Biologie Kapitel 5: Evolution und Genetik

Die Grundlage der Evolution ist das Prinzip der Veränderung und Selektion, das über Millionen von Generationen hinweg auf Zellen wirkt und zu einer besseren Anpassung an die Umwelt führt.

Alle Zellen stammen von einer ursprünglichen Zelle ab, die vor 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahren existierte.

Die Gesamtheit der genetischen Information in einer Zelle, die bestimmt, wie die Zelle funktioniert.

Alle Zellen eines Organismus enthalten identische DNA-Kopien. Unterschiedliche Eigenschaften von Zellen entstehen durch die unterschiedliche Nutzung der genetischen Informationen.

Veränderung ist ein Schlüsselelement der Evolution, und führt zu einer kontinuierlichen Anpassung der Lebewesen an ihre Umwelt.

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen, die die Grundeinheit des Lebens darstellen.

Zellen können in Grösse, Aussehen und Funktion variieren.

Zellen innerhalb eines Organismus können sich spezialisieren und Aufgaben teilen.

Zellen brauchen trotz Spezialisierung die gleichen Molekülsorten und chemischen Reaktionen.

Genetische Anweisungen werden in allen Lebewesen in demselben genetischen Code gespeichert.

Proteine bestimmen das Verhalten einer Zelle durch ihre vielfältigen Funktionen.

Viren sind kompakte Einheiten genetischer Information, die sich durch Ausnutzung der Zellmaschinerie vermehren.

Mutationen können negative oder positive Auswirkungen auf das Überleben und die Vermehrung haben.

Die DNA ist ein langes Molekül, das im Zellkern enthalten ist und die gesamte genetische Information eines Organismus trägt.

DNA besteht aus zwei Strängen, die miteinander verbunden sind und eine Doppelhelix bilden. Diese Stränge verlaufen antiparallel, d.h. in entgegengesetzten Richtungen.

Die DNA-Stränge sind jeweils durch Zucker- und Phosphatreste verbunden, die sich wie ein Rückgrat entlang der Stränge erstrecken.

Die vier Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin bilden die 'Stufen' der DNA-Doppelhelix. Adenin bindet stets an Thymin und Guanin an Cytosin.

Jedes Chromosom besteht aus einem sehr langen, linearen DNA-Molekül, das mit Proteinen interagiert, um eine kompakte Struktur zu ermöglichen.

Chromatin ist ein komplexer Verbund aus DNA und Proteinen, die die DNA innerhalb des Zellkerns organisieren und verpacken.

Eine Zelle besitzt zwei Kopien jedes Chromosoms, eine vom Vater und eine von der Mutter. Diese beiden Kopien werden als homologe Chromosomen bezeichnet.

Die Gesamtheit der genetischen Information in einer Zelle, die bestimmt, wie die Zelle funktioniert, wird als Genom bezeichnet.

Verschiedene kurze RNA-Moleküle mit Längen von 20-300 Nukleotiden, die nur 2-5% der Zell-RNA ausmachen. Sie spielen eine vielseitige Rolle bei der Steuerung von Prozessen wie RNA-Prozessierung, RNA-Stabilität, Translation, Proteinsekretion, Telomeraseaktivität und anderen.

Der Promotor ist eine spezifische DNA-Sequenz, die den Startpunkt für die RNA-Synthese durch die RNA-Polymerase signalisiert. Er ist asymmetrisch und bindet die RNA-Polymerase nur in einer Richtung (5’-3’), wodurch der DNA-Strang bestimmt wird, der als Matrize für die Transkription dient.

Der Sigma-Faktor ist eine Untereinheit der bakteriellen RNA-Polymerase, die den Promotor auf der DNA erkennt und die Polymerase fester daran bindet, wodurch der Transkriptionsstart ermöglicht wird. Sobald die Transkription begonnen hat, löst sich der Sigma-Faktor von der RNA-Polymerase.

Stopp-Stellen sind spezifische DNA-Sequenzen, die das Ende der RNA-Synthese markieren. Sie sind oft reich an Guanin (G) und Cytosin (C)-Nukleotiden, da diese 3 Wasserstoffbrücken ausbilden können. Diese Basenpaarungen führen zur Bildung von Haarnadelstrukturen, die die RNA-Polymerase blockieren und die Transkription stoppen.

Die RNA-Polymerase II bindet an den Promotor, wird phosphoryliert und löst somit die Transkription aus. Nach Beginn der Transkription lösen sich die meisten Transkriptionsfaktoren wieder von der DNA.

Introns sind nicht-codierende DNA-Abschnitte, während Exons die Protein-codierenden Abschnitte der DNA sind. Das Spleissen entfernt Introns aus der prä-mRNA und verbindet die Exons.

Die Modifizierung der prä-mRNA durch die Anlagerung einer Kappe am 5'-Ende und eines Poly-A-Schwanzes am 3'-Ende ist wichtig für die Stabilität, den Transport ins Cytoplasma und die Identifizierung als mRNA.

Der genetische Code übersetzt die Nukleotidsequenz eines Gens in eine Aminosäuresequenz. Drei Nukleotide bilden ein Codon, das für eine spezifische Aminosäure codiert. Der Code ist redundant, d.h. mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure codieren.

Die reife mRNA wird durch den Kernporenkomplex ins Cytoplasma transportiert, wo sie an Ribosomen gebunden wird und die Translation beginnt.

Die Zeit, die eine mRNA-Molekül in der Zelle verbringt, beeinflusst die Menge des Proteins, die nach ihrer Anweisung produziert wird, da dieselbe mRNA-Molekül mehrmals translatiert werden kann.

Durch das Spleissen werden Introns entfernt und Exons miteinander verbunden. Dies ermöglicht, dass aus demselben Gen verschiedene Proteine entstehen.

Nur reife mRNA ist für die Zelle nützlich. Fehlerhafte Transkripte und geschnittene Introns werden abgebaut und die Bausteine wiederverwendet.

Die Translation findet an Ribosomen statt, wo die mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird.

Der genetische Code ist redundant, d.h. mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure codieren. Ein Fehler an der dritten Position eines Codons führt oft zu einem Fehler in der Aminosäuresequenz.

Die Proteinsynthese beginnt an der A-Stelle, nachdem das Initiator-Methionin an die P-Stelle gekoppelt wurde.

Ein Stopp-Codon signalisiert das Ende der Proteinsynthese, da es von tRNA nicht erkannt wird und somit keine Aminosäure eingebaut wird.

Release-Faktoren binden an Stopp-Codons und beenden die Proteinsynthese, indem sie die Peptidyl-Transferase dazu veranlassen, ein Wassermolekül an die Peptidyl-tRNA zu binden.

Mehrere Ribosomen können gleichzeitig eine mRNA translatieren, wodurch die Proteinsynthese beschleunigt wird.

Antibiotika hemmen die Proteinsynthese in Bakterien, indem sie bestimmte Schritte des Prozesses blockieren.

Proteasomen sind zelluläre Maschinen, die unbrauchbare oder beschädigte Proteine abbauen.

Ubiquitin ist ein kleines Protein, das an Proteinen markiert, welche für den Abbau durch Proteasomen bestimmt sind.

Viele Proteine müssen nach ihrer Synthese modifiziert werden, um ihre Funktion zu erfüllen. Diese Modifikationen können Phosphorylierung, Bindung von Cofaktoren oder Zusammenlagerung mit anderen Proteinen umfassen.