Wie Zellen Arbeiten - #2

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Der menschliche körper besteht aus etwa 10 billionen zellen. Alles von der fortpflanzung über infektionen bis zur reparatur eines gebrochenen knochens geschieht auf zellulärer ebene. Erfahren sie alles über zellen.

Das unglückliche Problem eines Antibiotikums besteht darin, dass es mit der Zeit unwirksam wird. Bakterien vermehren sich so schnell, dass die Mutationswahrscheinlichkeit hoch ist. In Ihrem Körper können Millionen von Bakterien vorhanden sein, die das Antibiotikum abtötet. Wenn jedoch nur eine von ihnen eine Mutation aufweist, die sie gegen das Antibiotikum immun macht, kann sich eine Zelle schnell vermehren und sich dann auf andere Menschen ausbreiten. Die meisten bakteriellen Krankheiten sind durch diesen Prozess gegen einige oder alle gegen sie eingesetzten Antibiotika immun geworden.

Viren

Viren sind absolut erstaunlich. Obwohl sie nicht selbst am Leben sind, kann sich ein Virus vermehren, indem er die Maschinerie einer lebenden Zelle entführt. Der Artikel Funktionsweise von Viren beschreibt Viren im Detail. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung.

Ein Viruspartikel besteht aus einem Virusmantel, der um einen DNA- oder RNA-Strang gewickelt ist. Die Hülle und ihr kurzer DNA-Strang können extrem klein sein - tausendmal kleiner als ein Bakterium. Die Jacke ist normalerweise mit chemischen "Fühlern" besetzt, die sich an die Außenseite einer Zelle binden können.Nach dem Andocken wird die virale DNA (oder RNA, je nach Virus) in die Zelle injiziert, wobei die Hülle an der Außenseite der Zelle verbleibt.

Im einfachsten Virus schwimmt der DNA- oder RNA-Strang nun frei in einer Zelle. RNA-Polymerase transkribiert den DNA-Strang, und Ribosomen bilden die Enzyme, die die virale DNA spezifiziert. Die Enzyme, die die virale DNA erzeugt, können neue Virusmäntel und andere Bestandteile des Virus bilden. Bei einfachen Viren setzen sich die Jacken dann um replizierte DNA-Stränge herum zusammen. Schließlich ist die Zelle so voller neuer Viruspartikel, dass die Zelle platzt und die Partikel für den Angriff auf neue Zellen freigeben. Mit diesem System ist die Geschwindigkeit, mit der ein Virus sich reproduzieren und andere Zellen infizieren kann, erstaunlich.

In den meisten Fällen produziert das Immunsystem Antikörper, Proteine, die an die Viruspartikel binden und deren Anhaftung an neue Zellen verhindern. Das Immunsystem kann infizierte Zellen auch entdecken, indem es Zellen entdeckt, die mit Virusmänteln dekoriert sind, und infizierte Zellen töten.

Antibiotika haben keine Wirkung auf ein Virus, weil ein Virus nicht lebt. Es gibt nichts zu töten! Immunisierungen wirken durch Vorinfektion des Körpers, so dass er weiß, wie er die richtigen Antikörper produziert, sobald sich das Virus zu vermehren beginnt.

Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise des Immunsystems.

Genetische Krankheiten

Viele genetische Erkrankungen treten auf, weil einer Person das Gen für ein einzelnes Enzym fehlt. Hier einige der häufigsten Probleme, die durch fehlende Gene verursacht werden:

  • Laktoseintoleranz - Die Unfähigkeit, Laktose (den Zucker in der Milch) zu verdauen, wird durch ein fehlendes Laktase-Gen verursacht. Ohne dieses Gen wird keine Laktase von Darmzellen produziert.
  • Albinismus - In Albinos fehlt das Gen für das Enzym Tyrosinase. Dieses Enzym ist notwendig für die Produktion von Melanin, dem Pigment, das zu Sonnenbräunung, Haarfarbe und Augenfarbe führt. Ohne Tyrosinase gibt es kein Melanin.
  • Mukoviszidose - Bei der zystischen Fibrose wird das Gen, das das als cystische Fibrose Transmembran-Leitfähigkeitsregler bezeichnete Protein produziert, beschädigt. Gemäß Enzyklopädie Britannica: Der Defekt (oder die Mutation) des Gens auf Chromosom 7 von Personen mit Mukoviszidose verursacht die Produktion eines Proteins, dem die Aminosäure Phenylalanin fehlt. Dieses fehlerhafte Protein verzerrt irgendwie die Bewegung von Salz und Wasser über die Membranen, die die Lunge und den Darm auskleiden, was zur Dehydrierung des Schleims führt, der normalerweise diese Oberflächen bedeckt. Der dicke, klebrige Schleim sammelt sich in der Lunge, verstopft die Bronchien und erschwert das Atmen. Dies führt zu chronischen Atemwegsinfektionen, häufig mit Staphylococcus aureus oder Pseudomonas aeruginosa. Chronischer Husten, rezidivierende Lungenentzündung und der fortschreitende Verlust der Lungenfunktion sind die Hauptmanifestationen der Lungenerkrankung, die die häufigste Todesursache bei Personen mit Mukoviszidose ist.

Andere genetische Erkrankungen umfassen die Tay-Sachs-Krankheit (Beschädigung des Gens für das Enzym Hexosaminidase A führt zu einer Anhäufung einer Chemikalie im Gehirn, die es zerstört), Sichelzellenanämie (falsche Kodierung des Gens, das Hämoglobin produziert), Hämophilie (Mangel) eines Gens für einen Blutgerinnungsfaktor) und Muskeldystrophie (verursacht durch ein defektes Gen auf dem X-Chromosom). Es gibt ungefähr 60.000 Gene im menschlichen Genom, und über 5.000 davon führen bekanntermaßen zu genetischen Erkrankungen. Es ist erstaunlich, dass ein Schaden an nur einem Enzym in vielen Fällen zu lebensbedrohlichen oder entstellenden Problemen führen kann.

Biotechnologie

Also was ist Biotechnologie und Gentechnik? Es gibt drei wichtige Entwicklungen, die als Signatur der Biotech-Technologie fungieren, mit vielen weiteren Überraschungen:

  • Bakterienproduktion von Substanzen wie Human-Interferon, Humaninsulin und Wachstumshormon. Das heißt, einfache Bakterien wie E. coli werden so manipuliert, dass sie diese Chemikalien produzieren, sodass sie in großen Mengen für die Verwendung in der Medizin geerntet werden können. Bakterien wurden auch modifiziert, um alle möglichen anderen Chemikalien und Enzyme herzustellen.
  • Veränderung von Pflanzen, um ihre Reaktion auf Umwelt, Krankheiten oder Pestizide zu ändern. Zum Beispiel können Tomaten Pilzresistenz erlangen, indem sie ihrem Genom Chitinasen hinzufügen. Eine Chitinase baut Chitin ab, das die Zellwand einer Pilzzelle bildet. Das Pestizid Roundup tötet alle Pflanzen, aber Kulturpflanzen können durch Hinzufügen von Genen modifiziert werden, die die Pflanzen gegen Roundup immun machen.
  • Identifizierung von Menschen anhand ihrer DNA. Die DNA eines Individuums ist einzigartig und verschiedene, relativ einfache Tests erlauben es, die am Tatort gefundenen DNA-Proben mit der Person zu vergleichen, die sie verlassen hat. Dieses Verfahren wurde durch die Erfindung der Polymerase Kettenreaktion (PCR) -Technik für die Entnahme einer kleinen DNA-Probe und deren millionenfache Vergrößerung in sehr kurzer Zeit.

Um einige der in der Biotechnologie verwendeten Techniken zu verstehen, werfen wir einen Blick darauf, wie Bakterien modifiziert wurden, um menschliches Insulin herzustellen.

Insulin ist ein einfaches Protein, das normalerweise von der Bauchspeicheldrüse produziert wird. Bei Menschen mit Diabetes ist die Bauchspeicheldrüse geschädigt und kann kein Insulin produzieren. Da Insulin für die körpereigene Verarbeitung von Glukose unerlässlich ist, ist dies ein ernstes Problem. Viele Diabetiker müssen daher täglich Insulin in ihren Körper spritzen. Vor den 80er Jahren stammte Insulin für Diabetiker von Schweinen und war sehr teuer.

Um Insulin kostengünstig herzustellen, wurde das Gen, das Humaninsulin produziert, den Genen in einem normalen E. coli-Bakterium hinzugefügt. Sobald das Gen an Ort und Stelle war, produzierte es die normale zelluläre Maschinerie wie jedes andere Enzym. Durch das Züchten großer Mengen der modifizierten Bakterien und das anschließende Abtöten und Öffnen der Bakterien konnte das Insulin sehr kostengünstig extrahiert, gereinigt und verwendet werden.

Der Trick besteht also darin, das neue Gen in die Bakterien zu bekommen. Der einfachste Weg ist, das Gen in ein Gen zu spleißen Plasmid - ein kleiner DNA-Ring, den Bakterien in primitiver Form des Geschlechts oft miteinander übertragen. Wissenschaftler haben sehr genaue Werkzeuge entwickelt, um Standard-Plasmide zu schneiden und neue Gene darin zu spleißen. Eine Bakterienprobe wird dann mit dem Plasmid "infiziert", und einige von ihnen nehmen das Plasmid auf und bauen das neue Gen in ihre DNA ein. Um das Infizierte vom Infizierten zu trennen, enthält das Plasmid auch ein Gen, das die Bakterien gegen ein bestimmtes Antibiotikum immun macht. Durch Behandeln der Probe mit dem Antibiotikum werden alle Zellen, die das Plasmid nicht aufgenommen haben, abgetötet. Jetzt kann ein neuer Stamm von Insulin produzierenden E. coli-Bakterien in großen Mengen kultiviert werden, um Insulin herzustellen.

Weitere Informationen zu Zellen, Bakterien, Enzymen und verwandten Themen finden Sie auf den Links auf der nächsten Seite.

E. coli und Krankheit

  • E. coli-Genomprojekt
  • Mechanismen der bakteriellen Pathogenität - Gute Erklärung bakterieller Toxine

Zellmembranen

  • Zellmembranen
  • Membranproteine
  • Organisation und Struktur von Mikroorganismen
  • Transport über Zellmembranen

Antibiotika

  • Übersicht über Beta-Lactam-Antibiotika
  • Wie Penicillin Bakterien abtötet
  • Antibiotika, Bakterien und (in der Regel nicht) Viren

Bücher

  • "Der Lebensfaden: Die Geschichte der Gene und der Gentechnik" von Susan Aldridge
  • "The Way Life Works" von Mahlon Hoagland, Bert Dodson
  • "Biology Coloring Book" von Robert D. Griffin, Lawrence M. Elson
  • "The Machinery of Life" von David S. Goodsell
  • "Unsere molekulare Natur: Die Motoren, Maschinen und Botschaften des Körpers" von David S. Goodsell
  • "Molekularbiologie der Zelle" von Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, James D. Watson und Keith Roberts


Videoergänzungsan: Die Zelle - Schulfilm Biologie.




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