Zusammenfassung Zellbiologie 1_HS22 PDF

Kapitel 1 1.1 Gleichheit und Vielfalt von Zellen Alle Lebewesen bestehen aus Zellen. Alle Zellen sind in ihren Fähigkeiten und Lebensbedingungen unterschiedlich. Sie können sich spezialisieren. Manchmal so stark, dass sie keine Nachkommen hinterlassen kann. Dies ist nur in einem vielzelligen Org...

Kapitel 1 1.1 Gleichheit und Vielfalt von Zellen Alle Lebewesen bestehen aus Zellen. Alle Zellen sind in ihren Fähigkeiten und Lebensbedingungen unterschiedlich. Sie können sich spezialisieren. Manchmal so stark, dass sie keine Nachkommen hinterlassen kann. Dies ist nur in einem vielzelligen Organismus sinnvoll, da dort eine Arbeitsteilung unter unterschiedlichen Zellen herrscht. Sie können ihre Grundbedürfnisse nicht mehr allein decken und sind auf andere Zellen im Organismus angewiesen. Alle Zellen bestehen aus denselben Molekülsorten, die an denselben chemischen Reaktionstypen teilnehmen. Bei allen Lebewesen werden die genetischen Anweisungen in DNA-Molekülen mit demselben chemischen Code gespeichert, im Wesentlichen von der gleichen chemischen Maschinerie ausgewertet und auf die gleiche Weise dupliziert. Die Nukleotide sind in jeder Zelle gleich, und in jeder Zelle wird die DNA in RNA transkribiert. Proteine dienen als Strukturelemente, chemische Katalysatoren, Motoren, usw. und bestimmen das Verhalten einer Zelle. Sie werden aus Aminosäuren gebildet, alle Lebewesen verwenden zur Herstellung von Proteinen denselben Satz aus 20 Aminosäuren, deren Reihenfolge in Dreierpaaren charakteristisch ist. Diese Sequenz verleiht den Proteinen ihre charakteristische Struktur, ihre Konformation. Viren sind kompakte Einheiten genetischer Information in Form von DNA oder RNA, von Proteinen umhüllt. Sie können sich aber nicht von selbst vermehren, sondern müssen Zellen parasitisch ausnutzen. Eine Zelle vermehrt sich, indem sie zunächst ihre DNA verdoppelt und sich anschliessend teilt, wobei an jede Tochterzelle eine Kopie der DNA weitergibt. Die Vervielfältigung läuft nicht perfekt ab, Mutationen treten auf, die die DNA verändern. Die Mutationsauswirkungen können negativ sein, wobei die Organismen weniger gut überleben und sich vermehren können; positiv sein, wobei sich Organismen besser überleben und sich vermehren können; oder neutral sein. 1.2 Zellen unter dem Mikroskop Das Lichtmikroskop basiert auf sichtbarem Licht, die Auflösungsgrenze ist etwa die halbe Wellenlänge (sichtbares Licht 400 - 800nm, blau ist kürzer also besser zum Mikroskopieren). Die Fluoreszenzmikroskopie erreicht eine bessere Auflösung da sie nicht mit sichtbarem Licht arbeitet. Beim Elektronenmikroskop trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt, die Elektronen werden mit Magnetspuren anstatt Linsen gebündelt. Viele Elektronen verursachen eine helle Stelle und wenige Elektronen eine dunklere Stelle (Elektronendicht = helle Stelle auf Bild). Zellen sind farblos (unterschiedlicher Brechindex macht einige Teile sichtbar), und können nur durch Färbung unter einem Mikroskop gesehen werden. Für die Beobachtung muss das Gewebe fixiert werden (Makromoleküle müssen miteinander vernetzt werden damit Struktur erhalten bleibt), das Wasser entfernt und mit Alkohol ersetzt, es wird in Wachs oder Kunstharz eingebettet und sehr dünn geschnitten. 1.3 Die Prokaryotenzelle Zellkern: Eukaryoten Kein Zellkern: Prokaryoten Bakterien haben keine Organellen, keinen Zellkern. Sie sind also Prokaryoten. Ihre DNA ist ein Ring, nicht langgestreckt. Kurze DNA-Ringe codieren für Resistenzgene, und die DNA wird gleichzeitig transkribiert und translatiert, da die Ribosomen frei zugänglich sind, da kein Kern vorhanden ist. Prokaryoten haben eine Zellwand, die die Plasmamembran umgibt, die das Cytoplasma umgibt, die die DNA enthält. Sie können sich sehr schnell Fortpflanzen. Sie sind manchmal geordneten Verbänden zu finden und sind sehr vielfältig (Photosynthese, können von anorganischen Stoffen leben, …). Die zwei Domänen der Prokaryoten sind die Bakterien (Eubakterien), denen man im täglichen Leben viel begegnet (Boden, Krankheit usw.) und die Archaebakterien (Archaeen), die in lebensfeindlichen Lebensräumen vorkommen (Salzwasser, Eis, Mägen, usw.). 1.4 Die Eukaryotenzelle Eukaryoten sind grösser und komplizierter und sind fast immer Vielzeller. Sie besitzen immer einen Zellkern und damit auch Zellorganellen. Bei Eukaryoten findet die Transkription im Kern statt, ausserhalb des Kerns die Translation, da die Ribosomen ausserhalb sind. Eukaryoten haben eine doppleschichtige Plasmamembran. Sie besteht aus Phospholipiden und Proteinen (sind in jeder Membran anders), und die Funktion der Plasmamembran wird von den Proteinen bestimmt. Die Lipide sind in einer Doppelschicht angeordnet, die aus zwei Domänen besteht, einem hydrophilen Teil, der mit Wasser H-Brücken bildet und einem hydrophoben Kohlenwasserstoffteil, der keine Partialladungen hat und nicht mit Wasser interagiert. Die Zellmembran ist dynamisch, sie kann ein- und ausgestülpt werden. Die Zellmembran kann im ER erneuert werden, die Vesikel transportieren die neuen Lipide zur Membran und fusionieren damit. Alle Organellen haben eine Membran, einige haben zwei. Der Zellkern (Nukleus) wird von zwei Membranen (Kernhülle) umhüllt. Er enthält die DNA-Moleküle (Polymer). Der Zellkern hat Kernporen, aus denen mRNA raus und Proteine für Transportprozesse reinkönnen. Die Mitochondrien sind wurmartig geformt und werden von zwei Membranen umhüllt. Die innere Membran hat sehr viele Falten, was ihre Oberfläche sehr gross macht (Atmungskette). Sie enthalten ihre eigene DNA und vermehren sich durch Zweiteilung. Es hat sich vermutlich aus einem Prokaryoten entwickelt, der eine symbiotische Beziehung mit dem Wirtseukaryoten führte. Mitochondrien erzeugen die chemische Energie für die Zelle. Sie verbrauchen Sauerstoff und setzen Kohlenstoffdioxid frei («Zellatmung»). Sie sind anaerob. Chloroplasten sind nur in Pflanzen und Algen zu finden. Sie haben innerhalb ihrer zwei Membranen stapelweise angeordnete Membranen, die Chlorophyll enthalten. Sie produzieren den Sauerstoff und die Nahrungsmoleküle für die Mitochondrien und enthalten ihre eigene DNA. Das Endoplasmatischen Retikulum (ER) ist ein Labyrinth aus untereinander verbundenen, membranumhüllten Kammern, indem die meisten Zellbestandteile für die Substanzen für den Export aus der Zelle hergestellt werden. Auf dem rauen ER sitzen Ribosomen, die eine spezifische Funktion haben. Sie lesen RNA ab und produzieren Proteine, die direkt in das Innere des ER gehen. Proteine werden modifiziert und zum Golgi gebracht. Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten, membranbegrenzten Säckchen, die zu Stapeln angeordnet sind. Er nimmt die im ER synthetisierten Moleküle auf und reicht sie weiter. Er hat eigene Enzyme für die Modifikation der Proteine. In den Lysosomen findet die interzelluläre Verdauung statt. Nährstoffe werden freigesetzt, unerwünschte Stoffe abgebaut. Protonen werden in die Lysosomen hineingepumpt, wobei das benötigte saure Milieu für die Verdauung von DNA, Fetten, Zucker usw. entsteht. Peroxisomen sind membranumhüllte Vesikel, die für die Entgiftung zuständig ist. Membranen bilden verschiedene Typen von Vesikeln, die am Transport von Stoffen zwischen membranumhüllten Organellen beteiligt sind. Zwischen dem ER, dem Golgi-Apparat, den Lysosomen und der Zellumgebung findet ein ständiger Austausch statt. Er wird durch membranumhüllte Vesikel vermittelt, die sich von der Membran eines Organells abschnüren und mit einer anderen Membran verschmelzen. Endocytose: An der Zelloberfläche werden Teile der Plasmamembran eingestülpt und als Vesikel abgeschnürt, Vesikel verschmelzen mit membranumhüllten Organellen und werden dort weiterverarbeitet. Exocytose: Vesikel verschmelzen aus dem Inneren der Zelle mit der Plasmamembran, ihre Inhaltsstoffe werden in die Umgebung freigesetzt. Alles, was nicht membranumschlossene Organellen sind, schwimmt im gelartigen Cytosol. Es ist der Teil des Cytoplasmas, der nicht durch intrazelluläre Membranen abgeteilt ist und enthält viele Proteine, RNA, usw. Das Cytoplasma besteht aus allen Zellinhaltsstoffen, die ausserhalb des Kerns sind. Das Cytoskelett besteht aus Filamenten, mit einem Ende in der Plasmamembran verankert oder von zentral gelegener Stelle in der Nähe vom Zellkern ausstrahlt. Die Aktinfilamente sind die dünnsten, sie sind strukturgebend (Muskeln) aber beweglich. Die dicksten sind die Mikrotubuli, die während der Zellteilung zum Spindelapparat angeordnet werden und die verdoppelten Chromosomen auseinanderziehen. Mit den Mikrotubuli als Bahnen findet auch der Transport zwischen Organelle statt, mit Proteinen als Motoren. Die Intermediärfilamente sind mitteldick und festigen die Zelle mechanisch. Protozoen sind Eukaryoten, die aktiv bewegliche Mikroorganismen bilden und Jagd auf andere Zellen machen. 1.5 Modellorganismen Modellorganismen müssen einfach und billig zu züchten sein. Sie sollten sich schnell vermehren und viele Nachkommen kreieren. Ihre Genetik sollte schon etabliert sein und ihre Entwicklung sollte gut studierbar sein. Sie sollten eine Allgemeinrelevanz (Anwendbarkeit) für ihre Organismenkategorie bzw. für den Menschen haben und man sollte gute Kenntnisse über die Struktur, das Genom und ihre Physiologie haben. Zu den Modellorganismen gehören E. coli, die Bierhefe, ein Fadenwurm, eine Fliege, ein Fisch, eine Maus, eine kleine Pflanze und der Mensch. Wenn zwei Gene aus unterschiedlichen Organismen ähnliche DNA-Sequenzen besitzen, stammen beide höchstwahrscheinlich von einem gemeinsamen Vorläufergen ab, sie sind homolog. Kapitel 2 2.1 Chemische Bindungen Eine kovalente Einfachbindung zwischen zwei Atomen erlaubt die Rotation eines Moleküls relativ zum anderen um die Bindungsachse. Eine Doppelbindung verhindert diese Rotation und führt zu einer starreren und weniger flexiblen Anordnung der Atome. Hydrophobe Moleküle bilden wenige oder keine H-Brücken und sind unlöslich. Kohlenwasserstoffe sind hydrophob. Wasser ist aufgrund seiner polaren Bindungen ein gutes Lösungsmittel. 2.2 Die Moleküle in Zellen Nahezu alle Moleküle (ausser Wasser) in der Zelle sind Kohlenstoffverbindungen, da diese grosse Moleküle bilden können. Methyl- (-CH3), Hydroxyl- (-OH), Carboxyl-(COOH), Carbonyl (-C=O), Phosophoryl- (-PO32-) und Aminogruppe (-NH2). Anorganisches Phosphat (H3PO4 oder Pi) kann an eine Hydroxylgruppe bei einer Kondensationsreaktion binden. Grundtypen organische Moleküle: Zucker, Fettsäure, Aminosäure, Nukleotide. Zucker (Kohlenhydrate) haben die Formel (CH2O)n. Derselbe Satz an C, O und H kann verschiedene Strukturen haben (Isomer). Monosaccharide können durch kovalente Bindungen zu grösseren Kohlenhydraten gebunden werden. Die Verknüpfung von Zuckern entsteht zwischen ihren OH-Gruppen bei einer Kondensationsreaktion, bei der ein Molekül Wasser abgespaltet wird. Der Umkehrprozess der Kondensation ist die Hydrolyse, bei der die Bindung unter Aufnahme eines Wassermoleküls aufgebrochen wird. Jedes Monosaccharid verfügt über mehrere freie Hydroxylgruppen, weswegen vielzählige Zuckerpolymere entstehen können. Zellen verwenden einfache, nur aus Glucoseeinheiten (Monosaccharid) C6H12O6 bestehenden Polysaccharide wie Glykogen C24H42O21 als Langzeitspeicher für Glucose, der als Vorrat für die Energieproduktion angelegt wird. Grössere Polymere reichen von den Oligosacchariden (3-50 Untereinheiten) zu den Polysacchariden. Zucker dienen auch als mechanisches Hilfsmaterial. Die Zuckerseitenketten werden oft selektiv von anderen Zellen erkannt. Das C, dass die C=O oder die C-H und C=O Gruppe trägt, kann «oben oder unten» sein ( oder ) und sobald ein Zucker miteinander verknüpft werden, ist die  oder  Form fixiert. Dieses C kann auch mit jeder Hydroxylgruppe eines zweiten Zuckers unter Kondensation reagieren. Ein Fettsäuremolekül hat eine lange, hydrophobe Kohlenwasserstoffkette, die chemisch wenig reaktiv ist und eine Carboxylgruppe (-COOH) am Ende (CH3 am anderen), die sich als Carbonsäure verhält (liegt ionisiert vor, ist stark hydrophil und reaktiv). Fast alle Fettsäuremoleküle sind über ihre Carbonsäuregruppe kovalent mit anderen Molekülen verbunden. Da sie einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil enthalten, sind sie amphipatisch. Gesättigte Fettsäuren haben in ihren Kohlenwasserstoffketten keine Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen und besitzen die maximale Anzahl an Wasserstoffatomen. Ungesättigte Fettsäuren haben in ihren Kohlenwasserstoffschwänzen eine oder mehrere Doppelbindungen. Diese erzeugen Knicke in den Molekülen, was ihre Fähigkeit, sich zu einer festen Masse zusammenzulagern, stört. Die Dichte der Packung der Fettsäuren in den Zellmembranen beeinflusst den physikalischen Zustand der Membran. Sind Teil der Lipide, sind also in Wasser nicht, in organischen Lösungsmitteln gut löslich und haben lange Kohlenwasserstoffketten. Fettsäuren dienen als konzentrierte Nahrungsvorräte, da bei ihrem Abbau 6x so viel Energie entsteht wie beim Glucoseabbau (vom Gewicht). Im Cytoplasma werden sie oft als Triaglycerinmoleküle gespeichert, wobei 3 Fettsäuren an 1 Glycerin → Fettsäureketten zu 2 Kohlenstoffeinheiten. Triglyceride bilden im Cytoplasma grosse, kugelige Tröpfchen. Phospholipiden (kleine hydrophile Gruppe, hydrophile Phosphatgruppe, Glycerin (Kopf) mit 2 Fettsäuren (Schwänze)) bilden die Zellmembran (kein Makreomolekül). Phospholipide sind stark amphipathisch, da ihr Kopf hydrophil und ihre Schwänze hydrophob sind. Anstelle der Phosphatgruppe können auch Zucker vorkommen (Glykolipide). Im Wasser richten sich die hydrophilen Köpfe nach aussen und die hydrophoben Schwänze nach innen. Phospholipide bilden im Cytoplasma versiegelnde Lipiddoppelschichten. Aminosäuren bestehen aus einer Carbonsäuregruppe (-COOH), einer Aminogruppe (NH2), einem Wasserstoffatom und einer Seitenkette, die alle an das gleiche C-Atom (-Kohlenstoff) gebunden sind. Die Funktion der Aminosäure wird von der Seitenkette bestimmt. Aus Aminosäuren werden Polypeptide und Proteine gebildet, indem sie Kopf zu Schwanz verbunden (Peptidbindung) werden und sich in ihre Struktur falten. Die kovalente Bindung zwischen zwei Aminosäuren ist die Peptidbindung. Sie entsteht durch eine Kondensationsreaktion und bildet eine starre planare Einheit, keine Rotation um C-N möglich. Ein Polypeptid besitzt immer eine Aminogruppe (-NH3+) an einem Ende (N-Terminus) und eine Carboxylgruppe (-COO-) am anderen (C-Terminus), Polypeptide haben eine strukturelle Polarität (Richtung). Alle natürlichen Proteine bestehen aus denselben 20 Aminosäuren. Ein NukleoSid ist eine Stickstoffhaltige Ringverbindung (Base), die mit einem Zucker mit 5 Cs verbunden ist. Ein Nukleosid mit einer oder mehreren Phosphatgruppen am Zucker ist ein NukleoTid. Nukleotide mit Ribose sind Ribonukleotide, solche mit Desoxyribose sind die Desoxyribonukleotide. Die Basen Cytosin, Thymin und Uracil sind Pyrimidine (Derivate Pyrimidin-Sechsring), Guanin und Adenin sind Purin-Verbindungen (Fünfring am Sechsring kondensiert). Das Nukleotid wird nach der Base benannt, die es trägt. Nukleotide können als kurzfristige chemische Energieträger wirken, wie Adenosintriphosphat (ATP, bei dem Phosphate mit Phosphoanhydridbindung gebunden sind, die leicht hydrolysierbar und energetisch ist). Die drei Phosphate sind hintereinander über zwei Phosphoanhydridbindungen verbunden und die Spaltung einer dieser Bindungen setzt viel Energie frei. Die Endständige Phosphatgruppe wird durch Hydrolyse abgespaltet. Nukleotide sind die Bausteine der Synthese von Nukleinsäuren, die aus langen Polymeren bestehen, in denen die Nukleotiduntereinheiten kovalent durch eine Phosphodiestergruppe zwischen der Phosphatgruppe am Zucker eines Nukleotids und einer Hydroxylgruppe am Zucker des nächsten Nukleotids verbunden ist. Die Bildung dieser Bindung entsteht unter Kondensation, bei der anorganisches Pyrophosphat (P2O7) bzw. 2 Phosphate (unter Hydrolyse) freigesetzt werden. Das 5’ Ende der Kette ist das CH2 an Position 5’, das 3’ Ende ist das freie OH an Position 3’. Ribonukleinsäuren (RNA) enthalten die Basen A, G, C, U. Desoxyribonukleionsäuren (Desoxyribose = Ribose, bei der am 2’ die Hydroxylgruppe durch H ersetzt wird) enthalten die Basen A, C, G, T. RNA (kurzfristiger Überträger von molekularen Anweisungen) kommt in der Zelle als Polynukleotidkette vor, DNA (Langzeit-Aufbewahrungsmittel für die Erbinformation) aus zwei antiparallelen Polynukleotidketten, der durch H-Brücken zwischen den Basen zusammengehalten werden. Die Fähigkeit der Basen aus unterschiedlichen Nukleinsäuremolekülen, sich gegenseitig zu erkennen und über H-Brücken zu verbinden heisst Basenpaarung. 2.3 Makromoleküle in Zellen Makromoleküle sind Polymere, die durch die kovalente Bildung von Monomeren (kleine organische Moleküle) zu Polymeren. Jedes Polymer wächst durch die Addition eines Monomers an das Ende der wachsenden Polymerkette, wobei pro angehängten Baustein ein Molekül Wasser abgespalten wird (Kondensation). Jede dieser Reaktionen wird durch spezifische Enzyme katalysiert, die sicherstellen, dass die richtigen Monomere eingebaut werden. Da die Untereinheiten durch die gleiche, sich wiederholende Reaktion mit demselben Satz an Enzymen angehängt werden, ist die schrittweise Polymerisation ein einfacher Weg, um grosse, komplexe Moleküle zu erzeugen. Die Untereinheiten (die sich alle leicht voneinander unterscheiden) werden in einer bestimmten Sequenz angehängt. Da die Sequenz variieren kann gibt es eine riesige Vielfalt an Polymeren. Die meisten kovalenten Einfachbindungen in einem Makromolekül erlauben Rotation der verbindenden Atome, die Polymerkette ist flexibel und könnte viele unterschiedliche Strukturen annehmen. Die Struktur von Makromolekülen entsteht aufgrund nichtkovalenter Bindungen, die sich zwischen den Molekülen ausbilden. Die Polymerkette nimmt eine bestimmte Konformation ein, die die Wechselwirkungen mit anderen Molekülen bestimmt. Diese Kräfte sind die Dipol-Dipol-Kräfte, die H- Brücken (am stärksten wenn auf einer geraden Linie), die Van der Waals-WW (fluktuierende elektrische Ladungen die zu elektrischer Anziehung führen) und die hydrophoben WW. Unpolare Atome zwingen die benachbarten Wassermoleküle dazu, sich zu einer käfigartigen Struktur, die höher geordnet ist als das umgebende Wasser, um die hydrophoben Moleküle anzuordnen. Die Energie, die die Käfigstruktur für die Bildung benötigt, wird durch die Zusammenlagerung hydrophober Moleküle verringert (hydrophobische WW). Diese WW führen zu einer hohen Spezifität bei der Bindung zu anderen Molekülen, da die Zahl an nötigen Kontakten für eine starke Bindung nur von bestimmten Gegenstücken vorausgesetzt sein kann. Diese WW erlauben es auch, dass Proteine als Enzyme wirken können und dass zwei verschiedene Makromoleküle sich zusammenlagern, wenn ihre Oberflächen zueinander passen (e.g. Proteine zu Proteinkomplexe). Kapitel 3 Die meisten chemischen Reaktionen, die in der Zelle stattfinden, würden normalerweise nur bei viel höheren Temperaturen ablaufen als die Temperatur in der Zelle. Jede Reaktion benötigt also eine Erhöhung ihrer chemischen Reaktivität (eine Senkung ihrer Aktivierungsenergie) damit sie in der Zelle ablaufen kann. Diese Erhöhung wird durch Proteine, die Enzyme, bewirkt. Jedes Enzym katalysiert nur eine spezifische Reaktion und ist auf diese hochspezialisiert. Enzym sind in der Regel zu einem Stoffwechselweg hintereinandergeschaltet, damit das Produkt einer Reaktion das Edukt der nächsten sein kann. Stoffwechselwege sind lange, lineare Reaktionspfade, die miteinander verknüpft sind. Die Katalyse ermöglicht es, den Metabolismus (die Summe aller chemischen Prozesse, die eine Zelle fürs Überleben, Wachsen und Vermehren braucht) der Zelle zu kontrollieren. Der Metabolismus besteht aus zwei entgegengesetzten Strömen chemischer Reaktionen. Entgegengesetzt den katabolen Stoffwechselwegen, finden in der Zelle auch die anabolen Stoffwechselwege statt. Beim Katabolismus werden Makromoleküle zu kleineren Molekülen abgebaut, wobei nutzbare Energie und Bausteine für die Zelle entstehen. Beim Anabolismus (oder Biosynthese) wird die nutzbare Energie (von Katabolismus) gebraucht, um die Moleküle zu synthetisieren, die eine Zelle benötigt. 3.1 Nutzung der Energie durch die Zellen Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gilt, dass Systeme spontan einem Zustand maximaler Entropie zustreben. Systeme begeben sich spontan in den Zustand, der die höchste Wahrscheinlichkeit (grösste Zahl möglicher Anordnungen) aufweist. Lebende Organismen erzeugen Ordnung (tiefere Entropie), indem sie in Form von chemischer Bindungsenergie Energie speichern. Dies widerspricht dem Entropiemaximumssatz nicht, weil sie dabei Energie aus der Umwelt aufnimmt und bei der Wiederverwendung dieser Energie Wärme abgibt. Diese Wärmemenge muss gross genug sein, dass sie die Ordnung, die innerhalb der Zelle geschaffen hat, kompensiert wird. Der erste Satz der Thermodynamik sagt aus, dass Energie von einer Form in die andere überführt werden kann, aber weder erschaffen noch vernichtet werden kann. Die Gesamtenergie im Universum ist immer gleich. Pflanzen können aus anorganischem Material alle für sie nötigen Atome sammeln und mit der Energie der Sonne in organische Moleküle und Makromoleküle umwandeln, die anderen Lebewesen zur Nahrung dienen. Die Reaktionen finden in zwei Stufen statt. Eine lichtabhängige, bei der Energie vom Sonnenlicht als Bindungsenergie gespeichert wird, und eine Kohlenstofffixierende, in der aus CO2 und H2O Zucker als Energiespeicher oder Baustein aufgebaut wird. Die Photosynthese und die Zellatmung sind komplementäre Prozesse. Die Nutzung des Kohlenstoffs zum Beispiel bildet einen riesigen Kreislauf, der die gesamte Biosphäre umfasst. Tiere und Pflanzen extrahieren die Energie in chemischen Bindungen aus Nahrungsmolekülen durch stufenweise Oxidation (kontrollierte Verbrennung) von Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen (Bilden Kohlenstoffdioxid und Wasser, = Zellatmung). Eine Zelle oxidiert organische Moleküle nicht in einem Schritt. Durch die Verwendung von Enzymen als Katalysatoren durchlaufen Moleküle im Stoffwechsel viele Reaktionen, bei denen nur selten eine Addition von Sauerstoff stattfindet. Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben. Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen. Oxidation und Reduktion finden immer gleichzeitig statt. Der Begriff der Oxidation wird auch bei nichtkovalenter Elektronenverschiebung verwendet, z.B. ist bei Partialladungen die positive Partialladung oxidiert. Wenn ein Elektron aufgenommen wird, wird oft auch ein Proton (im Wasser frei zugänglich) aufgenommen und ein H-Atom wird an das Molekül angelagert. Eine Hydrogenierungs-Reaktion ist eine Reduktion, eine Dehydrogenierungs-Reaktion eine Oxidation. Eine Reduktion findet statt, wenn die Zahl der C-H Bindungen zunimmt, eine Oxidation findet statt, wenn die Zahl der C-H Bindungen abnimmt. 3.2 Freie Enthalpie und Katalyse Die freie Enthalpie ist die Energie, die die zum Verrichten von Arbeit oder zum Betreiben von chemischen Reaktionen nutzbar gemacht werden kann, Chemische Reaktionen laufen nur in die Richtung ab, bei der Freie Enthalpie freigesetzt wird. Die spontane Richtung jeder Reaktion ist die Richtung, die bergab geht (=energetisch günstig ist). Ein Molekül braucht einen Stoss über eine Energiebarre (Aktivierungsenergie), bevor es eine energetisch günstige chemische Reaktion eingehen kann. Moleküle in wässrigen Lösungen erhalten die Aktivierungsenergie durch eine ungewöhnliche energetische Zufallskollision mit Molekülen in der Umgebung. Diese Kollisionen nehmen mit steigender Temperatur immer heftiger zu. Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Aktivierungsenergie einer Reaktion erniedrigen kann, indem es Substrate bindet und sie in eine Position bringt, die die Aktivierungsenergie verringert. Sie stellen komplexe molekulare Oberflächen zur Verfügung, denen einzelne Höcker und Gruben ihre Konturen geben und so bestimmte Moleküle halten oder ausschliessen können. Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie es ermöglichen, dass ein viel grösserer Teil der Zufallskollisionen mit umgebenden Molekülen die Substrate über die Energiebarriere hebt, sie verringern die Reaktionsgeschwindigkeit. Enzyme gehören zu den effektivsten Katalysatoren. Enzyme ermöglichen Reaktionen, die sonst nur bei hohen Temperaturen möglich wären, die in der Zelle nicht herrschen. Jedoch sind Enzyme hochselektiv, sie beschleunigen nur eine bestimmte Reaktion. So leiten Enzyme jedes Substrat entlang spezifischer Reaktionswege, womit Moleküle entstehen, die die Zelle tatsächlich benötigt. Enzyme haben ein einzigartiges aktives Zentrum, in das nur ganz bestimmte Substrate passen. Sie bleiben nach der Reaktion unverändert und können immer wieder Funktionen ausüben. Das Mass für die Zunahme der Unordnung wird durch die Freie Enthalpie G ausgedrückt. Die Änderung der Freien Enthalpie ΔG erfasst die Menge an Unordnung, die im Universum entsteht, wenn unter Einbeziehung der Moleküle in einem System eine Reaktion abläuft. Energetisch günstige Reaktionen sind solche, die Unordnung erzeugen, indem sie die freie Enthalpie ihres Systems erniedrigen und ΔG < 0. Eine Reaktion kann nur dann spontan ablaufen, wenn ΔG < 0. Eine energetisch ungünstige Reaktion kann nur dann ablaufen, wenn sie an eine energetisch günstige Reaktion, deren negatives ΔG gross genug ist, dass das Netto ΔG des gesamten Prozesses negativ bleibt, gekoppelt wird. Für eine chemische Reaktion hängt ΔG nicht nur von der in jedem Molekül gespeicherte Energie ab, sondern auch von den Konzentrationen der Moleküle in der Mischung. Wenn die Rückreaktion einer chemischen Reaktion bevorzugt wird aber eine hohe Konzentration des Edukts vorliegt, werden trotzdem mehr Moleküle die Hinreaktion durchlaufen. Also wird das ΔG der Hinreaktion negativer sein als das ΔG der Rückreaktion. Um Vorauszusagen, ob ΔG einer energetisch günstigen Reaktion negativ genug ist, um eine energetisch ungünstige Reaktion voranzutreiben, wird die Änderung der Freien Standardenthalpie einer Reaktion ausgerechnet, ΔG0. Für die Reaktion X → Y gilt [𝑋] ΔG = ΔG0 + 𝑅𝑇 ∗ ln [𝑌] Zu Beginn (oder bei gleichen Konzentrationen) einer Reaktion sind die Konzentrationen 1 mol/l, also ΔG = ΔG0. Im Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten der Hin- und der Rückreaktion gleich und ΔG = 0. Im Gleichgewicht wird also keine Arbeit mehr verrichtet. Reaktionen in einer Zelle werden im Ungleichgewicht gehalten, indem die Produkte einer Reaktion entfernt werden, um in einer nachfolgenden Reaktion als Substrate zu dienen. Sind die Hin- und Rückreaktion im Gleichgewicht, ist das Verhältnis von Substrat zu Produkt konstant und die Gleichgewichtskonstante ist [𝑋] 𝐾= [𝑌] Dies ist der Punkt, an dem der Anstoss auf die Reaktion durch ΔG0 durch den Konzentrationseffekt ausgeglichen wird und die freie Enthalpie keine Veränderung mehr erfährt. Im Gleichgewicht hängt das Verhältnis von X zu Y von den inneren Eigenschaften der Moleküle ab, was ΔG0 ist. Je günstiger die Reaktion aus energetischer Sicht ist, desto mehr Produkt häuft sich bei der Näherung an das Gleichgewicht an. Zwei Moleküle binden aneinander, wenn ΔG0 der Wechselwirkung negativ ist, die freie Enthalpie des Komplexes also geringer ist als die Summe der freien Enthalpien beider ungebundenen Partner. K ist ein Mass für die Bindungsstärke nichtkovalenter WW. K ist grösser, wenn der Unterschied zwischen dem assoziierten und dem dissoziierten Zustand grösser ist und wenn die Bindungsenergie zwischen den beiden Molekülen stärker wird. Um energetisch ungünstige Reaktionen zu katalysieren, werden sie mit energetisch günstigen gekoppelt. Die Gesamtänderung der freien Enthalpie für die gekoppelte Reaktion ist die Summe der Änderungen der freien Enthalpie der einzelnen Schritte. Ist die Gesamtänderung < 0, kann die gekoppelte Reaktion stattfinden. Ein Enzym Katalysiert jeweils eine Hin- und die jeweilige Rückreaktion, wobei es aber keinen Einfluss auf den Gleichgewichtspunkt oder ΔG0 hat. Enzyme und ihre Substrate sind in der Zelle in tiefen Konzentrationen vorhanden. Dennoch können sie miteinander reagieren, da eine hohe Zahl an Kollisionen pro Sekunde stattfindet. Grosse Enzyme erleben weniger Bewegung als ihre kleinen Substrate. Sobald Enzym und Substrat zusammengetroffen sind und sich passend im aktiven Zentrum aneinanderschmiegen, bilden sie viele schwache Bindungen miteinander, die bestehen bleiben bis die thermische Bewegung eine Dissoziation der Moleküle verursacht. Je stärker diese Bindungen desto kleiner die Dissoziationsgeschwindigkeit. Werden bei einer Kollision nur wenige schwache Bindungen gebildet und ihre Gesamtenergie ist im Vergleich zur Energie der thermischen Bewegung zu vernachlässigen, dissoziieren die beiden Moleküle. Um eine Reaktion zu katalysieren, bindet ein Enzym ein Substrat, welches ein Produkt bildet, das zuerst noch am Enzym gebunden bleibt. Dann wird das Produkt gelöst und es diffundiert weg, nachdem das Enzym eine weitere Reaktion katalysieren kann. Die Geschwindigkeit dieser Reaktionsschritte ist die Wechselzahl. Die Michaelis-Konstante, KM ist die Substanzkonzentration, bei der ein Enzym mit seiner halbmaximalen Geschwindigkeit arbeitet 3.3 Aktive Trägermoleküle und Biosynthese Aktive Trägermoleküle speichern Energie in einer leicht austauschbaren Form, entweder als leicht übertragbare chemische Gruppe oder hochenergetische Elektronen. Nutzbare Energie, die bei einer energetisch günstigen Reaktion freigesetzt wird, wird durch eine gekoppelte Reaktion mithilfe von Enzymen eingefangen. Dabei treibt die energetisch günstige Reaktion, wie die Oxidation von Nahrungsmitteln, die energetisch ungünstige, die Herstellung eines aktiven Trägermoleküls, an. Dabei ist die Wärmemenge, die bei der Oxidation freigesetzt wird, um genau die Energiemenge reduziert, die in den energiereichen kovalenten Bindungen des aktivierten Trägermoleküls gespeichert wird und es nimmt ein Energiepaket auf, dass an einer anderen Stelle der Zelle chemische Reaktionen antreiben kann. ATP ist Adenosin-5’-triphosphat. Die Phosphoanhydridbindung P-O ist energiereich (ungünstig) und kann durch Anlagerung von Wasser (Hydrolyse) exotherm aufgelöst werden. An ADP, Adenosin-5’- diphosphat wird in einer energetisch ungünstigen Phsophorylierungsreaktion, eine Phosphatgruppe angehängt (Kondensationsreaktion), ATP wird synthetisiert. ATP gibt das Energiepaket (Phosphatgruppe) in einer energetisch günstigen Hydrolyse unter Entstehung von ADP und P i wieder ab. Das ADP ist regeneriert und steht für eine weitere Phyosphorylierungsreaktion zur Verfügung. Die ATP-Hydrolyse ist also ATP + H2O → ADP + Pi + H+. Sie ist mit vielen energetisch ungünstigen Reaktionen gekoppelt, das endständige Pi kann an Moleküle übertragen werden (Phosphorylierungsreaktion). Mithilfe von ATP können energetisch ungünstige Kondensationsreaktionen stattfinden wie A-H + B- OH → A-B + H2O. Dies wird erreicht, indem die Energie der ATP-Hydrolyse das B-OH in ein energiereiches (ungünstiges) Zwischenprodukt umwandelt, dass direkt mit A-H unter Bildung von A-B reagiert. Auf das B-OH wird (mit der Energie aus der ATP-Hydrolyse) eine Phosphatgruppe übertragen und das H verdrängt, also B-O-PO3. Dieses Molekül ist energiereich. Die Phosphatgruppe wird abgespaltet und nimmt das O vom B mit, das B bindet mit A (energieärmer als Zwischenschritt). Diese energetisch ungünstige Reaktion wurde also direkt an die ATP-Hydrolyse gekoppelt und somit mit einer energiereichen Zwischenstufe erzwungen. Die Hydrolyse von ATP kann energetisch ungünstige Reaktionen antreiben, da die Übertragung der Phosphatgruppe mehr freie Enthalpie (-30,5 kJ/mol) als die ungünstigen, gewünschten Reaktionen hervorbringen. Überträger von energiereichen Elektronen und Wasserstoffatomen sind NAD+ und NADP+. Sie nehmen jeweils ein Energiepaket von 2 energiereichen Elektronen und ein Wasserstoffkern auf und werden zu NADH und NADPH. Sie tragen also Hydridionen (H-). Im Verlauf einiger besonderen energieerzeugender, kataboler Reaktionen werden ein Proton und zwei Elektronen vom Substrat entfernt und auf den Nicotinamidring des NADP+ übertragen (energiereich), NADPH entsteht. Dieses Hydridion wird bereitwillig abgegeben, da der Ring ohne das Hydridion eine stabilere Elektronenanordnung erreichen kann. Bei der Regeneration von NADP+ wird das NADPH oxidiert (H weg) und das Substrat reduziert (H dazu). Das P an NADPH hat keinen Einfluss auf die Elektronenübertragung, sie gibt den beiden Hydridträgern eine leicht abweichende Form voneinander, wodurch sie als Substrate an verschiedenen Gruppen von Enzymen binden. NADPH liefert an Enzyme für anabole Reaktionen, in denen energiereiche Biomoleküle hergestellt werden. NADH arbeitet mit Enzymen für katabole Reaktionen, indem es bei der Oxidation von Nahrungsmitteln ein Zwischenprodukt bei der ATP-Produktion mitwirkt. Die beiden können also unabhängig voneinander reguliert werden, in der Zelle gibt es viel NAD+ und wenig NADP+. Coenzym A kann eine Acetylgruppe einer leicht übertragbaren Bindung transportieren. Aktiviert ist es Acetyl-CoA. Die übertragbare Gruppe macht nur einen kleinen Teil des Trägermoleküls aus. Der Rest besteht aus einem grossen organischen Teil, der die Erkennung des Moleküls durch spezifische Enzyme erleichtert. Dieser Teil enthält oft ein Nukleotid, da wahrscheinlich in frühen Lebensformen RNA als Katalysator wirkte. Aktivierte Trägermoleküle werden in Reaktionen erzeugt, die an die ATP-Hydrolyse gekoppelt sind. Makromoleküle werden in enzymkatalysierten Kondensationsreaktionen hergestellt, deren Abbau in enzymkatalysierten Hydrolysen (energetisch günstig). In den Reaktionswegen, die zu diesen Makromolekülen führen, erzeugt eine Reihe energiereicher Zwischenprodukte die endgültige energiereiche Bindung, die im Kondensationsschritt gebrochen wird und die gewünschte Bindung erzeugt. Kapitel 4 4.1 Gestalt und Struktur von Proteinen Ein Proteinmolekül (Polypeptidkette) besteht aus einer langen Kette von Aminosäuren, von denen jede mit ihrem Nachbarn über eine kovalente Peptidbindung verknüpft ist. Jedes Protein hat eine einzigartige Aminosäurensequenz, die in jedem solcher Proteine gleich ist. Jede Polypeptidkette besteht aus dem Polypeptidgrundgerüst, das aus einer sich wiederholenden Folge der Aminosäuren aufgebaut ist, das die Aminosäure-Seitenketten trägt, die Teile der Aminosäuren, die nicht an der Ausbildung der Peptidbildung beteiligt sind. Die Seitenketten können negativ oder positiv geladen, unpolar oder polar sein und verleihen einem Protein seine dreidimensionale Struktur. Diese Struktur wird durch eine Vielzahl nicht-kovalenter Bindungen zwischen Atomen im Polypeptidgerüst und den Aminosäureketten begründet. Unpolare Seitenketten (hydrophob) neigen dazu, sich im Inneren des gefalteten Proteins zusammenzudrängen und vermeiden so den Kontakt mit dem wässrigen Cytosol. Die polaren Seitenketten lagern sich auf der Oberfläche des gefalteten Proteins an, wo sie H-Brücken mit polaren Molekülen bilden können. Sind die polaren Aminosäuren im Inneren des Proteins, bilden sie meist H- Brücken mit anderen polaren Aminosäuren oder dem Polypeptidgerüst. H-Brücken zwischen zwei Atomen im Polypeptidgerüst sind wichtige Strukturelemente für die Sekundärstruktur. Die Konformation eines Proteins wird durch die Aminosäurenabfolge bestimmt. Ein Protein faltet sich in eine Form, in der die Freie Enthalpie ein Minimum aufweist. Nach der Entfaltung eines Proteins (Denaturierung) renaturiert das Protein in seine ursprüngliche Struktur. Die ganze Information über die Festlegung der dreidimensionalen Gestalt ist in der Aminosäuresequenz enthalten. In der Zelle wird die Proteinfaltung von molekularen Chaperonen unterstützt, die partiell gefaltete Polypeptide binden und sie auf dem energetisch günstigsten Faltungsweg halten. Wenn sich Proteine falsch falten, entstehen Aggregate. Manchmal können aggregierte Proteine infektiös sein. Bei Kontakt mit richtig gefalteten Proteinen nehmen diese die aggregierte Struktur an. Die -Helix (Peptidgerüst dreht im Kreis) und das -Faltblatt (steif, parallel) sind die zwei häufigsten Faltungsmuster in Teilbereichen eines Proteins. Sie resultieren aus H-Brücken zwischen den N-H und C=O Gruppen im Polypeptidgerüst und können von vielen Verschiedenen Aminosäuresequenzen erzeugt werden (da nicht zwischen Aminosäurenseitenketten gebildet sondern Grundstruktur). Die -Helix ist entweder links- oder rechtsgängig (rechts häufiger). Die Gängigkeit wird von oben nach unten bestimmt (e.g. im Auto muss nach rechts oder links gesteuert werden beim runterfahren). Sie entsteht, wenn sich eine Polypeptidkette um die eigene Achse dreht und einen strukturellen Zylinder bildet. Zwischen jeder vierten Peptidbindung wird eine H-Brücke gebildet. Das hydrophile Peptidgerüst bildet mit sich selbst H-Brücken aus und die unpolaren Seitenketten stehen ab, weshalb diese Struktur nützlich für Membranproteine ist. Wickeln sich zwei -Helizes umeinander, bei denen alle unpolaren Seitenketten auf einer Seite sind, bilden sie eine Superhelix, bei der die unpolaren Seitenketten alle nach innen zeigen. -Faltblätter entstehen, wenn sich zwischen zwei nebeneinanderliegenden Polypeptidbereichen H- Brücken ausbilden. Antiparallele -Faltblätter bestehen aus einer Polypeptidkette, die sich auf sich selbst zurückfaltet, wobei jeder Teil der Kette in entgegengesetzter Richtung zu seinem Nachbar verläuft. Parallele -Faltblätter bestehen aus benachbarten Polypeptidketten, die in gleicher Richtung verlaufen. Die Primärstruktur eines Proteins ist die Aminosäuresequenz. Die Sekundärstruktur sind die Faltungsmuster von Teilbereichen der Polypeptidkette. Die Tertiärstruktur ist die vollständige Konformation, die von der ganzen Polypeptidkette gebildet wird. Wenn sich Proteine mit anderen Proteinen einen Komplex bilden, heisst die Gesamtstruktur Quartärstruktur. Eine Proteindomäne ist der Bereich einer Polypeptidkette, der sich unabhängig in eine kompakte, stabile Struktur faltet und ist oft mit einer bestimmten Funktion verbunden. Proteine haben ihre Aminosäurefrequenz aus den tausend möglichen so entwickelt, dass sie die stabilste Konformation sicherstellt und die notwendigen chemischen Eigenschaften besitzt. Viele Proteine können in Proteinfamilien eingeteilt werden, in denen die Aminosäurefrequenzen und die Konformationen ähnlich sind, sie sich aber in ihrer Funktion trotzdem unterscheiden. Über die Bindungsstelle kann ein Protein nicht-kovalent mit einem anderen Molekül binden. Bindet diese ein Protein, kann die Bindung eine grössere Proteineinheit mit einer festgelegten Geometrie bilden, bei der die einzelnen Polypeptidketten Untereinheiten sind. Wenn zwei Proteine Kopf an Kopf binden, entsteht ein symmetrischer Komplex. Viele Proteine sind entweder an der Aussenseite der Plasmamembran angeheftet oder sie werden als Teil der extrazellulären Matrix sezerniert. Diese Proteine sind den extrazellulären Bedingungen ausgesetzt und werden deshalb durch kovalente Quervernetzungen stabilisiert. Die häufigste Quervernetzung ist die Disulfidbindung. Sie entsteht im ER, wo ein Enzym aus zwei S-H Bindungen eine S-S Bindung macht. Disulfidbindungen ändern die Konformation eines Proteins nicht, sie verfestigt die bevorzugte Konformation. Sie werden nicht im Cytosol gebildet, weil sie dort wegen den vielen reduzierten Substanzen wieder aufgelöst werden würden. 4.2 Wie Proteine arbeiten Alle Proteine binden an andere Moleküle. Je kleiner der KM Wert, desto stärker bindet ein Enzym sein Substrat. Jedes Proteinmolekül kann nur an eines oder mehrere spezifische Liganden binden. Eine solche Bindung ist nur möglich, wenn die Oberflächen der beiden perfekt zusammenpassen und eine genügend hohe Anzahl nicht-kovalenter Bindungen bilden können. Die Assoziation kann beim falschen Liganden ganz kurz, aber wenn nötig mit dem richtigen Liganden sehr lange dauern. Die Region des Proteins, die mit dem Liganden wechselwirkt ist die Bindungsstelle. Aber die Bereiche, die keinen Kontakt mit dem Liganden haben, sind sehr wichtig, weil sie die dreidimensionale Konformation des Proteins mitbestimmen. Jeder Antikörper bindet sehr fest an die Oberfläche eines fremden Moleküls. Dieses wird inaktiviert oder für die Zerstörung markiert. Ein Antikörper erkennt sein Ziel mit hoher Spezifität. Er hat zwei identische Bindungsstellen, die jeweils komplementär zu einem kleinen Bereich auf der Oberfläche des Antigenmoleküls. Die Bindungsstelle besteht aus mehreren Schlaufen Polypeptidkette, die aus den Enden von zwei benachbarten Proteindomänen herausragen. Die Aminosäurensequenz an den Bindungsstellen kann geändert werden, ohne die Grundstruktur des Antikörpers zu verändern. Die riesige Mannigfaltigkeit von Antikörpern entsteht also durch die Veränderung der Länge und der Aminosäurensequenz dieser Schleifen. Jede Enzymart ist hochspezifisch und katalysiert einen einzigen Reaktionstyp. Ein Enzym soll eine Hydrolyse katalysieren. Diese ist zwar energetisch günstig, jedoch benötigt sie Aktivierungsenergie. Das Substrat passt perfekt in das aktive Zentrum seines Enzyms. Dort wird es an das Enzym mit nicht- kovalenten Bindungen geknüpft und ein Enzym-Substrat-Komplex wird gebildet. Nun wird das Substrat durch nicht-kovalente Bindungen in eine Form gezwungen, in der die entscheidenden chemischen Bindungen, die modifiziert werden sollen, so verändert werden, dass sie dem energiereicheren Übergangszustand sehr nahekommen. Nun wird der energiereiche Übergangszustand erreicht durch eine chemische Reaktion (nicht katalysiert) und die Hydrolyse erniedrigt die Energie wieder, die Reaktion ist abgeschlossen. Das aktive Zentrum eines Enzyms enthält genau positionierte Atome, die eine Reaktion beschleunigen, indem geladene Gruppen die Elektronenverteilung in den Substraten verändern. Viele Enzyme nehmen eng an der Reaktion Teil und bilden kovalente Bindungen mit dem Substrat, die in nachfolgenden Schritten wieder gelöst werden und das Enzym in seinen Originalzustand bringt. Bei mehreren Substraten wirkt das Enzym als Schablone und bringt die Reaktionspartner in die günstige Orientierung. Enzyme machen oft gebrauch von nicht-Proteinmolekülen, sie haben oft ein kleines Molekül oder Metallatom fest in ihrem aktiven Zentrum assoziiert, das bei der katalytischen Funktion eine unterstützende Rolle spielt. 4.3 Wie Proteine kontrolliert werden Damit die Reserven einer Zelle nicht durch die Anhäufung von überflüssigen Molekülen erschöpft werden, reguliert die Zelle diese. Sie tut dies, indem sie die Genexpression und somit die Anzahl synthetisierter Enzyme reguliert, Enzyme auf bestimmte subzelluläre Kompartimente beschränkt, oder eine Veränderung am Enzym vornimmt. Meist wird die Enzymaktivität durch ein nicht-Substratmolekül, das an eine regulatorische Stelle (nicht aktives Zentrum) bindet und damit die Geschwindigkeit, mit der das Enzym Substrate in Produkte umwandelt, verändert, reguliert. Bei der Feedback-Hemmung wird ein Enzym, das am Anfang eines Reaktionsweges steht durch ein späteres Produkt aus demselben Reaktionsweg gehemmt. Dies ist eine negative Regulation, sie vermindert die Aktivität des Enzyms. Sie kann ohne Verzögerung arbeiten und kann schnell rückgängig gemacht werden. Bei einer positiven Regulation wird die Enzymaktivität durch ein regulatorisches Molekül stimuliert, z.B. wenn das Produkt in einem Zweig eines Stoffwechsellabyrinths die Aktivität eines Enzyms in einem anderen Reaktionsweg stimuliert. Viele Enzyme haben mindestens zwei Bindungsstellen, das aktive Zentrum, das die Substrate erkennt, und eine zweite Stelle, die ein regulatorisches Molekül erkennt. Diese beiden Stellen kommunizieren über eine Konformationsänderung, da viele Enzyme haben zwei Konformationen, die sich in ihrer Aktivität unterscheiden, sie sind allosterisch. Dies stimmt auch für andere Proteine, jede Proteinkonformation hat etwas andere Oberflächenkonturen, jeder Ligand stabilisiert die Konformation, die ihn am stärksten bindet. Bei ausreichend hohen Konzentrationen kann der Ligand die Gesamtheit der Proteine in die von ihm bevorzuget Konformation umschalten. Enzyme können auch durch die Phosphorylierung, die enzymatische Anheftung einer endständigen Phosphatgruppe von ATP an die Hydroxylgruppe einer seiner Aminosäure-Seitenketten reguliert werden. Da die Phosphatgruppe zweifach negativ geladen ist, kann dies zu straken Konformationsänderungen führen. Dessen Entfernung wird wiederum von einem Enzym katalysiert. Diese Reaktion wird durch die Proteinkinase katalysiert, die Dephosphorylierung durch die Proteinphosphatase. Sie kann die Aktivität hemmen oder stimulieren und kann in einem kontinuierlichen Zyklus stattfinden (bestimmte Seitenkette). Dies ermöglicht es Proteinen, schnell zwischen den Zuständen zu schalten und benötigt ein Molekül ATP. GTP-bindende Proteine binden das ganze Molekül, nicht nur die Phosphatgruppe und haben in ihrer aktiven Konformation immer GTP gebunden. Das Protein hydrolysiert das GTP selbst zu GDP unter Freisetzung einer Phosphatgruppe und ändert in ihre inaktive Konformation. Zur Aktivierung muss nun das GDP gelöst und ein neues GTP gebunden werden. Diese Konformationsänderung durch GTP wird von Motorproteinen ausgenutzt, indem es eine Reihe von Konformationsänderungen durchgeht. Einer dieser Schritte muss irreversibel sein (meist Hydrolyse GTP, das am Protein gebunden ist), damit sich das Protein in eine Richtung bewegt. In grossen Proteinkomplexen bewirkt eine Hydrolyse eines Nukleosidtriphosphats eine geordnete Abfolge von Konformationsänderungen in einigen Untereinheiten und ermöglicht so eine koordinierte Bewegung in der Proteinmaschine. Die Bildung eines solchen Proteinkomplexes wird, wenn nötig, durch eine kovalente Addition einer modifizierten Gruppe an eine oder mehrere spezifische Aminosäure- Seitenketten der beteiligten Proteine ausgelöst. Ein Signal kann die Phosphorylierung bestimmter Proteine bewirken, was den Zusammenbau und die Aktivierung einer Proteinmaschine auslöst. Die Gruppe kovalenter Modifikationen, die ein Protein zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, bildet den Regulatorproteincode. Die Bindung oder Entfernung dieser modifizierten Gruppen kontrolliert das Verhalten des Proteins. Kapitel 5 Gene sind Anweisungen, die zur Entstehung und Erhaltung eines lebenden Organismus nötig sind. Das Genom ist die Gesamtheit der in den Genen gespeicherten Information. 5.1 Struktur und Funktion von DNA Die DNA ist Träger der Erbinformation, die Proteinanteile der Chromosomen sind an der Verpackung und Funktionskontrolle der DNA-Moleküle beteiligt. Ein Molekül Desoxyribonukleinsäure (DNA) besteht aus zwei langen Polynukleotidketten. Jeder der zwei Stränge setzt sich aus vier unterschiedlichen Nukleotiduntereinheiten zusammen. Sie werden durch H-Brücken zwischen den Basen der Nukleotide zusammengehalten. Ein Nukleotid besteht aus einem Zucker, und Phosphatgruppen. Der Zucker ist bei der DNA die Desoxyribose (hat am 2’ keine OH- Gruppe, nur H), bei der RNA die Ribose (hat am 2’ eine OH-Gruppe), und er verbindet eine Stickstoffhaltige Base am 1’ und die Phosphatgruppen (bei DNA eine Phosphatgruppe) am 5’. Die Basen sind Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Die Nukleotide verbinden sich über das O am 3’, woran, durch eine Phosphodiesterbindung, die Phosphatgruppe des nächstens Nukleotids gebunden ist, wobei ein abwechselndes Rückgrat entsteht (Zucker-Phosphat-Zucker-…), bei dem die Basen in eine Richtung abstehen. Der DNA-Strang ist «polar», hat also eine Richtung, da die Nukleotide die gleiche Orientierung haben. Das 3’ Ende hat eine freie OH-Gruppe (Hydroxyl-Gruppe), das 5’ Ende hat ein Phosphat. Die beiden Stränge sind antiparallel und werden über H-Brücken zwischen den Basen verbunden. Durch die komplementäre Basenpaarung (A mit T und G mit C) wird die energetisch günstigste Anordnung im inneren der Doppelhelix eingenommen. Purine (A und G) sind kürzer als Pyrimidine (T und C), die Basenpaare haben aber in Verbindung dieselbe räumliche Ausdehnung. Die Basenpaarung ermöglicht es, dass jeder Strang der Doppelhelix eine Nukleotidsequenz hat, die zum Partnerstrang komplementär ist, zu haben. Die lineare Nukleotidsequenz in einem Gen codiert für die lineare Aminosäuresequenz, aus der sich die Struktur und Zusammensetzung eines Proteins ergibt. 5.2 Die Struktur eukaryotischer Chromosomen In eukaryotischen Zellen ist die DNA in Chromosomen verpackt, die bei der Zellteilung auf die Tochterzellen verteilt werden. Das menschliche Genom ist auf 23 Chromosomen verteilt, jedes aus einem langen DNA-Molekül und Verpackungsproteinen (Histone und nicht-Histone) bestehend, heisst Chromatin. Mit Ausnahmen (Keimzellen 1n = haploid) hat jede Zelle 2 Kopien von jedem Chromosom (2n = diploid, Mutter & Vater). Homologe Chromosomen werden von beiden Eltern ererbt. Geschlechtschromosomen sind nicht homolog, X stammt von der Mutter, Y vom Vater. Darstellung aller 46 menschlicher Chromosomen heisst Karyotyp. Ein Gen codiert für ein Protein/RNA. Chromosomen in Prokaryoten sind dicht gepackt Gene, aber in Eukaryoten hat es viele nicht-codierende Stellen, die in verwandten Arten oft ähnlich ist und die Anzahl genetischer Kombinationen erhöht. Im Zellzyklus liegt die DNA in unterschiedlichen Strukturen vor. In der Interphase sind die Chromosomen lange, ausgedehnte, ungeordnete Fäden (DNA in Fäden = Interphasenchromosomen), in dieser Form werden Chromosomen kopiert. In der Interphase dient eine bestimmte Nukleotidsequenz (mehrere pro Chromosom damit schneller) als Replikationsursprung (Ori), von dem die Verdoppelung ausgeht. Die Enden der Chromosomen sind die Telomere, sie bestehen aus Sequenzwiederholungen. In der M-Phase liegt die DNA kondensiert vor (dicht gepackt = Mitosechromosomen). Sobald das Chromosom kondensiert ist, erlaubt der Centromer (DNA-Sequenz) die Verteilung jeweils einer Kopie jedes duplizierten Chromosoms auf die Tochterzellen. Der Zellkern ist von einer Kernhülle aus zwei Membranen umgeben, die Kernporen hat. Sie wird durch Proteinfilamente, der Kernlamina verstärkt. Jedes Interphasenchromosom im Zellkern strebt einen bestimmten Platz an und bestimmte Bereiche der Chromosomen sind an die Kernhülle oder -lamina geheftet. Inaktive Teile der Interphasenchromosomen sind Heterochromatine, aktive Teile sind Euchromatine. Im Nukleolus sind die Teile der Chromosomen zusammengedrängt, die Gene für die ribosomale RNA (rRNA) tragen. Im Nukleolus wird die rRNA synthetisiert und mit Proteinen zu den Ribosomen zusammengebaut. Es hat 2 Gruppen DNA-bindender Proteine, die Histone und die chromosomalen nicht-Histonproteine. Ein Nukleosomen-Kernpartikel besteht aus je zwei Molekülen der Histone H2A, H2B, H3, H4 und doppelsträngiger DNA, die sich um das Histonoktamer wickelt. Zwei Nukleosomen-Kernpartikel sind durch die Linker-DNA getrennt. Ein Nukleosom ist ein Nukleosomen-Kernpartikel und die Linker- DNA. Nukleosomen verkürzen die DNA stark. Die stark positive Ladung der Histone (positive Aminosäuren-Seitenkette) tragen zur festen Bindung des negativen Zucker-Phosphat-Gerüsts bei. Jedes Histon hat einen N-Terminalen Aminosäure-Schwanz, der kovalent modifiziert werden kann, um die Chromatinstruktur zu kontrollieren. H1, das linker-Histon verändert die Richtung, die die DNA beim Austritt aus dem Nukleosomenkern, so dass eine kompakte Struktur gebildet werden kann. 5.3 Regulation der Chromosomenstruktur Die DNA enthält eine riesige Menge an verschlüsselter Information, auf die die Zelle bei Bedarf Zugang haben muss. Mithilfe des Chromatin-Umformungkomplexes wird die Position der DNA verändert, die um die Nukleosomen gewickelt ist, wobei sie aufgelockert wird und somit zugänglich gemacht wird. Dieses Protein wird bei der Mitose inaktiviert. Enzyme im Zellkern können an die Histonschwänze Phosphat-, Methyl- oder andere chemische Gruppen binden und lösen. Dies wirkt sich auf die Dichte der dicht gepackten Nukleosomen aus und lockert/strafft diese. Die Modifikation kann auch die Fähigkeit der Histone beeinflussen, bestimmte Proteine zu binden, und zieht sie dadurch in bestimmte Chromatinbereiche. Die Interphasenchromsomen sind aufgelockert (Euchromatin), wenn sie expressive Gene enthalten und kompakt (Heterochromatin), wenn sie stille Gene enthalten. Heterochromatin ist in Centromer- und Telomerregionen konzentriert. Es entsteht durch die Methylierung eines Histonproteins (H3). Diese Methylgruppe zieht heterochromatinspezifische Proteine an, die in angrenzenden Nukleosomen dieselbe Modifikation auslösen, wobei ein ausgedehnter Heterochromatinbereich entlang der DNA entsteht. Die meisten Heterochromatine enthalten keine Gene und aus Versehen verpackt Gene können nicht mehr exprimiert werden. Weibliche Säugetiere haben eines ihrer beiden X-Chromosomen (Zufallswahl) dauerhaft inaktiviert. Bei der Vermehrung einer Zelle wird ein Satz von Nukleosomen weitergegeben, der die modifizierten Histone der elterlichen Chromosomen geerbt hat, und einer, der neu synthetisierte, unmodifizierte Histone enthält. Um die Chromatinstruktur der der Mutterzelle anzugleichen, erkennen und binden Proteine an die elterlichen Histone und nehmen die gleiche Modifikation an den unveränderten Histonen vor. Diese epigenetische Vererbung ist für die Entwicklung verschiedener Gewebe und Organe wichtig. Kapitel 6 Bei der DNA-Replikation wird die DNA exakt dupliziert werden, bevor eine Zelle zwei genetisch identische Tochterzellen erzeugen kann. Manchmal treten dauerhafte Mutationen auf, die oft nicht spürbar sind, aber auch negative oder positive Auswirkungen haben können 6.1 DNA-Replikation Jeder Strang der DNA-Doppelhelix enthält eine Nukleotidsequenz, die komplementär zu der ihres Partnerstrangs ist. Jeder Strang kann als Matrize eines neuen, komplementären Strangs dienen. Da bei der DNA-Replikation jeder Elternstrang als Matrize für einen neuen Strang dient, besteht die Tochterdoppelhelix aus einem originalen und einem neuen Strang, heisst dieser Replikationsmodus semikonservativ. Um als Matrize zu dienen, muss der Doppelstrang aufgetrennt werden und die ungepaarten Basen müssen exponiert werden. Dies geschieht durch die Initiationsproteine, die an die DNA binden und die H-Brücken zwischen den Basen aufbrechen (keine Energiezufuhr nötig). Die Stellen, an denen die DNA zuerst geöffnet wird, sind die Replikationsursprünge und sind meist durch bestimmte Nukleotidsequenzen markiert. Diese DNA-Sequenzen ziehen Initiationsproteine an und sind leicht zu öffnen (viele A/T Paare). Bakteriengenome sind ringförmig und haben einen Replikationsursprung. Menschliche DNA hat sehr viele Replikationsursprünge, damit die Replikation schnell geschehen kann. Sobald ein Initiationsprotein an einen Replikationsursprung gebunden hat, wird eine Gruppe von Proteinen angezogen, die eine Proteinmaschine bildet und die Replikation durchführt. An den Y-förmigen Replikationsgabeln bewegt sich die Replikationsmaschine auf der DNA entlang, öffnet die Stränge und synthetisiert einen neuen Tochterstrang. An jedem Replikationspunkt entstehen Replikationsgabeln, die sich in entgegengesetzte Richtungen fortbewegen und die DNA wie ein Reissverschluss öffnen (bidirektionale Replikation). Im Zentrum die Replikationsmaschine befindet sich die DNA-Polymerase, die die neue DNA in 5’ → 3’ Richtung synthetisiert. Dieses Enzym katalysiert die Bildung einer Phyosphodiesterbindung zwischen dem 3’ Ende der DNA-Kette und der 5’ Phosphatgruppe des neuen Nukleotids. Die Nukleotide sind Nukleosidtriphosphate, sie stellen die Energie für die Polymerisierungsreaktion zur Verfügung (gekoppelt). Die Hydrolyse von einer der Bindungen des Nukleosidtriphosphats treibt die Reaktion an, wobei ein Nukleotidmonophosphat unter Freisetzung von Pyrophosphat mit der Kette verbunden wird. Durch die Hydrolyse von Pyrophosphat zu zwei anorganischen Phosphaten wird die Reaktion irreversibel gemacht. Die DNA-Polymerase dissoziiert nicht nach jeder Nukleotidanbindung. Die DNA hat eine Richtung und die DNA-Polymerase kann nur in die 5’ → 3’ Richtung katalysieren, neue Bausteine können nur an das 3’ Ende der Kette addiert werden. Nur einer der beiden Stränge an der Replikationsgabel kann in 5’→ 3’ Richtung synthetisiert werden, der Leitstrang, der andere, der Folgestrang, nicht. Der Strang, der am 5’ Ende wachsen muss, wird kontinuierlich in aufeinanderfolgenden getrennten kleinen Stücken synthetisiert, indem die DNA-Polymerase jedes Stück von der Replikationsgabel aus rückwärts in 5’ → 3’ Richtung herstellt (Steppstick-Verfahren). Die kleinen DNA-Stücke, die dabei entstehen, heissen Okazaki-Fragmente. Sie werden nach ihrer Synthese zu einem durchgehenden Strang zusammengefügt. Dieser Strang heisst Folgestrang. Die DNA-Polymerase überwacht die die Basenpaarung zwischen jedem neuen Nukleotid und dem Matrizenstrang und katalysiert die Bindung nur bei einem korrekten Basenpaar. Das Korrekturlesen erfolgt gleichzeitig zur Synthese und wird von der Nuklease ausgeführt, die die Phosphodiester- Hauptkette spaltet. Die Korrektur erfolgt in 3’ → 5’ Richtung. Die DNA-Polymerase kann nicht in 3’ → 5’ Richtung erfolgen. Bei der Bindung eines Nukleosidtriphosphats an das 5’ Ende eins anderen an der DNA-Kette, würde das beständige ein Pyrophosphat abspalten, dieser Reaktionsschritt ist in Ordnung. Sollte dies aber die falsche Base sein, muss diese Entfernt werden. Da das Pyrophosphat schon abgespalten wurde, besteht keine Energiequelle, um die richtige Base an die DNA-Kette zu binden. Die Replikationsmaschine ist nicht in der Lage, einen vollkommen neuen Strang zu beginnen, sie kann ein Nukleotid nur an ein basengepaartes Nukleotid in einer Doppelhelix binden. Ein zweites Enzym wird benötigt, die Primase, um eine neue Polynukleotidkette zu starten, indem zwei Nukleotide verknüpft werden. Dieses Enzym synthetisiert RNA, wobei es den DNA-Strang als Matrize benutzt. Diese kurze RNA-Sequenz ist mit der DNA-Matrize basengepaart und stellt der DNA-Polymerase ein basengepaartes 3’ Ende als Startpunkt zur Verfügung, es dient als Primer. Für den Leitstrang wird nur ein Primer benötigt. Am Folgestrang werden ständig neue Primer benötigt. Wenn das Fortschreiten der Replikationsgabel neue ungepaarte Basen freilegt, wird in regelmässigen Abständen entlang des Folgestrangs ein neuer RNA-Primer hergestellt. Die Primase hat keine Korrekturlesefunktion. Die entstehenden Fehler werden durch die Reparaturpolymerase korrigiert. Die DNA-Polymerase addiert ein Desoxyribosenukleotid an das 3’ Ende des Primers, dieser Strang wird verlängert, bis die DNA- Polymerase auf einen neuen RNA-Primer trifft. Um aus den Einzelstücken des Folgestrangs einen kontinuierlichen DNA-Strang zu machen, werden weitere Enzyme benutzt. Die Nuklease entfernt den RNA-Primer, die Reparaturpolymerase (DNA-Polymerase) ersetzt den Primer durch DNA, indem sie das Ende des benachbarten Okazaki-Fragments als Primer verwendet, und die DNA-Ligase verbindet das 5’ Phosphatende eines DNA-Stücks mit dem 3’ Hydroxylende des Nächsten. Vorne an der Replikationsmaschine befindet sich die Helicase, die die Energie aus der ATP-Hydrolyse nutzt, um sich auf der DNA fortzubewegen und die Doppelhelix zu entwinden. Das Einzelstrang- Bindeprotein verhindert vorübergehend, dass sich die Basenpaare wieder binden, und hält den Einzelstrang in einer gestreckten Form. Die Gleitklammer hält die DNA-Polymerase fest an der DNA gebunden. Das Klammer-Ladeprotein schliesst die Gleitklammer um die DNA und hydrolysiert bei jeder Verschliessung jedes Mal ein ATP. Beim Leitstrang wird pro Replikationszyklus nur eine solche Gleitklammer gebraucht. Auf dem Folgestrang wird die Klammer jedoch entfernt und bei jeder Herstellung eines Okazaki-Fragments neu angefügt. Wenn die Replikationsgabel am Folgestrang das Ende eines Chromosoms erreicht, gibt es keinen Platz mehr, um an der äussersten Spitze einen Primer zu platzieren, da die Primase nicht bis ganz am Ende des Chromosoms gehen kann. Bakterien haben dieses Problem nicht, da ihre DNA ringförmig ist. Eukaryoten haben spezielle Nukleotidsequenzen an ihren Enden, die Telomere. Das Enzym Telomerase enthält ein kurzer RNA-Stück mit einer zur Wiederholungssequenz komplementärer Sequenz. Diese fungiert als Matrize für die DNA-Synthese Um den Folgestrang zu synthetisieren, braucht die DNA- Replikationsmaschine ein Stück Matrizen-DNA, das länger als der zu kopierende Bereich ist. Die Synthese des Folgestrangs stoppt kurz vor dem Ende der Matrize. Die Telomerase fügt eine Reihe repetitiver DNA-Sequenzen an den Matrizenstrang, sodass der Folgestrang von der DNA-Polymerase fertiggestellt werden kann. Die Sequenzwiederholungen bilden mit benachbarten Bereichen eine Struktur, die von de Zelle als wahre Chromosomenenden erkannt werden. Dies unterscheidet sie von Doppelstrangbrüchen, die im Inneren von Chromosomen auftreten können, die repariert werden müssen. Kapitel 7 Jede Proteinart hat eine einzigartige Aminosäuresequenz, die die Faltung der Kette so dirigiert, dass ein Molekül mit bestimmten Formen und Eigenschaften entsteht. Die genetische Anweisung der DNA müssen die Aminosäuresequenz von Proteinen festlegen. Wird ein bestimmtes Protein gebraucht, wird der Abschnitt der DNA in RNA kopiert. Die RNA dient als Matrize bei der Proteinsynthese. 7.1 Von der DNA zur RNA Zellen regulieren ihre Proteinsynthese durch die RNA-Transkription und Translation. Bei der Transkription wird ein DNA-Bereich in RNA umgeschrieben. Chemische Unterschiede DNA/RNA: RNA besteht aus Ribonukleotiden anstatt Desoxyribonukleotiden und enthält die Base Uracil anstatt Thymin. Die RNA liegt einzelsträngig vor und kann sich so in viele verschiedene Formen falten. Die DNA dient nur der Speicherung, die RNA kann aber strukturelle und katalytische Aufgaben übernehmen. Die Transkription der RNA beginnt mit der Öffnung und Entwindung des Doppelstrangs des DNA- Bereichs, der kopiert werden soll. Ein Strang dient als Matrize, dazu komplementäre Ribonukleotide werden, falls es die korrekten sind, von der RNA-Polymerase kovalent aneinandergehängt. Die resultierende Kette ist das Transkript. Der RNA-Strang bleibt nicht über H-Brücken mit seiner Matrize verbunden. Direkt nach dem Einbau eines Ribonukleotids bildet sich die DNA-Doppelhelix wieder und verdrängt die RNA. Die RNA-Polymerase verlängert die RNA-Kette in 5’ → 3’ Richtung, wobei die Energie der Hydrolyse vom Nukleosidtriphosphat die Phosphodiesterbindung katalysiert. Da das Transkript direkt nach der Synthese freigesetzt wird, können mehrere RNA-Moleküle gleichzeitig synthetisiert werden. Die RNA-Polymerase katalysiert die Verbindung von Ribose-, nicht Desoxyribosenukleotiden. Sie kann eine RNA-Kette ohne Primer starten, da die Transkription nicht so genau wie die Replikation sein muss. Die Messenger-RNA, mRNA, spezifiziert die Aminosäuresequenz eines einzigen Proteins. Nicht- mRNA dienen als regulatorische, strukturelle und enzymatische Komponenten der Zelle. Die rRNA bildet den Kern der Ribosomen, an denen die mRNA in ein Protein translatiert wird. Die Transfer-RNA, tRNA, ist ein Adaptermolekül, mit denen die Aminosäuren in Ribosomen an die korrekte Stelle für den Einbau in ihrem Protein dirigieren. Die Mikro-RNA, miRNA ist ein kleines RNA-Molekül. RNA- Moleküle können über Basenpaarung zwischen verschiedenen Regionen des Moleküls eine dreidimensionale Struktur formen. Die Genexpression ist der Prozess, bei dem die Information der DNA in ein Produkt übersetzt wird, das Einfluss auf die Zelle hat. Die Genexpression von Proteinen umfasst die Transkription und Translation, die der RNA nur die Transkription. Bakterien Um die Transkription zu beginnen, muss die RNA-Polymerase den Anfang eines Gens erkennen und an die DNA binden. Bei Bakterien bindet die RNA-Polymerase an die DNA und gleitet dieser schnell entlang. Wenn es die Nukleotidsequenz des Promotors erkennt, die den Startpunkt der RNA-Synthese anzeigt, bindet die RNA-Polymerase fester an die DNA. Sie öffnet die Doppelhelix, einer der beiden Stränge dient als Matrize für die komplementäre Basenpaarung. Um die RNA-Kette zu starten, werden zwei Ribonukleotide verbunden. Die Verlängerung des Transkripts geht so lange, bis die RNA- Polymerase auf den Terminator trifft, wonach sie die RNA und die DNA freisetzt. Für die Erkennung der Promotorsequenz in der DNA ist die Untereinheit Sigma-Faktor verantwortlich, der diese auch in der geschlossenen Doppelhelix finden kann. Sobald die Polymerase an die DNA gebunden hat und einige Nukleotide synthetisiert hat, wird dieser entlassen. Nachdem die RNA-Polymerase freigesetzt wurde, verbindet sie sich wieder mit einem Sigma-Faktor und sucht einen neuen Promotor. Die Promotorsequenz ist asymmetrisch und kann nur in die 5’ → 3’ Richtung gelesen werden. Die Transkription findet auf demselben Strang also nur in eine Richtung statt, kann aber auf beiden Strängen stattfinden. In Prokaryoten ist die DNA frei im Cytoplasma mit den Ribosomen, an denen die Proteinsynthese stattfindet. An das 5’ Ende von RNA-Transkripten binden die Ribosomen noch während der Transkription und beginnen die Translation. Eukaryoten Die Transkription in Eukaryoten hat drei Polymerasen. Die RNA-Polymerasen 1 und 3 transkribieren Gene für tRNA, rRNA und miRNA. Die RNA-Polymerase 2 transkribiert Proteincodierende Gene. Eukaryotische RNA-Polymerasen brauchen die Hilfe allgemeiner Transkriptionfaktoren, um die RNA- Synthese zu initiieren. In Eukaryoten sind die Gene weit über die DNA verteilt, was es ermöglicht, ein Gen mit vielen regulatorischen Sequenzen kontrolliert werden. Die allgemeinen Transkriptionsfaktoren sind Hilfsproteine, die sich am Promotor anlagern, die RNA- Polymerase an die Richtige Position bringen, die Stränge teilen und die RNA-Polymerase in Gang setzten. Der Anlagerungsprozess beginnt mit der Bindung vom ersten allgemeinen Transkriptionsfaktor TF2D an eine doppelhelikale DNA-Sequenz, die aus A/T besteht (TATA-Box). Die TATA-Box befindet sich ca. 25 Nukleotide vor der Transkriptionsstelle. Das TF2D verursacht bei der Bindung an der DNA eine Strukturänderung der DNA, die ein Erkennungszeichen für die Anlagerung der anderen Proteine am Promotor. Diese und die RNA-Polymerase bilden nun den Transkriptions- Initiationskomplex. Die RNA-Polymerase ist in diesem Initiationskomplex an die DNA fixiert, muss aber für den Beginn der Synthese vom Komplex freigesetzt werden. Der allgemeine Transkriptionsfaktor TF2H enthält eine Proteinkinase (für Phosphorylierung Proteine). Der Schwanz der RNA-Polymerase wird durch das TF2H phosphoryliert, die dadurch ihre Struktur ändert und die Polymerase von den Transkriptionsfaktoren löst. Die Transkriptionsfaktoren werden bei Beginn der Transkription gelöst und stehen für weitere Initiationen zur Verfügung. Nach der Transkription löst sich die RNA-Polymerase von der DNA, die Phosphate an ihrem Schwanz werden von Proteinphosphatasen dephosphoryliert, da sie nur in dephosphorylierter Form die Synthese initiieren kann, und stehen zur Transkription wieder zur Verfügung. In Eukaryoten befindet sich die DNA im Zellkern. Die Transkription findet darin statt, dann wird sie durch die Kernporen aus dem Zellkern zu den Ribosomen transportiert werden. Die RNA muss vor dem Austritt aus dem Zellkern noch prozessiert werden. Dies geschieht noch während der Transkription. Die Enzyme befinden sich auf dem Schwanz der RNA-Polymerase und beginnen mit die Bearbeitung, sobald das Transkript aus der Polymerase auftaucht. Bei mRNA-Molekülen das 5’ Ende modifiziert, indem ein Guaninnukleotid mit einer gebundenen Methylgruppe als Kappe daran addiert wird. Das 3’ Ende wird auch modifiziert, indem sie zuerst an einer bestimmten Sequenz von einem Enzymkomplex abgeschnitten wird, und daran dann an das geschnittene Ende von einem zweiten Enzymkomplex ein Poly(A)-Schwanz (Folge Adeninnukleotide) angehängt wird. Die Kappenaufsetzung und die Polyadenylierung verleihen der RNA Stabilität. In den meisten eukaryotischen Genen sind codierende Sequenzen, die Extrons (exprimierte Sequenzen), von langen nicht-codierenden Sequenzen, den Introns, unterbrochen. Die Extrons sind viel kürzer als die Introns. Bei der Transkription werden Extrons und Introns transkribiert. Während der Transkription beginnt das RNA-Spleissen, bei dem Introns entfernt und Introns miteinander verbunden werden. Sobald ein Transkript an den 3’ und 5’ Enden modifiziert und gespleisst wurde, ist RNA eine reife mRNA. Jedes Intron hat am Ende einen Nukleotidbereich mit einem Adenin A (meist identisch), der als Entfernungssignal dienen. Das A in der Intronsequenz greift die 5’ Stelle im Intron an und schneidet das Zucker-Phosphat-Rückgrat der RNA. Das Abgeschnittene 5’ Ende bindet kovalent mit der 2’ OH- Gruppe der Ribose von A. Das freie 3’ Ende von einem Exon reagiert mit dem freien 5’ Ende des anderen, das Intron wird in Form eines Lassos freigesetzt. Das Spleissen wird von RNA-Molekülen durchgeführt. Die small nuclear RNAs, snRNAs bilden mit Proteinen die snRNPs, die den Kern der Spleissosomen bilden. Diese erkennen über komplementäre Basenpaarung Intron-Exon-Grenzen. Durch alternatives Spleissen entstehen unterschiedliche Proteine. Die Intron-Extron-Struktur der Gene beschleunigt die Entstehung neuer Proteine, da die langen Introns die Rekombination von Exons wahrscheinlicher macht. Der mRNA-Transport vom Zellkern ins Cytoplasma ist selektiv und an die Bearbeitung der RNA gekoppelt. Der Kernporenkomplex erkennt nur vollständige mRNAs und transportiert sie aus dem Kern. Das mRNA-Molekül muss an eine Reihe von Proteinen (Cap-, Poly(A)- und Spleissen-Bindeproteine) binden können, um exportiert werden zu können. Der RNA-Müll (Introns, gebrochene RNA) bleibt im Zellkern und wird abgebaut. Eine mRNA kann viele Male translatiert werden, sie muss also abgebaut werden, wenn das Protein nicht mehr synthetisiert werden soll. Die RNAse baut RNA zu Nukleotiden ab. Der 3’-untranslatierte Bereich, der Bereich zwischen dem 3’ Ende der codierenden Sequenz und dem Poly(A)-Schwanz legt die Lebensspanne der RNA fest. 7.2 Von der RNA zum Protein Die Translation ist die Informationsübertragung von der RNA in ein Protein. Der genetische Code sind die Regeln, nach denen die Nukleotidsequenz in die Aminosäuresequenz übersetzt wird. Die Nukleotidsequenz der mRNA wird in dreiergruppen, den Codonen, gelesen. Manche Aminosäuren werden von mehr als einem Triplett spezifiziert, der genetische Code ist redundant. Der genetische Code wird von fast allen Lebewesen ausser den Mitochondrien genutzt. Die RNA kann in drei unterschiedliche Leserahmen übersetzt werden, je nachdem bei welchem Nukleotid angefangen wird, jedoch codiert nur einer davon für das Protein. Die Translation der mRNA in ein Protein geschieht über die tRNA, die an das Codon und die Aminosäure erkennen und binden. Die tRNA kann über die Basenpaarung unterschiedlicher Bereiche eine dreidimensionale Struktur formen. Sind diese basengepaarten Bereich gross genug, bildet sich eine doppelhelikale Struktur. Die tRNA bildet eine L-Struktur, woran an zwei entgegengesetzten Enden ungepaarte Nukleotidbereiche liegen. Einer davon bildet das Anticodon, das komplementär mit dem mRNA-Codon paart. Der andere ist kurz und einzelsträngig am 3’ Ende, wo die zum Codon passende Aminosäure gebunden wird. Die tRNA ist für eine Aminosäure spezifisch. Die dritte Codonposition ist für Fehlerpaarungen, Wobble-Basenpaarungen, tolerant, die ersten zwei müssen aber genau übereinstimmen. Die Aminosäure wird von der Aminoacyl-tRNA-Synthetase erkannt und an das 3’ Ende der tRNA unter ATP-Verbrauch kovalent gebunden. Diese Bindung der Aminosäure and die tRNA ist energiereich. Die richtige Aminosäure wird am Anticodon und Nukleotidsequenz am Akzeptorbereich erkannt. Das Ribosom besitzt eine grosse und eine kleine Untereinheit. Die kleine Untereinheit teilt den Codons der mRNA die passende tRNA zu, die grosse Untereinheit katalysiert die Peptidbindungen der Aminosäuren. Die beiden Untereinheiten kommen am 5’ Ende der mRNA zusammen und bilden das Ribosom. Die mRNA wird durch das Ribosom gezogen, wobei dieses die RNA Codonweise unter Verwendung der tRNA als Adapter in seine Aminosäuresequenz übersetzt. Nach der Proteinsynthese trennen sich die Untereinheiten wieder. Ribosomen enthalten eine Bindungsstelle für die mRNA und drei für die tRNA. Um eine Aminosäure an die Peptidkette anzufügen, bindet die beladene tRNA an die A-Stelle, indem die tRNA mit ihrem Anticodon eine Basenpaarung mit dem freien Codon der mRNA eingeht. Die A- und P-Stelle liegen nah genug beieinander, dass ihre Anticodons gezwungen sind, keine Lücken zwischen den Codons zu lassen. Von der tRNA an der P-Stelle wird das Carboxylende der Polypeptidkette gelöst und an das Aminoende der Aminosäure der tRNA an der A-Stelle über eine Peptidbindung gebunden. Die grosse Untereinheit katalysiert diesen Reaktionsschritt. Nun bewegt sich nur die grosse Einheit ein Codon vorwärts, was die tRNA an der P-Stelle an die E-Stelle und die tRNA an der A-Stelle an die P-Stelle bewegt. Die kleine Untereinheit bewegt sich nun auch ein Codon vorwärts. Somit ist die A-Stelle wieder frei und die tRNA an der E-Stelle wird freigesetzt. Die mRNA wird in 5’ → 3’ Richtung abgelesen, das Aminoende (N-Terminus) entsteht also zuerst und bei jedem Reaktionszyklus wird eine Aminosäure an das Carboxylende (C-Terminus) der Polypeptidkette gebunden. Dies wird fortgesetzt, bis ein Stopp-Codon auftaucht. Eukaryotische mRNAs sind oft polycistronisch, sie codieren für mehrere Proteine, die alle vom gleichen mRNA-Molekül translatiert werden Das Ribosom ist ein komplex aus 1/3 ribosomalen Proteinen und 2/3 rRNA. Die rRNA bildet den Kern des Ribosoms. Die Proteine sind an der Oberfläche, stabilisieren die rRNA und ermöglichen Konformationsänderungen für die Katalyse. Die rRNA, das Ribozym, das die Peptidbindungen katalysiert hat eine Tasche, die die beladene tRNA und die wachsende Polypeptidkette präzise zusammenbringt und eine Peptidbindung katalysiert. Ribozyme waren die ersten Katalysatoren in lebenden Zellen. Der Leserahmen wird vom Startcodon der mRNA bestimmt und ist der letzte Punkt, an dem sich die Zelle gegen eine Translation entscheiden kann. Die Initiationsrate legt die Syntheserate eines Proteins fest. Für das Startcodon, das AUG-Codon, wird die Initiator-tRNA benötigt. Sie trägt die Aminosäure Methonin, neu synthetisierte Proteine tragen diese also immer am N-Terminus. Das Methonin wird später von einer Protease entfernt. Die Initiator-tRNA, die das Methonin trägt, wird mit Translationsinitiationsfaktoren an die kleine Untereinheit des Ribosoms gebunden. Die Initiator-tRNA ist die einzige tRNA, die fest an die P-Stelle der kleinen Untereinheit binden kann. Nun bindet diese beladene kleine Untereinheit an das 5’ Ende des mRNA-Moleküls, das über seine Kappe erkannt wird. Die kleine Untereinheit bewegt sich auf der mRNA in 5’ → 3’ Richtung vorwärts, bis sie auf das erste AUG trifft. Dann dissoziieren einige Initiationstfaktoren ab, damit die grosse Untereinheit das Ribosom komplettieren kann. Das Ende des Proteins wird durch ein Stopp-Codon signalisiert, UAA, UAG oder UGA. Diese Codons werden nicht von einer tRNA erkannt und signalisieren dem Ribosom, anstatt den Einbau eine Aminosäure, die Translation zu stoppen. Release-Faktoren binden an jedes Stopp-Codon, das die A- Stelle erreicht und veranlassen die tRNA, ein Wassermolekül an sich zu binden. Diese Reaktion löst das Carboxylende der wachsenden Polypeptidkette von der tRNA, welche dann ins Cytosol entlassen wird. Das Ribosom dissoziiert in seine Untereinheiten und gibt die mRNA frei. Einige Proteine während ihrer Synthese, die meisten benötigen molekulare Chaperone, die sie beim Austritt aus dem Ribosom erkennen und bei der Faltung unterstützen. Chaperone verwenden ATP-Hydrolysezyklen, um kontinuierlich neu synthetisierte Proteine zu binden und freizusetzen, bis sie richtig gefaltet sind. Bakterien Bakterielle mRNA hat keine Kappe, sondern Ribosomenbindungsstellen, die vor dem AUG lokalisiert sind. Das prokaryotische Ribosom kann sofort an das Start-Codon binden, solange ihm eine Ribosomenbindungsstelle vorausgeht. Prokaryotische mRNA codiert nur für ein spezifisches Protein, ist also nicht polycistronisch. In Bakterien wird während der Translation auch Transkription gemacht. Antibiotika nutzen die feinen Unterschiede zwischen eukryotischer und prokaryotischer Proteinsynthese aus und hemmen die prokaryotische, ohne der eukaryotischen zu schaden. An einer mRNA können gleichzeitig mehrere Translationsprozesse stattfinden. Ein neues Ribosom bindet an das 5’ Ende der mRNA, sobald darauf genügend Platz vorhanden ist. Translatierte mRNA- Moleküle liegen in Form von Polyribosomen vor, eine Struktur aus Ribosomen, die sich mit kleinen Abständen auf einem mRNA-Molekül befinden. Dies Beschleunigt die Synthese. Durch den Abbau von Proteinen in seine Aminosäuren, die Proteolyse, kann die Zelle die Menge eines Proteins regulieren. Enzyme, die Proteine in Peptide und dann in Aminosäuren abbauen, sind Proteasen. Proteasen hydrolysieren die Peptidbindungen. Proteasomen bestehen aus einem zentralen Zylinder aus Proteasen, dessen aktive Zentren auf den Hohlraum gerichtet sind. Die Enden werden von Proteinkomplexen verstöpselt. Die Stöpsel binden Proteine, die durch die kovalente Bindung des Proteins Ubiquitin zum Abbau markiert wurden und schleusen sie unter ATP-Verbrauch in den Hohlraum, wo aus dem Protein viele kurze Peptide werden. Die Enzyme, die Ubiquitin an Proteine heften, erkennen Signale, die als Folge der Fehlfaltung oder Beschädigung freigesetzt werden. Einige Proteine müssen nach ihrer Synthese noch modifiziert werden, um aktiviert zu werden. 7.3 RNA und der Ursprung des Lebens In primitiven Zellen fungierte RNA als Speicher für die Erbinformation und als Katalysator chemischer Reaktionen. Ein autokatalytisches System katalysiert Reaktionen, die zur Entstehung von Molekülen gleicher Art führen. Das System enthielte eine Menge wechselwirkender Moleküle, würde sich selbst reproduzieren, mit anderen Systemen konkurrieren und sterben. Nukleinsäuren erfüllen diese Anforderungen. RNA kann als Informationsträger und als Katalysator eingesetzt werden. Durch die Basenpaarung zwischen Nukleotiden derselben Kette kann die RNA ein einzigartiges Faltungsmuster erzeugen, das dann mit einem bestimmten Substrat reagieren kann. Schliesslich übernahm die DNA die Speicherfunktion und die Proteine wurden zu den Hauptkatalysatoren, während die RNA als Vermittler zwischen den beiden bestehen blieb. Proteine sind komplexer und können eine Vielzahl chemischer Reaktion katalysieren. Die DNA ist wegen ihrer Doppelsträndigkeit und der Desoxyribose stabiler und kann mehr Information speichern. Kapitel 9 9.1 Die Entwicklung genetischer Variation Die Vielfalt an Formen und Funktionen lebender Systeme ist das Ergebnis vielfacher Variation schon existierender Ausgangsformen. Bei der Mutation in einem Gen wird ein vorhandenes Gen, das durch Mutationen verändert wird. Diese Mutation kann Nukleotide austauschen, deletieren oder verdoppeln. Hier wird die Aktivität, Stabilität, Lokation oder Wechselwirkung eines Proteins beeinflusst. Die Mutation innerhalb regulatorischer DNA-Sequenzen eines Gens beeinflusst die Genexpression, indem es die Abschnitte der DNA verändert, die die Aktivität eines Gens regulieren. Bei der Genverdopplung/Duplikation wird ein Gen, ein DNA-Abschnitt oder ein Genom verdoppelt. Das ursprüngliche Gen und sein Duplikat können unterschiedlich mutiert werden und unterscheiden sich beide vom ursprünglichen Gen. Bei der Neukombination von Exons oder dem Exon Shuffling werden vorhandene Gene gespalten und zu einem Hybriden vereinigt. Passiert in Eukaryoten meist in Intronsequenzen. Beim horizontalen Gentransfer wird ein Stück DNA vom Genom einer Zelle in das Genom einer anderen Zelle übertragen. Meist in Prokaryoten, da in Eukaryoten die Keimzellen im Inneren des Organismus sind. Gene, die für Resistenzen gegenüber Antibiotika codieren können von einer Art auf die andere übertragen werden. Bei der asexuellen Vermehrung (Mitose) wird die genetische Information geradlinig vererbt. Die Mutterzelle kopiert ihr Genom und teilt sich, so dass zwei identische, diploide Tochterzellen entstehen. Bei der sexuellen Vermehrung (Meiose) mischen und vereinigen sich die Genome zweier Individuen und erzeugen einen Nachkommen, der sich genetisch von jedem Elternteil unterscheidet (4 haploide Tochterzellen). Dabei kommen, Fortpflanzungszellen, die Gameten/Keimzellen, während der Befruchtung zusammen. Alle anderen Zellen im Organismus, die somatischen Zellen, sterben, ohne Nachkommen zu hinterlassen. Die Zelllinie, die die Keimzellen bildet, ist die Keimbahn. Eine Mutation wird nur an die nächste Generation weitergegeben, wenn sie in einer Zelle der Keimbahn auftrifft. Punktmutationen betreffen ein einzelnes Nukleotidpaar und entstehen durch Fehlen in der DNA- Replikation oder -Reparatur. Sie bieten einen Weg, die Funktion eines Gens fein abzustimmen, indem sie kleine Änderungen seiner Sequenz hervorrufen. Diese ist meist eine neutrale Mutation, da sie meist in unwichtigen Sequenzen auftritt (oder an dritte Position Codon). Sie können auch in codierenden Sequenzen und regulatorischen Sequenzen auftreten, was einen grossen Einfluss auf den Organismus haben kann. Ist ein Gen verdoppelt, kann eine der beiden Genkopien punktmutieren und sich spezialisieren und eine andere Funktion ausüben. Dieser Vorgang der Genduplikation und Divergenz dauert sehr lange aber kann eine Familie von Genen entstehen lassen, von denen jedes eine spezialisierte Funktion ausübt. Genduplikationen entstehen durch homologe Rekombination. Diese findet statt, wenn zwei lange, fast identische DNA-Abschnitte gepaart werden. Das Crossing-over geschieht am genau gleichen DNA- Bereich zweier homologer Chromosomen, die DNA-Sequenzen der beiden unterschiedlichen Chromosomen werden ausgetauscht. Manchmal geschieht die Rekombination zwischen zwei kurzen wiederholten DNA-Sequenzen auf beiden Seiten eines Gens. Bei einem ungleichen Crossing-over wird eines der Chromosomen dieses Gen verlieren, das andere hat eine zusätzliche Kopie davon. Danach können durch weiteres Crossing-over weitere Kopien desselben Gens zum Satz hinzugefügt werden. Pseudogene sind Gene, die wegen Anhäufungen vieler Mutationen deaktiviert wurden. Pseudogene zeigen, dass nicht jede DNA-Duplikation zu einem funktionellen Gen führt. Fast jedes Gen in Vertebraten liegt in mehrfachen Versionen vor, es wurde also das ganze Genom mehrfach dupliziert, nicht nur ein Gen. Solche Verdoppelungen passieren, wenn die Zellteilung nach einer Genomreplikation in der Keimbahn eines Individuums ausfällt. Diese Verdoppelung wird dann an die Nachkommen weitergegeben. Proteine, die aus vielen Kopien derselben Domäne bestehen werden von Genen codiert, die sich durch wiederholte Duplikation eines DNA-Abschnitts entwickelt haben. Bei Eukaryoten werden Proteindomänen je von einem Exon codiert. Die Duplikation des Exons innerhalb eines Gens geschieht durch Aufbruch in Wiedervereinigung der Introns auf jeder Seite des Exons. Die Intron-Extron Struktur ermöglicht das rekombinatorische Crossing-over, ohne dem Gen zu schädigen. Bei der Neukombination von Exons werden zwei Exons, die für unterschiedliche Proteindomänen codieren miteinander verbunden. Da dieser Vorgang einen Mangel an Präzision toleriert, ist die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Rekombinationsereignisses zwischen Introns in verschiedenen Genen zu einem Hybridgen gross. 9.2 Die Rekonstruktion des Stammbaums des Lebens Homologe Gene (von beiden Elternteilen) sind bei gemeinsamer Abstammung in ihrer Nukleotidsequenz ähnlich. In mindestens der Hälfte aller menschlicher Gene sind im gemeinsamen Vorfahren von Würmern, Fliegen und Menschen vorhanden. Positive Punktmutationen bleiben erhalten, da der Organismus eine hohe Wahrscheinlichkeit hat, sich zu reproduzieren, bei negativen stirbt der Organismus ohne Nachkommen. Bei selektionsneutralen Änderungen bestimmt der Zufall, ob sie erhalten bleiben. Ein DNA-Abschnitt, der für kein Protein codiert und keine regulatorische Funktion hat, hat keine Einschränkungen für die Anzahl Mutationen. Ein Gen, das für ein optimiertes, essenzielles Protein oder RNA-Molekül codiert, toleriert selten Mutationen, diese Gene sind hoch konserviert. Hoch konservierte Gene verhindern die Änderung durch negative Selektion. Hoch konservierte Gene werden untersucht, um verwandtschaftliche Beziehungen weit entfernter Organismen festzustellen (vergleichende Genomik). Bei nahen Verwandten werden die Nukleotidveränderungen selektionsneutrale Veränderungen untersucht, da sie kontinuierliche Veränderungen akkumulieren. Somit kann der Zeitrahmen bestimmt werden, seitdem sich die zwei Arten von einem gemeinsamen Vorfahren auseinanderentwickelt haben. Dieser Nukleotidvergleich erlaubt es, einen phylogenetischen Stammbaum abzuleiten. Die unterschiedliche Verteilung mobiler Gene weist darauf hin, dass eine lange Zeit seit der Trennung der Arten vergangen ist, da sich die mobilen Gene in jeder Abstammungslinie unabhängig voneinander durch die Genome verteilt haben. Auch die grossräumige Organisation der Genome, Chromosomenbrüche und -verschmelzungen und die Centromerlokation. Bereiche, in denen entsprechende Gene bei beiden Arten in gleicher Reihenfolge miteinander verbunden sind, die konservierte Syntenie, deuten auf Verwandtschaft hin. So können auch Regionen erkannt werden, bei denen Änderungen nicht toleriert wurden, die Sequenz wurde also durch die negative Selektion konserviert. Die Intronstruktur war im gemeinsamen Vorfahren von Fischen und Säugetieren schon vorhanden. Kleine Sequenzblöcke werden mit hoher Geschwindigkeit zu den Genomen hinzugefügt und entfernt. Einige wichtige Gene, wie die rRNA, wurden in allen Lebewesen bewahrt. Der Vergleich dieser Gene erlaubt es, den Stammbaum des Lebens aufzubauen. Der Stammbaum hat drei Domänen, die Prokaryoten, die die Bakterien und die Archaebakterien umfassen, und die Eukaryoten. 9.3 Die Untersuchung des menschlichen Genoms Das menschliche Genom ist auf 22 Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen verteilt. Die menschliche Genomsequenz ist die gesamte Nukleotidsequenz, die in 24 Chromosomen enthalten ist. Nur ein kleiner Anteil des menschlichen Genoms codiert für Proteine, strukturelle und katalytische RNAs. Die Hälfte besteht aus mobilen genetischen Elementen. Der grösste Teil der übrigen DNA besteht aus langen nicht-codierenden Abschnitten, die von Exons unterbrochen werden. Regulatorische Sequenzen sorgen dafür, dass Gene im richtigen Zelltyp zur richtigen Zeit in der richtigen Menge exprimiert werden. Diese Sequenzen sind sehr lang und dienen als Abstandshalter. Einzelnukleotid-Polymorphismen, snips, sind Punkte im Genom, die sich in ihrer Nukleotidsequenz zwischen unterschiedlichen Teilen der Bevölkerung unterscheiden. Menschen haben ca. 100 Unterschiede, die lange Sequenzblöcke betreffen, zueinander. Nukleotidsequenzen, die viele CA- Wiederholungen enthalten, werden oft ungenau repliziert und sind für Mutationen anfällig. Die Anzahl Wiederholungen variiert zwischen Genomen, was ein guter genetischer Marker für forensische Anwendungen ist. Die meisten Variationen im menschlichen Genom sind genetisch still, sie betreffen unkritische Bereiche des Genoms. Kapitel 11 Lebende Zellen benutzen eine Membran, um ihre chemischen Bestandteile vor der äusseren Umgebung abzutrennen. Die Plasmamembran besteht aus einer Doppelschicht von Lipidmolekülen, in der sich Proteinpumpen und Proteinsensoren befinden. Sie kann Membranteile hinzufügen, ohne ihre Kontinuität zu verlieren kann sich verformen, ohne zu zerreissen. Einfache Bakterien besitzen nur eine Membran. Eukaryoten haben innere Membranen, die intrazelluläre Kompartimente umschliessen, Organellen entstehen. Innere Membranen sind gleich wie die Plasmamembran aufgebaut und dienen als selektive Barriere zwischen Räumen unterschiedlicher Molekülzusammensetzung. In der Zelle haben das ER, der Golgi und die Mitochondrien eine Doppelmembran. Alle Zellmembranen sind aus Lipiden und Proteinen aufgebaut. Die Lipide sind in einer eng zusammengefügten Lipiddoppelschicht angeordnet. Diese wird in einer wässrigen Umgebung spontan gebildet. Sie lässt keine wasserlöslichen Moleküle durch. Die Membranproteine verleihen der Membran ihre individuellen Eigenschaften. 11.1 Die Lipiddoppelschicht Jedes Lipid hat einen hydrophilen Kopf und einen oder mehrere hydrophobe Schwänze. Die Lipide in Zellmembranen sind Phospholipide, bei denen der hydrophile Kopf mit einer Phosphatgruppe mit dem Rest des Lipids verbunden ist. Das häufigste Phospholipid ist das Phosphatidcholin, bei dem ein Cholin die hydrophile Gruppe bildet und an den Phosphatrest gebunden ist. Dieses Molekül ist amphipathisch, besitzt also hydrophobe und hydrophile Eigenschaften. Bei der energetisch günstigen Lipiddoppelschicht treten die hydrophile Köpfe auf beiden Oberflächenseiten mit Wasser in Kontakt, die hydrophoben Schwänze liegen im Innern dicht beieinander. Jeder Riss in der Doppelschicht erzeugt einen freien Rand, der dem Wasser ausgesetzt ist. Da dies energetisch ungünstig ist, ordnen sich die Moleküle der Doppelschicht spontan so an, dass der wasserexponierte Rand beseitigt wird. Bei kleinen Rissen wird die Membran zu einer durchgehenden Schicht wiederhergestellt. Bei einem grossen Riss können mehrere geschlossene Vesikel entstehen. Die wässrige Umgebung der Zelle verhindert Membranlipide daran, aus der Doppelschicht zu entweichen. Lipidmoleküle können innerhalb ihrer monolayer ihre Plätze tauschen und um ihre Längsachse rotieren. Dass sie ihre Seite wechseln (flip-flop) kommt aber selten vor. Durch das Enzym Flippase werden selektiv neue Lipide in die gegenüberliegende Einzelschicht befördert. Die Fluidität, die Leichtigkeit, mit der die Lipidmoleküle sich innerhalb ihrer Ebene bewegen, hängt von der Beschaffenheit der Kohlenwasserstoffschwänze ab. Je dichter die Packung der Schwänze, desto dickflüssiger ist die Doppelmembran. Je kürzer die Kohlenwasserstoffschwänze, desto weniger interagieren sie mit ihren Nachbaren, desto flüssiger die Doppelschicht. Meist enthält einer der Kohlenwasserstoffschwänze mehrere Doppelbindungen, der andere nur Einfachbindungen. Da die Doppelbindungen die Anzahl gebundener Wasserstoffatome verringert, ist die Kette ungesättigt. Der Fettsäureschwanz besitzt die maximale Anzahl Wasserstoffatome, er ist gesättigt. Jede Doppelbindung erzeugt einen Knick im Kohlenwasserstoff, was es ihnen erschwert, sich dicht zusammenzudrängen. Lipiddoppelschichten mit einem hohen Anteil an ungesättigter Kohlenwasserstoffschwänzen haben, sind dünnflüssiger. In Zellen, die veränderlichen Temperaturen ausgesetzt sind, wird die Fluidität der Membran konstant gehalten, indem die Länge und Anzahl Doppelbindungen in den Kohlenwasserstoffschwänzen reguliert wird. In tierischen Zellen werden durch das Sterol Cholesterin, das kurz und starr ist, die Lücken zwischen benachbarten Phospholipiden ausgefüllt. Die Doppelschicht wird versteift und undurchlässiger. Die Fluidität einer Membran ist wichtig für die schnelle Diffusion von Membranproteinen in die Doppelschicht und in andere Bereiche der Membran, für die Verschmelzung von Membranen und für die gleichmässige Verteilung von Membranmolekülen bei der Zellteilung. Die dem Zellinneren zu- und abgewandten Seiten der Zellmembran sind sehr unterschiedlich. Die beiden Hälften der Doppelschicht haben eine unterschiedliche Zusammensetzung an Phospholipiden und Glykolipiden. Membranproteine haben eine Orientierung. Diese Lipidasymmetrie wird beibehalten, wenn die Membran wächst. In Eukaryoten findet die Membransynthese in der Membran des ER (cytosolzugewandte Seite) statt. Diese werden zu den anderen Zellmembranen befördert, indem sich Membranstücke vom ER abschnüren und Vesikel bilden, die dann durch Verschmelzung in die Membran eingefügt wird. Dabei bleibt die Orientierung der Doppelschicht im Bezug auf das Cytosol erhalten, die Zellmembranen einer Zelle haben also eine cytosolische und eine nichtcytosolische Seite. 11.2 Membranproteine Die meisten Membranfunktionen werden von Membranproteinen ausgeführt. Sie können Nährstoffe, Metaboliten und Ionen transportieren (Transportproteine), die Membran an Makromoleküle verankern (Ankerproteine), chemische Signale aufspüren und weiterleiten (Rezeptoren) und Reaktionen katalysieren (Enzyme). Transmembranproteine erstrecken sich durch die Doppelschicht von innen nach aussen, auf jeder der Seite der Doppelschicht ein Teil des Moleküls. Sie haben hydrophobe Bereiche im Inneren der Doppelschicht und hydrophile Bereiche auf beiden Membranseiten. Sie können nur durch Zerstören der Lipiddoppelschicht oder mit Detergenzien entfernt werden und heissen integrale Membranproteine. Andere sind vollständig im Cytosol lokalisiert und durch eine amphipathische -Helix auf der Proteinoberfläche mit dem Inneren der Doppelschicht verbunden. Manche Membranproteine liegen ausserhalb der Doppelschicht und sind nur auf einer Seite durch kovalent verknüpfte Lipidgruppen an die Membran gebunden. Andere sind indirekt an eine Membranseite gebunden und werden durch ihre Wechselwirkungen mit anderen Membranproteinen am Platz gehalten. Diese drei Proteinklassen heissen periphere Membranproteine, da sie, ohne die Lipiddoppelschicht zu beschädigen, entfernt werden können. Membranproteine haben eine Orientierung, die bei der Synthese festgelegt wird. Teile eines Transmembranproteins, die auf unterschiedlichen Seiten der Doppelschicht sind, werden durch spezialisierte Abschnitte der Polypeptidkette verbunden, die sich durch die Membran erstrecken. Diese Abschnitte haben hydrophobe Seitenketten. Die Peptidbindungen im Rückgrat einer Polypeptidkette sind polar und bilden H-Brücken miteinander aus, was eine -Helix bildet, wobei die hydrophoben Seitenketten auf der Aussenseite sind und die hydrophoben Lipidschwänze berühren. Durchquert das Protein die Membran nur einmal, ist es ein Rezeptor, bei mehrfacher Durchquerung bildet es hydrophile Poren, durch die wasserlösliche Moleküle passieren können. Solche Proteine haben -Helizes, die hydrophobe und hydrophile Seitenketten haben. Diese -Helizes liegen in der Doppelschicht in einem Ring vor, wobei die hydrophoben Seitenketten den Membranlipiden ausgesetzt sind und die hydrophilen eine hydrophile Pore durch die Lipiddoppelschicht bilden. Membranproteine können die Lipiddoppelschicht als ein zu einem Zylinder gewundenes -Faltblatt (- Fass) durchqueren. Die Seitenketten an der Innenseite des -Fasses sind hydrophil, die an der Aussenseite hydrophob. Das -Fass ermöglicht den Durchtritt von Nährstoffen und kleinen Ionen. Um ein Protein zu untersuchen, muss die Membran mit Detergenzien aufgelöst werden. Detergenzien trennen die hydrophoben Bindungen einer Lipiddoppelschicht und löst diese auf. Detergenzien sind amphipathisch und haben nur einen hydrophoben Schwanz. Im Wasser bilden sie eine kugelförmige Mizelle. Die hydrophoben Molekülenden binden an den hydrophoben Bereich der Transmembranproteine (bilden Protein-Detergens-Komplex) und an die hydrophoben Schwänze der Phospholipide (bildet Lipid-Detergens-Komplex). Lichtbetriebene Protonenpumpen enthalten ein lichtabsorbierendes Retinalmolekül. Das Retinal ist an eine Transmembran -Helix gebunden und liegt in der Ebene der Lipiddoppelschicht. Absorbiert Retinal ein Photon, ändern das Retinal und das Protein seine Struktur. Dabei gibt das Retinal ein H+ and die Aussenseite ab und regeneriert sich, indem es ein H+ aus dem Cytosol aufnimmt. Zellmembranen werden durch ein Gerüst von Proteinen verstärkt, die über Transmembranproteine mit der Membran verbunden sind. Die Gestalt einer Zelle und ihre Eigenschaften werden durch den mit der cytosolischen Oberfläche der Membran verknüpften Zellcortex, einem Geflecht aus faserigen Proteinen, festgelegt. Der Cortex wird benötigt, um die Gestalt einer Zelle aktiv zu ändern, sich fortzubewegen und für die Einschränkung der Diffusion der Proteine innerhalb der Zellmembran. Zellen können bestimmte Membranproteine auf eingegrenzte Bereiche innerhalb der Doppelschicht begrenzen. So werden funktionell spezialisierte Membrandomänen geschaffen. Plasmamembranproteine können mit starren Strukturen ausserhalb (extrazelluläre Matrixmoleküle oder Proteine einer anderen Zelle) oder unbeweglichen Strukturen innerhalb der Zelle (Zellcortex) verbunden werden. Diffusionsbarrierren schaffen Hindernisse, die besondere Membrankomponente auf eine Membrandomäne beschränken. Tight junctions sind spezialisierte Verknüpfungsproteine, die einen durchgehenden Gürtel um eine Zelle bilden und eine Versiegelung zwischen benachbarten Zellmembranen schaffen. Die Membranproteine können nicht über diese Nahtstelle hinaus diffundieren. Proteine in der Plasmamembran besitzen Oligosaccharide auf der nichtcytosolischen Membranseite, sie sind Glykoproteine. Ihre Zuckerreste, die im Inneren des Golgi hinzugefügt werden, sind dem Zelläusseren zugewandt, wo sie die schützende Kohlenhydratbeschichtung bilden. Die Zucker sind nur an den Lipidmolekülen der nichtcytosolischen Seite und können auch nicht ihre Ausrichtung wechseln. Diese Materialschicht bedeckt die Lipiddoppelschicht und beschützt die Zelle vor mechanischer/chemischer Beschädigung. Die Kohlenhydrate adsorbieren Wasser und verleihen der Zelle eine schleimige Oberfläche. Einig Proteine sind darauf spezialisiert, besondere Oligosaccharidketten, die sich alle sehr voneinander unterscheiden, zu erkennen und zu binden. Die charakteristische Kohlenhydratschicht wird von anderen Zellen erkannt, mit denen die Zelle in WW treten muss und dient somit der Zell-Zell-Erkennung und der Zelladhäsion. Kapitel 12 Die Plasmamembran ist eine Barriere, die den Durchtritt von Molekülen kontrolliert. Wasserlösliche Moleküle können die hydrophobe Lipiddoppelschicht nicht passieren. Einige der benötigten Stoffe können durch die Membran diffundieren, die Mehrzahl aber benötigt die Hilfe von Membrantransportproteinen. Transporter ändern ihre Konformation und schleusen bestimmte Moleküle durch die Membran, andere bilden hydrophile Poren, durch die gelöste Stoffe diffundieren können. Die meisten dieser Poren sind Ionenkanäle, die elektrische Potentiale erzeugen. 12.1 Grundsätze des Membrantransports Lebende Zellen halten ein inneres Ionenmilieu aufrecht (Na+, K+, Ca2+, Cl-, H