Molekulare Biologie Zusammenfassung PDF

Zusammenfassung Master Semester 3 Modul: Bio 10 Dozent: Frau Prof. Dr. Kaufmann Seminar/Vorlesung: Molekulare Biologie ...

Zusammenfassung Master Semester 3 Modul: Bio 10 Dozent: Frau Prof. Dr. Kaufmann Seminar/Vorlesung: Molekulare Biologie  2 Inhalt 1. Grundlagen der Biochemie.............................................................................................................. 7 Biochemische Zusammensetzung der Zelle.................................................................................... 8 Wechselwirkungen in hydrophilen und hydrophoben Molekülen erläutern, Strukturen erkennen:......................................................................................................................................................... 8 Phosphate und Fettsäuren und deren Bindungsarten erkennen und beschreiben........................ 9 Hydrolyse und Katalyse.................................................................................................................... 9 ATP und ADP.................................................................................................................................... 9 Fettsäuren...................................................................................................................................... 10 Kondensation und Hydrolyse......................................................................................................... 10 Umwandlung von ATP in ADP > Hydrolyse.................................................................................... 11 Enzyme.......................................................................................................................................... 11 2. „Konserve“ Nukleinsäuren: Grundlagen, Funktion, Bestandteile und Struktur............................ 12 2.1. Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären............................................................... 12 Nukleosid und Nukleotid............................................................................................................... 13 Nukleotide sind die Monomere der Nukleinsäuren...................................................................... 13 Wie genau ist die Base aber an den Zucker gebunden?................................................................ 13 Nucleotide: Base (WICHTIG).......................................................................................................... 13 2.2. Unterschiede zwischen DNA und RNA (WICHTIG)............................................................... 14 2.3. Nukleotide werden über Phosphodiesterbrücken verknüpft.............................................. 14 SingleStrand DNA - ssDNA besitzt Polarität................................................................................... 14 Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation.......................................................... 15 Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation.......................................................... 15 Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die DNA................................. 15 Wie war das nochmal? Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen.............................. 16 Wasserstoffbrückenbindungen verbinden DNA-Doppelstränge (WICHTIG)................................. 16 Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden (DAS WICHTIGSTE AUF EINEN BLICK)..... 17 Zellen übersetzen DNA in Proteine (WICHTIG).............................................................................. 18 Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Nukleotide sind die Bausteine für... Alles......................... 18 2.4. Organismen haben unterschiedliche Genomgrößen........................................................... 18 Und wer hat das größte?............................................................................................................... 18 Eukaryotische DNA befindet sich im Zellkern (Nukleus) und Mitochondrien (WICHTIG)............. 19 Abschnitte auf der DNA (Gene) vererben Eigenschaften.............................................................. 19 3. „Konserve“ Organisation des Genoms: Chromosomen und Gene................................................ 20 3.1. Was ist ein Chromosom – Blick in die Zelle.......................................................................... 20 Wie werden Chromosomen angefärbt?........................................................................................ 20  3 Was ist ein Chromosom – Die „einfache“ Antwort....................................................................... 21 Begriffsklärung............................................................................................................................... 21 Was ist ein Chromosom – Im Detail! (Wichtig).................................................................................. 21 Phasen des Zellzyklus: Übersicht (WICHTIG)................................................................................. 22 DNA ist um Histone gewickelt: Struktur von Chromatin............................................................... 22 3.2. Was ist ein Gen? (WICHTIG)................................................................................................. 22 3.3. Was wir von Mendel gelernt haben: Uniformitäts- und Spaltungsregel............................. 23 Die verschiedenen Blutgruppen.................................................................................................... 24 Vererbung der Blutgruppen........................................................................................................... 24 Der Rhesusfaktor........................................................................................................................... 24 Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben und Proteine synthetisiert..................... 25 Gene bestehen aus Introns und Exons.......................................................................................... 25 Genetische Aberrationen: Trisomie 21.......................................................................................... 26 Genetische Aberrationen: XXY-Syndrom = Klinefelter-Syndrom................................................... 26 Lernziele Chromosomen und Gene.............................................................................................. 26 4. Zellzyklus und Replikation: DNA-Mutationen und......................................................................... 27 Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation........................................................................... 27 4.1. Zwei Arten der Zellteilung: Mitose & Meiose...................................................................... 27 Mitose............................................................................................................................................ 27 Meiose........................................................................................................................................... 27 4.2. DNA- Replikation.................................................................................................................. 29 Schritte der DNA-Replikation......................................................................................................... 29 5. DNA-Mutationen und Reparatur................................................................................................... 30 5.1. Fehlerhafte DNA-Reparatur kann zu Krankheiten führen.................................................... 30 Für Mutationen anfällige Positionen in der DNA........................................................................... 30 Depurinierung und Desaminierung............................................................................................... 31 DNA-Reparaturwege: Base Excision Repair = Basenausschneidungsreparatur............................. 32 DNA-Reparaturwege: Nucleotide Excision Repair = Nukleotid-Exzisionsreparatur...................... 32 Doppelstrangbruch-Reparatur: Nicht-homolge Endverbindung & homologe Rekombination..... 32 Genmutationen und Krebs............................................................................................................ 32 Onkogene wirken dominant, Mutationen in Tumorsuppressorgenen rezessiv............................. 33 Tumorsuppressorproteins p53...................................................................................................... 34 Zusammenfassung Krebs............................................................................................................... 34 6. Proteine: Aufbau, Faltung und Funktionen................................................................................... 35 Die genetische Information steuert die Proteinbiosynthese (PBS)................................................... 35 Gene werden mit verschiedener Effizienz exprimiert....................................................................... 36  4 RNA-Polymerase transkribiert DNA................................................................................................... 36 Verschiedene RNA-Typen auflisten................................................................................................... 37 Vom Gen zum Protein: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien...................................... 37 mRNA: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien............................................................... 38 Der genetische Code: Codons für Aminosäuren............................................................................... 39 Von der Aminosäure-Kette zum funktionellen Protein (Protein-Reifung nach der Synthese).......... 39 Die 20 Aminosäuren der Proteine (Farben passend zur Graphik auf der PPT)................................. 40 Bestandteile eines Proteins............................................................................................................... 40 Proteinfaltung in wässriger Umgebung............................................................................................. 41 Die 4 Ebenen der Struktur von Proteinen......................................................................................... 41 Sekundärstruktur 1: Alpha-Helix................................................................................................... 42 Sekundärstruktur 2: Beta-Faltblatt................................................................................................ 42 Funktionen von Proteinen................................................................................................................. 42 Was passiert, wenn Proteine falsch gefaltet werden?...................................................................... 42 7. Zellbiologie: Zellmembran............................................................................................................. 43 7.1. Verschiedene Strukturen auf der Zellmembran................................................................... 43 7.2. Bestandteile eines Phosphoglycerid-Moleküls.................................................................... 44 7.3. Mobilität (DIFFUSION) von Phopholipid-Molekülen in künstlicher Lipiddoppelschicht...... 45 7.4. Verankerung von Membranproteinen................................................................................. 46 7.5. Transmembran-Proteins....................................................................................................... 46 7.6. Messung der Lateraldiffusion: FRAP - Erklären Sie eine Methode, mit der man die Lateraldiffusion innerhalb der Biomembran messen kann............................................................... 47 7.7. Tight junctions kontrollieren Membranproteine................................................................. 48 7.8. Einschränkung der lateralen Mobilität................................................................................. 48 8. Zellbiologie: Membrantransport................................................................................................... 49 8.1. Arten des Transports durch die Biomembran...................................................................... 49 8.2. Permeabilität (Durchlässigkeit) der BM für verschiedene Moleküle.................................. 50 8.2.1. Transporter/ Carrier polarer Moleküle........................................................................ 50 8.2.2. Kanalprotein / Channel Protein................................................................................... 50 8.2.3. Passiver und aktiver Transport.................................................................................... 50 8.2.4. Elektrochemischer Gradient........................................................................................ 51 8.2.5. Direkte aktive Transporter........................................................................................... 51 8.2.6. Transporter-vermittelte Bewegung............................................................................. 51 8.2.7. ABC-Transporter (ATP-binding cassettes)........................................................................ 51 8.3. Verschiedene Ionenkanäle................................................................................................... 52 8.4. Steuerung von ionen-Kanälen.............................................................................................. 53  5 8.5. Struktur bakterieller Kalium-Kanal....................................................................................... 54 8.6. Signalweiterleitung am Axon............................................................................................... 55 8.6.1. Ionenkanäle in der motorischen Endplatte................................................................. 56 8.6.2. Neurotransmitter............................................................................................................. 56 8.7. Signalübertragung am Beispiel Acetylcholin........................................................................ 57 9. Zellbiologie: Zellkommunikation.................................................................................................... 58 Rolle der Signalmolekühle................................................................................................................. 58 Intrazellulärer Signalweg (REZEPTOREN AUßEN!!!).......................................................................... 58 Interzelluläre Signalweiterleitung (WICHTIG! => mögliche Frage: Wv & Welche Interzelluläre Wege gibt es?)............................................................................................................................................. 59 Parakriner Signalweg: Beispiel Hautalterung (B)........................................................................... 59 (WICHTIG – Mögliche Frage) Warum haben Hormone über den Endokriner Signalweg über passive Diffusion eine gute Permeabilität?.................................................................................. 59 Endokriner Signalweg: Beispiel Verlieben (D)............................................................................... 59 Was sind eigentlich Zelloberflächenrezeptoren?.............................................................................. 60 Intrazelluläre Rezeptoren (Im Zellinneren!!)..................................................................................... 60 Gap junctions sind Ansammlungen von Zell-Zell-Kanälen (=> Beide Zellen sind Ziel- und Signalzelle! = symmetrische Kommunikation!).................................................................................................... 61 Beispiel Migräne............................................................................................................................ 61 Reagieren Alle Zellen gleich auf ein Signalmolekül? => Abhängigkeit von Signalweiterleitung...... 61 Beispiel für Unterschiedliche Wirkung durch ein Signalmolekül => Acetylcholin......................... 61 Zelloberflächenrezeptoren................................................................................................................ 62 Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren (ionotrope Rezeptoren)........................................................ 62 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR)..................................................................................... 62 Enzym-gekoppelte Rezeptoren...................................................................................................... 63 Geschwindigkeit der Signalweiterleitung.......................................................................................... 63 Feedback-Mechanismen................................................................................................................... 64 GPCR-Struktur und Aktivierung......................................................................................................... 64 Sehprozess als Beispiel...................................................................................................................... 65 Wo binden die inaktiven Transkription Regulatoren?....................................................................... 65 10. Zellbiologie: Zytoskelett (Hauptaufgabe => Stabilität!)............................................................ 66 Bestandteile des Cytoskeletts............................................................................................................ 66 Aufbau und Aufgaben definieren...................................................................................................... 66 Cyoskelett:..................................................................................................................................... 66 Arp 2/3:......................................................................................................................................... 67 Formine:........................................................................................................................................ 67 Aufbau von Aktin............................................................................................................................... 67  6 Vorkommen von Aktin in der Zelle :.................................................................................................. 67 Thermale Instabilität der Cytoskelettfilamente mit dynamischen Enden......................................... 67 Unterschiede im Aktinfilamentbündelaufbau:.................................................................................. 68 ZUSAMMENFASSUNG........................................................................................................................ 68 Aufbau von Myosin (Motorprotein).................................................................................................. 69 Motoraktivität von Myosin:............................................................................................................... 69 Aufbau des Sarkomers:...................................................................................................................... 69 Pathway für Muskelkontraktion........................................................................................................ 70 Aufbau und Funktion der Mikrotubuli............................................................................................... 70 Dynamische Instabilität:.................................................................................................................... 71 Rolle des Centrosoms (NICHT DAS SELBE WIE CENTROMER!!!)........................................................ 71 Zu viele Centrosome führen zu Mikrozephalie.............................................................................. 71 Interaktion mit Proteinen.................................................................................................................. 71 Aufbau der Intermediärfilamente..................................................................................................... 72 FINE DIE FEHLER................................................................................................................................ 73 11. Zellbiologie: Apoptose.............................................................................................................. 74 12. Aktuelle Themen der Molekularen Biologie: CRISPR/Cas und Drogen.................................... 74  7 1. Grundlagen der Biochemie Kohlenwasserstoffbindung - chemische Verbindungen, die ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen - unpolare Verbindung Einfach- und Doppelbindung - einfache kovalente Bindung > C & C ein Elektronenpaar teilen - Doppelbindung > zwei Elektronenpaare zwischen zwei Atomen geteilt werden Ionische Bindung - ein oder mehrere Elektronen auf anderes Atom übertragen = Ione (Kation, Anion) entstehen = aufgrund der Ladung > Anziehung - Atom gibt Elektronen ab und ein anderes nimmt sie auf, wodurch positive und negative Ionen entstehen, die sich anziehen (z.B. NaCl). Kovalente Bindung - 2 oder mehr Atome (nichtmetallische Elemente) teilen Elektronenpaare > stabile Moleküle - Atome teilen sich Elektronen, um eine stabile Verbindung zu bilden (z.B. in Wasser, H₂O). Metallische Bindung - Atome geben äußerste Elektronen ab > sind frei beweglich > Elektronengas > umgibt die positiv geladenen Atome - In Metallen teilen sich Elektronen zwischen vielen Atomen, was zu einer "Elektronensee" führt, die Metalltypische Eigenschaften wie Leitfähigkeit verursacht. Wasserstoffbrückenbindung - nicht- kovalente Bindung - H- Atome an sehr elektroneg. Atome (O2, N, F) gebunden - Basen der Doppelhelix verbunden - Schwache Bindungen zwischen einem Wasserstoffatom, das an ein elektronegatives Atom (z.B. Sauerstoff) gebunden ist, und einem anderen elektronegativen Atom. Van der Waals Kräfte - nicht kovalent - schwach - aufgrund kurzzeitiger Ladungsverschiebung - Sehr schwache, temporäre Anziehungskräfte zwischen Molekülen, die durch temporäre Dipole entstehen. Nicht- kovalente Kräfte - 2 große Moleküle können miteinander agieren - Flexibel und können sich leicht ändern = ermöglicht Zellen Flexibilität C-O Bindungen Alkohol, Aldehyde, Keton C-N Bindungen Amine NH3+, Amide C=ONR3 Hydrophile Moleküle - wasserlöslich - polare Moleküle - Ione Hydrophobe Moleküle - Wasserabweisend - Die Polarität von Wasser führt dazu, dass Wasserstoffatome in Wassermolekülen eine positive Ladung haben, während Sauerstoffatome eine negative Ladung haben. Wenn eine Substanz jedoch keine polarisierten Ladungen aufweist, kann sie keine Bindungen mit den Wassermolekülen eingehen und bleibt ungelöst  8 Biochemische Zusammensetzung der Zelle - H, C, N, O > 99% der Gesamtzahl der Atome im menschl. Körper > 96,5% seines Gewichts - Na, Mg, K, Ca, P, S, Cl > 0,9% der Gesamtzahl der Atome im Körper - Zn, Cu, I > Spurenelemente ➔ Chemie des Lebens besteht hauptsächlich aus der Chemie leichter Elemente Die Zelle besteht hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S). Diese Elemente bilden die Grundbausteine für: Wasser (H2O): Hauptbestandteil der Zelle Proteine: Aus Aminosäuren aufgebaut Nukleinsäuren (DNA, RNA): DNA und RNA sind Nukleinsäuren, die für die Speicherung und Übertragung genetischer Information verantwortlich sind. Lipide: Bestehen aus Fettsäuren und Glycerin Kohlenhydrate: Aufgebaut aus einfachen Zuckern o Die prozentuale Verteilung dieser Moleküle variiert je nach Zelltyp, aber typischerweise macht Wasser etwa 70% des Zellgewichts aus, gefolgt von Proteinen (15-20%), Lipiden (5-10%), und kleineren Anteilen von Nukleinsäuren und Kohlenhydraten. o Diese Elemente bilden die Grundbausteine für alle organischen Moleküle und werden oft als CHNOPS zusammengefasst. Wechselwirkungen in hydrophilen und hydrophoben Molekülen erläutern, Strukturen erkennen: Hydrophile und hydrophobe Moleküle verhalten sich unterschiedlich in wässriger Umgebung: Hydrophile Moleküle: Hydrophile Moleküle: Diese "lieben" Wasser und lösen sich gut in Wasser (z.B. Zucker, Salze). o Ziehen Wasser an und lösen sich gut darin. o Beispiele sind Zucker, Ionen und polare Moleküle. o Sie bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen. Hydrophobe Moleküle: Hydrophobe Moleküle: Diese "mögen" Wasser nicht und lösen sich schlecht in Wasser (z.B. Öle). o Stoßen Wasser ab und lösen sich schlecht darin. o Beispiele sind Fette und unpolare Moleküle. o Sie tendieren dazu, sich in wässriger Umgebung zusammenzulagern. o Diese Eigenschaften sind wichtig für die Bildung von Zellmembranen und die Faltung von Proteinen.  9 Phosphate und Fettsäuren und deren Bindungsarten erkennen und beschreiben o Phosphate: o Phosphate: Bestehen aus einem Phosphoratom, das an vier Sauerstoffatome gebunden ist; wichtig für die Energieübertragung (z.B. in ATP). ▪ Wichtige Bestandteile von DNA, RNA und ATP. ▪ Tragen negative Ladungen und sind hydrophil. ▪ Bilden Phosphodiesterbindungen in Nukleinsäuren. o Fettsäuren: o Fettsäuren: Lange Kohlenwasserstoffketten mit einer Carboxylgruppe (-COOH) am Ende; wichtig für Lipide. ▪ Bestehen aus einer Kohlenwasserstoffkette (hydrophob) und einer Carboxylgruppe (hydrophil). ▪ Bilden Esterbindungen mit Glycerin in Lipiden. ▪ Wichtig für den Aufbau von Zellmembranen. ▪ Hydrolyse und Katalyse Hydrolyse: Eine chemische Reaktion, bei der Wasser verwendet wird, um Moleküle zu spalten (z.B. Zucker in Glukose und Fruktose). Katalyse: Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch einen Katalysator, der die Reaktion nicht verbraucht. ATP und ADP ATP (Adenosintriphosphat): Molekül, das Energie speichert und überträgt. Es besteht aus Adenosin und drei Phosphatgruppen. ADP (Adenosindiphosphat): ATP wird zu ADP, wenn ein Phosphat abgespalten wird, was Energie freisetzt. ADP kann durch eine Reaktion mit einem weiteren Phosphat wieder zu ATP umgewandelt werden (Kondensation).  10 Fettsäuren ungesättigt gesättigt - Mind. 1 DB zwischen C-C- Bindung > - keine DB zwischen C’s Knick - lineare bzw, leicht verzweigte Struktur - 1- fach ungesättigt oder mehrfach - Bsp.: tierische Produkte, pflanzliche Öle gesättigt (abhängig von DB) - erhöht Cholesterinspiegel - Bsp.: Olivenöl, Avocado, Nüsse (1fach) Fisch, Leinsamen, Walnüsse (mehrfach) - Können Cholesterinspiegel senken kovalente Nicht- kovalente Bindung Bindung Untereinheiten(Monomere) Makromoleküle (Protein, RNA) komplexe Strukturen - Proteinsynthese - 90 Makromoleküle Konformation: Faltung von Proteinen und RNA-Molekülen bringt eine Stabilität rein > entscheidend für biologische Fkt. > versch. Teile des Moleküls so angeordnet, dass die spezifischen Aufgaben erfüllt werden können > nicht- kovalente Bindungen sorgen für Stabilität > geht 3D Faltung verloren = biologische Aktivität geht verloren Kondensation und Hydrolyse Makromoleküle werden mithilfe der Kondensation aus Monomeren aufgebaut und mithilfe von Hydrolyse gespalten. Monomere werden verbunden, indem Wasser Makromoleküle werde aufgespalten, indem abgespalten wird, erfordert Energie Bindung zw. Monomeren aufgespalten wird, exotherm (Energie die frei wird, kann von der Zelle genutzt werden, um Arbeit zu verrichten oder um Energie zu verrichten  11 Umwandlung von ATP in ADP > Hydrolyse Wassermoleküle lagern an das ATP an und spalten einen Phosphatrest PO43– ab > Hydrolyse ADP+Energie+Phosphat →ATP Enzyme Funktionsweise - biologische Katalysatoren, die Substrate in Produkte umwandeln - erhöht Reaktionsgeschwindigkeit, ohne selbst verbraucht zu werden - in der aktiven Stelle findet eine chemische Reaktion statt kleinere Infos o ph- Wert wichtig für reibungslose Abfolge biologischer Prozesse o 1 Mol = 6x 1023 Teilchen  12 2. „Konserve“ Nukleinsäuren: Grundlagen, Funktion, Bestandteile und Struktur Lernziele: Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären Unterschiede DNA/RNA aufzählen Basen der Nukleotide erkennen, benennen und zuordnen Genomgröße des Menschen und dessen Einheiten quantifizieren 2.1. Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären (A) Die Einheiten der DNA => Zucker-Phosphat (zusammengesetzt aus Zucker in orange und Phosphat in gelb), der Grüne Kasten ist die Base (hier Guanin) = zusammengesetzt ist dies ein Nukleotid! (B) Der DNA-Strang besteht aus vielen miteinander verknüpften Nukleotiden. Zusehen sind oben die verschiedenen Basen (G/T/A/C) die an die Zucker- Phosphate gebunden sind. (C) Eine Polymerisation eines neuen Stranges, als Matrize gilt der erste Strang aus (B). So wird Nukleotid für Nukleotid und Monomer für Monomer der komplimentere Strang zusammengesetzt. (D) Nun folgt die doppelsträngige DNA, die einzelnen Basen binden wie zusehen ist spezifisch aneinander (C mit G & A mit T) => auch als Zucker-Phosphat- Rückgrat zu bezeichnen. (E) DNA-Doppelhelix, Zwei stränge die miteinander durch ihre Basen verbunden sind und somit die 3D Struktur bedingen.  13 Nukleosid und Nukleotid Base + Zucker = Nukleosid Base+ Zucker+ Phosphat= Nukleotid Nukleotide sind die Monomere der Nukleinsäuren  Nukleotide bestehen aus Zucker, Base & Phosphat Hier ein Beispiel für ein Nukleotid: Pentose ist der Zucker (rechts), (links) das Phosphat. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zuckerphosphat mit stickstoffhaltiger Seitengruppe oder Base Pyrimidin 6-Ring, Purin kondensierte Ringsys. aus einem 6-Ring mit einem 5-Ring dran. In der DNA sind dies Basen: Adenin/Guanin/Cytosin oder Thymin UND in der RNA wird Thymin durch Uracil ersetzt! Bei der DNA ist der Zucker eine Desoxyribose, C2- ist also ein H gebunden! UND bei der RNA: Zucker = Ribose, an C2 ist ein OH gebunden! Wie genau ist die Base aber an den Zucker gebunden? Die Base ist durch die M-glycosidische Bindung an den Zucker gebunden! N weil Stickstoff, glycosidisch weil Zucker => diese Bindung ist immer am C1-Atom des Zuckers! Nucleotide: Base (WICHTIG) Methyl gruppe  14 2.2. Unterschiede zwischen DNA und RNA (WICHTIG) DNA Deoxyribonucleic acid = Desoxyribonukleinsäure Speicher für genetische Information Übertragung genetischer Information von Mutter- auf Tochterzelle “Bauplan“ für Proteine Purine: Adenin, Guanin / Pyrimidine: Cytosin, Thymin Doppelstrang RNA Ribonucleic acid = Ribonukleinsäure Transkription und Transport genetischer Information Translation in Proteine Kontrolle der Genexpression Purine: Adenin, Guanin / Pyrimidine: Cytosin, Uracil Meist Einzelstrang 2.3. Nukleotide werden über Phosphodiesterbrücken verknüpft Nucleotide werden durch eine Phosphodiesterbrücke zwischen dem 5‘ und 3‘ Kohlenstoff- zu Nukleinsäuren verbunden 5‘-Ende: Phosphatrest / 3‘-Ende: OH-Gruppe Die lineare Sequenz einer Nukleinsäurekette wird in einem 1-Buchstaben-Code abgebildet, z.B. A-G-C-T-T-A-C-A, wobei das 5‘ Ende der Kette am links steht – in allen Sprachen unabhängig von der Leserichtung! Diese Bindung wird als Zucker-Phosphat-Bindung bezeichnet SingleStrand DNA - ssDNA besitzt Polarität ssDNA besteht aus Nukleotiden, die über Zucker-Phosphat-Bindungen verbunden sind Die Zuckerphosphat-Einheiten sind asymmetrisch Wir haben ein 5‘ und ein 3‘ Ende Hierdurch entsteht definierte Richtung = Polarität 5‘-Ende: Phosphatrest / 3‘-Ende: OH-Gruppe Information wird nur von 5‘ nach 3‘ synthetisiert  15 Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation Durch die Polymerisierung anhand des Templates (existierender DNA-Strang) wird die Sequenz der neu synthetisierten Nukleotide für den neuen DNA-Strang definiert Sequenz des neuen Strangs ist komplementär zum Backbone A–T/C–G Der Backbone ist entgegengesetzt dem neu synthetisierten Strang. Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation Die Doppelhelix wird entwunden, um die Replikation möglich zu machen => beide Stränge werden als Template-Strand verwendet! (FRAGE: oben kann doch nicht von 5‘ zu 3‘ agieren, oder?) Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die DNA Ein normales DNA-Molekül besteht aus 2 dieser komplementären Stränge Nukleotide sind durch starke kovalente Kräfte an backbone gebunden (der orangene Teil mit der Base!) Komplementäre Nukleotide sind über schwächere Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden (die kleinen rote Striche) Die Bindungen zwischen den Basen sind schwach, damit die Stränge für die Replikation voneinander getrennt werden können! Die Bindung zwischen Base und Zucker-Phosphat Backbone ist stark, weil die DNA sonst instabile wäre und zerbrechen würde = das wäre für ein Speichermedium ungeeignet!  16 Wie war das nochmal? Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen Bei einer kovalenten Bindung teilen sich Atome Wasserstoffbrückenbindung = intermolekulare Elektronen, indem ihre Atomorbitale Anziehungskraft zwischen Molekülen uzw. überlappen. Zwischen einem kovalent gebundenen Also wenn sie nah genug beisammen sind, Wasserstoffatom und einem freien können sich die Atome einfach ihre Elektronen Elektronenpaar eines Atoms, das sich in einer Teilen, das geschieht im sogenannten äußeren Atomgruppierung befindet. Atomorbital! Wasserstoffbrückenbindungen verbinden DNA-Doppelstränge (WICHTIG) Kommentiert [sb1]: Warum können beim T und A nur 2 Wasserstoffbrücken ausgebildet werden? Kommentiert [sb2R1]: Weil die Entfernung zu groß ist! Abstand zwischen den Strängen!  17 Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden Die beiden Stränge wickeln sich umeinander zu einer Doppelhelix Sehr robuste Struktur Abstand zwischen Basenpaare 0,34nm Durch die zahlreichen Wasserstoffbrückenbindungen doch recht stabil! Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden (DAS WICHTIGSTE AUF EINEN BLICK) (A) Die Einheiten der DNA => Zucker-Phosphat (zusammengesetzt aus Zucker in orange und Phosphat in gelb), der Grüne Kasten ist die Base (hier Guanin) = zusammengesetzt ist dies ein Nukleotid! (B) Der DNA-Strang besteht aus vielen miteinander verknüpften Nukleotiden. Zusehen sind oben die verschiedenen Basen (G/T/A/C) die an die Zucker-Phosphate gebunden sind. Dieser Strang hat ein 5‘ und ein 3‘ Ende! (C) In der doppestränging DNA, sind diese Stränge antiparallel, die Basen sind komlementäre. (D) Dieser Doppel-Strang ist zu einer Doppelhelix verwunden! ssDNA = single stranded dsDNA = double stranded Antiparallel Stränge Komlementäre Basen Basen 0,34nm voneinander entfernt!  18 Zellen übersetzen DNA in Proteine (WICHTIG) DNA ist der Speicher für genetische Informationen! Aber wofür brauchen wir die DNA? Kurz gesagt: um Proteine zu bilden! Wenn DNA repliziert, wird, also neue DNA synthetisiert wird, spricht man von einer DNA-abhängigen (woher es kommt) DNA- Synthese. Wenn DNA transkribiert, DNA wird zur RNA, spricht man von einer DNA-abhängigen RNA- Synthese! Wenn diese RNA translatiert wird und Proteine synthetisiert werden, dann spricht man von einer RNA-abhängigen Protein-Synthese. Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Nukleotide sind die Bausteine für... Alles Zucker werden zu Polysacchariden Fettsäuren werden zu Fetten und Membranlipiden Aminosäuren werden zu Proteinen Nukleotide zu Nukleinsäuren 2.4. Organismen haben unterschiedliche Genomgrößen Und wer hat das größte? Bakterien haben sehr kleine Genome (z.B. E.Coli) Kleinste (synthetisch): Mycoplasma laboratorium or Synthia (Minimal Genome Protozoen haben verschieden große Genome: Project): 1 x 106 bp (im Labor erschaffen) Pflanzen größer als Pilze (z.B. Weizen 10^10 Nukleotid Paare) Größte: Japanische Blühpflanze: Paris Menschen hat ein kleineres als Weizen zwischen 10^9 japonica: 1,5 x 1010 bp = 90 Meter = Big Ben und 10^10  19 Eukaryotische DNA befindet sich im Zellkern (Nukleus) und Mitochondrien (WICHTIG) BITTE BEACHTE Nucleus und Nucleolus sind NICHT dasselbe! Im Blauen ist DNA! Achtung: RNA im Zellkern, im Cytoplasma und in den cytoplasmatischen Organellen (Ribosomen, Mitochondrien, Chloroplasten). Abschnitte auf der DNA (Gene) vererben Eigenschaften Wir haben einen Strang an DNA 5‘ bis 3‘ auf diesem Strang finden sich Gene (gelb markiert) diese Gene werden in RNA translatiert, aus diesen verschiedenen RNA-Molekülen können nun Proteine werden. Zusammenfassung Nukleinsäuren Die DNA ist aus komplementären Nukleotiden in einer Doppelhelix aufgebaut DNA und RNA unterscheiden sich in Aufbau, Struktur, Vorkommen und Funktion Die Basen der Nukleotide sind A, G, C und T (DNA), bzw. A, G, C und U (RNA) Genomgröße, Anzahl der Gene, Struktur und funktionelle Einheiten sind je nach Organismus unterschiedlich  20 3. „Konserve“ Organisation des Genoms: Chromosomen und Gene Lernziele Chromosomen und Gene Struktur und Aufbau von Chromosomen erklären Phasen des Zellzyklus benennen und Merkmale aufzählen Strukturelle Organisation des Nukleosoms skizzieren Den Begriff „Gen“ definieren Die drei Mendel‘schen Regeln beschreiben Aufbau von Genen und deren Funktion zusammenfassen Beispiele für genetische Aberrationen benennen 3.1. Was ist ein Chromosom – Blick in die Zelle Links eine Zelle die sich teilt, in braun ein einzelnes Chromosom. Rechts eine nicht teilende Zelle Links eine Zelle mit einem Zell mit einem Zellkern, dieser ist vom Nuclear envelope umschlossen. Die gezeigte Zelle befindet sich in der Interphase, daher liegen alle Chromosomen zerknäult im inneren vor. Zellen haben teilweise bevorzugte Stellen innerhalb des Zellkerns, wo sie sich vermehrt aufhalten (sehe rechts). Wie werden Chromosomen angefärbt? Chroma= Farbe und soma= Leib => sie werden durch die FISH eingefärbt, wie folgt: Fixierung der Zellen mit Chromosom auf Objektträger > Denaturierung, die DNA-Doppelhelix in den Chromosomen wird durch Hitze denaturiert, sodass sie in einsträngige Abschnitte aufgespaltet wird > Hybridisierung: die Fluoreszenz maskierten DNA-Sonden werden auf die spezifischen DANN Sequenzen aufgetragen. Kommentiert [sb3]: Relevant????  21 Was ist ein Chromosom – Die „einfache“ Antwort Auf dem Bild sehen wir nur sehr stark komprimierte DNA! Ein Dupliziertes Chromosom aus zwei Chromatiden, aus 2 Strängen! Histone und andere Proteine lagern sich am DNA-Doppelstrang an = Chromatin 1 DNA-Doppelstrang + Proteine = 1 Chromatid (ALSO ohne Histone) 1 Chromosom besteht je nach Phase des Zellzyklus aus 1 oder 2 durchgehenden Strängen DNA- Doppelhelix = 1 oder 2 Chromatiden Enthält die meisten oder alle Gene (etwa 1.000 / Chromosom) = Träger des Genoms Mensch: 46 im diploiden Haplotyp (2n) = Jede Zelle besitzt 2 Kopien jedes Chromosoms! Jedes Chromosom kann etwa 1000 Gene enthalten! Begriffsklärung Phänotyp = Menge aller Merkmale (Das was man sieht!) Genotyp = Gesamtheit der Gene = Gene der Chromosomen im Zellkern + extrachromosomale DNA (Gene der mitochondrialen DANN => kommt von der Mutter) + bei Pflanzen zusätzlich die DNA der Chloroplasten (Das was im inneren ist!) Haplotyp = Haploider Genotyp = Variante einer Nukleotidsequenz auf ein- und demselben Chromosom Haploid = 1n = Einfacher Chromosomensatz, z.B. im Zellkern einer Eizelle und den Spermien, jedes Gen in nur 1 Variante (Allel) Diploid = 2n = Doppelter Chromosomensatz, z.B. in Körperzellen, homologe Gene Was ist ein Chromosom – Im Detail! (Wichtig) Regulatorische DNA-Sequenz – Start des Genes! Rot- Exon / Grau – Introns (Schutz) Das Gen wird nun Expremier => in RNA umgeschrieben und zum Schluss in Proteine (gefaltet)  22 Phasen des Zellzyklus: Übersicht (WICHTIG) Zelle mit Väterlichen und Mütterlichen Chromosomen (Interphase) Gen Expression => Chromosomen werden dupliziert M Phase => Mitose beginnt => Chromosomen werden an der äquatorial Ebene angeordnet und von den Spindefasern werden jeweils eine Hälfte des Chromosoms an die Pole gezogen. Zellteilung => Interphase mit zwei identischen Tochterzellen! DNA ist um Histone gewickelt: Struktur von Chromatin Histonen sind wie Garnspulen um die die DNA mehrfach herumgewickelt wird. (Buntes sind andere Proteine) => Sie dienen zum Schutz der „Nackten“ DNA. 3.2. Was ist ein Gen? (WICHTIG) Ein Gen ist eine lokalisierbare Region genomischer DNA-Sequenz, die einer Erbeinheit entspricht und mit regulatorischen, transkribierten und/oder funktionellen Sequenzregionen assoziiert ist. Ein Gen ist eine Vereinigung genomischer Sequenzen, die einen zusammenhängenden Satz von eventuell überlappenden funktionellen Produkten codiere  23 3.3. Was wir von Mendel gelernt haben: Uniformitäts- und Spaltungsregel 1. Uniformitätsregel (1. Mendelsches Gesetz) 2. Spaltungsregel (2. Mendelsches Gesetz) 3. Unabhängigkeitsregel (3. Mendelsches Gesetz) Betrifft die F1-Generation (erste Betrifft die F2-Generation Betrifft die Vererbung von zwei oder mehr Tochtergeneration) Wenn F1-Individuen untereinander gekreuzt Merkmalen gleichzeitig Wenn zwei reinerbige Eltern mit werden Die Vererbung verschiedener Merkmale unterschiedlichen Merkmale spalten sich im Verhältnis 3:1 auf erfolgt unabhängig voneinander Merkmalsausprägungen gekreuzt werden o 3/4 zeigen das dominante Merkmal Bei zwei Merkmalen entstehen in der F2- Alle Nachkommen der F1-Generation o 1/4 zeigt das rezessive Merkmal Generation 16 verschiedene sehen gleich aus (uniform) Kombinationsmöglichkeiten Sie zeigen nur das dominante Merkmal Genotypisch ergibt sich das Verhältnis 1:2:1 Es ergibt sich das charakteristische Sie sind alle heterozygot (mischerbig) o 1/4 reinerbig dominant (RR) Spaltungsverhältnis von 9:3:3:1 o 2/4 mischerbig (Rr) o 1/4 reinerbig rezessiv (rr) Beispiel: Beispiel: Beispiel: Kreuzung: reine rotblühende (RR) × reine Kreuzung: F1 (Rr) × F1 (Rr) Kreuzung von Erbsenpflanzen mit zwei weißblühende (rr) Pflanze F2-Generation: Merkmalen: F1-Generation: Alle Pflanzen blühen rot o 75% rotblühend (RR oder Rr) o Samenfarbe: gelb (G) dominiert (Rr) o 25% weißblühend (rr) über grün (g) o Samenform: rund (R) dominiert über runzlig (r) F1-Generation: o Alle Pflanzen haben gelbe, runde Samen (GgRr) F2-Generation (Spaltungsverhältnis 9:3:3:1): o 9/16 gelb und rund (G_R_) o 3/16 gelb und runzlig (G_rr) o 3/16 grün und rund (ggR_) o 1/16 grün und runzlig (ggrr)  24 Die verschiedenen Blutgruppen 2 Allele der 3 Merkmale A, B und 0 Genotypen AA, BB, 00, A0, B0, AB Allele A und B sind gleichwertig zueinander A und B sind gegenüber dem Allel 0 dominant Vererbung folgt Mendel‘schen Regeln Vererbung der Blutgruppen Der Rhesusfaktor Name: Gewinnung des ersten Testserums aus dem Blut von Kaninchen, die mit Erythrozyten aus Rhesusaffen (Macaca mulatta) behandelt worden waren Rhesusfaktor = Protein auf Zellmembran der Erythrozyten, etwa 50 verschiedene Protein vorhanden: Rh+, Protein nicht vorhanden: Rh-  25 Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben und Proteine synthetisiert Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben es werden Proteine synthetisiert, die wiederum in einem positiven Feedback-Loop die weitere Produktion von weiteren Proteinen beschleunigt. Gene bestehen aus Introns und Exons Exons: Introns: Prozess: Sind die "wichtigen" Sind "Unterbrechungen" 1. DNA enthält beide: Introns Abschnitte eines Gens zwischen den Exons und Exons Enthalten die Information Enthalten keine Information 2. Bei der Transkription für die Proteinherstellung für das Protein werden beide in prä-mRNA Bleiben in der mRNA Werden aus der mRNA kopiert erhalten herausgeschnitten (Spleißen) 3. Beim Spleißen werden Werden in Werden vor der Introns entfernt Aminosäuresequenzen Proteinherstellung entfernt 4. Reife mRNA enthält nur "übersetzt" Ihre genaue Funktion ist noch Exons Bestimmen die noch nicht vollständig 5. Nur die Exons werden in Eigenschaften des geklärt Proteine übersetzt (im entstehenden Proteins cytoplasma) Kommentiert [sb4]: Stimmt das so? Folie27/33 Exons: enthalten Bauplan Introns: enthalten keine für Proteine, Baupläne, sind also programmiert sind nicht programmiert, etwa 1,5 % des Genoms Intronabschnitte etwa 10 x so lang wie Exonabschnitte Promotor = Startpunkt für Transkription, „TATA-Box“ Exon = expressed region, bleibt nach Spleißen erhalten Intron = intragenic region, nichtcodierend, wird durch Spleißen herausgeschnitten  26 Genetische Aberrationen: Trisomie 21 Chromosom 21 oder Teile davon sind dreimal vorhanden = Aneuploidie Fehlerhafte Zellteilung in der Meiose Wahrscheinlichkeit (Inzidenz): Alter der Mutter bis 25 Jahre: weniger als 0,1 % 35 Jahre: 0,3 % / 40 Jahre: 1 % / 48 Jahre: 9 % Verbreitung (Prävalenz): etwa 1:500 Verkürzte Lebensdauer, physiologische und psychologische Symptome Pränataldiagnostik, Schwangerschaftsabbruch Genetische Aberrationen: XXY-Syndrom = Klinefelter-Syndrom Männer haben ein X-Chromosom zu viel Vor der Zeugung: Nicht-Auseinanderweichen (Non-Disjunction) der Geschlechtschromosomen während der Meiose Erhöhte Wahrscheinlichkeit bei Müttern über 40 Prävalenz: 1:1000 Hodenunterfunktion (Hypogonadismus) + weitere Symptome Intersexualität, „Wettkampf der Geschlechter“ Lernziele Chromosomen und Gene Chromosomen enthalten (die meisten) Gene und bestehen aus 1 oder 2 Chromatiden Menschen haben 46 Chromosomen (2n) DNA ist um Histone gewickelt + weitere Proteine = Chromatin Kommentiert [sb5]: Noch einmal erklären lassen! Der „Verpackungsgrad“ der DNA in einem Chromosom ist etwa 10.000 Die 3 Mendel‘schen Regeln: Uniformität, Spaltung, Unabhängigkeit Auch die Blutgruppe wird nach diesen Regeln vererbt Gene bestehen aus Introns und Exons, die Transkription startet am Promotor Genetische Aberrationen können zu dedizierter Symptomatik führen  27 4. Zellzyklus und Replikation: DNA-Mutationen und Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation Phasen des Zellteilung, bzw. Zellzyklus skizzieren o Mitose o Meiose DNA-Replikation detailliert beschreiben 4.1. Zwei Arten der Zellteilung: Mitose & Meiose Mitose Meiose Kern- und Zellteilung; Reifeteilung: Kern- und Zellteilung; aus 1 Mutterzelle entstehen aus 1 Mutterzelle entstehen genetisch 2 genetisch identische Tochterzellen unterschiedliche Keimzellen Interphase ist sehr wichtig! Die Meiose dient Lebewesen also vor allem: Sie ist die Phase zwischen 1. zur geschlechtlichen Fortpflanzung zwei Mitosen und nimmt 2. zur Neuverteilung des elterlichen etwa 90% des Zellzyklus ein! Erbguts (Rekombination) 3. zum konstant halten artspezifischer Chromosomenzahl (z.B. 2n), weil Keimzellen haploid sind Die Interphase besteht aus drei Hauptphasen: 1. G1-Phase (Gap 1/Wachstumsphase): Meiose I (Reduktionsteilung) Zelle wächst 1. Prophase I: Intensive Proteinsynthese o Chromosomen werden sichtbar Bildung von Zellorganellen o Kernhülle und Kernkörperchen lösen Wichtige Kontrollpunkte für den sich auf Zellzyklus o Spindelfasern bilden sich 2. S-Phase (Synthese-Phase): o Intrachromosomale Rekombination DNA-Replikation findet statt (Crossing-over) möglich Chromosomen werden verdoppelt 2. Metaphase I: einfache Chromatiden werden zu o Chromosomenpaare ordnen sich an Doppelchromatiden/2Tochterchromatide der Äquatorialebene an Centrosomen werden verdoppelt 3. Anaphase I: 3. G2-Phase (Gap 2/Vorbereitungsphase): o Ganze Chromosomen werden Letzte Vorbereitungen für die Mitose getrennt und zu den Polen gezogen Kontrolle der DNA-Replikation o Interchromosomale Rekombination Synthese von Proteinen für die Mitose möglich Vorbereitung des Spindelapparates  28 Wichtige Merkmale der Interphase: 4. Telophase I: Längste Phase des Zellzyklus o Spindelapparat wird abgebaut DNA liegt als Chromatin vor (nicht o Kernhülle und Kernkörperchen bilden kondensiert) sich neu Kernmembran ist intakt o Chromosomen entspiralisieren sich Zelle führt normale Ergebnis: Aus einer diploiden Mutterzelle Stoffwechselaktivitäten durch entstehen zwei haploide Tochterzellen. 1. Prophase: Chromatin kondensiert zu sichtbaren Chromosomen Kernmembran löst sich auf Spindelapparat beginnt sich zu bilden Nucleolus verschwindet 2. Metaphase: Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an Spindelfasern verbinden sich mit den Centromeren Meiose II (Äquationsteilung) Max. Kondensation der Chromosomen 1. Prophase II Chromosomen als X-förmige Strukturen 2. Metaphase II sichtbar 3. Anaphase II 3. Anaphase: 4. Telophase II Chromatiden werden getrennt Diese Phasen ähneln stark denen der Mitose. Spindelfasern ziehen Chromatiden zu Ergebnis: Aus zwei haploiden Zellen entstehen den Polen vier haploide Tochterzellen mit Einchromatid- Bewegung erfolgt gleichmäßig und Chromosomen. synchron Zelle beginnt sich leicht zu strecken 4. Telophase: Chromosomen entspiralisieren sich Neue Kernmembranen bilden sich Nucleoli erscheinen wieder Spindelapparat löst sich auf 5. Cytokinese (Zellteilung anfang anaphase): Teilung des Cytoplasmas Bildung der Zellmembran zwischen den Tochterzellen Entstehung von zwei identischen Tochterzellen Wichtige Merkmale: Entstehen zwei identische Tochterzellen Chromosomenzahl bleibt gleich (diploid) Dient dem Wachstum und der Regeneration Prozess wird streng kontrolliert  29 4.2. DNA- Replikation Schritte der DNA-Replikation 1. Auftrennung der DNA-Stränge: Das Enzym Helikase trennt die zwei DNA-Stränge auf, indem es die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen spaltet (Mit hilfe von ATP dieses wird zu ADP +P) Die Topoisomerase entwindet die DNA vor der Helikase, um das Fortschreiten zu ermöglichen 2. Bildung der Replikationsgabel: Die Stelle, an der die DNA-Stränge getrennt werden, nennt man Replikationsgabel Einzelstrang-bindende Proteine stabilisieren die getrennten Stränge 3. Primer-Anlagerung: Das Enzym Primase stellt kurze RNA-Primer her und lagert sie an die Mutterstränge an Diese Primer dienen als Startpunkt für die DNA-Polymerase 4. DNA-Synthese: Die DNA-Polymerase beginnt am Primer und fügt komplementäre Nukleotide hinzu Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert o Kontinuierliche Synthese in 5' → 3' Richtung o Ein langer, durchgehender Strang wird gebildet Der Folgestrang wird in kurzen Fragmenten (Okazaki-Fragmente) synthetisiert o Diskontinuierliche Synthese in 5' → 3' Richtung o Bildung kurzer DNA-Abschnitte (Okazaki-Fragmente) o Mehrere Primer nötig o Synthese erfolgt "rückwärts" zur Gesamtrichtung der Replikation o Um die einsträngigen DANN stränge legen sich schützende Proteine 5. Entfernung der Primer und Lückenschluss: Das Enzym RNase H entfernt die RNA-Primer Eine spezielle Polymerase füllt die Lücken mit DNA-Nukleotiden Das Enzym Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente Besonderheiten Am Ende entstehen zwei identische DNA-Moleküle, jeweils aus einem alten und einem neuen Strang bestehend Bedeutung der Topoisomerase Rolle der Einzelstrang-bindenden Proteine Verhindert mechanische Spannungen Verhindern die Wiederanlagerung der DNA-Stränge Schneidet DNA-Stränge vorübergehend Schützen vor dem Abbau durch durch Nukleasen Ermöglicht das "Entwinden" der DNA Stabilisieren die einzelsträngige DNA  30 5. DNA-Mutationen und Reparatur Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation Proof- Reading-Mechanismen: Exonuklease, DNA-Polymerase Fehlerrate und Anzahl der Schäden an der DNA: ~ 3 x 105/24 h Mutationsmöglichkeiten der DNA: Hydrolyse, Oxidation, Methylierung, Desaminierung Reparaturmechanismen: Base Excision Repair, Nucleotide Excision Repair 5.1. Fehlerhafte DNA-Reparatur kann zu Krankheiten führen  Bei der DNA-Replikation kommt es zur Reparatur von Fehlern: Die DNA Polymerase ist hierbei dazu da, die entstandene Fehler durch ihr Proof Reading zu korrigieren.  DNA-Mutationen können zu einer Vielzahl an Krankheiten führen, nicht nur Krebs! o Hierbei liegt die Wahrscheinlichkeit für eine Krankheit höher, wenn der Fehler/ die Mutation in einem Exon auftritt o Brca1/2: eine Mutation hier führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Krebs (Brust-, Eierstock-, Prostata-, Pankreaskrebs) Für Mutationen anfällige Positionen in der DNA  Je breiter der Pfeil, desto wahrscheinlicher ist hier ein Fehler!  Es gibt drei Arten von Schäden o Methylierung ▪ Methylierung ist eine chemische Veränderung, die die Aktivität von Genen beeinflusst. Wenn sie falsch passiert, kann sie zu genetischen Veränderungen führen, die zur Entstehung von Krebs führen können. Normalerweise reguliert sie jedoch die Genexpression. o Oxidative Schäden ▪ Oxidative Schäden entstehen durch reaktive Sauerstoffmoleküle, die die DNA-Basen oxidieren und verändern. Dies kann zu Mutationen führen, wenn die Zelle diese Schäden nicht repariert. Diese Schäden treten oft durch normale Stoffwechselprozesse oder UV-Strahlung auf ▪ CH-Bindung anfällig o Hydrolytische Angriffe ▪ Hydrolytische Angriffe sind chemische Reaktionen, die ohne Sauerstoffradikale ablaufen. Sie können zu Verlusten von Basen in der DNA führen, wie z.B. dem Entfernen von Adenin oder Guanin. Wenn diese Schäden nicht repariert werden, können sie zu Mutationen führen.  31 ▪ Die Zucker sind besonders anfällig Depurinierung und Desaminierung Depurinierung (oben): Guanin wird durch die Anlagerung von Wasser von der DNA abgespalten Zurück bleibt nur das Zucker-Phosphat- Rückgrat Desaminierung (unten): Cytosin verliert seine Aminogruppe durch Wassereinwirkung Wird zu Uracil umgewandelt o DNA kann nicht mehr gebildet werden, da U nur in RNA vorkommt! DNA-Struktur bleibt erhalten, aber die genetische Information ändert sich Links (A) - Desaminierung: Rechts (B) - Depurinierung: Cytosin wird zu Uracil (C→U) Adenin wird entfernt Bei Replikation entstehen zwei mögliche Bei Replikation: Stränge: o Ein Strang verliert das A-T Basenpaar o Unveränderter Strang (G-C Paarung) o Ein Strang bleibt unverändert o Mutierter Strang (G→A Änderung)  Häufig gefunden da der Schaden sehr auffällig ist! Beide Prozesse können zu permanenten DNA-Mutationen führen, wenn sie nicht repariert werden.  32 DNA-Reparaturwege: Base Excision Repair = Basenausschneidungsreparatur Basenausschneidungsreparatur => der Backbone wird durch die AP-Endonuclease/ Phosphodiesterase ausgeschnitten, damit die Base ausgetauscht werden kann! o Eine desaminierte Base (C→U) wird erkannt o Uracil-DNA-Glykosylase entfernt Uracil o AP Endonuklease/Phosphodiesterase entfernt Zucker-Phosphat o DNA-Polymerase füllt die Lücke mit korrektem Nukleotid o DNA-Ligase verschließt den Strang DNA-Reparaturwege: Nucleotide Excision Repair = Nukleotid-Exzisionsreparatur Nukleotid-Exzisionsreparatur => Basen sind verklebt durch Pyrimidine dimer; großer Teil wird ausgeschnitten (Basen+ Backbone), Fehler wird behoben! o Pyrimidin-Dimer wird erkannt o Excisionsnuklease schneidet DNA beidseitig o DNA-Helicase entfernt geschädigten Bereich o DNA-Polymerase füllt Lücke o DNA-Ligase verschließt Strang Doppelstrangbruch-Reparatur: Nicht-homolge Endverbindung & homologe Rekombination A) Nonhomologous End Joining (NHEJ): B) Homologe Rekombination: Direkte Verknüpfung der Bruchenden Nutzt unveränderte DNA als Vorlage Schnell aber ungenau Langsamer aber präzise Nuklease entfernt beschädigte Enden Rekombinase-Nuklease modifiziert DNA-Ligase verbindet Stränge direkt Bruchstelle Manchmal gehen Nukleotide verloren DNA-Polymerase nutzt unverändert DNA als Vorlage DNA-Ligase verbindet reparierte Stränge Keine verlorenen Nukleotide Genmutationen und Krebs Proto-Onkogene (1 Allel reicht, da dominant) Normale Funktion: Überleben und Proliferation der Krebszelle Effekt: "Gain of Function", Unkontrolliertes Zellwachstum Ursprung: Punktmutation, Chromosomale Translokation, Amplifikation Caretaker-Gene (2 Allele da rezessiv) Normale Funktion: Schutz & Reparatur von DNA-Schäden Effekt: "Loss of Function", Ansammlung von Mutationen und DNA-Veränderungen Ursprung: Punktmutationen, Deletionen, DNA-Modifikationen (z.B. Methylierung) Tumorsuppressor-Gene (2 Allele da rezessiv) Normale Funktion: Unterbinden Überleben und Proliferation der Krebszelle Effekt: "Loss of Function", Unkontrolliertes Zellwachstum Ursprung: Punktmutationen, Deletionen, DNA-Modifikationen (z.B. Methylierung)  33 Onkogene wirken dominant, Mutationen in Tumorsuppressorgenen rezessiv (A) Überaktivitätsmutation (Onkogene) Gesunde Zelle: In einer gesunden Zellen gibt es Gene, die das Zellwachstum fördern, und Gene, die es hemmen. Mutation: Eine Mutation in einem Gen, das das Zellwachstum reguliert, kann dazu führen, dass dieses Gen zu einem Onkogen wird. Onkogene sind Gene, die durch die übermäßige Aktivierung das Zellwachstum stark fördern. Krebs: Die übermäßige Förderung des Zellwachstums kann dazu führen, dass Zellen unkontrolliert wachsen und sich teilen – ein zentraler Mechanismus in der Krebsentstehung (B) Unteraktivitätsmutation (Tumorsuppressorgene) Gesunde Zelle: Tumorsuppressorgene wirken hemmend auf das Zellwachstum und verhindern, dass Zellen unkontrolliert wachsen. Sie sind eine Art "Schutzmechanismus". Erste Mutation: Eine Mutation in einer Kopie eines Tumorsuppressorgens deaktiviert diese. Da die Zelle eine zweite funktionierende Kopie besitzt, bleibt die Hemmung des Zellwachstums zunächst intakt. Zweite Mutation: Eine Mutation in der zweiten Kopie des Tumorsuppressorgens führt dazu, dass die Hemmung des Zellwachstums vollständig verloren geht. Krebs: Ohne die Funktion der Tumorsuppressorgene gerät das Zellwachstum außer Kontrolle, was ebenfalls zur Entstehung von Krebs beiträgt. Epigenetik: Änderung der Genfunktion, die nicht auf DNA-Mutationen beruht: DNA-Methylierung, Histonmodifikation, Telomer-Abbau. Wie Onkogene entstehen: Bcr-Abl Translokation: Jeweils ein Teil des Bcr-Gens (Chromosom 22) und des Abl-Gens (Chromosom 9) werden durch einen chromosomalen Bruch falsch zusammengesetzt. Es entsteht das Bcr- Abl-Fusionsgen auf Chromosom 22 (Philadelphia-Chromosom). Fusionsprotein: Das Bcr-Abl-Fusionsgen wird in ein Protein mit daueraktivierter Tyrosinkinasefunktion übersetzt. Folge: Das Protein fördert unkontrolliertes Zellwachstum und führt zur Krebsentstehung.  34 Tumorsuppressorproteins p53 Eingangssignale für p53-Aktivierung p53 wird durch verschiedene Stressfaktoren aktiviert: 1. Hyperproliferative Signale: Übermäßige Zellteilungssignale, wie sie bei Krebs häufig vorkommen. 2. DNA-Schäden: Z. B. durch UV-Strahlen, Chemikalien oder Replikationsfehler. 3. Telomerverkürzung: Verkürzte Telomere (Schutzkappen der Chromosomen) führen zu zellulärem Altern. 4. Hypoxie: Sauerstoffmangel in Zellen. Ergebnisse der p53-Aktivität p53 führt zu drei möglichen Reaktionen: 1. Cell-Cycle Arrest (Zellzyklus-Arrest): o Die Zellteilung wird angehalten, um Schäden zu reparieren. 2. Senescence (Zellalterung): o Die Zelle bleibt dauerhaft inaktiv und teilt sich nicht mehr. 3. Apoptose (programmierter Zelltod): o Irreparabel geschädigte Zellen werden sicher eliminiert, um u.a. Krebs zu verhindern. Zusammenfassung Krebs Mutation von Proto-Onkogenen, Caretaker-Genen und Tumorsuppressorgenen kann zu „Loss of Function“ oder „Gain of Function“ führen, was die Krebsentstehung begünstigt Onkogene können durch Translokationen entstehen Mutationen an Caretaker-Genen unterbinden Reparaturmechanismen Mutationen an Tumorsuppressor-Genen kehren ihre Wirkung um Durch die Zellzykluskontrolle wird der Zellzyklus angehalten, wenn Fehler vorliegen  35 6. Proteine: Aufbau, Faltung und Funktionen Lernziele Schritte der Proteinbiosynthese (PBS) beschreiben Funktionsweise der RNA-Polymerase skizzieren Verschiedene RNA-Typen auflisten PBS: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien benennen Bedeutung des genetischen Codes für Aminosäurebildung erläutern Bestandteile eines Proteins und Bindungsarten beschreiben Strukturebenen benennen und erklären Funktionen von Proteinen und Beispiele dazu aufzählen Von der DNA zum Protein: DNA wird replizier > DNA wird in RNA transkribiert > RNA wird in Proteine translatiert! Die genetische Information steuert die Proteinbiosynthese (PBS) DNA-Replikation (DNA synthesis): o Dies ist der Prozess der DNA-Verdopplung o Die DNA-Doppelhelix wird aufgespalten und jeder Strang dient als Vorlage für einen neuen komplementären Strang o Dabei werden Nucleotide als Bausteine verwendet o Das Ergebnis sind zwei identische DNA-Moleküle Transkription (RNA synthesis) durch RNA-Polym.: o Bei der DNA-abhängigen RNA-Synthese wird die genetische Information der DNA in RNA umgeschrieben o Ein DNA-Strang dient als Vorlage (Template) o Das Enzym RNA-Polymerase erstellt einen komplementären RNA-Strang o Die entstehende RNA ist eine Kopie der genetischen Information o Ein wichtiger Punkt ist, dass die RNA-Sequenz komplementär zum Template-Strang der DNA ist, aber identisch zum nicht-gezeigten Coding-Strang der DNA ist (nur mit U statt T). o Dies ist der erste Schritt der Genexpression, bei dem die genetische Information von der DNA in RNA übertragen wird, bevor sie später in Proteine übersetzt werden kann. Translation (Protein synthesis): o Dies ist der letzte Schritt der Proteinbiosynthese o Die RNA-abhängige Protein-Synthese findet an den Ribosomen statt o Die messenger-RNA (mRNA) wird in Aminosäuresequenzen übersetzt o Jeweils drei Basen (ein Codon) codieren für eine bestimmte Aminosäure o Die Aminosäuren werden entsprechend der RNA-Sequenz zu einer Polypeptidkette verknüpft o Das Ergebnis ist ein funktionsfähiges Protein  36 Gene werden mit verschiedener Effizienz exprimiert Gen A: Gen B: Wird sehr effizient Wird weniger exprimiert effizient Nach der exprimiert Transkription Nach der entstehen viele Transkription RNA-Kopien entsteht nur eine (mehrere blaue RNA-Kopie (eine Linien) blaue Linie) Bei der Translation Bei der Translation werden wird entsprechend entsprechend nur viele Proteine A ein einziges produziert (viele Protein B grüne Kreise mit produziert (ein "A") grünes Quadrat Das Endergebnis mit "B") ist eine hohe Das Endergebnis Konzentration von ist eine niedrige Protein A Konzentration von Protein B RNA-Polymerase transkribiert DNA 1. Initiation: 1.1. Die RNA-Polymerase bindet an die DNA 1.2. Die DNA-Doppelhelix wird aufgewunden ("entwickelt") 1.3. Ein einzelner DNA-Strang wird als Vorlage (Template) verwendet 1.4. Ein Mg²⁺-Ion ist am aktiven Zentrum beteiligt 2. Elongation (Verlängerung): 2.1. Neue Nukleotide werden einzeln durch den "ribonucleoside triphosphate uptake channel" aufgenommen 2.2. Diese werden entsprechend der Basenpaarungsregeln zum wachsenden RNA-Strang hinzugefügt 2.3. Es bildet sich kurzzeitig eine DNA-RNA-Helix im Arbeitsbereich 2.4. Die Transkription läuft in einer bestimmten Richtung (direction of transcription) 2.5. Vor der Polymerase ist die DNA noch als Doppelhelix (downstream DNA double helix) 2.6. Hinter ihr fügt sich die DNA wieder zur Doppelhelix zusammen 3. RNA-Synthese: 3.1. Der entstehende RNA-Strang (newly synthesized RNA transcript) ist komplementär zum DNA-Template-Strang 3.2. Die RNA wächst in 5' → 3' Richtung 3.3. Der Prozess ist kontinuierlich, solange Nukleotide verfügbar sind 4. Termination: 4.1. Der gesamte Prozess endet, wenn die RNA-Polymerase ein Terminator-Signal erreicht 4.2. Dieses Signal ist eine spezifische DNA-Sequenz, die das Ende des zu transkribierenden Gens markiert  37 Verschiedene RNA-Typen auflisten Kommentiert [sb6]: Welche sind gemeint? mrns, rrna, trna? Es gibt verschiedene RNA-Polymerasen, die „Familie“ ist je nach Gen. z.B. … Vom Gen zum Protein: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien Eukaryoten (A): Bakterien (B): 1. Komplexe Struktur: 1. Einfachere Struktur: DNA befindet sich im Zellkern (Nucleus) Keine Gene enthalten Introns (nicht-codierende Bereiche) und Exons Kernmembran (codierende Bereiche) DNA liegt direkt im Die Transkription findet im Kern statt Cytoplasma 2. RNA-Prozessierung (RNA PROCESSING): Gene ohne Introns Nach der Transkription entsteht zunächst ein "primary RNA 2. Direkter Prozess: transcript" Transkription und Dieses wird durch drei Prozesse modifiziert: Translation laufen o 5' CAPPING: Anhängen einer Schutzkappe am 5'-Ende direkt o RNA SPLICING: Entfernen der Introns und Verbinden der Exons nacheinander ab o 3' POLYADENYLATION: Anhängen einer Keine RNA- Poly-A-Sequenz am 3'-Ende Prozessierung 3. Export: notwendig Die fertige mRNA wird aus dem Kern ins Keine räumliche Cytoplasma transportiert => wird durch Trennung der Kernporenkomplex ausgewiesen! Prozesse Erst dort findet die Translation zu Proteinen statt  38 mRNA: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien Bakterielle mRNA: Eukaryotische mRNA: Kommentiert [sb7]: Nur das gelbe relevant? 1. Einfachere Struktur: 1. Komplexere Struktur mit speziellen Hat nur eine Triphosphat-Gruppe (PPP) Modifikationen: am 5'-Ende 5' Cap: Eine spezielle Kappe mit Keine spezielle Modifikation am 3'-Ende Methylgruppe (CH₃) und G-Base Kann mehrere codierende Sequenzen 3' Poly-A-Schwanz: Eine Kette von 150- enthalten (polycistronisch) 250 Adenin-Basen (AAAAA) 2. Mehrere Proteine: Normalerweise nur eine codierende Eine mRNA kann für mehrere Sequenz (monocistronisch) verschiedene Proteine codieren (α, β, γ) 2. Ein Protein: Die Proteine werden nacheinander von Eine mRNA codiert typischerweise nur derselben mRNA abgelesen für ein einzelnes Protein Bessere Kontrolle der Genexpression Zusammenfassung: Die PBS verläuft über Transkription und Translation Transkription via RNA-Polymerase: Initiation, Elongation, Termination Verschiedene RNA-Typen: mRNA, tRNA, rRNA, snRNA… PBS in Eukaryoten: nur 1 Exon, Transkription im Zellkern, Ausschleusen der mRNA ins Cytoplasma, Translation im Cytosol PBS in Bakterien: mehrere Exons, alles innerhalb des Cytosols  39 Der genetische Code: Codons für Aminosäuren Wenn es für eine Aminosäure mehrere Varianten und Tripletts gibt, dann ist die Gefahr durch eine Punktmutation geringer, da selbst bei Änderung einer Base eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich die Aminosäure selbst nicht ändert. Der Leserahmen definiert, welche Aminosäure gebildet wird, daher können gravierende Fehler entstehen, sollte es zum Wegfallen eines Basenpaares kommen, da sich somit der Leserahmen verschieben würde und folglich die falschen Aminosäuren abgelesen werden würden. Von der Aminosäure-Kette zum funktionellen Protein (Protein-Reifung nach der Synthese) 1. Neu synthetisiertes Protein (newly 2. Faltung und Cofaktor-Bindung: synthesized protein): Das Protein faltet sich in seine Zunächst liegt das Protein als lineare dreidimensionale Struktur Kette von Aminosäuren vor Dies geschieht durch nichtkovalente Diese ungefaltete Form ist noch nicht Wechselwirkungen (noncovalent Kommentiert [sb8]: Sind diese die selben Gegebenheiten funktionsfähig interactions) => schwache Bindung wie bei der Faltung in wässriger Umgebung? (F.23) Cofaktoren (rot dargestellt) können gebunden werden Diese Faltung ist essentiell für die Proteinfunktion 3. Kovalente Modifikationen: 4. Bindung an andere Proteinuntereinheiten: Das Protein kann verschiedene Viele Proteine funktionieren als chemische Modifikationen erhalten: Komplexe Kommentiert [sb9]: Muss ich wissen welche? o Glycosylierung (Anhängen von Einzelne Proteinuntereinheiten lagern Zuckerresten) sich zusammen o Phosphorylierung (Anhängen von Es entsteht ein größerer funktioneller Phosphatgruppen, P) Komplex o Acetylierung (Anhängen von Acetylgruppen) Diese Modifikationen regulieren die Proteinfunktion Das Endergebnis ist ein reifes, funktionelles Protein (mature functional protein), das seine biologische Aufgabe erfüllen kann. Dieser mehrstufige Prozess ermöglicht eine präzise Kontrolle der Proteinfunktion und -aktivität.  40 Die 20 Aminosäuren der Proteine (Farben passend zur Graphik auf der PPT) Kommentiert [sb10]: Muss ich alle beim Namen wissen? Oder nur, dass Saure A. = negative Ladung ; Basische A. = 1. Polare Aminosäuren (hydrophil): positive L.; etc. Saure Aminosäuren (blau): Asparaginsäure und Glutaminsäure - haben negative Ladung Basische Aminosäuren (rosa): Arginin, Lysin, Histidin - haben positive Ladung Ungeladene polare Aminosäuren (gelb): Asparagin, Glutamin, Serin, Threonin, Tyrosin 2. Nicht-polare Aminosäuren (hydrophob, grün): Dazu gehören Alanin, Glycin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin, Methionin, Tryptophan und Cystein Bestandteile eines Proteins Kommentiert [sb11]: Was muss ich alles wissen? - His/Asp/Leu/Tyr ausreichend? bzw. Polypeptidrückgrat + N-Terminus + C-Terminus + Peptidbindungen + Seitenketten? Polypeptidrückgrat (grau markiert): Dies ist die Hauptkette des Polypeptids, bestehend aus wiederkehrenden Einheiten von Stickstoff (N), Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), und Sauerstoff (O). N-Terminus: Der Startpunkt des Polypeptids, gekennzeichnet durch eine freie Aminogruppe (-NH₃⁺). C-Terminus: Das Ende des Polypeptids, gekennzeichnet durch eine freie Carboxylgruppe (-COO⁻). Peptidbindungen: Diese Bindungen verbinden die Aminosäuren miteinander, indem die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten reagiert (unter Wasserabspaltung). Seitenketten (farbige Bereiche): Jede Aminosäure hat eine spezifische Seitenkette (R-Gruppe), die ihre chemischen Eigenschaften bestimmt: Histidin (His): Rot markiert, hat eine basische Seitenkette. Asparaginsäure (Asp): Blau markiert, besitzt eine saure Seitenkette. Leucin (Leu): Grün markiert, ist eine unpolare Aminosäure. Tyrosin (Tyr): Gelb markiert, enthält eine aromatische Seitenkette.  41 Proteinfaltung in wässriger Umgebung Ungefaltetes Polypeptid (oben): Das Polypeptidrückgrat (graue Linie) trägt verschiedene Seitenketten. Unpolare Seitenketten (grün): Hydrophob, ziehen sich von Wasser zurück. Polare Seitenketten (rot, blau, gelb): Hydrophil, neigen dazu, mit Wasser zu interagieren. Gefaltete Polypeptid (unten): In einer wässrigen Umgebung faltet sich das Polypeptid so, dass die unpolaren (hydrophoben) Seitenketten nach innen zeigen und einen hydrophoben Kern bilden. Die polaren (hydrophilen) Seitenketten liegen außen und können Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser eingehen. Wichtige Kräfte bei der Faltung: Hydrophober Effekt: Unpolare Seitenketten (hydrophob) ziehen sich zusammen, um Kontakt mit Wasser zu vermeiden. Wasserstoffbrückenbindungen: Stabilisieren die Struktur zwischen polaren Gruppen (hydrophil). Van-der-Waals-Kräfte und ionische Wechselwirkungen tragen ebenfalls zur Stabilität bei. Kommentiert [sb12]: Wo? Zwischen was? Die 4 Ebenen der Struktur von Proteinen Kommentiert [sb13]: Ausreichende Erklärung? Primärstruktur: Sekundärstruktur: Die lineare Abfolge der Aminosäuren Lokale räumliche Anordnungen wie Alpha- Wird durch die Peptidbindungen Helices und Beta-Faltblätter zusammengehalten Wird durch Wasserstoffbrückenbindungen Bestimmt die grundlegende Sequenz des stabilisiert Proteins Entsteht durch die spezifischen Eigenschaften der Peptidbindungen Tertiärstruktur: Quartärstruktur: Dreidimensionale Faltung der gesamten Zusammenlagerung mehrerer Polypeptidketten Polypeptidkette Nicht alle Proteine besitzen eine Quartärstruktur Wird durch verschiedene Wechselwirkungen Beispiel: Hämoglobin besteht aus zwischen den Seitenketten der Aminosäuren vier Untereinheiten stabilisiert Gibt dem Protein seine spezifische Form und Funktion  42 Sekundärstruktur 1: Alpha-Helix Das N-H jeder Peptidbindung ist mit dem CO einer benachbarten Peptidbindung über Wasserstoffbrücken verknüpft. Sekundärstruktur 2: Beta-Faltblatt Hier: Benachbarte Peptidketten verlaufen in entgegengesetzten (antiparallelen) Richtungen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Peptidbindungen in verschiedenen Strängen halten die einzelnen Polypeptidketten (Stränge) zusammen Aminosäureseitenketten in jedem Strang ragen abwechselnd über und unter die Ebene des Blattes Funktionen von Proteinen Enzymatisch: Katalyse biochemischer Reaktionen, z.B. Stoffwechsel Strukturell: Bestandteile von Zellen und Geweben, z.B. Kollagen Transport: Moleküle und Ionen, z.B. Hämoglobin für Sauerstoff Immunfunktion: z.B. Antikörper, Interferone, Zytokine Rezeptor- und Signalfunktion: z.B. für Hormone und Neurotransmitter Regulatorisch: Aktivität von Genen und Proteinen, z.B. Transkriptionsfaktoren Kontraktil: Aktin und Myosin bei der Muskelkontraktion Was passiert, wenn Proteine falsch gefaltet werden? Funktionsfähigkeit: keine oder falsche Funktion Stabilität: Abbau oder Denaturierung durch äußere Einflüsse wie Temperatur, pH-Wert oder chemische Verbindungen Proteinaggregation: Unkontrollierte Zusammenlagerungen, z.B. bei Alzheimer, Parkinson oder zystischer Fibrose Transport und Lokalisierung: Kein Transport an richtige Stelle Interaktion mit anderen Proteinen: Keine spezifische Interaktion, keine Reaktionsketten  43 Zusammenfassung II Codons definieren, welche Aminosäure gebildet wird Die AS in einem Protein haben ein Polypeptid-Rückgrat, verschiedene Seitenketten und sind über Peptidbindungen miteinander verbunden 4 Strukturebenen der Proteine: Primär (AS-Sequenz), Sekundär (Alpha-Helix, Beta-Faltblatt), Tertiär (räumliche Anordnung), Quartär (Komplex) Proteine haben viele verschiedene Funktionen Die korrekte Faltung ist für die Funktionsfähigkeit relevant Fehlfaltungen können zu Erkrankungen führen 7. Zellbiologie: Zellmembran Lernziele Biomembran I Aufgaben der Biomembran aufzählen Aufbau der Biomembran erklären o Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht mit Membranproteinen o Fluid-Mosaic-Modell: Die Lipiddoppelschicht ist eine zweidimensionale Lösung gerichteter Lipide und globulärer Proteine o Lipidmoleküle sind innerhalb dieser Doppelschicht mobil Funktionen erklären: o Phospholipide: hydrophiler Kopf und zwei hydrophobe Kohlenwasserstoffschwänze o Cholesterol: macht die Lipiddoppelschicht starrer o Glycolipide: auf der Außenseite der Lipiddoppelschicht 7.1. Verschiedene Strukturen auf der Zellmembran  44 Funktionen der Biomembran: Kontrolle des Stoffaustauschs, Zell-Zell-Kommunikation, Signalübertragung, Strukturelle Integrität der Zelle Peripheres Protein (grün/rot) sind durch ihre Schwänze in der Phospholipid-Doppelschicht verankert! Sterin drängt sich zwischen die Phospholipide => eine andre Form von Cholesterin! Kommentiert [sb14]: Richtig oder Cholesterol? Oligosaccharid-Ketten (verzweigte Zuckerstrukturen) Kommentiert [sb15R14]: Google sagt, dass es das Selbe wäre nur englisch und deutsch? finden sich nur auf der Außenseite! 7.2. Bestandteile eines Phosphoglycerid-Moleküls Der Knick entsteht hauptsächlich durch die Doppelbindung in einer der Fettsäureketten ("hydrocarbon tail"). Diese geknickte Struktur hat wichtige biologische Konsequenzen: Sie verhindert, dass sich die Phospholipide zu dicht zusammenpacken können Dies erhöht die Fluidität der Zellmembran Ungesättigte Fettsäuren: Haben mindestens eine Doppelbindung (wie die rechte Kette mit dem Knick) Die Doppelbindung verursacht den charakteristischen Knick Struktur von Cholesterol (C) Ist eine vereinfachte schematische Darstellung: Den "polaren Kopf" (blau markiert) - dieser Teil ist wasserlöslich Einem starren Ringsystem aus mehreren Kohlenstoffringen (hellgrün) o Sorgt für die Stabilität der Membran Den "unpolaren Schwanz" (dunkelgrün markiert) - dieser Teil ist fettlöslich o Sorgt für fluide Anpassung zwischen den Phosphorlipiden! Zuviel Cholesterol kann dazu führen, dass die Membran zu starr wird! Dies passiert durch das ② Cholesterol Zytoskelett der Zelle ③ Pektin => Das ist bei Pflanzen! ③ Selektive Permeabilität ④ Membranproteine ④ Interzelluläre Wechselwirkungen ⑤ Integrale Proteine ⑤ Transport gelöster Stoffe ⑥ Periphere Proteine ⑥ Energieumwandlung ⑦ Lipidverankerte Proteine ⑦ Oberflächenvergrößerung ⑧ Gerüst für biochemische Aktivität  46 Lernziele Biomembran II Verankerung der Proteine aufzählen Aufbau von Transmembranproteinen erklären Messmethode für Diffusion der Proteine in der Biomembran skizzieren o FRAP Mechanismen erklären, die die Diffusion einschränken o Aggregate o Anheftung innen / außen o Interaktion mit Nachbarzelle o Zytoskelettproteine können durch Corraling Diffusion einschränken 7.4. Verankerung von Membranproteinen Kommentiert [sb18]: Sind die Verbesserungen bei 4 und 8 so korrekt? 1: Alpha-Helix, Transmembran, single-pass => N außerhalb, C im cytosol => rechts gewickelt 2: Alpha-Helix, Transmembran, multi-pass => N außerhalb, C im cytosol => rechts gewickelt 3: Alpha-Helix, eingelagert in Membran im cytosolischen Teil => N außerhalb, C im cytosol => rechts gewickelt 4: Alpha-Helix, eingelagert in Membran im Zelläußeren => N außerhalb, C im cytosol => rechts gewickelt 5: Beta-Barrel, Transmembran, multi-pass (Immer in Gruppen!) 6: Lipidkette als Anker, eingelagert in Membran im cytosolischen Teil 7: Glycosylphosphatidylinositol (GPI) Anker, eingelagert auf cytosolischem Teil 8: Mehrere GPI-Anker, eingelagert in Membran im Zelläußeren! 9 + 10: Nicht-kovalente Interaktion mit anderen Membranproteinen in Lipiddoppelschicht 7.5. Transmembran-Proteins In einer Alpha-Helix sind alle Peptidbindungen in der Lipiddoppel