Molekulare Grundlagen der Vererbung und Entwicklungssteuerung 20
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20 Basiswissen Molekulare Grundlagen der Vererbung und Entwicklungssteuerung a. Replikation, Proteinbiosynthese, Wirkungsweise von Mutagenen Um die Replikation der DNA erläutern zu können, muss der Aufbau der DNA bekannt sein. Sollten die Kenntnisse über den Aufbau zur Erläuterung der unteren Abbildung nicht mehr ausreichen, müssen diese zuerst erlangt werden. Wichtig ist hier, dass die Nucleotide in der DNA zweifach miteinander verbunden sind, zum einen über die Phosphatgruppen zu einem Strang (hier sind die Bausteine frei kombinierbar und gewährleisten somit die Fähigkeit Informationen zu speichern) und zum anderen über die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. Hier gibt es nur zwei Kombinationen (zwischen A und T mit zwei, zwischen G und C mit drei Wasserstoffbrücken). Dadurch ist die identische Verdopplung möglich. Helicase DNA-Polymerase Replikationsgabel 3‘ kontinuierliche Synthese 5‘ 3‘ G 5‘ A RNA-Primer Primase DNA-Matrize 5‘ OKAZAKI-Fragment 3‘ 3‘ 5‘ diskontinuierliche Synthese 3‘ 5‘ Nucleotide T C DNA-Ligase 3‘ 5‘ Wanderungsrichtung der Replikationsgabel Schema der DNA-Replikation Nach Öffnung des DNA-Strangs lagern sich an beide offenen Einzelstränge die passenden Nucleotide an. Somit enthält jeder Doppelstrang einen elterlichen Strang und einen Strang aus Einzelnucleotiden, die aus dem Cytoplasma stammen (semi-konservative Replikation). Da die Synthese des neuen Einzelstrangs nur in 5`›3` Richtung möglich ist, kann nur einer der Einzelstränge kontinuierlich gebildet werden, die Synthese des anderen muss diskontinuierlich erfolgen. Die so entstehenden Teilstücke werden Okazaki-Fragmente genannt und durch das Enzym Ligase zusammengefügt. Die Umsetzung der Information der DNA in Lebensvorgänge steuernde Proteine (z. B. Enzyme, Carrier, Tunnelproteine, Myofibrillen u.s.w.) wird Proteinbiosynthese genannt. In diesem Verfahren werden entsprechend der Basensequenz der DNA spezifische Aminosäuren zu einer Kette verknüpft. Dabei entspricht ein bestimmtes Basentriplett (eine Folge dreier Basen) einer bestimmten Aminosäure in der zu bildenden Kette. Dieser Zusammenhang wird genetischer Code genannt (vgl. Code-Sonne S. 85/86). Er gilt für fast alle Lebewesen und ist somit universell. Da bei vier ver- Genetische und entwicklungsbiologische Grundlagen von Lebensprozessen schiedenen Basen und einer Informationseinheit aus insgesamt drei Basen insgesamt 43 = 64 Kombinationsmöglichkeiten bei nur 20 existierenden Aminosäuren zur Verfügung stehen, codieren teilweise mehrere Tripletts für die gleiche Aminosäure: „Der Code ist degeneriert“. Die Proteinbiosynthese läuft bei den Prokaryoten (Zellen ohne Zellkern, z. B. Bakterien) einfacher ab als bei den Eukaryoten (Zellen mit Zellkern). Bei den Prokaryoten geschieht die Umsetzung der Information der DNA in den Aufbau von Proteinen in zwei Schritten: der Transkription, also dem Überschreiben der Information von der DNA in die der mRNA und der Translation, d. h. der „Übersetzung“ der mRNA-Information in die entsprechende Aminosäuresequenz, die dann z. B. als Katalysator (Enzym) oder als Baustein für Zell- und Gewebestrukturen (z. B. Aktin, Keratin) fungiert. DNA Transkription m-RNA Translation Protein Schematische Darstellung der Proteinbiosynthese bei Prokaryoten Transkription Die DNA öffnet sich nach Bindung der RNA-Polymerase an dem Promotor (Abschnitt mit einer spezifischen Nucleotidsequenz), die Doppelhelixstränge liegen jetzt getrennt vor. An einem der beiden Stränge (codogener Strang) werden die zu diesem Strang komplementären Nucleotide in 5´›3´Richtung angelagert. Danach löst sich der neugebildete Nucleotidstrang (mRNA) von der DNA und wandert zu den Ribosomen. 5‘ DNAEntwindung 3‘ DNA-Matrizenstrang RNA-Polymerase neu hinzukommendes RNA-Nucleotid C G C A G T G A C U A U C C G Richtung der Transkription G 3‘ C Verlängerung der RNA G mRNA G DNARückwindung P 5‘-Ende P 3‘ Transkription P RNANucleotide 5‘ Promoterregion A C U G 21 36 Basiswissen Verflechtungen in Lebensgemeinschaften a. Biomasseproduktion, Trophieebenen, Energiefluss Lebewesen eines Ökosystems lassen sich unterschiedlichen Nahrungsstufen (Trophieebenen) zuordnen: Produzenten ‘ Primärkonsumenten ‘ Sekundärkonsumenten ‘ Tertiärkonsumenten Sekundär- oder Tertiärkonsumenten sind oft schon Endkonsumenten. Die Verflechtungen der unterschiedlichen Trophieebenen sind in einem Ökosystem nicht linear (Nahrungskette), sondern komplex (Nahrungsnetz). Trotzdem können aus den Verknüpfungen lineare Abhängigkeiten gesondert betrachtet werden. Zwischen diesen Ebenen variieren z. B. die Individuenzahl, die Biomasse und die Energieproduktion. Die Verhältnisse werden in einer Pyramide dargestellt. Sie unterscheiden sich je nach Ökosystem. Zahlenpyramiden Grasland gem. Breiten, Sommer Zahl der Organismen/1000 m2 1 Endkonsumenten Sekundärkonsumenten Primärkonsumenten Produzenten 90000 200000 1500000 Laubwald gem. Breiten, Sommer Zahl der Organismen/1000 m2 2 120000 150000 200 Biomassenpyramide Energiepyramide Fluss Silver Spring Florida, USA Biomasse in g/m2 Fluss Silver Spring Florida, USA, Bruttoprimärproduktion in KJ/m2/Jahr Endkonsumenten Sekundärkonsumenten Primärkonsumenten Produzenten 1,5 85 1600 11 37 14110 809 87400 Ökologische Pyramiden Die Nahrung, aus dem ein Lebewesen körpereigene Substanz aufbaut, enthält wesentlich mehr Energie als die aufgebaute Substanz. Außerdem wird ein großer Teil in Form von Wärmeenergie nach außen abgegeben. Die Energieweitergabe von einer Nahrungsstufe zur nächsten wird Energiefluss genannt. Von einer Stufe auf die andere verringert sich die Energie ungefähr um den Faktor 10. Ökologische Verflechtungen und nachhaltige Nutzung Globalstrahlung 12000 Atmung/Wärme Produzenten Brutto: 240 20 100 75 Primärkonsumenten 15 8 10 Sekundärkonsumenten 1 0,9 1 0,1 Endkonsumenten tote organische Substanz (Laub, Kot usw.) 120 35 Destruenten Energiefluss durch ein Musterökosystem (Angaben in kJ/m2/Tag) b. Biogeochemischer Kreislauf am Beispiel des Stickstoffkreislaufs Anorganische Stoffe werden von den Lebewesen aufgenommen und in verschiedenen Verbindungen innerhalb der Biozönose von Lebewesen zu Lebewesen weitergegeben. Bei Tod eines Organismus oder durch Ausscheidungen gelangen sie wieder in den abiotischen Teil des Ökosystems, von wo aus sie wieder von Organismen aufgenommen werden können. Solche Stoffkreisläufe existieren z. B. für Kohlenstoff, Kalium, Calcium oder Stickstoff. Kenntnisse des Kohlenstoff- und des Stickstoffkreislaufes werden in Abituraufgaben vorausgesetzt. Stickstoffkreislauf Alle Proteine und Nucleinsäuren enthalten Stickstoff. Obwohl Stickstoff mit 78 % größter Bestandteil der Luft ist, ist er oft Minimumfaktor, da er von vielen Organismen in dieser molekularen Form (N2) nicht aufgenommen werden kann. In den 37
