Kapitel 5: Die Struktur und Funktion von Makromolekülenn.ethz.ch/~fjorge/download/Bachelor Chemie/Zusammenfasungen Basisjahr... · C-Atom steht an erster Stelle) oder als Ketosen

Zusammenfassung Biologie I 14.05.2009 Jorge Ferreiro

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BIOLOGIE I

Kapitel 5: Die Struktur und Funktion von Makromolekülen Makromoleküle sind in der Biochemie zentral, weil sie alle wichtigen Molekülgruppen vertreten, und zwar die Fette, Proteine und Kohlenhydrate. Ein Makromolekül besteht aus tausenden von einzelnen Atomgruppen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Zellulose oder die Stärke. Um Makromoleküle zu synthetisieren und zu analysieren, gibt es einen sehr zentralen Vorgang: die Polymerisation und dessen Gegenreaktion die Hydrolyse. Ein Polymer ist ein langes Molekül, das aus gleichen Bausteinen besteht, die sich Monomere nennen. Eine Polymerisation ist nichts Weiteres als eine nucleophile Additionsreaktion, wobei eine Mehrfachbindung zugunsten einer zusätzlichen Bindung investiert wird (Bsp. Chlorethen als Monomer; PVC als Polymer). Eine weitere sehr wichtige Reaktionsart ist die Polykondensation. Sie ist die Grundlage der Fettbildung, wobei ein Alkohol mit einer Carbonsäure reagiert (Veresterung). Dabei wird ein Wassermolekül abgespalten. Die Umkehrreaktion; die Hydrolyse funktioniert so, dass durch Anlagerung von Wasser die Polymerbindung aufgespaltet wird. Diese Reaktionsmechanismen geben schon einen ersten Einblick in die Wichtigkeit des Wassers als Reaktionspartner und als Produkt. a. ) Kohlenhydrate Kohlenhydrate sind Polymere die aus sogenannten Monosacchariden aufgebaut sind. Diese haben die allgemeine Summenformel (CH2O)n. Nun werden Monosaccharide in verschiedener Weise unterteilt: Entweder bezeichnet man sie als Triosen, Tetrosen, Pentosen etc. also unter Betrachtung der beteiligten C-Atome oder man beizeichnet sie als Aldosen (höchstoxidiertes C-Atom steht an erster Stelle) oder als Ketosen (höchstoxidiertes C-Atom an zweiter Stelle). Disaccharide bestehen aus zwei Einfachzuckern und sind über eine sogenannte glykosidische Bindung (=kovalente Bindung zwischen zwei Monosacchariden unter Abspaltung von H2O) verbunden. Polysaccharide sind Makromoleküle, die aus tausenden von Monosacchariden aufgebaut sind. Ein Beispiel für die Wichtigkeit des chemischen Aufbaus eines Moleküls ist der Unterschied zwischen der Stärke und der Zellulose. Beide sind über eine 1,4 glykosidische Bindung verbunden; Stärke hat jedoch die α-Konfiguration der Glukose und die Zellulose besitzt die β-Konfiguration. Doch dieser Strukturelle Unterschied zwischen den Monomeren bestimmt die biologische Aktivität beider Makromoleküle. Die menschlichen Enzyme können nur Stärke verdauen; jedoch keine Zellulose.


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Abb. 1: Unterteilung Polysaccharide

b.) Fette Fette sind im Gegensatz zu Kohlenhydraten keine Polymere; sie entstehen jedoch durch Kondensationsreaktionen. Fette sind aus zwei Untereinheiten aufgebaut: dem dreiwertigen Glyzerin und langen Fettsäureresten. Als funktionelle Gruppe sind Fette Ester. Die Carbonsäurereste sind meistens langkettige Kohlenwasserstoffketten (16 bis 18 C-Atome). Bei den Fetten wird zwischen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren unterschieden. Ausserdem gibt es noch die biologisch sehr wichtigen Phospholipide. Ihr Aufbau ist genau gleich wie jener eines normalen Fetts; nur ist hier am Glyzerin ein H-Atom durch eine Phosphatgruppe substituiert. Am anderen Ende des Phosphats hängt immer eine spezifische Gruppe (z.B. Cholin), welche die Eigenschaft der Phospholipide verstärkt: Sie haben einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz. Sie sind die Moleküle, welche die biologische Membran aufbauen. Als weitere Gruppe gibt es noch die sogenannten Stereoide, die aus vier Ringen aufgebaut sind und die Hauptstruktur der meisten Hormone ausmacht (z.B. Cholesterol). Phospholipide bilden im Wasser sogenannte Liposomen, d.h. sie richten ihren hydrophilen Kopf nach Aussen und nach Innen ihre lipophilen Schwänze (=> gleiche Funktionsweise wie Waschmittel. Dort werden diese „Kügelchen“ Mizellen genannt.)

Polysaccharide

Speichermoleküle: Stärke; verbunden durch eine 1,4

Bindung von Glukosemolekülen, hat eine 3D-Struktur und ist durch Iodid nachweisbar, alle Glukosemonomere

sind in der α-Konfiguration

Strukturmoleküle: Zellulose, 1,4 Bindung, planares

Molekül, alle Glukosemonomere sind in der β-Konfigruation , zweiter

wichtiger Vertreter Chitin; strukturell ähnlich der Zellulose jedoch mit

Stickstoffgruppe

Amylopectin: Verzweigte Form der Stärke und auch Form, in welcher

gespeichert wird (Glykogen ist sehr ähnlich)

Amylase: Unverzweigte Form der Stärke


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Abb. 2: Unterteilung Fette

c.) Proteine Proteine sind mit Abstand die wichtigsten Stoffe in der Natur. Sie haben eine Vielzahl von Eigenschaften und Aufgaben, die zentral sind. Bevor man näher auf die Aufgaben eingeht, muss man die Struktur der Proteine betrachten? Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Es gibt 20 verschiedene AS, die jeweils von einem Basentriplett der DNA codiert werden (später mehr). Die AS besitzen dieselbe Grundstruktur:

OH

OH

NH2

R

AS sind alle chiral und haben somit eine R,S-Isomerie. Biologische aktiv ist immer nur ein Enantiomer. Das andere kann gegebenenfalls zu einer Fehlfunktion des Proteins führen. Die Bindungen innerhalb eines Proteins geschehen immer via eine Kondensation. Man nennt die Bindung Peptidbindung. Einige AS zusammen nennt man ein Peptid; Proteine sind meistens aus hunderten von AS aufgebaut, d.h. sie sind Polypeptide. Jedes Protein ist ein Unikat, weil es durch die Zusammenknüpfung der AS eine ganz bestimmte 3D Funktion hat uns somit eine ganz bestimmte Aufgabe. Proteine haben eine Primärstruktur. Diese beschreibt in erster Linie die Reihenfolge der AS. Die Sekundärstruktur des Proteins beschäftigt sich vor allem mit der Faltung, die das Protein eingeht. Sie ist das Resultat der Wasserstoffbrücken, die aufgrund der Sauerstoff- und Stickstoffatome auftreten. Man unterscheidet dort zwischen der α-Helix und der β-Ebene. Die Tertiärstruktur eines Proteins ist die Ursache verschiedener Interaktionen. Wichtig dabei ist, dass sich durch die Faltung in der Sekundärstruktur die verschiedenen Methylgruppen sterisch annähern und somit entsteht eine hydrophobe Abstossung (van der Waals Abstossung). Ausserdem bleiben die Wasserstoffbrücken erhalten; zusätzlich dazu bilden sich

Fette: Glyzerin und grosse KW-Ketten, Esterbindung

aus Alkohol und Carbonsäure

Gesättigte Fette: Besitzt keine Mehrfachbindungen also ist das

Molekül „Planar“ und kann sich stapeln, meistens tierische Fette z.B. Butter

Ungesättigte Fette: Besitzen mind. Eine Mehrfachbindung und

sind somit gewinkelt (E,Z-Isomere) und bei RT flüssig, meiste pflanzliche Fette und Fischfette

z.B. Oivenöl


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teilweise ionische Bindungen und Disuflidbrücken die somit das Protein auch polarisieren (innen hydrophil, aussen hydrophob). Bei Proteinen, die aus mehr aus einer Polypeptdikette entstehen, gibt es noch eine Quartärstruktur. Diese beschreibt die Interaktion zwischen den verschiedenen Ketten (z.B. Hämoglobin). Somit haben Proteine sehr viele Aufgaben: Transportmoleküle, Botenstoffe, Enzyme, Baustoffe, Signalstoffe etc. Ihre tertiäre Struktur ist charakteristisch und entscheidet oft über weitere chemische Prozesse (z.B. Rezeptoren an Zellen). Die Endkonfiguration der Proteine wird meistens durch verschiedene Co-Faktoren gesteuert. Die Tertiärstruktur der Proteine ist sehr stark von den abiotischen Faktoren abhängig, d.h. bei einer geringsten Änderung können reversible und auch irreversible Schäden an der Tertiärstruktur auftreten. Diesen Vorgang nennt man Denaturierung. Ein Beispiel dafür: Wenn man während einigen Tagen hohes Fieber hat, werden die Magenenzyme denaturiert, so dass oft als Nebenwirkung Magen- oder Darmbeschwärden auftreten können. Das wohl wichtigste Protein im Körper ist die DNA. Die Abkürzung DNA steht für „deoxyribonuleic acid“. Sie ist aus zwei antiparallelen Strängen aufgebaut, die als Grundbausteine die vier Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin haben. In den Strängen findet man die Desoxyribose und die Phosphatgruppe. Die Struktur ist eine Doppelhelix (beide Stränge werden je durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten). Die weiteren Eigenschaften folgen im Thema Genetik. Kapitel 6: Zytologie, Kapitel 7: Membranstruktur und Funktion Die Zelle ist die kleinste Funktionseinheit, aus welcher der menschliche Körper aufgebaut ist. Sie besitzt eine Vielzahl von Organellen, d.h. noch kleinere funktionelle Einheiten, die ganz bestimmte Aufgaben innerhalb der Zelle erfüllen. Man unterscheidet grundsätzlich folgende LW nach ihren Zellen: Abb.3: Unterteilung der LW mit Zellen

Prokaryontische Zellen sind sehr simpel aufgebaut: Sie besitzen eine äussere Membran und um diese herum eine Art Zellwand, die meistens aus Murein aufgebaut ist. Diese gibt der prokaryontischen Zelle Schutz und Stabilität, weil die meisten Prokaryonten einen hohen

LW mit Zellen

Eukaryonten (=Mehrzeller)

Prokaryonten (=Einzeller)

Tierische Zellen Pflanzliche Zellen


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Innendruck aufweisen (=Turgor). Ausserdem haben viele noch eine Zellwand wie die Pflanzen. Innerhalb des Prokaryonten findet man freie Ribosomen, welche zur Proteinsynthese gedacht sind und im Zytoplasma eine Art Zellkern, der jedoch keine Membran hat. Dort ist das Erbgut des Prokaryonten gesammelt. Ausserdem besitzen vor allem Bakterien noch sogenannte Plasmide, d.h. Erbgut, das schnell modifiziert werden kann und eine bestimmte Information hat, welche einer Umgebungsanpassung entsprechen kann (z.B. Toleranz gegen ein Antibiotikum). Eine eurkaryontische Zelle hingegen ist sehr viel komplexer aufgebaut, weil alle Organellen in einer Membran verschlossen sind; ausserdem sind es viele mehr und die Interaktion zwischen ihnen ist sehr rege. Deswegen sollen nun alle Organellen Schritt für Schritt vorgestellt und erklärt werden. a.) Die Rezeptoren Rezeptoren sind Glykoproteine, die ausserhalb der Zelle an der Membran angebracht sind. Ihre Aufgabe ist zentral für den Stoffwechsel der Zelle. Beispielsweise steuern Rezeptoren die Einfuhr gewisser Stoffe. Weil die Membran nur für sehr kleine Moleküle durchlässig ist, brauchen z.B. Kohlenhydrate spezielle Tunnelproteine. Diese sind jedoch immer verschlossen und werden erst dann für das Saccharid geöffnet, wenn dieses chemisch oder mechanisch den Rezeptor aktiviert. Diese Stofferkennung kann wie gesagt auf zweierlei Phasen passieren: Durch die Annäherung eines Moleküls werden die Ladungen innerhalb des Rezeptors geändert und dieses ändert wiederum jenes der Tunnelproteine, so dass diese sich öffnen (mechanisch). Eine andere Variante ist, dass durch eine bestimmte chemische Reaktion (vor allem katalytisch) Teilchen aktiviert werden und somit die Tunnelproteine sich öffnen (z.B. bei alosterischer Inhibition eines Enzyms). b.) Die biologische Membran Die biologische Membran ist wie im letzten Kapitel schon erwähnt aus Phospholipiden aufgebaut. Sie ist ca. 8 nm dick (je 2.5 die Köpfe und 3 nm die Schwänze). Dadurch erhält sie die Eigenschaft, dass sie gegen Aussen hydrophil ist und gegen Innen hydrophob. Dadurch hat die Membran nur schon aufgrund dieser chemischen Eigenschaft eine nur bedingte Durchlässigkeit für Stoffe. Dies dient in erster Linie als Schutz vor Giftstoffen etc. Die biologische Membran ist jedoch kein festes Gitter von Molekülen, sondern mehr eine Art Fluidum, das ständig in Schwingung liegt. Damit die eingebetteten Tunnelproteine nicht herausrutschen, werden die Phospholipide durch Einlagerung von Cholesterol (=Cholesterin) stabilisiert. Ausserdem verhindert das Cholesterol das Dichte zusammenpacken der Phospholipide, d.h. es verhindert, dass bei niedrigen Temperaturen die Membran schnell auskristallisiert und bei hohen Temperaturen dämpft es die Schwingungen. Um optimal zu arbeiten ist die Membran jedoch etwa so flüssig und viskos wie Olivenöl. Kleine Moleküle wie z.B. NH3 oder H2O haben zwar ein Dipolmoment; sind jedoch in der Lage durch die Membran durchzuschlüpfen. Bei grösseren Molekülen ist das jedoch nicht möglich aufgrund der van der Waals Abstossung zwischen der Membran und der Teilchen. Was passiert z.B., wenn sich i.) ein Essigsäuremolekül und ii.) ein Octanmolekül der Membran nähert? Das Molekül i.) ist polar und wird somit von den hydrophilen Köpfen angezogen. Es kann jedoch nicht durch die Membran, weil der Intermembranraum ja hydrophob ist. Das Molekül ii.) ist hydrophob und würde zwar vom Intermembranraum angezogen; es wird tatsächlich aber schon von den hydrophilen Köpfen abgestossen. Nun wie gelangen also grössere Moleküle tatsächlich in die Membran? Dazu benötigt es sogenannte Tunnelproteine. Diese sind stoffspezifisch und besitzen in der Mitte eine hydrophoben Teil, der in der Membran eingebettet ist und an den Enden sind sie hydrophil. Diese werden dann


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bei Anwesenheit des Stoffes durch Rezeptoren aktiviert (siehe a.)). Die Tunnelproteine arbeiten entlang des Konzentrationsgefälles, d.h. die Stoffe werden vom höher konzentrierten Medium in das niedrig konzentrierte Medium diffundieren. Man nennt diese Art des Transports passiven Transport. Da er entlang des Konzentrationsgefälles geschieht, wird keine Energie aufgewendet. Ein sehr wichtiger Effekt ist die Osmose. Sie beschreibt die Bewegung von Wassermolekülen durch eine semipermeable Membran. Dazu ein Beispiel: Abb. 4: Demonstration Osmose

Nun ist die Membran nur für Wassermoleküle permeabel. Was wird geschehen? Die Wassermoleküle bewegen sich von der hohen Wasserkonzentration zur niedrigen Wasserkonzentration, d.h. die Zuckerwasserwurst wird sich mit Wasser füllen und einen hohen Innendruck bekommen. Entsprechend diesem Kriterium nennt man eine Lösung hypotonisch, isotonisch oder hypertonisch. Alle drei Begriffe sind zentral für die Osmoregulation im Körper.

- Hypotonisch heisst, wenn die Zelle mit Wasser gefüllt wird, d.h. die Konzentration von Wasser ist ausserhalb der Zelle grösser als innerhalb oder anders gesagt ist die Konzentration eines bestimmten Stoffes in der Zelle grösser als ausserhalb der Zelle. Zellen im hypotonischen Medium können durch den hohen Innendruck aufplatzen.

- Isotonisch heisst, wenn die die Konzentration ausserhalb und innerhalb der Zelle

genau gleich gross ist. Auf diese Weise verliert die Zelle kein Wasser und nimmt auch keines auf. => Thermodynamisch handelt es sich hier um ein Gleichgewicht, d.h. die Konzentration ändert infinitesimal, d.h. ∆G = 0 !

- Hypertonisch heisst, wenn die Zelle Wasser an die Umgebung verliert, das heisst die

Wasserkonzentration in der Zelle ist grösser als jene in der Umgebung bzw. die Umgebung hat eine höhere Konzentration eines bestimmten Stoffes. Ein Beispiel


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dafür ist, dass Salat schwammig wird, wenn man es lange im Dressing lässt. Das geschieht, weil das Dressing eine höhere Salzkonzentration (= geringere Wasserkonzentration) hat als die Zellen des Salats.

Bei Pflanzenzellen in einem hypotonischen Medium füllt sich die Zelle mit Wasser wie eine tierische Zelle. Die pflanzlichen Zellen haben jedoch einen Schutzmechanismus, der sich Turgor nennt. Dieser vermeidet das Aufplatzen der Zelle. Die elastische Zellwand expandiert nämlich bis zu einem gewissen Punkt. Danach übt sie einen Gegendruck auf die Zelle aus, welcher den weiteren Wassereinfluss verhindert. Die biologische Membran kann aber neben dem passiven Transport entlang des Gefälles auch einen aktiven Transport ausüben. Für diesen benötigt man jedoch Energie, die durch das ATP geliefert wird. Für den aktiven Transport sind sogenannte Carrier zuständig. Sie können Stoffe in beide Richtungen transportieren. Die Funktion des Carriers soll anhand der Natrium-Kalium-Pumpe illustriert werden, die zentral bei der Nervenleitung ist. Ausgangslage: Die Konzentration der Na+ ist aussen grösser als in der Zelle [Na+]A > [Na+]I und die Kaliumkonzentration ist aussen kleiner als innen [K+]A < [K+]I. Ausserdem ist die totale Natriumkonzentration ca. 10mal grösser als jene des Kaliums. Das Prinzip ist ganz simpel. Die biologische Membran weisst immer eine sogenanntes Ruhepotential auf. Dieses entsteht durch die verschiedenen Elektrolytkonzentrationen innerhalb bzw. ausserhalb der Zelle. Die Zelle ist aussen positiv geladen und innen negativ. Nun transportiert der Carrier die Natrium- und Kaliumionen gegen ihr Konzentrationsgefälle, d.h. Kalium strömt in die Zelle und Natrium strömt aus der Zelle heraus. Dadurch wird die Spannung (Ruhepotential) geändert und es entsteht eine Depolarisation der Zelle, d.h. die Tunnelproteine des passiven Transports öffnen sich und es kommt zum elektrischen Impuls. Die Carrier können die Stoffe gegen ihr Gefälle transportieren, indem sie phosphoryliert werden, d.h. ein ATP wird aufgewandt. Die Zelle stösst oft Abfallprodukte aus oder empfängt fertige Proteine von anderen Zellen. Diese werden jedoch zum Schutz für die Produkte bzw. Schutz vor Giftstoffen nicht via Tunnelproteine transportiert sondern mithilfe von kleinen Membrankügelchen, den Vesikeln. Diese verschmelzen dann mit der äusseren Membran, welche nachgibt und im Fluidum kann der Vesikel austreten. Wenn Stoffe aufgenommen werden, heisst der Vorgang Endozytose sonst heisst er Exozytose. Benachbarte Zellen liegen nicht parallel zueinander, sonst wäre ein Gewebe nicht stabil. Deswegen gibt es zwischen den Zellen Verbindungen, um den Zusammenhalt des Gewebes zu stabilisieren. Man unterscheidet bei tierischen Zellen drei Verbundenheiten: - Tight Junction: Die Membranen benachbarten Zellen werden stark aneinandergepresst und durch Proteine zusammengeheftet. Auf diese Weise wird der Ausfluss von extrazellulärer Flüssigkeit verhindert. - Desmosomen: Die Membranen liegen parallel und werden durch kleine Mikrofasern zusammengeknüpft. In der Mitte bleibt eine Art Kanal. - Gap Junction: Die Gap Junctions sind noch lockerer als die Desmosomen zusammengeknüpft. Auf diese Weise können kleine Moleküle durch die Membranporen von einer Zelle auf die andere übertragen werden.


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c.) Das Zytoskeleton Das Zytoskeleton besteht einerseits aus feinsten Fasern und aus dem flüssigen Zytoplasma. Das Zytoplasma ist eine wässrige Eiweisslösung, in welcher sich die Organellen befinden. Sie dient als Füllmaterial, aber auch als Transportmedium. Die feinsten Fasern, die Microtubuli stabilisieren die gesamte Zelle wie ein Skelett. Ausserdem sind die Fasern zuständig für den Verkehr innerhalb der Zelle. Für weitere Infos bezüglich dieser Mikrofasern siehe Campell Seite 113ff. d.) Das Endoplasmatische Reticulum

e.) Der Golgi-Apparat Der Golgi-Apparat ist ein Membranabteil, welches für viele Vesikel mit Stoffwechselprodukten die nächste Station nach dem ER ist. In erster Linie liegt die Funktion des Golgi-Apparats darin die Produkte aus dem ER zu sortieren und an ihre richtige Destination zu schicken. Ausserdem ist er in der Lage, die Produkte weiter chemisch zu modifizieren. Es scheint also nicht erstaunlich, dass Drüsenzellen einen sehr ausgedehnten Golgi-Apparat haben. Dieses Organell besitzt eine cis- Seite und eine trans- Seite. Die cis- Seite ist nahe beim ER und ist der Eingang; die trans- Seite der Ausgang. f.) Das Lysosom Das Lysosom ist ein Sack, in welchem verschiedene Verdauungsenzyme vorhanden sind. Ausserdem ist der pH-Wert relativ niedrig. Das Lysosom ist also verantwortlich für die Verdauung innerhalb der Zelle. Eine weitere Aufgabe ist die Verdauung fehlgeleiteter Organellen. Im schlimmsten Fall kann das Lysosom die Autolysis der Zelle, d.h. die Selbstzerstörung einleiten. g.) Der Zellkern Der Zellkern ist wohl das grösste und dichteste Organell in den Zellen. Es enthält die DNA, aus welcher die gesamte genetische Information gespeichert ist. Die DNA findet sich dort als

ER: Das ER ist ein riesiges Membransystem in der

eukaryontischen Zelle. Durch die grosse Faltung hat es eine riesige Oberfläche. Das

Lumen innerhalb des ER ist mit dem Kern über das Endomembransystem verbunden.

Rauhes ER RER: ER mit angehefteten Ribosomen,

Sekretion von Polypeptiden (z.B. Insulin) via Vesikel und Reproduktion der biologischen Membran, indem andauernd Phospholipide

nachgeliefert werden (Membranfabrik)

Glattes ER SER: Smooth, ER hat keine angehefteten

Ribosomen, Hauptaufgaben ist die Synthese von Lipiden und die Entgiftung der Zelle

mithilfe von Enzymen


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dünne Chromatinfäden, die um Histone gewickelt sind. In einem Zellkern hat es ca. zwei Meter Erbgut. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran zum Zytoplasma abgeschirmt und enthält darin Poren. Diese sind wichtig, damit die mRNA nach der Transkription an die tRNA der Ribosomen binden kann. Im Zellkern hat es eine noch dichtere Struktur der Nucleolus. Hier wird die wichtige rRNA synthetisiert und komplexiert. Dieses kann dann durch die Poren austreten und ist auch bei der Genexpression zentral. Der Zellkern ist also immer der erste Schritt eines entstehenden Produkts im Endomembransystem. h.) Das Endomembransystem Zum Endomembransystem gehören alle Organellen, welche durch den intrazellulären Vesikeltransport miteinander verknüpft sind. Die Reihenfolge dieses Vesikeltransports sieht in der Regel wie folgt aus: äussere Kernhülle ð ER ð Golgi-Apparat ð Lysosom ð meistens Exozytose i.) Die Ribosomen Ribosomen sind kleine Funktionseinheiten, die aus Proteinen und rRNA aufgebaut sind. Sie setzen sich aus einer kleinen und einer grossen Untereinheit zusammen. Die Ribosomen kommen entweder gebunden vor (RER) oder frei (SER). Die freien Ribosomen produzieren Proteine, die im Zytoplasma wirken, z.B. Enzyme für die ersten Schritte der Glykolyse. Die gebunden Ribosomen bildet meistens solche Proteine, die für den „Export“ gedacht sind. j.) Das Mitochondrium Das Mitochondrium ist für die Energieproduktion der Zelle verantwortlich, d.h. in Muskelzellen wird man viele Mitochondrien finden. Das Mitochondrium hat eine äussere Membran und eine innere. Der innerste Raum nennt sich Matrix und der andere Intermembranraum. Beide haben zentrale Eigenschaften vor allem die Endoxidation von Stoffen (siehe Kapitel Stoffwechsel). Mitochondrien besitzen ebenfalls eigene DNA in der Matrix. Diese sind zuständig für die Endfertigung der Enzyme, welche die Stoffwechselreaktionen katalysieren. k.) Das Peroxisom Das Peroxisom ist ein kleines Organell im Zytoplasma, das gefährliche Abbaureaktionen durchführen kann. Dabei entsteht meistens Wasserstoffperoxid, das ja ein starkes Oxidationsmittel ist und im Zytoplasma verheerende Folgen hätte. Durch die Peroxidase wird dieses jedoch zu Wasser und Sauerstoff reduziert. l.) Die Chloroplasten (nur in pflanzlichen Zellen!) Das Chloroplast ist ein Organell, welches aus einem inneren Membranstapelsystem und einer äusseren Membran besteht. Er gehört zu der Gruppe der Plastiden: Amyloplasten speichern Stärke und sind farblos; Chloroplasten sind mit dem Farbstoff Chlorophyll versetzt und ihre Hauptaufgabe besteht darin die Sonnenenergie in chemische Energie umzusetzen (Kapitel 10 Photosynthese). Chloroplasten besitzen wie Mitochondrien zwei Membranen, welche einen kleinen Intermembranraum ausbilden. Im innersten Abteil der Chloroplasten befinden sich die


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Membranstapel, die Thylakoidmembran. Der Raum ist mit dem Stroma ausgefüllt, ein flüssiges Medium, das Ribosomen und Enzyme enthält; aber auch DNA. An manchen Orten sind die Thylakoidmembranen wie Pokerschips gestapelt: Man nennt einen solchen Stapel Granum. Somit entstehen drei Räume innerhalb des Chloroplasten: Der Intermembranraum, das Stroma und der Raum innerhalb der Thylakoidmembran. m.) Die Vakuole (nur in pflanzlichen Zellen!) Die Saftvakuole hat vor allem während der Entwicklung des Sprosses zur ausgewachsenen Pflanze eine wichtige Rolle. Sie nehmen überschüssiges Wasser auf, damit die Zelle optimal wachsen kann, ohne in viel Zytoplasma zu investieren. In einer erwachsenen Pflanzenzelle ist die Vakuole vor allem ein Speicherort für Nebenprodukte des Stoffwechsels. Beispielsweise werden Gerbstoffe oder Duftstoffe in der Saftvakuole synthetisiert. n.) Die Zellwand (nur in pflanzlichen Zellen!) Die Zellwand ist eine extrazelluläre Struktur, die der Pflanzenzelle zusätzliche Stabilität verleiht. Sie ist aus Zellulosefasern aufgebaut und durch Einlagerung von Pektinmolekülen zusätzlich stabil. Die meisten Pflanzen haben eine primäre Zellwand, die sie im jungen Stadium ausbauen. Mit der Zeit folgen ein Mittelstück und dann eine dicke sekundäre Zellwand. zwischen den Zellwänden von benachbarten Pflanzenzellen bilden sich sogenannte Plasmodesmata aus; ein Gebilde aus Zytoplasma und Fasern, welche die Zellen als Gewebe zusammenhalten ohne grosse Zwischenräume. Kapitel 8: Einführung in den Stoffwechsel Bevor man hier mit dem eigentlichen Stoffwechsel startet, muss man wissen, welche Energieformen für den diesen zentral sind. Im Stoffwechsel zählen ausschliesslich die chemische Energie, die Lichtenenergie und die Wärmeenergie. Erstere beschreibt die potentielle Energie eines Stoffes. Weil aber viele Reaktionen explosionsartig geschehen (z.B. Synthese von Wasser aus Sauerstoff und Wasserstoff ð Knallgasreaktion) oder als Energieform Wärme produzieren, braucht es einige Mechanismen, um diese Energie nicht verpuffen zu lassen. Aus diesem Grund passieren viele Reaktionen über sogenannte Kaskaden, d.h. die Stoffe übertragen ihre Lichtenergie oder Wärmeenergie langsam auf Moleküle, die somit eine höhere chemische Energie haben (z.B. NAD, FAD). Es gibt zwei wichtige Pfade im Stoffwechsel, und zwar der Anabolismus und der Katabolismus.


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Diese grobe Einteilung zeigt schon, wie wichtig es ist, das Gebiet der Thermodynamik zu verstehen. Mithilfe thermodynamischer Betrachtungen lassen sich nämlich die energetischen Übergänge und Transformationen erklären. Die Hauptsätze der Thermodynamik lauten:

- 1. HS: Die Energie eines geschlossenen Systems ist immer konstant. Energie kann also nicht produziert oder zerstört werden, sondern nur umgewandelt.

- 2. HS: Die Gesamtentropie eines Systems ist immer grösser als 0, d.h. es gibt nie ein

ideales Gitter. Mit anderen Worten wird bei jeder energetische Umwandlung mehr Unordnung gebildet.

Mit diesen zwei Zustandsgrössen der Thermodynamik lässt sich nun die Gibbs’sche Energie berechnen, d.h. jener Energiebetrag der effektiv für die Umsetzung einer Reaktion benötigt/frei wird. Formel 1: Gibbs’sche Energie

∆G = ∆H - T·∆S

Wenn ∆G < 0 ist läuft eine Reaktion spontan ab. Man nennt sie auch eine exergonische Reaktion. Falls ∆G > 0 ist muss Energie zugeführt werden; die Reaktion läuft nicht spontan und man nennt sie endergonisch. Der wohl wichtigste Energieträger in der Biochemie ist das ATP „adenosine triphosphat“. Abb. 5: ATP-Molekül

Stoffwechsel

Anabolismus = Aufbau komplexer

Stoffe aus Grundbausteinen

Katabolismus = Zersetzung von

aufgenommenen Stoffen unter Energiegewinnung


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N

N

N

N

NH2

OO

OHOH

P

O

OH

P

O

O

OH

OH

OH

O

O

P

Die Energiegewinnung beim ATP funktioniert immer auf die gleiche Art und Weise: Das gewünschte Molekül, das z.B. gespalten werden muss wird durch das ATP phosphoryliert, d.h. eine Phosphatgruppe des ATP wird abgespalten und hängt sich an das Molekül (z.B. Glukose). Durch diese Phosphatgruppe wird das Molekül destabilisiert und wird so reaktionsfreudiger. Damit das ATP die Phosphatgruppe abspaltet, muss es zu einer Hydrolyse kommen, d.h. eine Wasseranlagerung: RG.1: Hydrolyse von ATP

ATP + H2O ð ADP + PO43- ∆G = - 30.5 kJ·mol-1

Wie man sieht geschieht die Hydrolyse spontan. Das verbliebene ADP „adenosine diphosphat“ kann nun zwei weitere Phosphatgruppen abspalten. Das ATP wird während der Zellatmung wieder hergestellt. Die Reaktion läuft dann in die andere Richtung ab und ist nicht mehr spontan. Weil das ATP jedoch nicht in Unmengen vorhanden ist, werden viele Reaktionen im Körper katalytische gesteuert, so dass die Reaktionen schon bei Körpertemperatur spontan ablaufen oder zumindest die Aktivierungsenergie stark gesenkt wird. Diese Biokatalysatoren sind Enzyme. Sie sind Proteine mit einer sehr exakten räumlichen Struktur. Die Wirkungsweise der Enzyme ist simpel. Damit eine chemische Reaktion abläuft müssen die Edukte eine bestimmte kinetische Energie aufweisen. Wenn diese Energiebarriere überwunden ist, stossen die Teilchen zusammen und verbinden sich zum Produkt. Die Energiebarriere wird durch die Aktivierungsenergie überwunden, z.B. durch Zuführen von Wärme. Das Enzym aktiviert das Substrat (Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes), indem es dieses in eine günstige sterische Lage für einen Zusammenstoss bringt. Die Wahrscheinlichkeit steigt also, dass nun die Edukte zusammenstossen und auf diese Weise ist die Energiebarriere tiefer. Das Enzym ist substratspezifisch, d.h. es hat nur eine Einlage für ein ganz bestimmtes Molekül. Man nennt diese Eigenschaft auch Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die Abhängigkeit der enzymatischen Wirkung von der Temperatur und dem pH-Wert sind sehr wichtige Faktoren. Bei steigender Temperatur schwingen die Moleküle schneller und bis zu einer gewissen Temperatur werden die Enzyme optimal arbeiten. Danach wird ihre Aktivität steil abfallen, und zwar verändert sich dann die Struktur des Enzyms (=Denaturierung). Die Toleranz zum pH-Wert ist praktisch deckungsgleich mit jener zur Temperatur. Viele Enzyme benötigen sogenannte Co-Faktoren, um katalytisch zu arbeiten. Diese Co-Faktoren sind meistens Spurenelemente wie z.B. Vitamine. Danebene werden die Enzyme durch verschiedene Mechanismen gesteuert. Damit sie nicht ständig arbeiten, werden sie meistens gehemmt, durch sogenannte Inhibitoren. Man unterscheidet dort zwischen kompetitiven und nichtkompetitiven Inhibitoren. Daneben gibt es noch die allosterische


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Hemmung. Die allosterische Hemmung ist der Überbegriff für die Hemmung, die durch ein anderes Molekül verursacht wird. Die Wirkungsweise der kompetitiven Hemmung ist so, dass sie ein substratähnliches Molekül in die aktive Stelle einnistet und somit dem richtigen Substrat die Bildung des Substrat-Enzym-Komplexes verbietet. Die nichtkompetitive Hemmung funktioniert so, dass sich ein Molekül einer bestimmten Stelle des Moleküls nähert und durch die van der Waals Abstossung dieses sterisch verändert. Auf diese Weise wird die Öffnung für das Substrat auch verändert und dieses kann nicht mehr andocken. Allosterische Hemmung = Enzym wird nicht am aktiven Zentrum, sondern irgendwo anders gehemmt, so dass die Tertiärstruktur reversibel geändert wird. Kooperativität = Ein Ligand bringt ein Enzym/Proteinkomplex dazu, die nächsten Liganden schneller zu binden. (z.B. Hämoglobin) Kapitel 9: Die Zellatmung Die Zellatmung ist jener Prozess, in welchem Kohlenhydrate, Fette und Proteine unter Energiegewinnung aufgespaltet werden. Weil die Kohlenhydrate am meisten Energie liefern, werden auch diese am häufigsten gespalten. Die gesamte Zellatmung geschieht im Zytoplasma und in den Mitochondrien. Das Hauptprinzip der Zellatmung ist die Reduktion von O2. Die Umwandlung der chemischen Energie kann nicht in einem Schlag geschehen, weil sonst nur Wärme entsteht. Deswegen werden dutzende Zwischenschritte eingeleitet, in welchen Elektronen auf ganz bestimmte Moleküle übertragen werden. Das wohl wichtigste dieser Moleküle ist das NAD+. Dieses wird während des Stoffwechselvorgangs reduziert und trägt somit in diesen Elektronen gebundene Energie. Die Reduktion läuft mithilfe der Dehydrogenase ab. Auf diese Weise wird in der Endoxidation die Knallgasreaktion kontrolliert durchgeführt. Die Struktur des NAD+ „nicotindiamid adenin dinucleotid“ sieht wie folgt aus: Abb. 6: NAD+-Molekül

P

O

OH

O

O

OH

O

P

NO

OH

N

NN

NH2

O

N+

O

OH

O

NH2


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Somit ist die Bilanz der Zellatmung die folgende: Der Wasserstoff, der von der organischen Nahrung geliefert wird, reduziert den Luftsauerstoff zu Wasser. Diese Reaktion entspricht der Knallgasreaktion; im Stoffwechsel wird jedoch die freiwerdende Energie mittels einer Elektronentransportkette kontrolliert so verwendet, um ADP zu ATP zu synthetisieren. Nun findet die Zellatmung in drei verschiedenen Teilprozessen statt: die Glykolyse, der Zitratzyklus und die Endoxidation. a.) Die Glykolyse Die Glykolyse geschieht im Zytoplasma und beschreibt den Vorgang, in welchem 1 mol Glukose zu 2 mol Brenztraubensäure aufgespaltet wird. In einem ersten Reaktionsschritt wird die Glukose durch die Hexokinase phosphoryliert, wobei ein mol ATP aufgewendet wird. Durch die Phophorylierung wird das Glukosemolekül instabil und reaktiver. Durch ein weiteres Enzym Phophoglucoisomerase wird nun das entstandene Glukose-6-phosphat in sein Isomer Fructose-6-phosphat umgewandelt. Nun wird in einem dritten Schritt das Isomer ein zweites Mal phosphoryliert, wobei Frucotse-1,6-biphosphat entsteht, welches durch die hohe sterisch Abstossung sofort in zwei Moleküle zerfällt: 2 Glycerinaldehyd-3-phosphat. Durch eine weitere Dehydrogenase werden nun zwei mol NAD+ reduziert, wobei das Molekül 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht, welches sehr reaktiv ist und sofort eine Phosphatgruppe abspaltet und somit ATP bildet. Das verbliebene 3-Phosphoglycerat wird nun umstrukturiert und in einem letzten Reaktionsschritt zur Brenztraubensäure umgewandelt unter Bildung von einem weiteren mol ATP. Somit hat die Glykolyse folgende Bilanz: RG.2 : Bilanz Glykolyse

C6H12O6 ð 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

Das ist eine sehr magere Ausbeute. Somit ist sicher, dass noch ein grosser Teil der Energie in der Brenztraubensäure und auf de Elektronentransporter liegt. b.) Zitratzyklus Der erste Schritt ist nun die oxidative Decarboxylierung der Brenztraubensäure, d.h. es bildet sich Essigsäure unter Abspaltung von CO2 und Bildung von NADH + H+. die Essigsäure wird nun durch das Acetyl CoA komplexiert. Nun kann man den gesamten Mechanismus in sieben weitere Schritte einteilen: 1.) Die Zitronensäure wird isomerisiert, und zwar in Iso-Zitronensäure. Dabei wird ein Wassermolekül abgespalten. 2.) Das Isomer verliert nun ein CO2-Molekül und es wird wieder ein NADH + H+ gebildet. Nun ist genau ein C-Atom vom ursprünglichen Ring vorhanden. Es entsteht α-Ketoglutarsäure. 3.) In einer weiteren Oxidation wird nochmals CO2 abgespaltet und es entsteht wiederum ein NADH + H+. Nun ist der ursprüngliche Glukosering ganz verschwunden. Bevor Bernsteinsäure entsteht wird das Zwischenprodukt Succinyl durch einen weiteren Co Faktor aktiviert. 4.) Der Komplex ist instabil und spaltet sich ab. Dabei entsteht neben der Bernsteinsäure auch ein mol ATP.


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5.) Die Bernsteinsäure wird zur Fumarsäure oxidiert. Dabei werden zwei Elektronen auf das FAD übertragen. Es entsteht FADH2. 6.) Durch die Hydrolyse mit Wasser geht eine Doppelbindung in der Fumarsäure verloren und es entsteht die Apfelsäure. 7.) Im letzten Schritt wird die Apfelsäure oxidiert und es entsteht die Oxalsäure. Dabei wird wiederum ein NADH + H+ gebildet. Hier beginnt der Zyklus wieder, indem die Oxalsäure mit dem aktivierten Essigsäurekomplex zu Zitronensäure reagiert. Wichtig bei der Glykolyse und beim Zitratzyklus ist noch folgende Bemerkung: Die erwähnten Teilchen liegen nicht als Säureteilchen vor, sondern stehen im Gleichgewicht mit dem Wasser. Es handelt sich nämlich um organische Säuren, d.h. um schwache Säuren, die im Wasser dissoziieren. Abb. 7: Zitratzyklus

Nun stellen wird die Bilanz des Zitratzyklus zusammen: RG.3: Bilanz Zitratzyklus 2 C3H4O3 ð 6 CO2 + 8 NADH + H+ + 2 FADH2 + 2 ATP Bis jetzt wurden also insgesamt 4 mol ATP zwischen der Glykolyse und dem Zitratzyklus ausgebildet. In der Endoxidation wird nun die gesamte Energie des Prozesses gewonnen. Der Zitratzyklus läuft in der Mitochondrienmatrix ab. c.) Die Endoxidation

Zitronensäure

Apfelsäure

Oxalsäure

Iso-Zitronensäure

α Ketoglutarsäure

Bernsteinsäure

Fumarsäure

Succinyl-CoS


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In der Endoxidation wird nun der grösste Teil des ATP synthetisiert. Nun werden die Elektronen der Trägermoleküle auf die Komplexe in der inneren Membran des Mitochondriums übertragen, und zwar in einer sogenannten Elektronentransportkette. Dabei ist jeder nächste Komplex immer elektronegativer. Auf diese Weise ist das Elektron beim auftreffen mit dem O2-Molekül energetisch so angehoben, dass keine explosionsartige Knallgasreaktion abläuft. Durch die Wasserbildung steigt der pH-Wert im Intermembranraum und gleichzeitig sinkt er in der Matrix. Dadurch ergibt sich ein Protonengradient, der nun durch die ATPsynthase ausgenutzt wird. Durch die spontane Bewegung der Protonen wird die ATPsynthase angetrieben (wie eine Turbine) und produziert so aus ADP und Phosphat ATP. Es werden ca. 38 ATP synthetisiert. Man nennt diesen Prozess oxidative Phosphorylierung. Somit lässt sich als totale Endbilanz folgende Reaktionsgleichung aufstellen: RG. 4: Zellatmung1

C6H12O6 + 6 O2 ð 6 H2O + 6 CO2 + 38 ATP

Der Fall der Zellatmung ist der normale Prozess. Er läuft aerob ab, das heisst unter Vorhandensein von O2. Die Zelle kann jedoch auch anaerob arbeiten, d.h. ohne Sauerstoff. Man nennt diesen Vorgang Gärung. Doch welche Bilanz ergibt sich dann und wie gross ist der Energiegewinn? Bei der Gärung wird läuft die Glykolyse normal ab und dann wird abgebrochen und es entsteht ein Nebenprodukt. Man unterscheidet grundsätzlich die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung. Die Bilanz der Glykolyse ist auch bei der Gärung identisch. Nun wird die entstandene Brenztraubensäure in einem zweiten Schritt nicht oxidiert, sondern es wird durch das NADH + H+ reduziert. Kurze Zusammenstellung oxidative Phosphorylierung:

1) Komplexe oxidieren FADH2 und NADH + H+; Protonen wandern in Intermembranraum des Mitochondriums.

2) Es entsteht ein Protonengradient zwischen Matrix und Intermembranraum. Die

Energie dafür stammt aus den unterschiedlichen Redoxpotentialen.

3) Protonen fliessen wieder hinein in die Matrix durch eine Pumpe => ATP-Bildung

1 guter Vergleich zwischen Mitochondirum und Chloroplasten auf S. 192 Campell


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Abb. 8 : Gärungsarten

Kapitel 10: Photosynthese Die Photosynthese ist jener Prozess, in welchem aus Lichtenergie chemische Energie erzeugt wird. Dabei wird aus CO2 und H2O eine Triose synthetisiert. Zur Vereinfachung arbeitet man jedoch mit de Glukose, die anschliessend eigentlich produziert wird. Dabei bildet dieser Prozess die Grundlage der gesamten Nahrungskette der Biosphäre. Man unterscheidet nämlich zwischen den Produzenten und den Konsumenten.

- Produzenten: Die Produzenten bilden die Grundlage der Nahrungspyramide. Es handelt sich dabei um alle autotrophen LW, d.h. LW die alle komplexen organischen Bausteine aus den anorganischen Grundmolekülen aufbauen können, z.B. die Pflanzen.

- Konsumenten: Die Konsumenten stehen in der Nahrungspyramide über den Produzenten und werden in verschieden Ordnungen eingeteilt. Sie sind heterotroph, d.h. sie müssen einen grossen Teil der komplexen Bausteine durch die Nahrung aufnehmen.

Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten ab. Diese kleinen Organellen wurden schon in der Zusammenfassung der Kapitel 6 und 7 betrachtet. Um ihre Aufgabe besser zu betrachten, muss man zuerst einen Querschnitt eines grünen Blattes betrachten. An der Blattunterseite sind die Poren zu erkennen; sie heissen Stomata. Durch sie geschieht der Gasaustausch des Blattes. Das Wasser kommt via Venen aus den Wurzeln. Die grosse Ansammlung an Chloroplasten findet sich im Mesophyll, dem Mittelgewebe des Blattes. Somit unterliegt die Photosynthesereaktion folgender Reaktionsgleichung: RG. 5: Photosynthese Bruttogleichung

6 CO2 + 12 H2O ð C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Gärung =Gewinnung von Energie in Abwesenheit von Sauerstoff

als Ox.mittel

Alk. Gärung Bei der alkoholischen

Gärung entsteht Ethanol als Nebenprodukt

Milchsäuregärung Bei der Milchsäuregärung ist das Produkt die Milchsäure


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Während der Reaktion wird Wasser verbraucht und neugebildet. Es ist jedoch bewiesen, dass das Sauerstoff vom Wasser stammt und nicht vom CO2. Aus diesem Grund gibt es die sogenannt Chemosynthese, wo anstatt Wasser H2S als Reduktionsmittel dient. Diese Reaktion wird durch Purpurschwefelbakterien durchgeführt. Man gliedert die Photosynthese in zwei Teilreaktionen ein, und zwar in die lichtabhängige und die lichtunabhängige Reaktion. Letztere ist auch als Calvinzyklus bekannt. In der ersten Teilreaktion wird durch eine Redoxkette das Wasser zu O2 oxidiert. Daneben werden noch ATP und NADPH für die lichtunabhängige Reaktion bereitgestellt. Durch diese bereitgestellte Energie läuft die zweite Reaktion ab, indem dort langsam der Zuckerring durch die Zugabe von CO2 aufgebaut wird. Die lichtabhängige Reaktion geschieht innerhalb der Thylakoidmembran und der Calvinzyklus im Stroma. a.) Die lichtabhängige Reaktion In der Thylakoidmembran befindet sich das Chlorophyll, das ein bestimmtes Absorptionsspektrum aufweist. Diese gibt an, bei welchen Wellenlängen das Chlorophyll am effektivsten arbeitet. Bei der Untersuchung der Spektren ergaben sich zwei Maxima, die auf zwei verschiedene Chlorophyll-Moleküle aufmerksam machten: dem Chlorophyll a und dem Chlorophyll b. Durch die einfallende Sonnenstrahlung werden Elektronen aus ihrem Grundzustand angeregt. Nach einer gewissen Zeit fallen sie jedoch wieder in ihren Grundzustand zurück und senden dabei Licht und Wärme aus (siehe photoelektrischer Effekt). Weil es zwei verschieden Chlorophyll-Moleküle hat, besitzen die Pflanzen auch zwei Photosysteme. Neben dem Chlorophyll beteiligen sich zusätzlich auch Carotenoide an der Photosynthese, indem sie als natürliches Prisma dienen. Sie haben jedoch nur eine Nebenfunktion. Es gibt einige LW, die nur ein Photosystem haben, wie z.B. einige Algen oder Bakterien. Nun ein Photosystem besteht immer aus einem Reaktionszentrum, dass umgeben ist von lichtabsorbierenden Komplexen „light harvesting complex“. Diese Photosysteme sind in der Membran zwischen dem Stroma und dem inneren des Thylakoidmembransystems eingebettet. Das Reaktionszentrum besteht aus einem Proteinkomplex mit zwei speziellen Chlorophyll a Molekülen. Ausserdem hat es ein Molekül, welches primärer Elektronenakzeptor heisst. Die speziellen Chlorophyll-Moleküle sind in der Lage durch die Lichtenergie ein Elektron in ein sehr hohes Level springen zu lassen. Die beiden Photosysteme heissen PS II (= P680, weil die absorbierte Wellenlänge 680 nm ist) und PS I (= P700, weil die absorbierte Wellenlänge 700 nm ist). Nun wird unterschieden zwischen dem nichtzyklischen Elektronenfluss und dem zyklischen Elektronenfluss. Welchen Sinn hat dieser Unterschied?


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Abb. 9: Unterschied zwischen zyklischen und nichtzyklischen Elektronenfluss während der lichtabhängigen Reaktion

Die nichtzyklische Reaktion hat folgenden Ablauf: 1.) Durch die Lichtenergie wird ein Pigmentmolekül der lichtabsorbierenden Komplexe ionisiert. Durch den Rückfall des Elektrons in den Grundzustand wird ein Photon abgestrahlt und es entsteht innerhalb des light harvesting complex eine Kaskade an Ionisierungen bis ein Chlorophyll im Reaktionszentrum ionisiert wird. 2.) Das angehobene Elektron des Chlorophyll a wird vom primären Elektronenakzeptor aufgefangen. 3.) Durch eine Enzym wird Wasser in zwei H+ und ein O2- aufgespalten. Das Sauerstoffatom reagiert sofort und bindet sich zu O2. Die Wasserstoffatome ersetzen die Elektronen, die vom Chlorophyll a entfernt wurden.

Elektronenfluss während der

lichtabhängigen Reaktion

Nichtzyklisch: beide Photosysteme agieren und produzieren ATP und

NADPH.

Zyklisch: nur PS I agiert und

produziert nur ATP, wegen des Bedarfs im Calvinzyklus

Der Sinn dieses Unterschieds ist sehr simpel: Im nichtzyklischen Elektronenfluss wird ATP und NADPH in gleichen Mengen produziert. Nun

benötigt der Calvinzyklus mehr ATP als NADPH und somit braucht es den zyklischen

Elektronenfluss. Dieser wird jedoch stark durch die Konzentration an NADPH in den

Chloroplasten gelenkt.


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4.) Durch eine Elektronentransportkette – ähnlich der Endoxidation – wird das Elektron vom PS II in das PS I transportiert. 5.) Durch die Abnahme der potentiellen Energie des Elektrons wird so viel Energie frei, um ATP zu synthetisieren. Das ATP wird an der Membran durch die aus der Endoxidation bekannte Protonenpumpe synthetisiert. 6.) In der Zwischenzeit wurde wie in Schritt 1.) und 2.) das Elektron des PS I angehoben und aufgefangen. Die entstanden Elektronenlücke im Reaktionszentrum wird durch das Elektron, das vom PS II geliefert wird, gefüllt. 7.) Durch eine zweite Transportkette wird das angeregte Elektron auf das Protein Ferredoxin aufgebracht. 8.) Durch ein Enzym (NADP+reductase) wird das Ferredoxin oxidiert und es entsteht NADPH + H+. Der zyklische Elektronentransport funktioniert so, das aktivierte Elektron aus dem PS I zwar normal vom primären Akzeptor aufgenommen wird; es wird jedoch über die Elektronentransportkette zwischen den beiden Photosystemen weitergebene und somit durch den exergonischen Abfall der potentiellen Energie des Elektrons wird ATP produziert. Beide Systeme arbeiten im Normalfall zusammen. Ein wichtiger Faktor bei der Übertragung der Elektronen spielt das Chinon. In der Thylakoidmembran ist es dafür zuständig, dass Elektronen von PSII auf ein Cyt-Komplex übertragen werden. b.) Die lichtunabhängige Reaktion: Der Calvinzyklus Der Calvinzyklus ist sehr ähnlich dem Zitratzyklus. Es ist jedoch ein anabolischer Prozess, wobei aus CO2 die Triose Glyzerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) aufgebaut wird. Für einen Zyklus werden immer drei Moleküle CO2 benötigt. Dabei wird der gesamte Zyklus in drei Schritte eingeteilt: 1.) Den ersten Schritt nennt man Carbofixierung. Dabei werden drei CO2-Moleküle an jeweils eine Pentose Ribulose bisphosphat gebunden. Die Reaktion wird durch das Enzym Rubisco katalysiert, das am häufigsten vorkommende Enzym in den Chloroplasten. Nun werden die drei entstandenen Hexosen in sechs Moleküle 3-Phosphoglyzerat gespalten. 2.) Im zweiten Schritt werden nun die sechs Moleküle 3-Phosphoglyzerat durch jeweils eine Phosphatguppe des ATP reduziert, und zwar zu 1,3-bisphosphogylzerat. Bei einer zweiten Reduktion durch das NADPH entsteht G3P. 3.) Im letzten Schritt muss die Pentose für den ersten Schritt regeneriert werden, d.h. von den sechs Molekülen G3P werden fünf für die Regeneration benötigt; das sechste ist dann der Output, aus welchem Glukose gemacht wird. Während der Regeneration benötigt der Zyklus weitere drei Moleküle ATP und dann kann die Pentose die nächsten CO2-Moleküle fixieren. Während der gesamten lichtunabhängigen Reaktion verbraucht die Pflanze neun Mol ATP und sechs Mol NADPH. Aus diesen entsteht ein Mol G3P, welches anschliessend meistens zu Glukose/Stärke polymerisiert wird. Eine sehr wichtige Regulationsfunktion spielen neben dem Sonnenlicht auch die Stomata in den Blättern. An sehr heissen und trockenen Tagen z.B. schliessen viele Pflanzen ihre Poren, um dem Wasserverlust entgegenzuwirken. Dabei wird


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auch die Konzentration von CO2 geringer. Die Pflanze betreibt aber weiterhin Photosynthese und somit wird die Konzentration an CO2 innerhalb der Blätter ständig abfallen, während die Konzentration an O2 stetig zunimmt. Man nennt diesen Prozess Photorespiration. Das Prinzip dabei ist folgendes: Weil innerhalb der Blätter wenig CO2 vorhanden ist, wird das Rubisco im Calvinzyklus stattdessen O2 fixieren. Dabei entsteht eine Verbindung aus zwei Kohlenstoffatomen, die in den Peroxisomen umstrukturiert wird unter Bildung von CO2. Dieser Prozess liefert der Pflanze in erster Linie nichts. Dies ist auch der Fall und die Photorespiration ist nur ein Anhängsel aus der Evolution. Es ist vor allem der Fall für Pflanzen in sehr heissen und trockenen Klimazonen. Doch auch dort gibt es solche mit einer gewissen Modifizierung, so dass die Photorespirationsrate abgenommen hat. Die zwei wichtigsten Vertreter sind die C4-Pflanzen und die CAM-Pflanzen. Tab. 1: Vergleich C4 und CAM

C4-Pflanzen CAM-Pflanzen - besitzen in den Blättern zwei

verschieden Gewebe, in welchen Photosynthese abläuft

- durch PEPcarboxylase wird in den Mesophyllzellen das CO2 mit dem PEP verbunden und es entsteht ein C4-Zucker

- der C4-Zucker wird via Plasmodesmata in die zweite Zellart „Bundle-sheath-cell“ diffundieren und gibt dort CO2 an das Rubisco ab, wo dann der normale Calvinzyklus abläuft

- durch die erste Reaktion im Mesophyll wird verhindert, dass Rubisco O2 bindet, weil CO2 immer gebildet wird. Die PEPcarboxylase hat keine Affinität für O2

- kommen vor allem in Wüstengebieten vor

- solche Pflanzen schliessen während des Tages die Stomata, um Wasser zu speichern und verhindern somit das Eintreten von CO2

- während der Nacht sind die Stomata offen und CO2 tritt ein. Dieses wird fixiert und als organische Säure gespeichert

- während des Tages kann nun die Lichtreaktion ablaufen. Gleichzeitig werden die organischen Speichermoleküle aufgespaltet und CO2 ist vorhanden, um den Calvinzyklus durchzuführen.

- CAM = crassulacean acid metabolism

Kapitel 12: Der Zellzyklus Durch den Zellzyklus wird die Reproduktion einer Zelle erklärt. Dabei ist immer die Tochterzelle ein exaktes Replikat der Mutterzelle. Um diese Eigenschaft zu erreichen, muss bei der Zellteilung das gesamte Genom repliziert werden. Die DNA ist während der Zellteilung in Chromosomen konzentriert und kondensiert. Ansonsten liegt die DNA als Chromatinfäden vor. Jedes LW hat eine bestimmte Anzahl Chromosomen. Bei der Teilung einer Zelle wird zuerst immer die DNA repliziert; danach die Zelle. Die Replikation der des Erbgutes nennt man Mitose; die Replikation der des Zytoplasma nennt sich Zytokinese. Die Mitose läuft wie folgt ab:


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Abb. 10: Mitose

Während der Interphase bilden sich beide Zentrosomen aus. Die DNA im Kern ist scho dupliziert und wird nun zu Chromosomen kondensiert. Am Anfang der Prophase kondensieren die DNA-Moleküle und es bildet sich langsam der Spindelapparat. Die kondensierten Chromosome sind jeweils Schwesterchromatide. Die Membran um den Zellkern wird aufgesprengt und die Chromosomen ordnen sich in der Metaphase äquatorial an. An dieser Stelle kann man ein Karyogramm erstellen. Nun ziehen die Pole durch die Spindel die diploiden Chromosomen auseinander (Anaphase) und danach bildet sich in der Telophase um die Chromosomen eine Membran aus. Anschliessend setzt die Zytokinese ein und die Zelle teilt sich. Dieser gesamte Zellzyklus wird durch ein System an verschiedenen Molekülen reguliert. Dabei geben sie molekulare Signale an die Zelle, ob sie sich teilen darf. Diese Kontrollstellen befinden sich vor allem zwischen den verschieden Phasen. Dabei geben sie „stop and go“ Signale. Während der gesamten Mitose spielen Telomere eine wichtige Rolle. Ein Telomer ist eine DNA-Sequenz am Ende linearer Chromosomen zur Stabilität von dessen Struktur. Sie regulieren u.a. die

Länge der Zellteiluung.


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Kapitel 13: Meiose Abb. 11: Meiose

Durch die Meiose wird gewährleistet, dass die genetische Vielfalt einer Art gesichert ist. Es

entstehen dabei immer vier Spermien und eine Eizelle. Durch das Crossing-over können homologe Chromosomen einen Teil austauschen. Auf diese Weise wird die genetische

Vielfalt sehr viel weiter ausgenutzt, als es möglich ist.


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Kapitel 14: Mendel’sche Genetik Tab. 2: Definitionen einiger zentraler Begriffe der Genetik

Begriff Definition Parentalgeneration Es handelt sich um die erste Generation, die

bezüglich eines Merkmals gekreuzt wird. Die beiden gekreuzten LW sind dabei immer homozygot

Filialgeneration Die Filialgenerationen sind die folgenden Generationen der Parentalgeneration.

Homozygot Homozygot bezeichnet man dann ein Merkmal, wenn es zwei identische Allele hat.

Heterozygot Heterozygot bezeichnet man dann ein Merkmal, wenn es zwei unterschiedliche Allele für dieselbe Information hat.

Allel Ein Allel ist eine alternative Version eines Genes, welches sich bei dessen Expression im Phänotyp des LW äussert.

Genotyp Der Genotyp bezeichnet die genetische Information, die ein bestimmtes Gen bezüglich eines Merkmals trägt.

Phänotyp Der Phänotyp ist die Ausprägung des Genotyps, d.h. es ist das ausgedrückte Merkmal, welches man z.B. optisch sehen kann wie die Haarfarbe.

Hybrid Ein Hybrid bezeichnet eine Kreuzung. Dominant Ein Allel ist dann dominant gegenüber einem

anderen, wenn es sich im Phänotyp ausprägt. Rezessiv Ein Allel ist dann rezessiv, wenn es im

Phänotyp nur dann sichtbar ist, wenn es sich bei diesem Gen um ein Homozygotes rezessives handelt.

Gen Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf der DNA, welches ganz bestimmte Informationen zur Produktion von Proteinen trägt.

Gonosomen Die Gonosomen sind immer die Geschlechtschromosomen, d.h. das 23. Paar.

Autosomen Die Autosomen sind alle Körperchromosomen, die sowohl Männer als auch Frauen besitzen. Man nennt sie auch homologe Chromosomen.

Intermediär Wenn zwei Allele total gleichberechtigt sind, ergibt der Hybrid eine Mischform der Allele.

Mit diesen Begriffen lassen sich nun Mendels Befunde einfacher erklären. Dabei hat er z.B. festgestellt, dass die Gene der Mutter und des Vater gleichberechtigt sind und auf den homologen Chromosomen liegen. Somit erhält jede Kreuzung für eine bestimmte Information wie z.B. der Augenfarbe zwei Information: eine der Mutter und die andere vom Vater. Diese


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Informationen entsprechen den zwei Allelen, die ein Individuum für ein Merkmal aufweist. Die einzige Ausnahme ist, falls die Erbinformation auf den Gonosomen liegt. Weil die Information immer auf dem X-Chromosom liegt, haben die Männer nur ein Allel bezüglich dieses Merkmals. Deswegen sind von vielen Krankheiten nur Männer betroffen wie z.B. der Rot-Grün-Farbblindheit. Das Allel für diese Krankheit ist zwar rezessiv; aber der Mann besitzt nur ein X-Chromosom. Deswegen nennt man solche Merkmale auch hemizygot. Daraufhin hat Mendel drei zentrale Gesetzte aufgestellt:

- Wenn zwei Individuen der P-Generation gekreuzt werden, die homozygot sind, wird die F1-Generation uniform, sowohl genotypisch als auch phänotypisch.

- Kreuzt man zwei Hybride der F1-Generation untereinander, entstehen in der F2-

Generation bestimmte Zahlenverhältnisse der Hybride, und zwar genotypisch 1:2:1 und phänotypisch 3:1.

- Die Allele verschiedener Gene sind frei kombinierbar.

Obwohl Frauen zwei X-Chromosomen besitzen, sind sie nicht besser gebaut oder können eine grössere Anzahl Gene exprimieren. Bei der Genexpression wird immer nur ein X-Chromosom verwendet. Das zweite wird inaktiviert. Man nennt dieses Barrkörpeerchen Mendels Regeln sind sehr gut vertretbar mit der Realität, doch es wurde schnell bemerkt, dass die gesamte Vererbung noch viel komplexer ist.

- Dominanzspektrum: Dieser Begriff bezeichnet die Aktionsbreite, die ein Allel aufweisen kann. man kann nicht global sagen, das Allel für blaue Augen beispielsweise ist immer ein dominantes Allel. Ausserdem müssen dominante Allele nicht gleichzeitig häufige Allele sein.

- Pleiotropy: Diese Eigenschaft hat zur Folge, dass ein Allel mehrere Merkmale

codieren kann. Es ist also abhängig, welche Teile des Gens herausgeschnitten werden.

- Epistase: Dieser Effekt ist sehr zentral, den er bezeichnet die Abhängigkeit der Allele untereinander und setzt somit das dritte Mendel’sche Gesetz teilweise ausser Kraft. Dabei geht es darum, dass ein Gen die Expression und somit phänotypische Erscheinung eines anderen Gens beeinflusst.

Man kann trotzdem mit den einfachen Regeln der Mendel Genetik viele Krankheiten bei Menschen wie z.B. die Sichelzellenanämie oder die Kurzfingrigkeit untersuchen. Einige dieser Krankheiten sind rezessiv andere dominant. Dieser Aspekt hängt jedoch vom Erbgang ab. Man unterscheidet als

- autosomal-rezessive Krankheiten: Die Krankheit tritt nur dann zur Erscheinung, wenn sie auf jeweils den beiden homologen Chromosomen liegt. (Sicherzellenanämie, Albinismus)

- autosomal-dominante Krankheiten: Die Krankheit tritt in 75% der Fälle auf und kann

zu einem veränderten Phänotyp führen. (zu viele Finger)

- X-chromosomal-rezessive Krankheiten: Männer sind häufig betroffen und Frauen nie, weil sie das andere X-Chromosom aktivieren und das kranke als Barrkörperchen verstauen. (Hämophilie)


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- X-chromosomal-dominante Krankheiten: Männer sind immer betroffen und Frauen

häufig. Kapitel 15: Die chromosomale Basis der Vererbung Wie schon oben erwähnt, sind Mendels Regeln sehr gut mit der Realität zu verstehen; sie sind jedoch in vielen Bereichen zu ungenau. Das erste Mendel’sche Gesetz, dass eingeschränkt wurde, war jenes der freien Kombinierbarkeit. Diese Einschränkung wurde durch Morgan gemacht. Er arbeitete mit Drosophila, die sich genau wie die Erbsen sehr gut für genetische Experimente eignen. Morgan untersuchte mehrere Kreuzungen und definierte den Wildtyp einer Art als jenen, der am häufigsten Auftritt. Morgan hat entdeckt, dass wenn zwei Allele auf dem gleichen Chromosom liegen, keine freie Kombinierbarkeit möglich ist. Er hat die Chromosomen kartiert und ihnen jeweils eine Position für ein Merkmal zugeordnet. Er hat also die Grundlage für die genetische Rekombination entdeckt, also dem crossing over. Somit müssen also Gene, die zusammen vererbt werden sollen, einen genug grossen Abstand habe. Diese abstand misst sich in Morgan und gibt eine relative Entfernung in Prozent an. Nun ist es trotzdem möglich zwei Gene frei zu kombinieren, und zwar durch die Rekombination. Dieser Prozess läuft in der Prophase der Meiose ab; dann wenn die Tetraden nebeneinander liegen. Die homologen Chromosomenpaare können sich nun ein kleines Teilchen austauschen. Durch diese Rekombination; aber auch durch Teilungsfehler können Anomalien in der Chromosomenzahl vorkommen. Diese sind meistens mit grossen Folgen verbunden. Man unterscheidet zwischen numerischen und strukturellen Anomalien.


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Abb. 12: Genanomalien

Kapitel 16: Die molekulare Basis der Vererbung In der Zusammenfassung des Kapitel 5 unter Punkt c.) wird schon auf das Trägermolekül der Erbinformation hingewiesen auf die DNA. Im Folgenden soll dessen Struktur gezeigt werden, welche von Watson und Crick 1951 aufgeklärt wurde. Man vermutete schon früher, dass die Erbinformation auf einem bestimmten Trägermolekül liegen muss. Dazu gibt es z.B. das berühmte Experiment des britischen Forscher Griffith. Er untersuchte das Bakterium, dass Lungenentzündung verursacht und hatte dabei zwei Typen: die Krankheitserreger und die Harmlosen. Er spritze dann gesunden Mäusen Blut aus den Toten und die gesunden Mäuse wurden krank. Umgekehrt starben die Mäuse aber trotzdem. Ein weiterer Hinweis, dass die DNA das Trägermolekül ist, war die Ermittlung seiner Struktur durch Chargaff. Er fand heraus, dass die Basen, Zuckermoleküle und Phosphatgruppen in jeweils gleichen Mengen vorliegen. Durch Watson und Crick wurde dann die Doppelhelix entdeckt. Der Durchmesser

Genanomalien = Fehler in der

genetischen Information eines

LW

Strukturelle Anomalien: Diese Art der Anomalie tritt dann auf wenn eine Punkt- oder Rastermutation geschehen ist, d.h. es ist eine Base in der DNA-Sequenz vertauscht oder zerstört worden. Dadurch ändern sich die Codons und somit auch die synthetisierten Proteine. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass ein illegitimes crossing-over

abgelaufen ist.

Numerische Anomalien: Diese Art der Anomalie ist eine Folge von Teilungsfehler in

der Meiose, und zwar findet der Fehler entweder in der Reduktions- oder in der

Äquationsteilung statt. Meistens spielt eine „non-disjunction“ eine Rolle, d.h. ein

Chromosomenpaar bleibt hängen und wird nicht geteilt.

Meistens hat diese Anomalie zur Folge, dass irgendwo ein Enzym nicht

synthetisiert wird und somit ein Defizit entsteht. Häufig ist auch Krebs die Folge,

weil strukturelle Anomalien oft durch Mutagene wie z.B. radioaktive Strahlung

hervorgerufen werden.

Numerische Anomalien sind weitaus häufiger und ausschliesslich auf falsche Teilungsprozesse zurückzuführen. Ihre

Folgen sind meistens „weniger“ verheerend als bei strukturellen

Anomalien. Bekannte numerische Anomalien sind: Trisomie 21 (Down

Syndrom), Polyploidie, Turner-Syndrom


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der Helix beträgt etwa 2nm; 10 Basen sind rund 3.4 nm lang. Nun wie läuft die DNA Replikation ab? Die Replikation des Erbgutes geschieht in der Interphase der Mitose. Dabei wird die DNA identisch repliziert, so dass es von jeder Chromosomenart zwei identische hat. Die Replikation wird immer durch eine bestimmte Sequenz gestartet, d.h. einem Startcodon. Als nächstes beginnt die Helicase den Doppelstrang aufzutrennen, und zwar in Richtung 5’→3’. Das Prinzip der Auftrennung ist der Bruch der Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. Daraufhin schwimmen tausende von Nukelotiden (Nukleotid = Base mit Zucker und Phosphatgruppe als kleinste Einheit der DNA) im Zellkernplasma herum. Durch gewisse Repressionsmoleküle wird das spontane Zusammensetzen der Nukleotide verhindert. Die Helicase wird von der DNA-Polymerase gefolgt, welche die beiden offenen Stränge mit den herumschwimmenden Nukleotiden zu ergänzen beginnt. Weil mehrere Polymerasen zusammen arbeiten, wird die DNA in verschiedenen Stücken zusammengesetzt, die am Schluss von den Ligasen verbunden werden. Wie man sieht wird die ganze Replikation durch Enzyme reguliert und durchgeführt. Ein viertes Enzym, das nach der Replikation auftritt ist die DNA-Nuclease, welche eventuelle Schäden repariert. Pseudogen = Teil der DNA, das wie ein Gen aussieht, jedoch stark mutiert ist und dadurch geschädigt. Das Duplikat eines Originals mit Mutation bringt ev. die Ausprägung neuer Merkmale. Kapitel 17: Vom Gen zum Protein Wie schon im Kapitel 14 erwähnt, ist ein Gen eine bestimmte DNA-Sequenz, die ein Protein codiert. Nun wie gelangt man von einem Gen zum Protein? Als erstes Betrachten wir, was genau eine DNA-Sequenz ist. Wenn wir die Basenabfolge betrachten, nimmt man immer drei Basen zu einer kleinen Einheit zusammen, einem Codon. Man hat nachgewiesen, dass jedes Codon eine bestimmte Aminosäure codiert. Nun wissen wir folgendes: Es gibt vier Basen und ein Codon besitzt drei; somit ergeben sich 43 Möglichkeiten also 64. Das heisst dass mehrere Codons die gleichen AS codieren. Insgesamt sind 61 Codons für die AS zuständig und die anderen drei sind Stoppcodons; d.h. bestimmte Abschnitte, die den verschiedenen Enzymen das Stoppsignal geben. Die DNA-Expression geschieht in zwei wesentlichen Schritten: Transkription und Translation. a.) Die Transkription Die Transkription läuft im Zellkernplasma ab. Dabei wird die DNA in RNA übersetzt, welche anschliessend für die Translation durch die Poren der Zellkernmembran an die Ribosomen gelangt. Doch die Frage ist warum wird die DNA nicht direkt durch die Ribosomen gelesen? Die Transkription ist ein Schutzmechanismus, damit das Original nicht beschädigt wird. Ausserdem kann die Expressivität eines Gens so variiert werden. Die DNA ist ja doppelsträngig. Nun wird immer der codogene Strang der DNA in RNA verwandelt. Die Transkription wird ebenfalls durch ein Enzym vollstreckt, und zwar durch die RNA-Polymerase, dessen Leserichtung 5’→3’ ist. Die Polymerasen benötigen keinen primer, weil sie immer bei der Sequenz AUG beginnen. Es wird nun die einsträngige preRNA gebildet. Die RNA ist immer ein Abbild des codogenen Strangs ausser, dass statt der Base Thymin Uracil verwendet wird, dessen Struktur jedoch sehr ähnlich ist. Die gebildete preRNA ist eine Rohform der RNA, die anschliessend in der Translation verwendet wird. Die kopierte DNA enthält nämlich immer sogenannte Introns und Exons. Der Begriff Intron bezeichnet Zwischenstücke auf der DNA, die auch in preRNA kopiert werden, jedoch nicht exprimiert. In einem zweiten Schritt wird nämlich diese Rohform der RNA bearbeitet. Man nennt diesen


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Schritt processing. In diesem Fertigungsprozess wird die preRNA in mRNA umgewandelt. Die Introns werden herausgeschnitten und es werden nur die Exons verwendet. Die mRNA ist nun die fertige Form der Kopie, die nun durch die Poren der Zellkernmembran austritt und in den Ribosomen weiterverarbeitet wird. Wenn man nun die mRNA zurück in DNA verwandelt, sind nur die Exons darauf. Man nennt diese Form cDNA. Man verwendet dieses Verfahren häufig, um aktive Gene durch markierte Gensonden zu erkennen wie z.B. beim Gentest in der Kriminaltechnik. b.) Die Translation Bei der Translation wird nun aus der fertigen mRNA das Protein hergestellt. Dieser Prozess läuft in den Ribosomen ab, und zwar zwischen den zwei Untereinheiten. Die Codierung für die AS des Peptids bringt die mRNA und diese Codierung wird von der tRNA gelesen und verwertet. Die tRNA ist für jedes Codon spezifisch, d.h. jede AS hat eine gewisse Anzahl an tRNA. Sie sind enzymähnlich, weil sie an der Translation teilnehmen und danach wieder frei sind, um weitere Codons zu lesen. Das Ribosom ist wie Abb. 13 zeigt nochmals unterteilt: Es besitzt einen Eingang (A), einen Zentralteil (P) und einen Ausgang. Abb. 13: Ribosom

Jede AS hat wie oben schon erwähnt eine ganz bestimmte tRNA. Diese zwei werden durch das Enzym Aminoacetyl-tRNAsynthetase zusammengebracht. Diese Synthese läuft an der A-Seite des Ribosoms ab. Nun ist in der Mitte eine tRNA mit der Peptidkette. Die Peptidkette wird nun auf die AS der A-Seite übertragen und das tRNA wandert durch die E-Setie wieder ab und jenes der A-Seite rutscht auf die P-Stelle nach. So wird nun die Peptidkette sukzessiv aufgebaut. Dieser

Aufbau wird meistens durch mehrere Ribosomen, die nebeneinander liegen durchgeführt, um die Effizienz des Prozesses zu erhöhen. Die entstandene Polypetdidkette (Man könnte sie auch als Rohprotein bezeichnen) gelangt nun ins ER und in den Golgi-Apparat und werden dort durch weitere Faktoren gefaltet, geschnitten und für ihre Aufgabe „bekleidet“.


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Der gesamte Prozess der Genexpression bis zur Fertigung des dazugehörigen Proteins nennt sich Proteinbiosynthese. Abb. 14: Proteinbiosynthese im Überblick


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Kapitel 18: Die Genetik der Viren und Bakterien Bakterien und Viren sind die Untersuchungsobjekte der Genetik. Sie sind sehr einfach gebaut, haben ein kleines Erbgut und reproduzieren sich schnell. Als erstes wollen wir uns näher mit den Viren befassen. a.) Viren Viren sind keine Lebewesen, weil sie keinen Stoffwechsel haben und sich nicht reproduzieren können. Sie sind immer auf fremde LW angewiesen, d.h. Viren sind Parasiten. Die Viren haben einen sehr einfachen Aufbau. Sie besitzen meistens Tentakel, auf welchem eine Art Kopf sitzt. In diesem Kopf ist die virale DNA enthalten. Nun überleben Viren nur, indem sie andere LW zwingen, neue Viren zu produzieren. Diese LW nennt man Wirte. Nun ist das Prozedere immer gleich: Der Virus heftet sich an die Membran der Wirtszelle. Einige Viren haben statt Tentakeln runde Formen, die durch die Rezeptoren zwar erkannt werden, aber nicht als fremd angeschaut. Nun fahren die Viren eine Art Stachel aus und lassen so die virale DNA in die Zelle hinein. Nun wird durch die virale DNA die Wirtszelle so umprogrammiert, dass sie nur noch neue Viren bildet. Diese Umprogrammierung geschieht oft durch einen sehr geschickten Trick: Die virale DNA ist meistens RNA. Die Viren geben der Wirtszelle neben der RNA auch das Enzym reverse Transkriptase mit. Dieses Enzym ist in der Lage RNA in DNA zu synthetisieren. Die Viren besitzen ausserdem verschiedene äussere Strukturen, damit sie nicht von natürlichen Abwehrmechanismen erkannt werden. Das grösste Problem bei viralen Infektionen ist deren Bekämpfung, weil Viren sehr anpassungsfähig sind und immer einen anderen Wirt befallen können (bei Eukaryonten im Prinzip jede Zelle). Man unterscheidet dort verschieden Infektionsarten


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Abb. 15: Infektionsarten bei Viren

b.) Bakterien Bakterien sind kleine einzellige LW. Ihr Körperbau ist in der Zusammenfassung der Kapitel 6 und 7 geschildert. Die grosse Toleranz der Bakterien gegenüber äusseren Einflüssen verdanken diese nicht zuletzt der schnellen Teilung der DNA und der Möglichkeit, diese durch Plasmide zu rekombinieren. Jedes Bakterium enthält Plasmide; das sind speziell dotierte Erbinformationen, die meistens eine Art Luxusinformation enthalten. Diese können die Bakterien unabhängig von der Art unter sich austauschen. Auf diese Weise mutieren Bakterien schnell und erreichen z.B. sehr schnell eine Antibiotikaresistenz. Die Plasmide werden meistens vie sogenannten Sexpili weitergereicht, eine Art Schlauch zwischen den F+ und den F- - Bakterien. Die Genexpression bei Bakterien funktioniert sehr ähnlich zu jener der Eukaryonten; sie ist jedoch simpler aufgebaut. Man unterscheidet dabei immer zwischen einem Operatorgen, einem Regulatorgen und den Strukturgenen. Das Regulatorgen stimuliert das Operatorgen mit einem Repressormolekül und das solange bis das vom Operatorgen

Infektionsarten

Lytische Infektionen:

Die Zelle wird total auf die Reproduktion neuer Viren

umgestellt und produziert so viele bis sie platzt. Dadurch

ergibt sich eine Kettenreaktion; Massnahmen

sind jedoch einigermassen Möglich, um die Infektion zu

stoppen.

Persistierende Infektion:

Die Zelle produziert neue Viren; der Stoffwechsel kann jedoch normal weitergeführt

werden, weil die Virusproduktion nur minimal

ist. Durch die Zellteilung werden die Viren jedoch mitgeteilt und freigesetzt.

Diese Infektionen kann man praktisch nicht kontrollieren.

Ein Beispiel dafür ist HIV

Latente Infektionen:

Die Zelle reproduziert sich mit den Viren. Diese bleiben

jedoch in der Zelle und werden nur dann aktiv, wenn

gewisse äussere Einflüsse gegeben sind. Ei n bekanntes Beispiel dafür ist der Herpes an den Lippen. Er wird durch Sonnenlicht aktiviert. Solche

Viren sind relativ gut kontrollierbar.


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benötigte Protein im Körper des Bakteriums gebraucht wird. Wenn dies der Fall ist, wird das Regulatorgen chemisch so umgestellt, dass es keine Repressoren mehr herstellt und die Strukturgene produzieren nun das benötigte Protein. Das entscheidende Experiment dazu kam vom Jacob und Monod. Sie untersuchten wie sich eine Bakterienpopulation entwickelt, wenn man ihnen plötzlich statt Glukose Lactose zugibt. Die Bakterien wachsen zuerst exponentiell und sobald die Lactose hinzugegeben wird, stellt sich das Wachstum für einen gewisse Zeit ∆t ein. Nachher beginnt die Population wieder zu steigen. Durch die Lactose wird das Repressorgen so gehemmt, dass es keine Repressormoleküle mehr ausbilden kann. weil diese das Operatorgen nicht mehr hemmen, aktiviert dieses die Strukturgene, die nun Enzyme für den Stoffwechsel mit der Lactose ausbilden. Gram-Färbung für Bakterien:

- Gram-positiv => dunkelblau - Gram-negativ => ungefärbt

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Kapitel 5: Die Struktur und Funktion von Makromolekülenn.ethz.ch/~fjorge/download/Bachelor Chemie/Zusammenfasungen Basisjahr... · C-Atom steht an erster Stelle) oder als Ketosen