach außen, von den größten zu den kleinsten Buchstaben gelesen. Beginnt man beispielsweise im innersten Kreis mit dem A, wählt im zweiten Kreis ein U und endet im dritten Kreis mit einem G, dann stehen im vierten und äußersten Kreis Met und M für die Aminosäure Methionin. Das Codon für Methionin ist also AUG, welches gleichzeitig auch das Startcodon ist. Mit Hilfe der Codonsonne können wir ermitteln, in welches Peptid die folgende mRNA-Sequenz übersetzt würde:
Versuche es noch einmal!
Versuche es noch einmal!
Dazwischen werden immer jeweils 3 Nukleotide (Tripletts bzs. Codons) in eine der 20 Aminosäuren übersetzt, aus denen normale Proteine bestehen. Die Übersetzung erfolgt mit Hilfe sogenannter tRNAs. Das sind spezielle RNAs, die ähnlich wie Proteine eine bestimmte räumliche Struktur annehmen. Aus dieser Struktur ragen unten 3 Basen heraus, die Basenpaare mit einem passenden Codon der mRNA bilden können. Dieses Triplett von 3 Basen am Fuß der tRNA wird deshalb Anticodon genannt. Weil Basenpaarungen nur zwischen den Basen A und T sowie zwischen den Basen C und G gebildet werden können, sorgt das Anticodon am einen Ende der tRNA automatisch dafür, dass jede tRNA nur an ganz bestimmte Codons der mRNA bindet. An ihrem anderen Ende hängt an jeder tRNA eine Aminosäure. Und zwar nicht irgendeine Aminosäure, sondern immer nur die einzige zum jeweiligen Anticodon passende.
So bindet beispielsweise an das Startcodon AUG der mRNA nur eine tRNA mit dem dazu passenden Anticodon UAC. Und an der Start-tRNA mit dem Anticodon UAC hängt immer nur die Aminosäure Methionin.
Am Ribosom binden immer wieder an zwei benachbarten Codons der mRNA die passenden Anticodons zweier passender tRNAs. Dadurch kommen sich die Aminosäuren an den anderen Enden beider tRNAs nahe und werden vom Ribosom miteinander verbunden. Genauer gesagt überträgt das Ribosom die Aminosäure der tRNA am Vorläufer-Codon auf die Aminosäure der tRNA am Nachfolger-Codon. So entsteht eine wachsende Kette von Aminosäuren, also zunächst ein Peptid und schließlich ein Protein. Man sieht das alles in der Zeichnung von Matthias M..
| Welche Aminosäure hängt an einer tRNA mit dem Anticodon CCC? |
| Prolin |
| Glycin |
Man muss also zuerst zum Anticodon CCC das dazu passende Codon GGG finden und dann in der Codonsonne die dazu gehörende Aminosäure Glycin.
Damit sollte auch die Translation im Prinzip verstanden sein. Wird das Protein im Cytoplasma gebraucht, dann findet die Translation einfach im Cytoplasma statt. Soll jedoch das Protein im Endoplasmatischen Retikulum (ER) noch weiterverarbeitet und eventuell in Vesikel verpackt werden, dann wandert das Ribosom mit der mRNA zum ER, dockt daran an und produziert das Protein direkt in das Innere des ER oder in dessen Membran hinein. Im Inneren des ER können viele verschiedene Arten von chemischen Modifikationen an den Proteinen vorgenommen werden. Anschließend bleiben manche Proteine im ER, aber die meisten werden in Vesikel verpackt und abtransportiert.
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Chemiker bezeichnen tatsächlich bestimmte kugelförmige Anordnungen oberflächenaktiver Moleküle in einer Flüssigkeit als Vesikel.
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In der Biologie wird der Begriff aber anders verstanden.
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Tatsächlich ist in der Biologie mit einem Vesikel ein winziges Bläschen im Inneren von Zellen mit einer Hülle aus einer Membran gemeint.
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Im Inneren von Vesikeln werden Proteine und andere Moleküle innerhalb von Zellen transportiert. Mit ihren Hüllen bringen Vesikel aber auch Membranen vom Endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Apparat, zu den Lysosomen, Endosomen und zur Zellmembran sowie von der Zellmembran durch Endosomen zu den Lysosomen, wo sie wieder zerlegt werden. Man nennt dies den Membranfluss und die folgende Animation zeigt diesen ständigen Fluss von Membranen.
Der Golgi-Apparat ist nicht ein Stapel von Membranbläschen, sondern er besteht aus mehreren Stapeln, von denen jeder einzelne Dictyosom genannt wird. In diesen Dictyosomen werden die Eiweiße auch nicht gelagert.
Er besteht aus mehreren Stapeln von Membranbläschen, von denen jeder einzelne Dictyosom genannt wird.
In diesen Dictyosomen werden Eiweiße erneut modifiziert, dann sortiert und schließlich für den erneuten Transport in neue Vesikel verpackt.
Wir sind am vorläufigen Ende des Lernprogramms. Hoffentlich hat es jemandem geholfen.
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Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0
