Grundbegriffe der Biologie

Grundbegriffe der Biologie

• Lebende Systeme weisen Fortpflanzung, Wachstum, Reizbarkeit, Bewegung, Homöostase und Stoffwechselaktivitäten auf.
• Lebewesen bestehen aus organischen Biomolekülen und besitzen einen hohen Organisationsgrad, der in der DNA gespeichert ist.
• Viren sind keine Lebewesen, da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben, während Bakterien alle Lebenskriterien erfüllen.
• Zellen sind die Grundeinheiten aller Lebewesen, außer Viren, und können in ihrer Größe variieren.
• Der Stofftransport in Zellen kann licht- und elektronenmikroskopisch untersucht werden und erfolgt durch Diffusion, Osmose (Wassertransport) sowie passiven und aktiven Transport (mit Energieaufwand).
• Die Organisation von Organismen ist hierarchisch: Organellen → Zellen → Gewebe → Organe → Organsysteme → Organismus.
• Kleine Zellen ermöglichen eine bessere Arbeitsteilung und verbesserte Transportbedingungen innerhalb des Organismus.
• Alle Zellen haben eine Zellmembran, Zellplasma, Ribosomen und DNA gemeinsam.
• Prokaryoten (Bakterienzellen) haben keinen Zellkern, und ihre DNA liegt frei im Plasma.
• Eukaryoten besitzen einen Zellkern, der DNA in Chromosomen enthält.
• Lebewesen werden in Arten eingeteilt, wobei die Klassifizierung ein hierarchisches System bildet.
• Es gibt zwei Domänen: Eukaryota (mit Zellkern) und Prokaryota (ohne Zellkern).
• Die Eukaryota umfassen die Reiche Tiere, Pilze, Pflanzen, Chromista und Protozoa.
• Die Prokaryota bilden das Reich der Bakterien.

Biomoleküle

• Lebewesen bestehen hauptsächlich aus Wasser und organischen Biomolekülen wie Lipiden, Kohlenhydraten, Proteinen und Nukleinsäuren.
• Polymere sind große Moleküle, die aus Monomeren durch Wasserabspaltung (Kondensation) entstehen.
• Die Spaltung von Polymeren erfolgt durch Wasserzugabe (Hydrolyse).

Lipide

• Lipide sind eine vielfältige Gruppe hydrophober Moleküle mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen.
• Triacylglycerole (Triglyceride, Fette und Öle) bestehen aus einem Glycerolmolekül, das über Esterbindungen mit drei Fettsäuremolekülen verbunden ist.
• Fettsäuren sind langkettige Carbonsäuren mit meist 12-24 Kohlenstoffatomen.
• Gesättigte Fettsäuren haben nur Einfachbindungen, ungesättigte Fettsäuren eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen.
• Ungesättigte Fettsäuren können einfach ungesättigt (eine Doppelbindung) oder mehrfach ungesättigt (mehrere Doppelbindungen) sein.
• Die Position der ersten Doppelbindung wird oft mit Omega-Notation (ω-3, ω-6) angegeben.
• Gesättigte Fette (überwiegend tierisch) sind bei Raumtemperatur fest, da ihre geraden Ketten gut packen und stärkere Anziehungskräfte aufweisen.
• Ungesättigte Öle (überwiegend pflanzlich) sind aufgrund der Doppelbindungen flüssig, da diese einen Knick in der Kette verursachen, was die Packung erschwert.
• Die cis-Konfiguration der Doppelbindungen in natürlichen Fettsäuren ist dafür verantwortlich.
• Durch Hydrierung können ungesättigte Fettsäuren in gesättigte umgewandelt werden, wodurch der Schmelzpunkt steigt, was bei der Margarineherstellung genutzt wird.
• Transfette entstehen bei unvollständiger Hydrierung, ähneln gesättigten Fetten und stehen im Verdacht, das Risiko für Herzkreislauferkrankungen zu erhöhen.
• Lipide dienen als Energiespeicher, Isolierung und Schutz von Organen. Die technische Verwendung umfasst die Herstellung von Seifen, Tensiden, Treibstoffen, Kunststoffen, Farben und Lacken.
• Phospholipide ähneln Triacylglycerolen, jedoch ist eine Fettsäure durch eine Phosphatgruppe ersetzt, an die ein Alkohol gebunden ist.
• Der Phosphat-Alkohol-Teil ist hydrophil, während die Fettsäurereste hydrophob sind und bilden in Wasser Mizellen oder Liposomen.
• Sie sind Hauptbestandteil von Zellmembranen und werden in Liposomen für den Medikamententransport eingesetzt.
• Wachse sind Ester aus langkettigen Fettsäuren (meist >20 Kohlenstoffatome) und langkettigen primären Alkoholen, sind bei Raumtemperatur fest, wasserabweisend und dienen als Schutzschicht in der Natur.
• Synthetische Wachse bestehen aus langkettigen Alkanen und haben ähnliche wasserabweisende Eigenschaften.
• Steroide haben eine charakteristische Grundstruktur, das Steran, bestehend aus vier verbundenen Kohlenstoffringen.
• Verschiedene Steroide unterscheiden sich in ihren funktionellen Gruppen und Seitenketten.
• Sie dienen als Hormone, Vitamine, sind Bestandteile von Membranen und können als Gifte wirken; die Bildung erfolgt hauptsächlich im glatten endoplasmatischen Retikulum (ER).
• Cholesterol ist das häufigste Steroid im tierischen Körper, beeinflusst die Fluidität und stabilisiert Zellmembranen und kommt nicht in Pflanzen vor.

Kohlenhydrate

• Kohlenhydrate sind die mengenmäßig größte Gruppe der Biomoleküle und dienen als Nahrungsquelle und Strukturkomponenten; ihre Summenformel ist Cx(H2O)y.
• Monosaccharide sind Bausteine der Kohlenhydrate, Polyalkohole mit einer Carbonylgruppe (C=O).
• Sie werden nach Anzahl der Kohlenstoffatome (Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen) und Lage der Carbonylgruppe (Aldosen, Ketosen) eingeteilt.
• Wichtige Beispiele sind Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker) und Galactose (Bestandteil des Milchzuckers).
• In Wasser bilden Monosaccharide Ringstrukturen (Furanosen, Pyranosen) und ein neues chirales Zentrum (α- und β-Isomere).
• Disaccharide entstehen durch die Verknüpfung zweier Monosaccharide unter Abspaltung von Wasser (glykosidische Bindung), z.B. Saccharose, Maltose und Lactose.
• Lactose-Intoleranz entsteht durch das Fehlen von Lactase, das Lactose in Glucose und Galactose spaltet.
• Polysaccharide bestehen aus vielen Monosaccharid-Bausteinen, sind schwer löslich in Wasser und dienen als Speicherstoffe oder Strukturelemente.
• Stärke ist der wichtigste Energiespeicher in Pflanzen, besteht aus Amylose und Amylopektin.
• Glykogen ist der Energiespeicher in tierischen Zellen, ähnlich Amylopektin aber stärker verzweigt.
• Cellulose ist ein strukturgebender Bestandteil der Pflanzenzellwände mit β(1→4)-glykosidischen Bindungen, die von menschlichen Enzymen nicht gespalten werden können.
• Technische Verwendung von Kohlenhydraten: Fermentation zur Herstellung von Ethanol, Zellulose als Rohstoff für Papier, Saccharose in der chemischen Industrie zur Synthese von Glycerol, Stärke in der Papierherstellung.

Proteine

• Proteine sind Biomoleküle mit großer Vielfalt in Zusammensetzung, Struktur und Funktion und bestehen aus Aminosäuren.
• Es gibt etwa 20 verschiedene natürlich vorkommende Aminosäuren als Bausteine der Proteine.
• Die Grundstruktur der Aminosäuren besteht aus einem zentralen Kohlenstoffatom mit einer Carbonsäuregruppe (-COOH), einer Aminogruppe (-NH2), einem Wasserstoffatom und einem Rest (R-Gruppe).
• Alle Aminosäuren außer Glycin besitzen ein chirales Zentrum, und es kommen fast ausschließlich L-Formen in der Natur vor.
• Die R-Gruppen verleihen den Aminosäuren unterschiedliche Eigenschaften (unpolar, polar, sauer, basisch).
• Aminosäuren verbinden sich durch Kondensationsreaktion (Peptidbindung). Ketten von Aminosäuren werden als Peptide bezeichnet; lange Ketten (ab ca. 70-100) als Proteine.
• Die Primärstruktur der Proteine ist die lineare Abfolge der Aminosäuren in der Peptidkette.
• Die Sekundärstruktur beschreibt regelmäßige räumliche Anordnungen der Peptidkette (α-Helix und β-Faltblatt), stabilisiert durch Wasserstoffbrücken.
• Die Tertiärstruktur ist die dreidimensionale Struktur des gesamten Proteins. Diese Struktur wird durch die Wechselwirkungen zwischen den R-Gruppen der Aminosäuren bestimmt.
• Die Quartärstruktur beschreibt die räumliche Anordnung mehrerer Proteinuntereinheiten in einem Proteinkomplex.
• Die Denaturierung von Proteinen ist die Zerstörung der Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur durch äußere Einflüsse.
• Die Primärstruktur bleibt erhalten und in einigen Fällen kann die Denaturierung reversibel sein.
• Proteine übernehmen verschiedene Funktionen, darunter Transport,Schutz,Struktur, Katalyse, Informationstransport und Speicherung.
• Technische Verwendung von Proteinen: Enzyme in der Textil- und Waschmittelindustrie, Stabilisatoren in Lebensmitteln und Kosmetika.

Nukleinsäuren

• Nukleinsäuren (DNA und RNA) speichern und geben genetische Informationen weiter.
• Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren, aufgebaut aus einer Phosphatgruppe, einem Pentosezucker (Desoxyribose in DNA, Ribose in RNA) und einer organischen Base (Purine oder Pyrimidine).
• Purine sind Adenin (A) und Guanin (G); Pyrimidine sind Cytosin (C), Thymin (T) (nur in DNA) und Uracil (U) (nur in RNA).
• Nukleotide verbinden sich über Phosphodiesterbindungen. Die Kette hat ein 5'-Ende (Phosphatgruppe) und ein 3'-Ende (freie OH-Gruppe).
• Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist der Träger der genetischen Information und besteht aus zwei komplementären Strängen in Form einer Doppelhelix.
• Die Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen verbunden: Adenin (A) paart mit Thymin (T) und Guanin (G) paart mit Cytosin (C).
• Die Basensequenz enthält die Information für den Aufbau von Proteinen.
• DNA ist stabil, da die hydrophilen Phosphate außen und die hydrophoben Basen innen liegen.
• Ribonukleinsäure (RNA) ist an der Genexpression beteiligt, besteht meist aus einem Einzelstrang und ist weniger stabil als DNA.
• Anstelle von Desoxyribose enthält RNA Ribose und anstelle von Thymin (T) Uracil (U).
• Nukleinsäuremoleküle können sehr lang sein; die menschliche DNA besteht aus ca. 3,3 Milliarden Basenpaaren.
• Die Abfolge der Basen (A, T/U, G, C) codiert die Information für die 20 verschiedenen Aminosäuren in Proteinen.
• Die Information der DNA wird zunächst in RNA übersetzt (Transkription), die dann den Zellkern verlässt und als Vorlage für die Proteinsynthese (Translation) dient.
• DNA ist der Träger der gesamten genetischen Information eines Lebewesens und enthält die Bauanleitung für Proteine sowie Informationen für Steuer- und Regelprozesse.
• Bei Eukaryoten ist DNA im Zellkern lokalisiert und hochgradig verpackt (Chromatin, Chromosomen), sehr lang, doppelsträngig und kann den Zellkern nicht verlassen.
• RNA kommt in unterschiedlichen Arten mit verschiedenen Funktionen im Proteinaufbau vor, ist kürzer und einzelsträngig im Vergleich zur DNA, kann den Zellkern verlassen und ist weniger stabil.
• Die DNA wird um Proteine (Histone) gewickelt, um Chromatin zu bilden, das weiter kondensieren kann, um Chromosomen zu formen.
• Menschen haben 23 verschiedene Chromosomen, die in diploiden Zellen als homologe Paare vorliegen (insgesamt 46).
• Die typische X-Form der Chromosomen ist nur während der Zellteilung sichtbar.
• mRNA (Messenger-RNA) transportiert die genetische Information der DNA aus dem Zellkern ins Cytosol zu den Ribosomen.
• rRNA (Ribosomale RNA) ist Hauptbestandteil der Ribosomen und katalysiert die Proteinbiosynthese (Translation).
• tRNA (Transfer-RNA) liefert die passenden Aminosäuren zu den Ribosomen und sorgt für den korrekten Einbau während der Translation.
• Vor jeder Zellteilung muss die DNA verdoppelt werden, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle die vollständige Erbinformation erhält.
• Jeder neue DNA-Doppelstrang besteht aus einem alten und einem neuen Strang (semikonservativ).
• Der Prozess der Replikation umfasst Entschraubung der DNA-Doppelhelix durch das Enzym Topoisomerase.
• Das Enzym Helicase spaltet den Doppelstrang in zwei Einzelstränge auf (Replikationsblase).
• Das Enzym DNA-Polymerase synthetisiert neue DNA-Stränge an den Einzelsträngen in Richtung von 5' nach 3'.
• Der Leitstrang wird kontinuierlich, der Folgestrang diskontinuierlich (Okazaki-Fragmente) synthetisiert.
• Das Enzym Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente und die neu gebildeten Doppelstränge winden sich wieder zur Doppelhelix.
• Die Replikation ist sehr schnell, aber Fehler können zu Mutationen führen.
• Um den Zellkern zu verlassen, muss die genetische Information der DNA in RNA umgeschrieben werden (Transkription).
• Im Cytosol wird die RNA-Information in ein Protein übersetzt (Translation).
• Bei der Transkription wird ein kurzer Abschnitt eines DNA-Strangs in eine mRNA-Sequenz kopiert.