Chemie: Freie Enthalpie und DNA-Replikation

Der Prozess, bei dem große Moleküle in kleinere Moleküle zerlegt werden, wobei Energie und Bausteine für die Zelle freigesetzt werden.

Der Prozess, bei dem kleinere Moleküle zu größeren Molekülen zusammengefügt werden, wobei Energie aus dem Katabolismus benötigt wird. Die Zelle benötigt diese Moleküle zum Aufbau ihrer Strukturen.

Die Fähigkeit von Lebewesen, Energie aus der Umwelt aufzunehmen und diese Energie zu speichern. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung der Ordnung und Organisation innerhalb der Zelle.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Die Gesamtenergie im Universum bleibt konstant.

Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um aus CO2 und H2O Zucker zu produzieren. Dieser Prozess ist in zwei Phasen unterteilt: die lichtabhängige Reaktion und die Kohlenstofffixierung.

Lebewesen, die Energie aus der Oxidation von Nährstoffen gewinnen. Diese Energie wird benötigt für den Aufbau von Zellen und andere lebenswichtige Prozesse.

Die Fähigkeit einer Zelle, organische Moleküle schrittweise zu oxidieren. Dabei werden Elektronen abgegeben und Energie freigesetzt.

Die Aufnahme von Elektronen durch ein Molekül. Oftmals gekoppelt mit Oxidation, da ein Molekül, das Elektronen abgibt (oxidiert wird), ein anderes Molekül zu Elektronenaufnahme zwingt (reduziert wird).

Die freie Enthalpie (G) ist ein Maß für die Zunahme der Unordnung in einem System. Eine negative Änderung der freien Enthalpie (ΔG < 0) bedeutet eine Zunahme der Unordnung im Universum.

Eine Reaktion, die die freie Enthalpie des Systems verringert (ΔG < 0), ist energetisch günstig und verläuft spontan. Diese Reaktionen führen zu einer Zunahme der Unordnung im Universum.

Eine Reaktion, die die freie Enthalpie erhöht (ΔG > 0), ist energetisch ungünstig und benötigt Energie, um zu verlaufen.

Die Änderung der Freien Standardenthalpie (ΔG0) wird verwendet, um vorherzusagen, ob eine energetisch günstige Reaktion stark genug ist, um eine ungünstige Reaktion anzutreiben. Sie misst die Änderung der freien Enthalpie bei Standardbedingungen (25°C und 1 atm).

Die Konzentrationen von Edukten und Produkten beeinflussen die Änderung der freien Enthalpie (ΔG) einer Reaktion. Eine hohe Konzentration an Edukten begünstigt die Hinreaktion, während eine hohe Konzentration an Produkten die Rückreaktion begünstigt.

Im Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion mit gleicher Geschwindigkeit ab und die Änderung der freien Enthalpie ist Null (ΔG = 0).

Die Gleichgewichtskonstante (K) beschreibt das Verhältnis von Substrat zu Produkt im Gleichgewicht. Bei einem hohen K-Wert liegen im Gleichgewicht mehr Produkte vor, bei einem niedrigen K-Wert mehr Edukte.

Zellen halten Reaktionen im Ungleichgewicht, indem sie Produkte entfernen, um sie als Substrate in nachfolgenden Reaktionen zu verwenden. So wird die freie Enthalpieänderung (ΔG) konstant und die Reaktionen können effizient ablaufen.

Die Hydrolyse von ATP setzt freie Energie frei, welche für andere, energetisch ungünstige Reaktionen genutzt werden kann. Diese Reaktionen sind oft mit dem Aufbau von komplexen Biomolekülen verbunden.

Die Oxidation von NAD+ zu NADH bzw. NADP+ zu NADPH ist ein wichtiger Schritt in vielen Stoffwechselwegen, die ATP produzieren. Die reduzierte Form kann dann als Elektronendonator verwendet werden und dient so der Energiegewinnung.

Die Oxidation von Nährstoffen führt zur Produktion von ATP, dem wichtigsten Energieträger in der Zelle. NAD+ und NADH spielen eine wichtige Rolle in diesem Prozess.

Coenzym A ist ein wichtiger Trägermolekül für Acetylgruppen, die für den Stoffwechsel von Fetten und Kohlenhydraten essenziell sind. Die Acetylgruppe wird an CoA gebunden und kann so auf andere Moleküle übertragen werden.

Enzymkatalysierte Kondensationsreaktionen benötigen Energie, um die Synthese neuer Bindungen zu ermöglichen. Die benötigte Energie kann durch ATP-Hydrolyse bereitgestellt werden.

Enzymkatalysierte Hydrolysen sind Reaktionen, bei denen eine Bindung in einem Molekül durch die Addition von Wasser gespalten wird. Diese Reaktionen sind in der Regel energetisch günstig.

Die Reaktionen, die zum Aufbau von Makromolekülen führen, benötigen in mehreren Schritten Energie. Die benötigte Energie wird durch die Spaltung von energie­reichen Bindungen in Zwischenprodukten bereitgestellt.

Die Konzentration von NAD+ und NADP+ in der Zelle ist unterschiedlich, da sie an unterschiedlichen Stoffwechselwegen beteiligt sind. NAD+ ist wichtig für den katabolen Stoffwechsel, NADP+ für den anabolen Stoffwechsel.

Jeder Strang der DNA-Doppelhelix ist komplementär zum anderen. Bei der Replikation dient jeder Elternstrang als Matrize für einen neuen Strang, was bedeutet, dass die Tochterdoppelhelix aus einem originalen und einem neuen Strang besteht.

Stellen an der DNA, wo die Replikation beginnt. Sie werden durch spezifische Nukleotidsequenzen gekennzeichnet, die Initiationsproteine anziehen und leicht zu öffnen sind.

Eine Gruppe von Proteinen, die zusammenarbeiten, um die DNA zu replizieren. Sie bewegen sich entlang der DNA, öffnen die Stränge und synthetisieren einen neuen Strang.

Ein Enzym, das neue DNA-Stränge in 5' → 3' Richtung synthetisiert. Es katalysiert die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen dem 3'-Ende der DNA-Kette und der 5'-Phosphatgruppe des neuen Nukleotids.

Die DNA-Replikation erfolgt in beide Richtungen von jedem Replikationsursprung aus, wodurch die DNA wie ein Reißverschluss geöffnet wird.

Y-förmige Strukturen, die während der DNA-Replikation entstehen und wo die Replikationsmaschine die DNA-Stränge trennt und neue Stränge synthetisiert.

Die Fähigkeit der Replikationsmaschine, die DNA zu öffnen und den Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zu unterbrechen. Die Initiationsproteine binden an die DNA und erleichtern diesen Prozess.

Proteine, die an die elterlichen Histone binden und die gleiche Modifizierung an unveränderten Histonen vornehmen. Dies trägt zur epigenetischen Vererbung bei.

Die DNA-Polymerase kann nur in 5' → 3' Richtung neue Nukleotide an eine wachsende DNA-Kette hinzufügen. Das bedeutet, dass ein neuer Nukleotid immer an das 3' Ende der Kette hinzugefügt wird.

Beim Kopieren der DNA wird nur ein Strang (der Leitstrang) kontinuierlich synthetisiert. Der andere Strang (der Folgestrang) wird in kurzen Stücken synthetisiert, die Okazaki-Fragmente genannt werden.

Der Folgestrang wird in kurzen Stücken, den Okazaki-Fragmenten, synthetisiert, die später durch die DNA-Ligase zu einem kontinuierlichen Strang verbunden werden.

Die DNA-Polymerase kann Fehler bei der Basenpaarung erkennen und korrigieren. Sie entfernt falsche Nukleotide in 3' → 5' Richtung und fügt das richtige Nukleotid ein.

Die DNA-Polymerase kann nicht an einem neuen DNA-Strang beginnen. Sie benötigt ein RNA-Primer, um die Synthese zu starten.

Die Hydrolyse des Pyrophosphats zu zwei anorganischen Phosphaten sorgt für eine irreversible Reaktion, wodurch die DNA-Synthese nicht zurückgängig gemacht werden kann.

Die DNA-Replikation ist ein komplexer Prozess, der die gesamte DNA-Sequenz in nur wenigen Stunden kopieren kann.

Nukleotidveränderungen, die bei nahen Verwandten beobachtet werden, dienen als Indikator für die Zeitspanne, die seit der Trennung von einem gemeinsamen Vorfahren vergangen ist. Diese Veränderungen werden als "selektionsneutral" betrachtet, da sie keinen direkten Selektionsvorteil oder -nachteil bieten. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Veränderungen ansammeln, ermöglicht die Bestimmung der Divergenzzeit.

Der Vergleich von Nukleotidsequenzen bei verschiedenen Arten ermöglicht die Rekonstruktion ihrer evolutionären Beziehungen und die Erstellung eines Stammbaums. Dieser Stammbaum stellt die Abstammungslinie und die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Arten dar.

Die mobile Gene, die sich in den Genomen von verschiedenen Arten unabhängig voneinander verteilt haben, deuten auf einen langen Zeitraum hin, der seit der Trennung der Arten vergangen ist. Dies liegt daran, dass sich die mobilen Gene im Laufe der Zeit durch Replikation und Integration in das Genom verbreiten und so in jeder Abstammungslinie unterschiedliche Muster aufweisen.

Bereiche im Genom, in denen Gene in der gleichen Reihenfolge bei beiden Arten vorkommen, bezeichnen wir als "konservierte Syntenie". Dies deutet auf Verwandtschaft hin, da es zeigt, dass diese Bereiche im Verlauf der Evolution wenig Änderungen erfahren haben. Diese Regionen sind oft von erhöhter Bedeutung für die Funktion des Genoms.

Sequenzblöcke, die kleine DNA-Abschnitte darstellen, können mit hoher Geschwindigkeit zum Genom hinzugefügt oder entfernt werden. Diese Veränderungen sind oft neutral oder haben nur geringe Auswirkungen auf die Genfunktion, da sie in nicht-codierenden Regionen stattfinden können.

Die ribosomale RNA (rRNA) ist ein essenzielles Molekül für die Proteinbiosynthese und kommt in allen Lebewesen vor. Die Sequenz der rRNA ist sehr konserviert und ermöglicht es uns, tiefere Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Lebensformen zu untersuchen.

Die drei Domänen des Lebens, die Prokaryoten (einschließlich Bakterien und Archaebakterien) und die Eukaryoten, bilden die Basis des Stammbaums des Lebens. Dieser Stammbaum ist ein Diagramm, das die evolutionären Beziehungen zwischen allen Lebewesen auf der Erde zeigt.

Das menschliche Genom besteht aus 22 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen. Diese Chromosomen enthalten die gesamte Nukleotidsequenz, die als "menschliche Genomsequenz" bezeichnet wird.