Zusammenfassung Biologie Semester 1 PDF

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Inhalt A: Einführung und Geochemie der Erde (D. Vance, J. Vorholt).............................................................. 3 Vorlesung 1 - Einheit und Vielfalt des Lebens.......................................................................................

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Inhalt A: Einführung und Geochemie der Erde (D. Vance, J. Vorholt).............................................................. 3 Vorlesung 1 - Einheit und Vielfalt des Lebens..................................................................................... 3 Vorlesung 2 - Geschichte des Lebens auf der Erde und Einführung in die Evolution......................... 7 Vorlesung 3 - Ursprung des Lebens.................................................................................................. 13 B: Bausteine Des Lebens (J.Piel)............................................................................................................ 18 Vorlesung 1....................................................................................................................................... 18 Vorlesung 2....................................................................................................................................... 19 C: Makromoleküle: Proteine, Membranen und Transport (K. Locher)................................................. 22 Proteine I: Primärstruktur und Sekundärstruktur I........................................................................... 22 Proteine II: Sekundärstruktur II und Tertiärstruktur......................................................................... 26 Proteine III: Quartärstruktur und Proteindynamik........................................................................... 30 Membranen I: Phospholipide, Detergentien und Membrandynamik.............................................. 36 Membranen II: KD Plots und Transport durch Membran................................................................. 43 D: Universelle Mechanismen der Replikation, Transkription, Translation (N. Ban)............................. 53 Allgemein.......................................................................................................................................... 53 Wichtige Forscher und Experimente................................................................................................ 55 DNA Replikation, Rekombination und Reparation........................................................................... 57 Transkription..................................................................................................................................... 66 Translation........................................................................................................................................ 72 E: Reaktionskinetik, Bindungsgleichgewichte und enzymatische Katalyse (R. Glockshuber)............... 82 Reaktionsgeschwindigkeit................................................................................................................. 82 Reaktionen 1. Ordnung..................................................................................................................... 82 Reaktionen 2. Ordnung..................................................................................................................... 84 Reaktionen pseudo 1. Ordnung........................................................................................................ 86 Reaktionen 0. Ordnung..................................................................................................................... 86 Zweizustands Gleichgewicht............................................................................................................. 87 Aktivierungsenergie und Katalyse chemischer Reaktionen.............................................................. 88 Protein-Liganden Bindungsgleichgewichte....................................................................................... 91 F: Energiestoffwechsel: Katabolismus (J. Vorholt)................................................................................ 95 Allgemein.......................................................................................................................................... 95 Vorlesung 1: Einführung in den Stoffwechsel................................................................................... 96 Seite 1 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Vorlesung 2: Substratstufenphosphorylierung und energiereiche Verbindungen / Protonen- gekoppelte Phosphorylierung und ATP synthase............................................................................. 98 Vorlesung 3 - Oxidation organischer Verbindungen - Glykolyse, Gärung, Zitratzyklus, Fettsäureoxidation.......................................................................................................................... 104 Vorlesung 4 - Anaerobe Atmung / Oxidation anorganischer Verbindungen.................................. 108 Vorlesung 5 - Verwendung von Licht / Phototrophie..................................................................... 112 G: Baustoffwechsel: Anabolismus (J. Piel).......................................................................................... 118 Vorlesung 1: Zusammenhang zwischen Katabolismus und Anabolismus, Kohlenstofffixierung und Stickstofffixierung........................................................................................................................... 118 Vorlesung 2: Anabolismus II............................................................................................................ 123 H: Biogeochemischer Kreislauf der Erde (J. Vorholt).......................................................................... 132 Zusatzmaterial (Eventuell wichtig)...................................................................................................... 136 Seite 2 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 A: Einführung und Geochemie der Erde (D. Vance, J. Vorholt) Vorlesung 1 - Einheit und Vielfalt des Lebens Die Begriffe Symbiose, Mutualismus, Ökologie definieren Symbiose: Jegliche Interaktionen zwischen Organismen. Diese Interaktionen sind sehr wichtig für das Leben. Beim Parasitismus handelt es sich um eine Art Symbiose, bei welcher nur ein Organismus profitiert. Mutualismus: Symbiose, bei welcher zwei Partner von Organismen einen Vorteil voneinander haben. Ökologie: Untersucht die Natur von Interaktionen zwischen Organismen und ihrer biophysischen Umgebung. Beispiele für nutzbringende Symbiosen geben Flechten Cyanobakterien sind phototropher Bestandteil von Flechten. Darm (Human Gastrointestinal (GI) Tract) Besteht aus ca. 1013 Mikroorganismen (so viel wie Menschliche Zellen), welche verantwortlich sind für die Verdauung von Essen und für die Produktion von Nährstoffen. Ausserdem schützen sie den Menschen vor Pathogenen (schädliche Mikroorganismen). Wurzelbakterien Stickstoff Fixierende Bakterien, welche Wurzelzellen von Hülsenfrüchten kolonisieren (Wurzelknollen). Nitrognenase ist Sauerstoff sensitiv aber Sauerstoff wird für die ATP Herstellung benötigt. Die Pflanze produziert Leghemoglobin, um die Konzentration von Sauerstoff aus den Knollen zu entfernen. Zwergtintenfisch Gehen Symbiose mit biolumineszenten Bakterien ein. Der Fisch trägt die Bakterien v.a. auf der Bauchseite -> Tarnung. Seite 3 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Biomassezusammensetzung auf der Erde und in den wichtigsten Lebensräumen grob beschreiben Biomasse auf der Erde über Taxa Pflanzen: ca. 80% Bakterien: ca. 13% Archaeen, Pilze, Protisten, Tiere, Viren: ca. 7% Total Biomasse auf der Erde: ca. 550 Gt Gliederfüsser nehmen etwa die Hälfte der tierischen Biomasse an. Menschen haben einen enormen Einfluss auf die totale Biomasse und Biomassenverteilung auf die Säugetiere. Bakterien dominieren in Bezug auf die Anzahl Individuen (1030 Bakterien) auf der Erde. Pflanzen dominieren in Bezug auf die totale Biomasse. Das Bild (links) vergleicht die beiden Zahlen oben pro Art. Seite 4 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Biomassenverteilung in anderen Umgebungen Für Pflanzen und Pilze kommt die meiste Biomasse in terrestrischen Umgebungen vor. Für Tiere und Protisten kommt die meiste Biomasse in marinen Umgebungen vor. Für Bakterien und Archaeen kommt die meiste Biomasse im Unterboden vor. Wichtig: Biomasse allein gibt keine Aukunft über die fixierung von CO2: Etwa gleich viel CO2 wie in terrestrischen Systemen wird in marinen Systemen fixiert. Exemplarisch veranschaulichen, warum Physik und Chemie für die Biologie wichti g sind Grundsätzlich: Biologie = Physik + Chemie + Evolution Physik (Gesetze der Thermodynamik) Regeln der Thermodynamik 1. Konservation von Energie: Energie kann weder erstellt noch zerstört werden in einem isolierten System 2. Das Gleichgewicht der Entropie (= Mass der Unordnung) eines Systems tendiert dazu, die Entropie zu maximieren Transformationen streben immer den Zustand der grösseren Wahrscheinlichkeit an (exergonisch) oder werden gezwungen in die andere Richtung abzulaufen, die der kleineren Wahrscheinlichkeit (endergonisch). Das Leben versucht immer einen unwahrscheinlicheren Zustand anzustreben. Die Thermodynamik ist nützlich um Energiezustände eines biologischen Systems zu beschreiben. Man kann damit quantitative Voraussagen über den Energiefluss und die Anzahl individueller Reaktionen, Zellen, Gesellschaften und dem Ökosystem machen. Chemie Die wichtigsten Elemente der Biochemie sind: H, C, N, O, P, S. Auch andere Elemente können für Organismen wichtig sein wie Kationen/Anionen, Leben basiert vor allem auf Kohlenstoff. Es erlaubt, lange, genügend stabile/flexible Ketten Moleküle zu bilden, die für den Aufbau eines biologischen Systems wichtig sind. 50% aller Biomasse ist Kohlenstoff. Seite 5 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wichtige, das Leben charakterisierende Merkmale nennen und diskutieren können, warum sie zentral sind Was ist Leben? Definition von Erwin Schrödinger (1944): - Leben funktioniert nur, wenn negative Entropie erzeugt werden kann - Lebewesen müssen eine Art Code-Skript besitzen N. Lane: Leben ist die Nutzung chemischer Energie, mit dem Ziel, eine Kopie von sich selbst zu generieren. Dazu wird: Energiespeicherung, Informationsspeicherung und Replikation benötigt. Moderne Definition, Leben benötigt: - Metabolismus - Abgrenzung (von der Umgebung mit einem anderen Enthalpielevel) - Genetik und Vererbung - Evolvierbarkeit Informationsmakromoleküle sind Nukleinsäuren und Proteine Erlauben Zelluläre Operationen wie Energiespeicherung und Reproduktion Der rechts abgebildete Vorgang ist stark Konserviert (d.h. hat sich nicht verändert) und es gibt kein Organismus, welcher eine andere Informationsspeicherungsmethode besitzt. Seite 6 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Beschreiben, warum "Legosteine" vorgeschlagen wurden, um die Einheit in der Biologie zu veranschaulichen Weil in der Biologie aus Standarts eine komplexe Vielfalt gebildet werden kann ähnlich wie aus einzelnen Legosteinen, die zum Teil gleich zum Teil unterschiedlich sind z.B. ein Haus gebaut werden kann. Zellzahlen bei exponentiellem Wachstum berechnen und diese in Biomasse umwandeln (Hinweis: dies wird in der Gruppenarbeit "Biologie in Zahlen" geübt) Vorlesung 2 - Geschichte des Lebens auf der Erde und Einführung in die Evolution Wichtige Ereignisse in der Erdgeschichte und ihre Bedeutung beschreiben Allgemein: Leben ist an die Erde angepasst, führt aber zu dramatischen Änderungen in ihrer Geochemie. (Eon nicht wichtig) Beginn von Multizellulärem Leben: vor 1.75 Mia Jahren Meiose: Neuer Mechanismus zur Reproduktion. Ein neuer Organismus entsteht aus zwei Zellen gleicher Art Eukaryoten: Entstanden vor 2.5 Mia Jahren Ozonschicht: vor 2 Mia Jahren Leben in terrestrischen Systemen möglich Great Oxidation Event (GOE): vor 2.4 Mia Jahren begann oxygene Photosynthese: Langsamer Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre Beginn des Lebens (LUCA): Vor 4 Mia Jahren Metabolismus, DNA, RNA, Replikation, Proteinsynthese Leben gibt es seit 4 Mia. Jahren. Die Erde ist 4.57 Mia. Jahre alt. Durch den GOE entstand langsam viel O2, die aerobe Atmung wurde somit zu einem nützlichen Mittel für Lebewesen, Energie zu gewinnen. Seite 7 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die heutigen Archaeen, Eukaryoten und Bakterien entwickelten sich parallel und besitzen denselben Ursprung (vor ca. 4 Mia Jahren, Prokaryoten) -> LUCA (Last universal common ancestor, Ursprung des Zellulären Lebens. Bakterien und Archaeen sind prokaryotisch (= Prokarya). Eukaryoten sind eukaryotisch Basisbildungsblöcke von allem Leben ist universell. Bakterien und Archaeen haben eine hohe chemische Diversität. Durch die Nutzung von Redox Reaktionen hatten sie die Basis für Energieumsetzung, Replikation und Biomassenherstellung. Später sind aus ihnen die Eukaryoten entstanden, welche vor allem eine grosse organismische Diversität (viele unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen Funktionen) hatten. Die chemischen Stoffwechselvorgänge besitzen meist nicht so grosse Unterschiede. wurde die Komplexität von biologischen Systemen schnell stark erhöht. Die wichtigsten Zellbestandteile von Escherichia coli kennen sowie ihre ungefähre relative Zusammensetzung Vor allem Wichtig: Genomgrösse: 5 Mio BP ( 5000 Gene) Mehr Proteine im Zytoplasma als in der Membran Die Hälfte des Zellentrockengewichts sind Proteine ( 55%) gefolgt von RNA grösstenteils in Ribosomen ( 20%) und Lipiden ( 9%). Die Bedeutung der wissenschaftlichen Beiträge von Antoni van Leeuwenhoek, Robert Koch, Martinus Beijerinck, Charles Darwin, Alfred Wallace, Konstantin Mereschkowsky, Lynn Margulis nennen Antoni van Leeuwenhoek War vermutlich die Erste Person, die Bakterien gesehen hatte. Erfand das Erste Mikroskop -> Beginn der Erforschung der Mikrobiologie Seite 8 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Robert Koch Bekam 1905 den Nobelpreis für die Entdeckung des Erregers von Tuberkulose. War der Meinung, dass man Bakterien in Reinkultur züchten muss, um sie zu Erforschen. Hat Standartmedien für die Bakterienzüchtung eingeführt, die bis heute noch benutzt werden. Martinus Beijernick Hat das Prinzip der Anreicherungskulturen eingeführt. Verschiedene Medienzusammensetzungen können benutzt werden, um verschiedene Bakterienkulturen aus der gleichen Umweltprobe zu kultivieren. Charles Darwin (1837) Hat als erster damit begonnen, die Biologie als einen kontinuierlichen Prozess anzusehen Er hat folgende Prinzipien eingeführt 1. Vermehrung mit Modifikation 2. Gemeinsamer Ursprung 3. Graduell (allmählich) 4. Es kann zu Multiplikation von Spezies kommen 5. Natürliche Selektion Alfred Wallace (1858) Hat auch eine Evolution durch natürliche Selektion vorgeschlagen (wie Darwin). Konstantin Mereschkowsky (1910) Zwei Organismen, die unterschiedlich sind führen sich zusammen. War der Meinung, dass es schon früh im Lebensbaum 2 Symbiosen gab und glaubte, dass Mitochondrien und die Übertragung der Photosynthese auf einen bakteriellen Ursprung zurückzuführen sind. Lynn Margulis Hat sich dafür eingesetzt, dass der Endosymbiontentheorie mehr Beachtung geschenkt wird und hat dies auch erreicht. Seite 9 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Allgemeine Mechanismen benennen, die zur Evolution führen, und ihre Relevanz zu diskutieren Mutation und Horizontaler Gentransfer / Rekombination (Meiose) führt zu genetischer Variation. Natürliche Selektion (kann Innovationen erhalten aber nicht erstellen) und Gendrift (zufälliger Verlust von Sequenzen) führt zu der Sortierung von Genetischer Variation. Beispiele geben, wie mögliche evolutionäre Szenarien hergeleitet werden Von oben nach unten Nach dem Satz «Die Gegenwart ist der Schlüssel in die Vergangenheit». Z.B. Darvins Finken: Er hat welche Eigenschaften konserviert wurden und welche sich verändert haben. So lassen sich Rückschlüsse und Vermutungen auf dessen Evolution machen (welche Art von welcher Abstammt, Experimentelle Evolution Ein Bestimmter Startpunkt wird definiert und nach einer gewissen Zeit wird die Selektion geprüft. Bei dieser Art Experiment kann man genau prüfen, wann welche Mutation aufgetreten ist (da z.B. die Umgebung und Eigenschaften der Spezies am Startpunkt genau bekannt ist) Beim Experiment links handelt es sich um eine Agarplatte, welche unten mit Bakterien (weiss) versetzt wurde (ohne Antibiotika). Stufenweise wurde die Antibiotikakonzentration auf dem Agar von unten (keine Antibiotika) nach oben erhöht. Bakterien können erst in die nächste Stufe einwachsen, wenn sie eine Resistenz gegen Antibiotika aufgebaut haben. Bei jeder Stufe gibt es somit eine starke Selektion. Am Ende kann man prüfen, wie sich die Bakterien weiterentwickelt haben und wie sie Selektioniert wurden. Diese Erkenntnisse können dann helfen die Evolution besser zu verstehen. Monophylie und Polyphylie definieren und diese in phylogene tischen Bäumen erkennen Seite 10 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Monophyletische Gruppe bedeutet eine Gruppe mit demselben Ursprung. Eine Paraphyletische Gruppe besitzt ebenfalls einen gemeinsamen Ursprung aber nicht alle Nachkommen sind dieser Gruppe auch zugeordnet. Polyphyletische Gruppen schliessen den Vorgänger aus und können auch gewisse Nachkommen dieses Vorgängers ausschliessen. Obige Diagramme werden als Cladogramme bezeichnet und sind von der Zeit abhängig. Ausserdem kann der phylogenetischen Sequenz eine Hirarchie nach gewissen Regeln zugeordnet werden (Spezies, Art, Familie, Die Bedeutung molekularer Methoden zur Ableitung phylogenetischer Beziehungen nennen und wichtige Kriterien für die Auswahl molekularer Marker kennen Ribosomale RNA gibt es in allen Zellen und machte die Erstellung eines ersten Molokularen Lebensbaum möglich. Carl Woese erkannte, dass rRNA Sequenzen benutzt werden können, um Evolutionäre Beziehungen zu erforschen. Dabei wurde (1990) herausgefunden dass es nebst Bakterien und Eukaryoten eine neue Gruppe gibt: Archaeen. Wieso rRNA? - Universell - Funktionalität konstant (RNA -> AS) - Stark konserviert - Geeignete Länge, um Aufschlüsse über Evolutionäre Beziehungen zu geben Einen vereinfachten Woese-Lebensbaum zeichnen, der die Entwicklung seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren (LUCA) und die Beziehungen zwischen den Lebensbereichen zeigt Wichtig: Nur weil zwei Spezies direkt nebeneinader Stehen (nicht durch einen Strich verbunden) oder kürzere Linien besitzen bedeutet das nicht, dass sie nah miteinander Verwant sein müssen. Dicke Linien zeigen Organismen an, welche höhere Temperaturen benötigen zum Wachsen. Thermophile Organismen befinden sich auch Näher am Ursprung -> Macht auch Sinn, da die Ersten Organismen vermutlich an heissen Quellen entstanden sind. Seite 11 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Moderner Woese Lebensbaum Rote Punkte: Nicht kultivierbare Bakterien / Archaeen. Somit sind wir zurzeit Lediglich in der Lage, einen kleinen Teil der Prokaryoten zu kultivieren. Von den anderen (auch Micobial Dark Matter genannt) wissen wir zum Teil sehr wenig. Zusätzlich: Informationen zu Endosymbiontentheorie Zuerst wurde aus einer Kombination aus einem Archaeon und Bakterium eine Eukaryotische Zelle (LECA = last eucaryotic common ancestor). In einem 1. Schritt wurde eine Bakterienzelle in eine Eukaryotische Zelle aufgenommen -> Tierzelle mit Mitochondrium In einem 2. Schritt wurde in diese Tierzelle zusätzlich ein Cyanobakterium aufgenommen -> Pflanzliche Zelle mit Mitochondrium und Chloroplast Die Eukaryotische Zelle heute hat sowohl Gene von Bakterien und Archaeen: - Replikation, Transkription und Translation ist ähnlich wie die der Archaeen - Metabolismus ist ähnlich wie der Metabolismus der Bakterien Wenn man heute den genetischen Code von verschiedenen Eukaryoten mit denen von verschiedenen Archaeen und Bakterien vergleicht, so stellt man immer wieder Gemeinsamkeiten Seite 12 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 fest -> Indiz dafür, dass obige Theorie zu stimmen scheint. Dabei kann der eindeutige Vorfahre aber nicht genau bestimmt werden, da diese Fusion vor sehr langer Zeit passierte und es in der Zwischenzeit viel horizontalen Gentransfer gab. Ausserdem fand auch oft horizontaler Austausch von DNA statt. Ergebnis: Die Modernen Bakterien / Archaeen sind unterschiedlich von ihren Vorfahren. Diese Punkte machen einen Rückschluss auf die Evolution sehr schwierig. Den Unterschied des Lebensbaums von Woese zu den früheren Klassifikationssystemen zum Beispiel von Carl Linneus beschreiben Linneus war der Meinung, es gibt nur zwei Reiche: Pflanzen und Tiere Häckel war der Meinung, es gibt drei Reiche: Protisten (ein- bis wenigzellige, eigendlich nicht Verwandte Eukaryoten wie z.B. einige Alg Woese war 1977 der Meinung, es gibt sechs Reiche: Eubakterien, Archeabakterien, Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere. 1990 war er der Meinung, es gibt drei Reiche: Eukaryoten, Prokaryoten, Archaeen (auch heute noch gültig). Vorlesung 3 - Ursprung des Lebens Das Experiment mit dem Schwanenhalskolben von Louis Pasteur beschreiben und andere wichtige wissenschaftliche Beiträge nennen, die er geleistet hat (1864): In einem Schwanenhalskolben wurde kontaminiertes Nährmedium eingefüllt und der Komplette kolben samt Medium und Schwanenhals wurde Sterilisiert. Wenn der Kolben stehen gelassen wurde (kein kontakt mit Mikroorganismen, da diese im Schwanenhals gefangen sind) verfärbte sich das Nährmedium auch nicht. Wenn er leicht gekippt wurde (Kontakt mit Seite 13 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Mikroorganismen im Schwanenhals) dann verfärbte es sich. Dies war die Entstehung der Sterilisation. Ausserdem hat er: - Sterilisationsmethoden entwickelt, um Lebensmittel länger haltbar zu machen (Pasteurisation) - Fand heraus, dass lebende Organismen zwischen Optischen Isomeren unterscheiden können - Fand heraus, dass die Alkoholische Fermentation nicht nur ein chemischer sondern auch ein biologischer Prozess ist - Entdeckte Impfstoffe gegen Anthrax, Cholera und Tollwut Die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben beschreiben Haupt Herausforderungen für die Entstehung von Leben: - Physikalische Aufteilung (Barrieren zw. Umgebungen mit anderen Entropie Graden) - Eine Energiequelle (Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts verhindern) - Polymerisation - Katalysatoren - Akkumulation von organischen Molekülen (dass Metabolische Netzwerke entstehen können) - Entsorgung von Abfallprodukten um das erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts zu verhindern Baustoff und Energie wird benötigt: Zuerst Metabolismus Ohne Aufteilung keine Genetik oder Metabolismus: Zuerst Membranen Ohne Katalysatoren kein Metabolismus: Zuerst Proteine Darwi Zuerst DNA / RNA -> Es muss also alles gleichzeitig entstanden sein es handelt sich also um kein einfaches Problem -> es gibt keine primitiven Zellen/Organismen! Seite 14 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die wichtigsten Ansätze für Bottom -up- und Top-down-Betrachtungen über den Ursprung des Lebens nennen Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, den Ursprung des Lebens anzugehen: Top down oder bottom up. Top down: Biologie heute anschauen Die heutigen Organismen erforschen und z.B. deren Gemeinsamkeiten, Unterschiede, genetische Informationen vergleichen um zurückzurechnen, was am Anfang gewesen sein könnte Bottom up: Geochemie früher anschauen Überlegen, wie die Bedingungen vor dem Leben war und was für Voraussetzungen Leben benötigt. Darwin: Hatte die Theorie, es könnte ein «warmen kleinen Teich» gegeben haben mit Ammoniak, Phosphorsalzen, licht, wärme, Elektrizität usw. Alexander Oparin und John BS Haldane: Machten ein Experiment: Wenn UV Licht auf eine Mischung aus Wasser, CO2 und Ammoniak trifft, so entsteht eine breite Varietät von organischen Substanzen, inklusive Zucker und einige Materialien, die für Proteine benötigt werden. Theorie: Diese könnten auch vor der Entstehung des Lebens entstanden sein, sich angesammelt haben und aus dieser heissen, verdünnten Suppe könnte dann Leben entstanden sein. Theorien über den Ursprung des Lebens (präbiotische Suppe, RNA -Welt, Pyrit, Serpentinisierung) diskutieren und ihre Kernpunkte zu vergleichen Prebiotische Suppe Theorie (Siehe LZ oben) Experiment von Stanely Miller und Harold Urey (1953): Eine Mischung aus Wasser, Methan, Ammoniak und Wasserstoff wurde (unter sterilen Bedingungen) mit Elektrischen Funken versetzt. Danach wurde geprüft, ob organische Moleküle entstehen. Das Ergebnis: Es wurden kleine organische Moleküle nachgewiesen (wie z.B. Formaldehyd). Somit wurde bewiesen, dass sich organische Moleküle aus anorganischen Vorläufern gebildet haben könnten. Bestätigte die Hypothese von Oparin und Haldane. Probleme des Miller-Urey Experiments: - Thermodynamisch Plausibles Szenario für die Entstehung von Leben fehlt noch immer - Heute wissen wir, dass die Uratmosphäre vermutlich aus unproduktiven Molekülen wie CO2, N2 und H2O bestand und nur wenig H2 - Chiralität, wenn in der Chemie neue Produkte entstehen sind sie Grundsätzlich nicht chiral. Die Biologie benötigt aber chirale Moleküle Seite 15 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 RNA Welt Theorie (Leben könnte am Anfang auf RNA basiert sein) - RNA - - RNA hat Katalytische Aktivität: könnte seine eigene Synthese katalysiert haben - Die frühesten Viren haben sich durch RNA Genom ähnliche Zellähnliche Strukturen gebildet Proteine könnten dann später die RNA Katalyse ersetzt haben, DNA könnte später als Datenspeicher verwendet worden sein, da es stabiler ist. Pyrite (Leben ist durch Eisen-Sulfur Verbindungen entstanden) Günther Wächtershäuser (1990) Nach der Entdeckung von Black Smokers -> Theorie, dass diese der Ursprung von Leben gewesen sein könnten. Er war der Meinung, dass zuerst Metabolismus entstanden sein musste, dieser Metabolismus sah so aus, dass an diesen Smokern chemische Reaktionen stattfanden, die Energie erzeugten, welche von anderen Prozessen benutzt werden konnte. Im Gegensatz zur Ursuppentheorie hatte er vorgeschlagen, dass die Entstehung des Lebens an Oberflächen geschah. Grundsätzlich benötigte Leben eine Reaktion von CO mit FeS. Diese Edukte kommen beide an Black Smokern vor. Die Reaktion passiert spontan und kann etwas Energie freisetzen, welche grundsätzlich genutzt werden kann, um organische Synthese zu betreiben. Ausserdem kommen in der Biologie viele positiv geladene Teilchen (z.B. ATP) vor, die sich an dieser negativen Oberfläche (Smoker) anhaften können. Eisensulfid Blasen und Serpentinisierung (= Olivin + H2O -> Serpentin + Magnetit + H2) Michael J Russell (1994) war der Meinung, dass Leben in Blasen von Eisensulfid begonnen hat. Denn man hat Steine mit Blasen gefunden. Diese enthalten alkalische und hoch reduzierte hydrothermale Lösungen. Energie wurde so durch einen Protongradient zur Verfügung gestellt. Die RNA Welt ist vermutlich erst später entstanden, so vermutete er. Die Entdeckung der White Smoker (die er mit dieser Theorie vorausgesagt hat) ist ein Indiz dafür, dass eine Theorie stimmen könnte. White Smoker enthalten alkalische Blasen gefüllt mit Sulfid Lösung und hoch reduziertem H2. Erklären, warum die Methanogenese ein alter oder sogar erster Stoffwechsel von lebenden Organismen gewesen sein könnte Oben: Die Methanogenese, bei welcher aus Wasserstoff und CO2 Energie erzeugt wird. Es gibt auch heute Organismen, die diese Reaktion durchführen. Die untere Reaktion wird Acetogenese genannt. Beide Reaktionen sind exergon und finden somit freiwillig statt. Somit können durch die Reaktion von H2 und CO2 können (linear) immer kompliziertere organische auch heute noch wichtige Intermediate im Metabolismus von Organismen. Seite 16 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Es könnte natürliche Katalysatoren gegeben haben (z,B FeS- und NiS-Cluster), welche in der Geologie als Mineralien vorkommen. Auch in Katalysatoren der Biologie befinden sich zum Teil Metalle an den aktiven stellen. Durch diese Katalysatoren können sich dann aus H2 und CO2 CoA bilden. Die Hypothese: Leben könnte an hydrothermalen Systemen am Boden des Ozeans begonnen haben. - Ständiges Ungleichgewicht (Gradient) - Ständige Versorgung mit Energie (H2) - Geochemie kann die Produktion von Molekülen, welche für das Leben wichtig sind unterstützen - Mineralstrukturen konnten Barrieren bilden, um Moleküle zu konzentrieren Zusätzlich wie sah LUCA aus von «biology down»? LUCA musste eine Zelluläre Organisation gewesen sein, die mindestens 500 Gene und einen genetischen Code mit 64 Triplets besitzen musste. Laut einer Studie, die heutige Organismen verglich (und versuchte, konservierte Systeme zu erkennen) musste LUCA: - Anaerob sein - H2 abhängig sein - CO2 Fixierung betreiben - N2 Fixierung betreiben - Thermophil sein - Musste voller FeS und Übergangsmetall Cluster sein Seite 17 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 B: Bausteine Des Lebens (J.Piel) Vorlesung 1 Wichtige chemische Elemente der Zelle und die Elemente, die zum Aufbau von Biomolekülen verwendet werden kennen 6 Elemente (H, C, N, O, P und S [sehr selten Se]) formen fast alle Biomoleküle Spurenelemente geben Enzymen spezielle Funktionen Wissen, nach welchen Regeln man Atome zu Molekülen über Einfach -, Doppel- und Dreifachbindungen verknüpft und kennen das Konzept der freien Elektronenpaare Es gibt 2 Arten von Bindungen: Ionenbindungen und kovalente Bindungen Kovalente Bindungen Beispiele: H2, CH4, NH3 (mit einem freien Elektronenpaar), H2O Auch Doppel und Dreifachbindungen (sehr selten in Biomolekülen) möglich. Die räumliche Struktur und Ladungsverteilungen von Molekülen voraussagen können Tetraedrische Form: CH4: H Atome möglichst weit voneinander weg bei 109.5° Winkel NH3: H Atome möglichst weit voneinander weg bei 107.0° Winkel Chirale Kohlenstoffatome identifizieren können Grundsätzlich: Wenn ein C 4 Verschiedene Gruppen besitzt handelt es sich um ein chirales Molekül. Die Bindungen und Kräfte, die zwischen Atomen und Molekülen existieren kennen Zwischen Atomen: Kovalente oder ionische Bindungen. Bei Kovalenten Bindungen: grosse Differenz in Elektronegativität führt zu Dipolmoment und kann je nach Art der Geometrie des Moleküls zu einem Dipol Molekül führen. Seite 18 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Zwischen Molekülen: - Dipol-Dipol Kräfte und Wasserstoffbrücken (Bei partiell geladenen / Dipol Molekülen) Aufgrund von Wasserstoffbrücken ist Wasser bei RT flüssig. - Van-der-Waals Kräfte (Leichte, Temporäre Ladungsverschiebungen in Elektronenwolken, durch welche sich partiell positive und negative Enden in den Molekülen ergeben) Vorlesung 2 Die wichtigen funktionellen Gruppen in Biomolekülen kennen Grundsätzlich: Funktionelle Gruppen sind alles, was nicht das Kohlenstoffskelett eines Moleküls ist. Die Heteroatome (z.B. O, N, P, S [nicht C und H]) in funktionellen Gruppen fügen Dipole und freie Elektronenpaare für chemische Reaktionen an das Molekül. Für die Wichtigen Funktionellen Gruppen: Siehe «Important molecules and chemical structures». Abschätzen können, wie funktionelle Gruppen Eigenschaften von Molekülen wie Löslichkeit und Reaktivität beeinflussen. Löslichkeit - Anteil an Funktionellen Gruppen gross: Dipolanteil gross: Gut löslich in Wasser - Anteil Kohlenstoff Skelett gross: Dipolanteil klein: Schlecht löslich in Wasser Reaktivität - Grundsätzlich muss man sich überlegen, wo die Stelle ist, an welchem ein bestimmtes Atom an einem Molekül angreifen wird. Auf dies kommt man, wenn man sich überlegt, wie die Ladungen im Atom verteilt sind (links). Das aufgrund der Elektronegativitäten partiell negativ Geladene, rote Sauerstoff wird mit dem aufgrund der Elektronegativitäten partiell positiv geladenem Kohlenstoff reagieren. - Die meisten chemischen Reaktionen und Eigenschaften von (Bio-)Molekülen basieren auf Elektronenverteilungen in Funktionellen Gruppen Seite 19 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die wichtigsten Klassen von kleinen Biomolekülen kennen und ihren chemischen Aufbau beschreiben können Kleine Moleküle -> Makromoleküle Lipide Carbohydrate (versch. Zucker) -> Nukleoside, Nukleotide -> Nukleinsäuren (DNA, RNA) Aminosäuren -> Proteine Fettsäuren sind lange Kohlenstoff Wasserstoff Ketten, welche an einem Ende eine Carbonsäure enthalten. Diese Ketten können Einfach- und Doppelbindungen (ungesättigte Fettsäuren) oder nur Einfachbindungen (gesättigte Fettsäuren) enthalten. Lipide sind amphipathisch (= amphiphil), haben also einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil. Sie formen in Wasser Micellen. Aus 3 Fettsäuren an einem Glycerin entsteht ein Lipid. Kohlenhydrate sind Zucker (z.B. Glukose) welche aneinandergebunden sein können. Wichtig bei Glukose: Es gibt in Wasser 2 verschiedene Formen: Zyklisch (Hemiacetal) und Offenkettig (Aldehyd). Das rote Sauerstoffatom (partiell negativ) wird eine Bindung mit dem partiell positiv geladenem C Atom ganz oben eingehen (siehe vorherige Vorlesung). Der Grund wieso genau dieses Sauerstoffatom ist, dass ein Sechsring (ein Ring bestehend aus 6 Atomen) extrem stabil ist. Viele Kohlenhydrate besitzen OH Gruppen (Hydroxyd) an den meisten C Atomen und besitzen eine Molekulare Summenformel der Form: Cn(H2O)n Aminosäuren können verbunden werden und Peptide oder Proteine bilden. Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, allerdings reicht das nicht ganz, dass alle Reaktionen, die in Zellen ablaufen katalysiert werden können. Einige Reaktionen müssen durch Koenzyme (z.B. Eisen-Schwefel Cluster) katalysiert werden. Diese Erweiterungen werden an ein Protein (z.B. durch Schwefel Cys Verbindungen) gebunden. Seite 20 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Chirale Kohlenstoffatome in Biomolekülen identifizieren können Wenn das C 4 verschiedene Gruppen besitzt, so ist es chiral. Fast alle natürlichen Kohlenhydrate sind D-Kohlenhydrate das bedeutet: Befindet sich die Aldehydgruppe oben (da am höchsten Oxidiert) so befindet sich die OH Gruppe am untersten C rechts. Wissen, wie kleine Molekülbausteine zu zellulären Makromolekülen kombiniert werden Peptide und Proteine aus Aminosäure Bausteinen Peptide besitzen 2 bis 100 Aminosäuren, Proteine bestehen aus mind. 100 Aminosäuren (bis Nucleotide werden wie rechts gezeigt aneinandergehängt und formen so DNA Stränge. Seite 21 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 C: Makromoleküle: Proteine, Membranen und Transport (K. Locher) Proteine I: Primärstruktur und Sekundärstruktur I Übersicht Proteine sind lineare Polymere ("Polypeptide"), die aus L-a-Aminosäuren (AA) aufgebaut sind. Die Eigenschaften des Rückgrats eines Proteins sowie die Interaktionen der AA Seitenketten ermöglichen und beeinflussen dessen Faltung. Die 3D Struktur eines Proteins enthält Sekundärstrukturmotive und Domänen. Proteine haben titrierbare Seitenketten und interagieren mit Wasser, Salzen und anderen gelösten Stoffen. Die 3D Struktur sowie Funktion / Mechanismus eines Proteins sind konserviert, nicht die Sequenz. Form und Funktion eines Proteins hängen eng zusammen. Membranproteine haben hydrophobe Oberflächen, die mit Lipiden wechselwirken. Quartärstrukturen ermöglichen unter anderem die Kombination verschiedener Funktionen und Aktivitäten. Die Faltung eines Proteins ist ein kooperativer Prozess, bei dem die aktive Struktur der Konformation mit der Energie entspricht. Proteine sind dynamisch, besonders an der Oberfläche Viele Protein sind chemisch modifiziert (PTMs). Wie untersucht man Proteine? Struktur Proteine sind zu klein um mit sichtbarem Licht visualisiert werden zu können, deshalb werden generell indirekte Methoden angewandt. Proteine können gereinigt werden oder im biologischen Kontext untersucht werden. Je reiner das Protein, desto höher die Auflösung. Funktion Auch die Funktion von Proteinen kann im Kontext der Zelle (in vivo) oder im Reagenzglas (in vitro) untersucht werden. Reaktionsmechanismen können auch mit dem Computer simuliert werden (in silico). Wenn ein gereinigtes Protein im Labor untersucht wird, braucht es einen "Assay" (experimenteller Ansatz) Seite 22 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Proteinstrukturen Primärstruktur: Einzelne Atome und ihre Verbindungen Sekundärstruktur: Alpha Helices Beta Faltblätter Tertiärstruktur: Fertig gefaltete Form eines ganzen Proteins vom Anfang bis zum Schluss Quartärstruktur: Wenn mehrere Proteine sich zusammenlagern und dadurch weitere Funktionen enthalten pH abhängige Ladung der Seitenketten Henderson-Hasselbalch Gleichung: Typical pKA weil: Gilt sobald keine äussere Beinflussung. Zb Protein Faltet und in unmittelbarer einer Gruppe Nachbarschaft kommt eine andere Gruppe, die ebenfalls aktiv ist -> pKa Werte verschieben sich Wieso gibt es in der Biologie nur 20 Aminosäuren? Zwei Überlegungen: Chemie: Anstelle von Serine Homoserine (Eine Methylengruppe mehr als Serine) -> Führt zu einer Aminosäuren internen zyklischen Bindung und somit zu einer Destabilisierung der Peptidkette. Dies ist bei Serine nicht möglich (zu wenige C) Evolution: Die 20 Aminosäuren sind selektioniert worden während sich die metabolischen Stoffwechselwege entwickelt haben. Somit müssen Aminosäuren ähnlich sein, wie die anderen Metaboliten. Ausserdem können es nicht viel mehr Aminosäuren sein, da lediglich 64 Codons (siehe DNA Teil) verfügbar sind. Seite 23 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Peptide aus L-Aminosäuren Aus Kondensation entsteht eine neue trans-Peptidbindung. Backbone: Alles ausser R1 und R2 (nicht variabel, vorgegeben) Ein Protein Zeichnen, Tetrapeptid mit dem Code C-F-P-N: Eigenschaften der Peptidbindung Die Realität liegt eher auf der unteren Grenzstruktur. Folge: Im Gegensatz zu einer Esterbindung lassen sich Peptidbindungen nicht drehen. Peptidbindungen sind entweder trans- oder cis-. Trans / Cis Peptidbindungen Trans Peptidbindungen kommen viel häufiger vor, weil sie Energetisch günstiger sind (Gauche WW). Seite 24 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Einzige Ausnahme: Proline (rechts). Bei dieser sind beide Konfigurationen relativ ungünstig (Gauche WW bei beiden Konfigurationen). Folge: Trans-Konfiguration kommt nur noch etwas häufiger vor als cis-Konfiguration. Konsequenzen von obigen Überlegungen Polypeptide sind wie «Plättchen» und lassen sich nicht drehen wie man will -> Faltung der Polypeptidkette ist sehr limitiert. Torsionswinkel Phi ( ) und Psi ( ) und Ramachandrandiagramm Optimal: -80° Ramachandrandiagramm Würde man für jede einzelne Aminosäure in einem Polypeptid einen Wert für seine zwei Winkel ( und ) bestimmen, befänden sich praktisch alle diese Winkel im dunkelblauen Bereich im Diagramm oben. Die hellblauen oder weissen Bereiche machen nur wenige Prozent aller Winkel aus. Seite 25 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Grund dafür: Gauche Wechselwirkungen (z.b. zwischen den Sauerstoffgruppen oder den Seitengruppen) lassen lediglich diese zwei optimalen Winkel zu. Folge: Es lassen sich genau 2 Sekundärstrukturelemente in Proteinen beobachten (die zwei dunkelblauen Kasten im Diagramm oben). Linus Pauling fand eine dieser zwei: die Alphahelix (durch falten eines Papiers). Proteine II: Sekundärstruktur II und Tertiärstruktur Helix Helix ist Rechtsgängig: Wenn man der Helix entlang schaut, wie «dreht» sie sich von einem weg? Bei rechtsgängig: Uhrzeigersinn -> Rechtsgängig Wasserstoffbrückenbindungen Sauerstoff von Carboxy AAn bildet eine Wasserstoffbrücke mit H von N AAn+4. 5 Angstöm Faltblatt Links abgebildet: Ein Blatt bestehend aus 3 Strängen (horizontal). Dieses Blatt ist so sehr gestreckt wie möglich, sodass die Winkel noch zu energetisch günstigen Molekülen führen. Pfeile laufen von N- zu C-Terminalem Ende. Die Stränge können parallel (oben) oder antiparallel (unten) verlaufen. ätter Werden ähnlich wie Helices durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Diese H Brücken müssen aber (anders als bei der Helix) nicht direkt mit nachfolgenden AA verbunden sein. Seite 26 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Form der ltblätter ist ein «pleated sheet», bei welchem die C Atome abwechselnd ganz oben oder ganz unten an einem Falt sind. Folge: AA Reste befinden sich abwechselnd auf der einen Seite des Faltblatts, dann auf der Anderen. Ramachandran und Sekundärstruktur Tertiärstruktur: Loops Loops (Turns) haben zwar eine feste, gegebene 3D Struktur sind aber nicht in eine Sekundärstruktur gefaltet. Somit befinden sie sich zwischen den Sekundärstrukturelementen. Tertiärstruktur: Motive Häufig beobachtete Kombinationen von Sekundärstrukturelementen. Wichtig: Strukturmotiv kommt vor in Proteinen, kann aber nicht von alleine diese 3D Struktur annehmen. Dafür werden Domäne benötigt. Seite 27 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Tertiärstruktur: Domänen Sehen auch aus wie Motive, haben aber einen Unterschied: Sind Autonom faltende (und faltbare) Proteinenteile. Somit nehmen Domäne nach einer gewissen Zeit automatisch ihre 3D Struktur ein, dies gilt nicht bei den Motiven. Es gibt single-domain und multi-domain Proteine. Bei single-domain Proteinen kann man nicht unbedingt ein Stück rausschneiden und erwarten, dass es sich wieder faltet. Bei multi-domain Proteinen kann man beispielsweise ein Stück einer anderen Domäne entfernen, und die anderen Domänen falten sich trotzdem korrekt. Beiträge zur Proteinstabilität Hydrophober Effekt. Kern mehrheitlich hydrophob, Oberfläche merheitlich hydrophil. Aber: Es gibt Spezialfälle Elektrostatische Interaktionen und H-Brücken im Kern Disulfidbrücken Gebundene Metallionen Vermeiden von Löchern Hydrophober Effekt Fett Tröpfchen in Wasser bilden mit der Zeit grössere Fett Tropfen, da dies Energetisch günstiger ist. (Wasser ist lipophob / Fett ist hydrophob, bleibt das Volumen gleich bei einer Erniedrigung der Oberfläche, wie es bei grösseren Tröpfchen der Fall ist, so werden einige Wassermoleküle frei und dies stellt den entropisch günstigsten Zustand dar). Seite 28 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Links benötigt das ungefaltete Protein viel mehr H2O um Käfige zu bilden. Wenn es jedoch gefaltet ist, so sind viele H2O Moleküle befreit und dies Stellt den entropisch günstigsten Zustand dar. Der Hydrophobe Effekt begünstigt somit die Faltung des Proteins. Elektrostatische Interaktionen und H -Brücken im Kern H-Brücken und elektrostatische Interaktionen sind stärker im Kern (=tiefe dielektrische Leitfähigkeit). An der Oberfläche Kompetition mit Wasser, solvatisierten Ionen etc. Je besser die internen (core) H-Brücken abgesättigt sind, desto (thermo-) stabiler ist ein Protein. Disulfidbrücken Zwei HS Gruppen von Cysteine bilden durch Oxidation eine Verbindung (Disulfidbrücken). Dazu wird ein Oxidationsmittel (O2) benötigt, welches im Zytoplasma nicht vorhanden ist. Im Blut beispielsweise schon. Aus diesem Grund findet man Disulfidbrücken vor allem bei Extrazellulären Proteinen. Seite 29 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Gebundene Metallionen Verschiedene in der Biologie vorkommende Metallionen haben eine stabilisierende Wirkung von Proteinen. Wenn ein Metallion eine Strukturelle Veränderung eines Proteins bewirkt und nachher im Protein eingebaut ist, so ist es nachher auch für die Stabilität des Proteins wichtig. Vermeidung von Löchern und gutes Packen H2O (im Durchschnitt ~1 pro AA Seitenkette) füllt Löcher in Proteinen. Veränderung der Seitenketten erlaubt Anpassungen, ermöglicht erhöhte oder erniedrigte Rigidität. Je besser das VdW Packing, desto thermostabiler ein Protein. Proteine III: Quartärstruktur und Proteindynamik Nomenklatur Multimere Besteht ein Protein aus 2 Subunits: Dimer 3 Subunits: Trimer 4 Subunits: Tetramer Besteht es aus mehr als einer Untereinheit (Subunit) wird es Multimer benennt. Besteht es aus verschiedenen Untereinheiten: Hetero-. Sonst: Homo-. Beispiel: 3 identische Subunits: Homo-Trimer. Pseudosymmetrie: Nicht zu 100% echte Symmetrie, kommt häufig in Proteinen vor Globulär vs. Faserproteine: Globuläre Proteine besitzen eine Kugelähnliche Tertiär- oder Quartiärstruktur Faserproteine sehen aus wie lange Fäden. Sie werden durch nicht kovalente Interaktionen zusammengehalten, welche durch kovalente Interaktionen verstärkt werden (z.B. Disulfidbrücken) Quartiärstruktur: Disulfidbrücken in Antikörpern IgG Typ Antikörper Struktur Seite 30 von 136