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 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Bestehend aus zwei heavy chains (blau) und zwei kleineren Peptiden (pink), welche durch Disulfidbrücken zusammengehalten wird (da O2 vorhanden). Scharnier (in der Mitte) ist nicht starr und die 3 Domänen können sich somit frei bewegen. Funktionelle Aspekte der Quartiärstruktur Fine-tuning der Reaktivität (Bsp. Hämoglobin besteht aus 2 - und 2 -Untereinheiten): kann erreichen, dass in der Lunge Sauerstoff ausgezeichnet gebunden wird, dieser Effekt aber verloren geht, sobald das Hämoglobin am Zielort des Sauerstoffs angekommen ist. Modularität (Von Oligomeren bis zu riesigen Assembly lines, z.B. Polyketidsynthasen): Viele Reaktionen am Substrat können an Ort und Stelle mit hoher Effizienz durchgeführt werden Proteindynamik Allgemein Sowohl kovalente als auch nicht-kovalente Bindungen schwingen. Oberflächen-Seitenketten viel dynamischer Proteinfaltung Die gesamte Information zur Ausbildung der 3D Struktur ist grundsätzlich in der Sequenz gespeichert. Dies gilt aber lediglich für ganze Protein Domänen Sequenzen. Werden die Betrachteten Protein Sequenzen zu klein, so ist nicht zwangsläufig klar, wie die 3D Struktur aussehen wird. Protein folding problem: Die 3D Struktur vorauszusagen ist nicht so leicht, wenn lediglich die 1D Struktur bekannt ist. Seite 31 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Durch die Tabelle links lassen sich voraussagen machen, sofern genügend AA betrachtet werden können (Slider window). Ausserdem können ähnliche Proteine zum Vergleichen herangezogen werden, um die 3D Struktur eines Proteins vorherzusagen (template based modeling). Aber: Die Voraussage einer 3D Struktur de novo ist relativ schwer, selbst wenn ein Template verfügbar ist. Diese Voraussage ist umso schwieriger, je genauer diese Voraussage sein soll. Genauso ist das protein design extrem herausfordernd, insbesondere wenn es de novo geschehen soll und nicht auf ein Gerüst (scaffold) aufbauen kann. Levinthals Paradoxon Aufgabe: Ein Protein mit 100 AA-Resten soll seine 3D Struktur erlangen, indem jede AA (Seitenkette Phi-Psi) ein Total von drei Konformationen testet, unabhängig von den anderen AA. Falls es 10-13 s dauert, um eine komplette 3D Struktur des Proteins in die nächste zu konvertieren, wie langedauert es, bis das Protein alle Kombinationen durchgespielt hat? Das Protein würde also länger benötigen, als das Universum existiert, um sich zu falten. Irgendwas kann nicht stimmen. Denn Realität: Protein faltet in ca. 1 s. Lösung des Paradoxons Die korrekt gefalteten Zwischenzustände werden sukzessiv (=nach und nach) stabilisiert (comulative selection), was um Grössenordnungen effizienter ist. Die Faltung ist also ein kooperativer Prozess, die Proteine bekommen mit, ob sie richtig gefaltet sind oder nicht. Treibende Kraft: Freiheit des Wassers. Zwar haben die Protein Atome Freiheit eingebüsst, aber die Wassermoleküle an Freiheit gewonnen (Hydrophober Effekt). Seite 32 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Proteinfaltung und Entfaltung Bei globulären Proteinen (-domänen) gibt es meist einen einzigen, scharfen Übergang zwischen der gefalteten (=native Konformation, so wie das Protein in der Natur vorkommt und auch wirksam ist.) und ungefalteten (=denaturierten) Form. Denaturanten Denaturanten wirken chaotrop, sie zerstören nicht-kovalente (und zum teil kovalente) Bindungen des Proteins. Auch Hitze wirkt denaturierend (durch erhöhung der Schwingungen der Atome des Peptids) kann aber auch schäden an der Chemischen Struktur bewirken. Werden hydrophobe AA aus dem Kern der Lösung zugänglich, kann der Entfaltungsprozess irreversibel werden (oder zumindest kann das Protein nicht mehr in nützlicher Zeit zurückfalten). Das Anfinsen Experiment Durch Denaturierung wurden die nicht kovalenten, aber auch die kovalenten Bindungen (Disulfidbrücken) eines Proteins zerstört. Als man ihm die Möglichkeit gab, sich erneut zu falten, so zeigte das Protein keine (extrem geringe) Wirkung mehr. Durch Zugabe von kleinen Mengen denaturierender Substanz hat man dem Molekül die Möglichkeit gegeben, «falsche» Disulfid Brücken zu brechen und sich neu zu falten. Das Ergebnis: Das Protein wurde wieder aktiv (hat sich richtig gefaltet). Seite 33 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Redox Chaperone In Zellen funktioniert dieser Prozess mit kleinen Mengen an denaturierender Substanz um die Proteinfaltung zu verbessern genauso: redox Chaperone (ein Enzym) brechen falsche Disulfidbrücken im Protein und helfen ihm, Disulfidbrücken zu bilden. Auch die Bildungen von nicht kovalenten Bindungen werden durch redox Chaperone unterstützt. Metamorphe Proteine Proteine, welche mehr als eine stabile Struktur einnehmen können werden metamorphe Proteine genannt und sind sehr selten. Ähnliche Struktur vs. Ähnliche Sequenz z.B.: Cytochrom c von Thunfisch und von einem Bakterium haben eine sehr ähnliche 3D Struktur, sind sich aber in der AA Sequenz nicht einmal ähnlich. Es gibt aber trotzdem gleiche AA in beiden Proteinen an derselben Stelle, welche für die Funktion derart wichtig sind, dass sie nicht ausgetauscht werden können. Diese AA werden Essenzielle Aminosäuren genannt. Aktive Stelle Faltung führt bei Enzymen dazu, dass sich eine aktive Stelle bildet Dabei kommen oft in der Sequenz weit Entfernte Seitenketten in direkte räumliche Nachbarschaft, was eine Aktivierung zur Folge haben kann Beispiel: Serinprotease Trypsin, katalytische Triade ändert den pKa des Serins (lokaler pKa) Seite 34 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Proteinoberfläche: Erkennung / Interaktion Protein-Protein-WW bedingen komplementäre Interaktionsflächen Oft spielen Ladungen eine Rolle, aber eine passende Form ist Voraussetzung Beispiel: Ein Vitamin-B12 Transportprotein und dessen Rezeptor auf der Zelloberfläche Konformationelle Änderung und katalytische Zyklen Proteine können mehrere Konformationen einnehmen, die sich strukturell unterscheiden. Dabei wird aber die Architektur nicht grundlegend verändert. Für viele von Proteinen katalysierten Reaktionen sind solche Konformationsänderungen essentiell. Beispiel: Ein ATP-abhängiges Transportprotein Posttranslationale Modifikationen (PTMs) Kovalente Modifikationen von Proteinen nach der Translation (Translation = Proteinsynthese durch das Ribosom (siehe Slider Window)) Es gibt sehr unterschiedliche Modifikationen mit verschiedenen zellulären Konsequenzen PTMs können die Reaktivität eines Proteins verändern (Regulation), die Konformation beeinflussen oder als Signal dienen Es ist nicht in allen Fällen gegeben, dass sämtliche von der Zelle hergestellten Kopien eines Proteins modifiziert sind. PTMs können lösliche Proteine in Membranen verankern Komplexe Proteinmodifikationen Kohlenhydrate bzw. komplexe Glycane spielen eine wichtige Rolle bei sekretierten Proteinen in eukaryotischen Zellen. Z.B.: An ein Protein ist ein Zucker gebunden, welcher für Aktivität und Regulität des Proteins sorgt. Green Fluorescent Protein Wichtiges Beispiel einer Modifikation, bei der keine chemische Verbindungen kovalent an das Protein gehängt werden. Aus den Seitenketten ensteht unter Sauerstoffverbrauch ein Fluorophor (Fluoreszenter Stoff). Seite 35 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Membranen I: Phospholipide, Detergentien und Membrandynamik Übersicht Zelluläre Membranen trennen Innen- von Aussenseite einer Zelle oder Zellorganellen / Kompartimente. Zelluläre Membranen sind nicht-kovalente Aggregate von Lipiden, deren chemische Struktur/Natur je nach Zelle und Organismus unterschiedlich ist. Lipiddoppelschichten sind dynamische und fluide Strukturen, die 2D Diffusion zulassen. Die zellulären Membranen sind asymmetrisch sowohl bezüglich der Lipidzusammensetzung ihrer beiden Schichten als auch der Modifikationen der Membranproteine. Zelluläre Membranen sind semi-permeabel. Zelluläre Membranen sind häufig polarisiert, d.h. es bestehen elektrochemische Potentiale. Zelluläre Membranen enthalten Membranproteine, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Transport- und Kanalproteine ermöglichen den Transport von spezifischen Substraten. (Nicht alle Formen von Transport, z.B. Endozytose u.ä., werden hier besprochen). Fettsäuren Nomenklatur Ungesättigt: Mind. 1 Mehrfachbindung im Alkylrest Gesättigt: Nur Einfachbindungen im Alkylrest Zählung: Beginnt immer beim C, welches am höchsten oxidiert ist Bemerkung: Wieso links cis-? Die Bindungen, welche von der Doppelbindung weg führen zeigen in dieselbe Richtung. Es kommen fast nur cis- Fettsäuren in der Biologie vor. Andere Nomenklatur: Nomenklatur. Zählung beginnt bei letztem C des Alyklrests. Obiges Beispiel ist eine -9 Fettsäure. 2 Wichtige Fettsäuren für Prüfung Gesättigt: Palmitinsäure (Systematischer Name:Hexadecansäure) Schmelzpunkt: 63.1 °C Besteht aus Insgesamt 16 C Ungesättigt: Ölsäure, Oleinsäure (Systematischer Name: 9-Octadecensäure) Schmelzpunkt: 12°C Besteht aus Insgesamt 18 C. Ist eine cis- 9 Fettsäure bzw. eine cis- -9 Fettsäure. Seite 36 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Es gibt aber viel mehr Fettsäuren. Grund dafür ist, dass alle unterschiedliche Schmelzpunkte besitzen. Die Länge und Anzahl Doppelbindungen von in Membran verbauten Fettsäuren Beeinflusst die Eigenschaft der Membran. Glycerin, Phosphat Obige Verbindungen werden durch Veresterung (Kondensationsreaktion, Wasser entsteht) eines Glycerins und Fettsäuren gebildet. Wichtig: Glycerin ist nicht chiral, denn es ist Spiegelsymmetrisch, nicht rotationssymetrisch. Enzyme können zwischen den 3 C des Glycerins unterscheiden. Somit muss das Glycerin nummeriert werden (wie im mittleren Bild mit den pinken Zahlen). Kopfgruppen Kopfgruppen können sein: Serine Ethanolamine Choline Glycerol Inositol (Zucker, ) Wichtig: Auch ganzer Name nach IUPAC eines Phospholipids bilden können z.B. 1-Palmityl-2-Oleoyl-3-phosphatidylserine Seite 37 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Spezialfall mit vier Fettsäureresten (Wichtig für Form der Membran) Phospholipide und Detergentien in Wasser Phospholipide Phospholipide können in wässriger Lösung Doppelschichten bilden (im idealfall). Diese können auch übereinander Aufgebaut sein (wie eine Zwiebel). Phospholipide bilden eine trübe Suspension in Wasser. Detergentien Seite 38 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Sind ähnlich aufgebaut wie Phospholipide, besitzen eine hydrophile Kopfgruppe und einen hydrophoben Rest und können geladen sein (z.B. SDS). Detergentien liegen in Wasser in Monomeren (einzelne Moleküle) vor. Ab einer gewissen Konzentration (kritische Konzentration) bilden sich Mizellen (oben links) in Wasser. Die Konzentration an Monomeren bleibt trotz höherer Konzentration an Detergens gleich. Da Mizellen viel kleiner sind als das sichtbare Licht, bildet sich eine klare Suspension in Wasser, selbst wenn Mizellen vorliegen. Oberflächenspannung Wie im Diagramm oben wird langsam die Konzentration an Detergens erhöht von links nach rechts. Mit der Zeit nimmt die Oberflächenspannung des Wassers (y Achse) ab und zwar so lange, bis die kritische Konzentration für Mizellen erreicht ist, und fast keine weiteren Monomere vorhanden sind. Daraus kann man schliessen, dass es die Monomere sind, die die Oberfläche des Wassers beeinflussen und zwar indem sie ihre hydrophoben ketten aus dem Wasser halten. Detergentien vs. Phospholipide : Eigenschaften / Unterschiede Detergentien und Phospholipide sind amphipathische Moleküle (g) Detergentien sind generell gut wasserlöslich und bilden spontan Mizellen, wenn die Konzentration über der CMC (critical micelle concentration) liegt. (u) Detergentien können hydrophobe Moleküle umschliessen und sie so wasserlöslich machen (emulgieren). Das wird in Waschmitteln, Seife etc. ausgenützt. (u) Phospholipide sind schlecht wasserlöslich und bilden keine Mizellen, sondern oft Lipiddoppelschichten (bilayers). Aber: Lysophospholipide können wie Detergentien wirken. (u) Detergentien (insbesondere geladene, z.B. SDS) können Proteine denaturieren, Phospholipide nicht. Milde, non-ionische Detergentien (z.B. Dodecylmaltoside oder Digitonin) können Membranproteine solubilisieren ohne ihre 3D Struktur zu zerstören. (u) Seite 39 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Solubilisierung von Membranen, Denat urierung von Proteinen Lösung mit Membranen Gibt man in eine Lösung mit Membranen Detergens, so schleusen sich die Detergens Moleküle in die Membran und ab einer gewissen Anzahl dieser Moleküle dominiert das Verhalten der Mizellen und die Membran löst sich auf. Es entstehen gemischte Mizellen. Lösung mit Proteinen Gibt man Detergens in eine Lösung mit einem Protein, so lagert sich der Hydrophobe Teil der Detergens an das Molekül und entfaltet so das Protein, sofern genügend Detergens zugegeben wurde. Form von Detergentien und Phospholipiden Gewisse Organellen haben Membranen, welche extrem stark gekrümmt sind. Im Bild links sieht man das inner Leaflet (grün und rot), welches nur wenig Platz für die Kopfgruppe hat und somit aus Phospholipiden besteht, welche kleine Kopfgruppen besitzen. Im outer Leaflet (gelb und orange) befinden sich Phospholipide, welche grosse Kopfgruppen besitzen. Auch der hydrophobe Teil hat einen Einfluss auf die Wahl der Phospholipide, jedoch werden diese verändert, so verändert sich auch die Fluidität der Membran. Seite 40 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Dynamik einer Membran Membranen sind extrem dynamische Gebilde. Moleküle wechseln ihre Position entlang der Membran (2D Diffusion, schnell) und sogar die Seite der Membran (Flipflop, langsam). Dies lässt sich auch durch die folgenden 2 Experimente beweisen. Fluoreszenzregenerierung nach Bleichen mit Licht (FRAP) Eine Zelle mit fluoreszierendem Protein an der Oberfläche (in der Membran) wird mit einem Laser beschossen und so wird der Fluorophor zerstört. Es bildet sich eine nicht fluoreszierende Stelle. Diese verschwindet mit der Zeit. -> Membranmoleküle bewegen sich 2D auf der Membran. Verschmelzen von Zellen aus z.B. Mäusen und Menschen Zwei Zellen mit unterschiedlichen fluoreszierenden Proteinen werden fusioniert. Mit der Zeit vermischen sich die beiden Farben vollständig miteinander -> Membranmoleküle bewegen sich 2D auf der Membran. Seite 41 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Phasenübergang Stabilität der Membran ist von Fluidität abhängig. Die Temperatur des Phasenübergangs ist die «melting Temperature» (Tm). Beeinflussung von Tm durch unterschiedliche Ketten Tm (ein makroskopischer Parameter) wird stark von der Länge der Fettsäureketten sowie der Anzahl cis/Z Doppelbindungen ("degree of cis unsaturation") beeinflusst. Kürzere Fettsäureketten ermöglichen weniger Van der Waals Wechselwirkungen zwischen benachbarten Phospholipiden, was die Fluidität der Membran erhöht und Tm erniedrigt. Knicke ("knicks") in ungesättigten Fettsäureketten (cis/Z Doppelbindungen) erschweren das enge Packen benachbarter Phospholipide und erniedrigen stabilisierende VdW Interaktionen und somit auch Tm. Beeinflussung von Tm durch Cholesterin In tierischen Membranen ist die Fluidität der Phospholipid Doppelschichten stark von Cholesterin, in Pilzen von Ergosterol und in Pflanzen Phytosterole (und etwas Cholesterin) Cholesterin ist ein starres Molekül, dessen Hydroxylgruppe mit den Kopfgruppen der benachbarten Phospholipide interagiert. Der polycyklische Kern und die isooctylgruppe wechselwirken mit den Fettsäureresten und erniedrigen deren Beweglichkeit Cholesterin verbreitert den Phasenübergang der Membran (gelartig fluid). Es sitzt starr in der Membran und erniedrigt die fluidität der anderen Alkylreste. Cholesterin verbreitert den Phasenübergang einer Lipidmembran. Unter der Tm erhöht Cholesterin die Fluidität, weil es die VdW Interaktionen von starren Fettsäureketten stört. Über der Tm erniedrigt Cholesterin die Fluidität, weil es durch seine starre Form die hohe Dynamik der Fettsäureketten erniedrigt. Seite 42 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Hopanoide «bakterielles Cholesterin» Auch Bakterien besitzen Moleküle, um die Liquidität der Membran herabzusetzen, die Hopanoide. Es gibt Bakterien, welche diese nicht besitzen, und dessen Membran ist viel instabiler. Lipide in Archaeen Gesättigte Form von Geranylgeranyl (20 Kohlenstoffe). Keine Doppelbindungen: Sauerstoffunempfindlich, keine Oxidation. Etherbindung: Viel stabiler in Bezug auf Hydrolyse als Esterbindung. Tetra-Ether: Noch grössere Stabilität, geringere Dynamik in der Membran (keine eigentliche Lipiddoppelschicht mehr falls nicht gemischt mit GlycerolDiether Lipiden) Crenarchaeol: Zusätzliche Stabilität durch Ringstrukturen. Membranproteine Membranen II: KD Plots und Transport durch Membran Hydrophile Skala von Aminosäuren Experimentell: Man stellt einer Aminosäure eine hydrophile und eine lipophile Umgebung zur Verfügung und prüft, wo sich ein grösserer Prozentsatz AA befinden. Das Ergebnis ist, dass es tatsächlich eine «Rangliste» der Hydrophobie der AA gibt. Seite 43 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Analyse: In gelösten Proteinstrutkuren wird geprüft (Kyte & Doolittle haben dies durchgeführt): wie oft sieht man eine AA Seitenkette im Kern des Proteins und wie oft sieht man sie Exponiert. Das Ergebnis ist ebenfalls eine Rangliste der Hydrophobie. Werden beide Ranglisten vermischt so entsteht die kombinierte Kyte & Doolittle Hydrophobie Rangliste (links). Kyte-Doolittle-Plot Slider Window: Es wird z.B. Immer 10 AA verglichen und dieser Durchschnitt auf die Mitte des Slider Windows abgetragen. Durchschnitt AA 1 bis 11: Wert 6 Durchschnitt AA 2 bis 12: Wert 7 Durchschnitt AA 3 bis 13: Wert 8 Das ist auch der Grund, wieso bei 0 bzw. beim Schluss keine Werte im Plot gibt. Die Grösse des Slider Windows (wie viele AA) ist variabel. Wählt man es zu klein sieht man nichts (zu viele dicht aufeinander liegende Ausschläge). Wählt man es zu gross wird es zu ungenau. Plot interpretieren Im Diagramm links in Rot eine Transmembran Domäne (befindet sich in der Membran). Im Diagramm in orange ist eine lösliche Domäne, da Plot um 0 (befindet sich innerhalb oder ausserhalb der Membran). Im Diagramm in Hellblau sind Ausschläge nach oben angezeigt. Manchmal ist nicht ganz einfach zu erkennen, ob es sich (z.B. im Diagramm ganz in der Mitte) um zwei -Helices oder nur um eine handelt. Dafür wird die 3D Struktur benötigt. Seite 44 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Electrostatic surface potential Im Bild links ist weiss ungeladen, rot negativ geladen und blau positiv geladen. Der ungeladene weisse Teil muss sich in der Membran befinden und interagiert dort mit dem hydrophoben Teil der Membran. Blauer Ring in der Mitte: Effekt der Proteinherstellung. Arten von Membranproteinen Es gibt zwei Arten von Membranproteinen: -helikale Membranporteine (ein Beispiel davon oben) -barrel Membranproteine -barrel Membranproteine Kommen im Allgemeinen nicht in den gleichen Membranen wie -helikale MProteine vor sondern in «äusseren Membranen» von Bakterien und Organellen Voraussage auf Grund von Kyte Doolitle Plots wesentlich anspruchsvoller Bei beiden: Der Weisse Teil im ESP ist in die Membran eingebaut und ist auch der einzige Hydrophile Teil des Proteins. So wird verhindert, dass das Protein aus der Membran «rutschen» kann. Seite 45 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Membranprotein-Lipid-Wechselwirkungen Die Membran beeinflusst die Funktion von vielen Membranproteinen und umso stärker, je mehr konformationelle Änderungen Teil des Reaktionszyklus sind. (lateral pressure) Cholesterin und Phospholipide können stark an der Oberfläche von Membranproteinen gebunden sein. (Werden fast Teil des Proteins und Regulieren die Funktion des Proteins) Lipidgehalt und Ionen Die meisten biol. Membranen weisen eine Asymmetrie auf Die beiden Schichten enthalten unterschiedliche Antheile verschiedener Phospholipide Viele biol. Membranen sind «geladen» d.h. es existiert ein Membranpotential (praktisch immer innen negativ, aussen positiv, siehe Bild unten) Wenige biologisch relevante Lyophile (hydrophobe) Moleküle können (effizient) frei durch Phospholipid Membranen diffundieren entlang ihrem Konzentrationsgradienten. (In Tieren sind fast alle physiologischen Transmembranprozesse katalysiert, ausser die von Gasen). Wasser und Harnstoff können (aber nicht mehr so leicht) durch die Membran diffundieren, da sie genug klein sind. Biol. Membranen stellen eine effektive Barriere für ionische und polare Substanzen dar. (hydrophobe Zone der Lipiddoppelschicht ist eine sehr Ungünstige Umgebung für diese Substanzen) Fundament Transport durch Membran Membran: Passiver Transport: Entlang Konzentrationsgradient. Die treibende Kraft ist Diffusion von höherer zu tieferer Konzentration. Protein: Passiver oder aktiver Transport möglich: Aktiver Transport läuft entgegen dem Konzentrationsgradienten. Die treibende Kraft / Energie muss dann von gekoppeltem Prozess geliefert werden. Seite 46 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wassertransport Treibende Kraft: Osmose: Durch höhere Konzentration an gelöstem Stoff kann Wasser von der Seite mit weniger gelöstem Stoff durch eine semi-permeable Trennschicht (Membran) diffundieren. Dies passiert langsam und kann durch Aquaproteine beschleunigt werden. Wenn keine Stabilisierung der Plasmamembrane vorhanden ist (z.B. durch eine Zellwand), gefährdet eine hypotonische Umgebung (mehr gelöster Stoff auserhalb der Zelle) die Stabilität einer Zelle. Darum benötigen Organismen oder Zellen, die unterschiedlichen Umgebungen (isotonisch, hypertonisch, hypotonisch) ausgesetzt sind, Mechanismen oder Strukturen zur Stabilisierung der Plasmamembran. Die Mehrheit der tierischen Zellen (aber nicht alle) ist von isotonischen Lösungen (gleiche Konz. An gelösten Stoffen) umgeben. Gibbs Freie Energie und Transport Wenn c2 = c1 wird der erste Term 0. Wenn c2 grösser als c1 wird der 1. Term Positiv, sonst wird er Negativ. Seite 47 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Passiver Transport ungeladen (Beispiel: Glukose) Das Transportprotein ist spezifisch (unterscheidet zwischen Substanzen) -> spontan Es werden keine Ladungen verschoben (2. Teil der Gleichung vernachlässigbar) Alternating access: Alternierender Zugang zum Protein. Es sind nie beide Schleusen offen. Berechnung: Seite 48 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Passiver Transport geladen (Beispiel: Na+ und K+ Ionen) Der Transportprozess ist spezifisch (Verschiedene Kanäle für verschiedene Ionen). Der Transportprozess beruht auf Diffusion, ist reversibel und folgt dem -> Spontan). Da Ladungen verschoben werden: Zweiter Term muss auch berücksichtigt werden. Kanalproteine haben mechanismen, die Diffusion von Ionen stoppen (gating oder inactivation) Kanalproteine u.a. für Übertragung von Nervensignalen sehr wichtig. Berechnung: Seite 49 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Sekundärer Aktiver Transport Grüne Moleküle sollen entgegen ihrem Konzentrationsgradienten transportiert werden. In diesem Fall «bezahlen» pinke Moleküle für diesen Transport. Symport: Beide Transporte in die gleiche Richtung Antiport: Ein Transport in die eine Richtiung, der andere in die Andere. Berechnung: Seite 50 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Primärer Aktiver Transport Die NA/K ATPase pumpt Na+ und K+ Ionen, beide entgegen ihren Konz. Gradienten Der Prozess wird durch die ATP Hydrolyse ermöglicht, welche die notwendige Energie liefert. Die Aktivität dieses Transporters generiert einen Na+ Gradienten uns sorgt dafür, dass aktiver Sekundärtransport stattfinden kann. Ausserdem ermöglicht er die Wiederherstellung des Nervenzellen-Ruhepotentials. Berechnung: Seite 51 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Beispiel der Transporte in Darmepithelzelle Glukose wird Sekundär Passiv in die Darmepithelzelle aufgenommen durch Symport von Na+ (Zellen bauen Na+ Gradienten durch aktiven Transport auf) Die Glukose kann durch ein Protein (Passiver Transport durch Protein) in die Glukoseärmeren Kapillaren transportiert werden. Seite 52 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 D: Universelle Mechanismen der Replikation, Transkription, Translation (N. Ban) Allgemein Replikation allgemein: Extrem genau (1 von 10-10 Fehlerrate) DNA Synthese Korrekturlesung Reparieren Architektur und Geometrie von DNA Kovalente Struktur von DNA Zucker-Phosphat Backbone Verbunden durch Phosphodiester Verbindungen Variierende Basen Komposition, aber Komplementäre Basen (A, T und C,G) Seite 53 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Einige Wichtige Punkte und Zahlen zu DNA Struktur und Architektur (in normaler B Form): DNA Formt eine rechtsseitige Doppelhelix (Zwei einander entgegengesetzte Stränge, s.o.) Breite der DNA: 24 Å Distanz zwischen zwei Basen: 3.4 Å (kleinste Mögliche Distanz, ohne sterische Clashes) Turn zwischen zwei Basenpaaren: 36°. Somit: 10 Basenpaare ergeben 360° (einen vollen Twist in der DNA). 10 BP = 1 Twist. Major and Minor Groove side der Doppelhelix Major groove: Breit Minor groove: Schmal Zweite mögliche Form der DNA: A Form Wenn zu wenig Wasser verfügbar ist, bildet die DNA eine leicht mehr geöffnete minor groove und nicht mehr 10 Basenpaare für einen vollen Turn. Sie sieht aus wie die Doppelhelix von RNA. RNA bildet entweder mit sich selbst lokale Doppelhelices oder eine Doppelhelix mit einem komplementären Strang (wie bei der DNA) und bildet eine A Form. Zucker Falten Konfirmation ist der Grund für die unterschiedlichen Architekturen von A form und B form von DNA. DNA und Genetische Informationen Nukleinsäure (nucleic acid): Enthalten genetische Information über Nucleotide (nucleotides = Monomere der Nukleinsäuren) DNA (Genetischer blueprint) und RNA (Produkt der Transkription): Sind Polynucleotide, kurze Segmente von Nukleinsäuren werden Oligonukleotide genannt. Gen: Funktionelle Einheit der Genetischen Information. Gene sind Teil von genetischen Elementen: Grosse Moleküle und/oder Chromosomen Seite 54 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Grösse: Die Grösse von DNA wird in Basenpaaren angegeben (base pairs). 1000bp = 1kbp. at 4.46 Mbp) Die lineare Grösse von DNA ist um einige hundert Male grösser als die Zellen, Supercoiling sorgt dafür, dass DNA unterbringbar wird. Wichtige Forscher und Experimente Friedrich Miescher (1860): Entdeckte die DNA indem er Moleküle mit unterschiedlichen Eigenschaften und Proteinen von Zellkernen isolierte. Nannte die Substanz «Nuclein». Albert Kossel (Nobel 1910): Isolierte die Fünf Nukleotid Basen: Adenin, Cytosine, Guanin, Thymine und gab DNA seinen Namen. (die Funktion von DNA war noch nicht klar). Hershey-Chase Experiment (1952): Bestimmung, welches Molekül für die Weitergabe von erblichen Informationen verantwortlich ist. Versetzten einmal Schwefel Atome von Bakteriophagen nuklear (Bestandteil von Proteinen) und einmal Phosphor Atome (Bestandteil von DNA). Nach der Infektion fand man in den infizierten Zellen keine Spuren von radioaktivem Schwefel, jedoch von radioaktivem Phosphor -> Beweis, dass DNA Verantwortlich für Weitergabe von erblichen Informationen ist. Linus Pauling (1950er): Zeigte die Struktur der -Helix von Proteinen (Siehe Teil Experimente von Proteinen). Er dachte ausserdem, dass die DNA eine tripple Helix sein könnte (war der erste der die Struktur der DNA voraussagte). Erwin Chagraff: - Die Komposition von DNA Variert von Spezies zu Spezies (Relative Mengen A, C, T, G) - In allen Spezies: Gleich viele A wie T und gleich viele C wie T Rosalind Franklin: Durch X-Ray Diffraktion wurde aufgezeigt, dass die DNA in einer Helix vorliegt Watson and Crick (1953): Entschlüsselten die DNA Struktur (Doppelhelix). Ausserdem stellten sie fest, dass A und T sowie C und G starke Wasserstoffbrücken (Watson and Crick Basenpaare) bildeten sowie, dass nur ein Strang DNA mit ihren A, T, C und G Basenpaaren nötig waren, um den anderen zu kopieren. Meselson und F. Stahl (1958): Benutzten E. coli und zwei Isotope von Stickstoff (14N und 15N). Sie liessen die Bakterien in 14N Medium kultivieren (nur E. coli mit 14N) und transferierten diese Bakterien in 15N Medium. Ergebnis: Nach 20 Minuten (eine Zellteilung) war 14N 15N DNA vorhanden. Nach 40 Minuten (zwei Zellteilungen) war 14N15N und 15N15N DNA vorhanden. Dies bedeutet: Replikation ist semi-konservativ (Immer ein Strang vom alten Strang wird behalten). Seite 55 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Volkin and Astrachan (1958): Infizierten ein Bakterium mit einem Bakteriophagen (mit einem Strang DNA) und prüften die Mengen von Nukleotiden des DNA Templates und des RNA Produkts. Ergebnis: DNA A = RNA U DNA T = RNA A DNA G = RNA C DNA C = RNA G Dies Zeigte die Beziehung zw. Transkript DNA und dem RNA Produkt (T in DNA = U in RNA sowie die Beziehungen zwischen den Nukleotiden oben) Mit diesen Ergebnisen fanden später Francois Jacob, Sidney Brenner und Francis Crick heraus, was das mRNA Molekül ist. Sydney Brenner und Francis Crick: Entdeckten den genetischen Code: Crick and Brenner Bacteriophage T4 Genetisches Experiment (Versetzten RNA mit Chemikalien und erreichten so eine Verlängerung der RNA um ein Nukleotid, dies wurde 3 mal wiederholt und erst dann machte der Code wieder sinn -> Es muss sich beim genetischen Code um Triplets handeln) RNA Tie Club: Wollten den Genetischen Code entschlüsseln Marshall Nirnberg: Versuchte den Genetischen Code experimentell zu entschlüsseln. Verwendete Synthetisiertes polyU und mixte es mit Zellen. Das Ergebnis: Polyphenylalanin entstand. Er dekodierte somit den ersten Code: UUU -> Phe. Dann verwe