Script Biologie (Zusammenfassung) Annika Paysen Wintersemester 09/10 Inhaltsverzeichnis 1 Zellbiologie 1.1 Aufgaben von Membranen . . . . . . . 1.2 Aufgabe von Plasmamenbranen . . . . 1.3 Eine Membran ist umso fluider je höher 1.4 Stoffaustausch durch Membranen . . . 1.5 Cytosen sind aktive Transporte . . . . . 1.6 Verschlusskontake . . . . . . . . . . . . 1.7 Membranbegrenzte Kompartimente . . 1.8 Rauhes endoplasmatisches Retikulum . 1.9 Glattes endoplasmatisches Retikulum . 1.10 Der Golgi-Apparat . . . . . . . . . . . 1.11 Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . . 1.12 Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13 Chromatin (Nucleoprotein) . . . . . . . 1.14 Nucleolus . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15 Die Phasen des Zellcyclus . . . . . . . 1.16 Mitose - der Vorgang der Zellteilung . . 1.17 Die Meiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 3 3 4 4 5 5 5 6 7 7 7 8 8 9 9 2 Molekulare Biologie 2.1 Bauprinzipien der DNA . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 DNA-Replikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Der Vorgang der RNA-Synthese heißt Transkription 2.4 Eingeschaften des genetischen Codes . . . . . . . 2.5 Reifung von Proteinen . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Wirkungsweisen einiger Antibiotika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 10 10 12 12 12 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Genetik 3.1 Mendel erkannte die Grundprinzipien der Genetik . . . . . . 3.2 Rekombinationshäufigkeiten als Maß für die Entfernung zweier Gen-Orte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 ABO-Blutgruppensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Charakteristika des autosomal-dominanten Erbgangs . . . . 3.5 Charakteristika des autosomal-rezessiven Erbgangs . . . . . 3.6 Charakteristika des X-chromosomal-dominaten Erbgangs . . 3.7 Charakteristika des X-chromosomal-rezessiven Erbgangs . . 13 13 4 ENDE 16 2 14 14 14 15 15 15 1 Zellbiologie 1.1 Aufgaben von Membranen 1. Bildung von Kompartimenten 2. Oberflächenvergrößerung 3. Selektiver Austausch von Substanzen; selektive Permeabilität; Transporte für Aufnahme und Abgabe 4. Aufrechterhaltung von Gradienten 5. Erkennungsfunktion - Rezeptoren 6. Erregungsleitung 1.2 Aufgabe von Plasmamenbranen 1. Schutz nach außen 2. Abgrenzung außen gegen innen 3. Zusammenhalten des Zellinhalts 4. Aufrechterhaltung einer von der Umgebung abweichenden intrazelluären Millieus 5. Ausprägung der Zellindividualität (HLA; Blutgruppen, außen Glycosylierung) 6. Ausbildung eines molekularen Erkennengssystems durch zellspezifische Oligosaccherid-Muster 7. Interzelluläre Kommunikation durch Rezeptoren 1.3 Eine Membran ist umso fluider je höher 1. ihr Gehalt an Lipiden 2. ihr Gehalt an Cholesterin 3. der Anteil der ungesättigten Fettsäuren 4. die Temperatur 1.4 Stoffaustausch durch Membranen 1. Passive Transporte: nicht energieverbrauchend in einem Konzentrationsgefälle (a) Diffusion: Molekülbwewegung von Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration 3 (b) erleichterte Diffusion: Diffusion durch Membranen mit Hilfe von Permeasen (Transporter); molekülspezifisch (c) Osmose: Wasser- Diffusion durch semipermeable Membranen 2. Aktive Transporte: ernergieverbrauchend(!) auch gegen Konzentrationsgefälle (a) Pumpen (Na+/K+ Pumpe) i. Symporte ii. Antiporte (b) Cytosen i. Exocytose ii. Endocytose 1.5 Cytosen sind aktive Transporte 1. Exocytose: Sekretionk Ausstoßung von Schadstoffen (a) permanent (b) schubweise 2. Endocytose: Aufnahme, Ernährung; Körperabwehr (a) Pinocytose (Aufnahme kleiner Partikel und Flüssigkeiten) (alle Zellen(!)) (b) Transcytose (Transport von Endocatosevesikeln durch Zellen) (c) Phagocytose (Aufnahme großer Partikel durch Makrophagen, Leukocyten) (spezifische zellen) 1.6 Verschlusskontake Name Synonym Form Hauptaufgabe VershlußZonula occludens gürtelförmige Permeationskontakt Tight-junction Nähte einschrenkung GürtelZonula adhaerens gürtelförmiges mechanischer Desmosom nabd Zusammenhalt Punkt Macula adhaerens druckknopfnormal bis mechanischer Desmosom artig breiter (20-30nm) Zusammenhalt Kommunikations- elektrische Synapse fleckförmig begrenzt interzellulärer kontakt Gap-junction (2-4nm) Substanzaustausch Hemikein eigentlicher kein eigentlicher ’Basalmenbran’ Desmosom Zellkontakt Zellkontakt 4 Interzellularraum nicht mehr vorhanden normal (20nm) 1.7 Membranbegrenzte Kompartimente 1. Endomembransystem (a) Endoplasmatisches Retikulum (b) Golgi-Komplexe (c) Kernhüllen 2. Membranumschlossene Organellen (a) Kern (b) Mitochondiren (c) Chloroplasten (d) Lysosomen (e) Peroxismonen 1.8 Rauhes endoplasmatisches Retikulum 1. Aufbau (a) anastomosierendes Kanalsystem aus fluiden Membranen (b) cytoplasmatische Membranseite mit Ribosomen besetzt 2. Aufgaben (a) Synthese von: i. strukturellen Proteinen (z.B. Kollagen) ii. sekretorischen Proteinen (Musin, Albumin, Immunglobulin) iii. enzymatischen und proteolytischen Proteinen (Trypsin in der Bauchspeicheldrüse) (b) Transport i. der Proteine zum Golgi-Apparat ii. transmembraner Stoffe innerhalb der Zelle 3. Vorkommen : besonders in sekretorischen Zellen 1.9 Glattes endoplasmatisches Retikulum 1. Aufgaben (a) Synthese von: i. Triglyceriden ii. Pospholipiden iii. Cholesterol iv. Steroidhormon (b) enzymatische Leistungen 5 i. Glycogenmobilisierung ii. Calciumbereitstellung iii. Proteinreifung (c) Transport neusyntheisierter Membranteile in Form von Vesikeln zum Golgi-Apparat (d) Entgiftung i. Cytochrom P450 in der Leber ii. Oxidation von Pestiziden und Drogen iii. fettlösliche Stoffe werden wasserlöslich 2. Vorkommen bevorzugt in (a) Darmzellen (b) Leberzellen (c) Talgdrüsen (d) Nebennierenrindenzellen (e) Steroidhormon produzierenden Zellen der Gonaden 1.10 Der Golgi-Apparat Aufgaben: 1. Posttranslationale Proteinmodifikation (a) Glycosylierung von Proteinen (b) Anheftung von Sulfaten (c) Phosphorylierung lysosomaler Proteine (d) kovalente Anheftung von Fettsäuren 2. Umschlagplatz für Makromoleküle (a) sekretorische Proteine (b) Membran Proteine (c) Proteoglycane (d) lysosomale Enzyme (e) Vesikelbildung (!) zur Speicherung; zum spezischen Transport; zur Sekretion Vorkommen: in eukaryontischen zellen 6 1.11 Mitochondrien 1. Aufbau (a) Doppelmembran i. äußere Membran (permeabel) ii. innere Membran (gefaltet als Cristae) (b) Matrixraum (enthält abbauende Enzyme) 2. Aufgabe (a) (b) (c) (d) Energieproduzent (ATP) Trennung von Auf- und Abbauprozessen Calciumspeicherung cytoplasmatische Vererbung 3. Vorkommen: Vermehrt in energieverbrauchen Zellen (Herzmuskel; Nierentubuli; Spermien) 1.12 Nucleus 1. Aufbau (a) (b) (c) (d) (e) Doppelmembran von Poren durchsetzt äußere Membran mit Ribosomen besetzt innere trägt eine nucleäre Lamina Karyoplasma 2. Aufgabe (a) (b) (c) (d) Schutz der DNA Ort der DNA-Replikation Ort der RNA-Synthese Organisation des Chromatins 3. Vorkommen: in allen eukaryontischen Zellen 1.13 Chromatin (Nucleoprotein) 1. Euchromatin: entspiralisiert transkribierbar 2. Heterochromatin: kondesiert wenig transkribiert, spät repliziert, mutationsarm (a) konstitutives Heterochromatin i. in allen Zellen vorhanden ii. nicht trranskribiert 7 iii. permanent kondensiert iv. stark repetitive Sequenzen: Sateliten-DNA v. Bsp.: Zentromerregion (b) fakultatives Heterochromatin i. in Zellen entsprechend ihrem physiologischen Zustand bzw. Entwicklungszustand ii. enthält aktivierbare Gene iii. Bsp.: inaktives X-Chromosom (BARR-Körper) 1.14 Nucleolus 1. Aufbau (a) membranlos (b) zentral: fibrilläres Material DNA-Schleifen, die rRNA-Gene tragen rRNA-Transkripte (45S-Vorstufen) (c) peripher: granuläres ;aterial, ribosomale Untereinheiten (z.T. inkomplett) 2. Aufgabe - Produktion der ribosomalen Untereinheiten 1.15 Die Phasen des Zellcyclus 8 1.16 Mitose - der Vorgang der Zellteilung 1. Prophase (a) (b) (c) (d) maximale Kondesierung des Chromatins zu Chromosomen Sichtbarwerden der Chromatiden Auflösung des Nucleolus Bildung der polaren Spindefasern an den Mikrotubulus-Organisationszentren 2. Prometaphase (a) Zusammenbruch der Kernmembran (b) Ausbildung der Kinetochor-Spindefasern 3. Metaphase (a) Orientierung der Chromosomen in der Äquatorialebene durch ZUg und Gegenzug der Spindefasern 4. Anaphase (a) Verschiebung der Chromatiden zu den Zellpolen 5. Telophase (a) (b) (c) (d) (e) Ausbildung eines Teilungsringes Bildung neuer Kernmembranen Dekondesation des Chromatins Beginn der rRNA-Synthese Formierung der Nucleoli 6. Cytokinese (a) Durchschürung der Mutterzelle und Bildung von zwei Tochterzellen unter Verteilung der Organellen 1.17 Die Meiose Reifeteilung zur Bildung befruchteter Gameten Zwei Teilungsschritte: 1. Meiose I = Reduktionsteilung 2. Meisoe II = Äquationsteilung Meisoe I 1. Prophase I verläuft in 5 Stufen: (a) Leptotän: Sichtbarwerden des kondesnsierten Chromatins als Chromosomen; Fixierung der Chromosomenenden an der nucleären Lamina 9 (b) Zygotän: Paarung homologer Chromosomen: Synapse (exakte Paarung) (c) Pachytän: Crossing-over bewirkt Durchmischung genetischen Materials (d) Diplotän: Auflösung des synaptischen Komplexes (Chiasmata!) (e) Diakenese: Schesterchromatiden werden sichtbar 2. Metaphase I : Anordnung der Bivalente in der Äquatorialebene 3. Anaphase I : Trennung homologer Chromosomen unter Lösung der Chiasmata 4. Telophase I : aus einer Keimzele mit diploidem Chromosomensatz entstehen zwei Zellen mit haploidem Satz und durchmischten genetischen Material Meiose II Prophase II, Metaphase II, Anaphase II und Telophase II entsprechen den Phasen einer Mitose Interphase zwischen Meisoe I und II kurz ohne SPhase. Anaphase II trennt Schwesterchromatiden voneinander. Endresultat: Entstehung von vier Zellen mit haploidem Chromosomensatz 2 Molekulare Biologie 2.1 Bauprinzipien der DNA 1. Doppelhelix aus zwei um eine gemeinsame Achse gewundenen PolynucleotidSträngen; Rückgrat: Zucker-Phosphatketten im inneren: buchartig aufeinandergestapelt 2. Beide Stränge zueinander komplementär Gesetz der spezifischen Basenpaarung; A=T; G=C 3. Richtung der Stränge: antiparallel 4. Zusammenhalt: Wasserstoff-Brücken und hydrophobe Bindungen (a) Primärstuktur: Reihenfolge der Nucleotide (b) Sekundärstruktur: Doppelhelix (c) Tertiärstruktur: räumliche Struktur des gesamten Moleküls 2.2 DNA-Replikation 1. Semikonservativ 2. Replikation an beiden Strängen zugleich Problem: 5’-3’ Replikation daher: 10 (a) Vorwärtsreplikation nur an einem Strang (b) am gegenläufigen Strang Replikation in kleinen Stücken (OkazakiStücke 1000 Nucleotide lang) (c) Replikation am membrangebundenen Replikationskomplex (Multienzym) 3. Initation (a) Wo? i. am Urspungspunkt auf der DNA (Prokaryonten: einer; Eukaryonten: viele) (b) Wie? i. regionale Entwindung der Helix (Helicase) ii. Bruch eines Stranges (Topoisomerase) iii. Auseinanderweichen der Einzelstränge iv. Stabilisierung der entschraubten DNA (Proteine) 4. Elongation (a) Wo? i. am freien 3’-OH-Ende der wachsenden Kette (b) Wie? i. DNA-Polymerase II knüpft in 5’-3’-Richtung dNTP an unter P-P-Abspaltung (Energiegewinnung(!); Anknüpfungsrate 2000 Nucleotide pro Sekunde) ii. sofortiges Korrekturlesen (Exonucleare- Aktivität des Enzyms) iii. Abbau der RNA-Starter durch DNA-Ploymerase I (ExonucleareAktivität des Enzyms) iv. Zupolymerisieren der Lücke in 5’-3’-Richtung unter Korrekturlesen (Exonucleare- Aktivität des Enzyms); Geschwindigkeit 60-100 Nucleotide je Sekunde 5. Ligieren (a) Wo? - Spaltstellen zwischen Replikationsfragmenten und Initiationsbruchstelllen (b) Wie? - durch ligare Vereinigung von 5’- Enden mit 3’-Enden der DNA Telomere - distale Enden der Chromosomen (enthalten keine codierten Sequenzen) Telomerase - spezifisches Enzym das Telomere repliziert 11 2.3 Der Vorgang der RNA-Synthese heißt Transkription Nur ein DNA-Strang wird transkribiert: codogener Strang Enzym: RNA-Polymerase 1. Initiation (a) an spezifischen DNA-Sequenzen = Promotoren (b) leichtes Aufwinden des Doppelstranges 2. Elongation (a) Kettenverlängerung in 5’-3’-Richtung (b) Anlagerung von rNTP an das freie 3’-OH-Ende unter Abspaltung von P-P (energie für Nucleotidbindung) (c) kein Korrekturlesen 3. Termination (a) an spezifischen Basensequenzen oder durch Protein (b) Produkte: Messenger-RNA; ribosomale-RNA; Transfer-RNA 2.4 Eingeschaften des genetischen Codes 1. Degeneriert: bei Triplett-Code und 4 zur Verfügung stehehnden Basen: 43 = 64Mglichkeiten f rnur20Aminosuren; daherSynonymenichtberlappend : das3.NucleotideinesCodonsistnichtzugleichdas1.NucleotiddesnchstenCodons 2. Kommafrei: es gibt zwischen den Codons keine Pausenzeichen 3. universell: alle Organismen besitzen die gleichen Codewörter wichtige Codons: AUG: Start (und Methionin) Stop= Kettenbruch: UAA; UAG; UGA 2.5 Reifung von Proteinen 1. Modifikationen (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Phosphorylierung Methylierung Acetylierung Acylierung ADP-Ribosylierung Glycosylierung Kombination mit Lipiden ->Lipoproteine 2. Aktivierung durch Spaltung 12 (a) zuschneiden von Präenzymen (Abschneiden der Signalsewuenz) (b) Aktivierung inaktiver Proenzyme durch Spaltung (z.B. Exo- und Endopeptidasen) 2.6 Wirkungsweisen einiger Antibiotika 1. Hemmung der Synthese der Zellwand (a) Penicillin 2. Transkriptionshemmung (a) Actinomycin bindet an DNA und blockiert RNA-Synthese (b) Ritampicin bindet an RNA-Polymerase 3. Translationshemmung (a) Streptomycin bindet an Rebosomen (30S-Untereinheit) (b) Chloramphenicol (*) hemmt die Peptidyltransferase. Elongationshemmung (c) Tetramycline. Elongationshemmung (d) Paromycin: Einbau am Ribosom statt Aminoacyl-tRNA (e) Cycloheximid (**) (f) Neomycin: Hemmer der Initiation und Elongation (*) spezifisch für Bakterien (**) spezifisch fr̈ Eukaryonten 3 Genetik 3.1 Mendel erkannte die Grundprinzipien der Genetik 1. Dominantes bzw. rezessives Verhalten der Erbmerkmale 2. Individuen können für ein Erbmerkmal reinerbig sein = homozygot 3. Individuen können für ein Erbmerkmal mischerbig sein= heterozygot 4. Erbfaktoren liegen in den Keimzellen einfach (haploid) vor (nicht doppelt (diploid) wie in den Körperzellen) 5. Uniformität der F1 −Generation SegregationderErbmerkmaleinderF2 − Generation 6. Erbmerkmale können unabhängig voneinander vererbt werden 7. der Phänotyp eines Individuums entspricht nicht unbedingt seinem Genotyp 13 3.2 Rekombinationshäufigkeiten als Maß für die Entfernung zweier Gen-Orte % Rekombination = ZahlderrekombiniertenNachkommen ∗ 100 Gesamtnachkommen Einheit der genetischen Rekombination: 1% Rekombination= 1 Kartierungseinheit = 1 Centimorgan (0,01 Morgan) ∼ = 106 Basenpaare(Mensch) Interf erenz : Beeinf lussungeinesKreuzungsereignissesdurcheinanderes 3.3 ABO-Blutgruppensystem Genlocus J auf Chromosom 9 Allele: A(A1 , A2 ) ; B; 0 Genotyp Phänotyp Antigen (Erythrozytenmembran) A A J J A A JA J 0 A A B B J J B B B 0 J J B B JA J B AB AB 0 0 J J 0 - Antikörper (Serum) Anti-B Anti-B Anti-A Anti-A Anti-A,Anti-B Adominant 14 ber0(A1 dominant 41 berA2 ) Bdominant 14 ber0 AundBcodominant 3.4 Charakteristika des autosomal-dominanten Erbgangs 1. Häufig Anomalien von Strukturelementen 2. Geschlechtsunabhängig 3. Merkmalsausprägung: Homozygote und Heterozygote 4. Stammbaum: gehäuft in allen Generationen 5. nachkommen merkmalsfreier Personen sind merkmalsfrei 6. Familie eines Merkmalträgers: Eltern: mindestens ein Elternteil betroffen Geschwister: häufig betroffen Kinder: statistisch zwischen 50% und 100% betroffen 7. Verwandtenehen: kein erhöhtes Risiko 14 8. : Allelhäufigkeit: < 1 10000 3.5 Charakteristika des autosomal-rezessiven Erbgangs 1. Häufig Vererbungsmodus von Stoffwechselstörungen 2. Geschlechtsunabhängig 3. Merkmalsausprägung: nur bei Homozygoten, Heterozygote = Allelträger 4. Stammbaum: nur die wenigen Homozygoten sind krank 5. Nachkommen merkmalsfreier Personen können Merkmalsträger sein 6. Familie eines Homozygoten: Eltern: phänotypisch unauffällig -> beide Allelträger Geschwister: meist phänotypisch unauffällig Kinder (bei gesundem Partner): immer phänotypisch gesund -> alle Allelträger 7. Verwandtenehen: bei seltenen Genen Förderung homozygoter Manifestation -> erhöhtes Risiko 3.6 Charakteristika des X-chromosomal-dominaten Erbgangs 1. seltener Vererbungsmodus 2. Geschlechtsgebunden 3. Mermalsausprägung: bei Männern und Frauen (Männer oft schwerer erkrankt) 4. Stammbaum ähnlich wie beim autosomal-dominanten Erbgang, jedoch sind die Söhne kranker Väter gesund! Vater krank: alle Töchter krank, alle Söhne gesund Mutter krank: 50% der Kinder krank 5. Verwandtenehen: kein erhöhtes Risiko 6. Allelhäufigkeit: sehr selten 3.7 Charakteristika des X-chromosomal-rezessiven Erbgangs 1. Vererbungsmodus z.B. einiger Stoffwechseldefekte 2. Geschlechtsgebunden 3. Merkmalsausprägung: fast nur Männer erkrankt 15 4. Stammbaum: Männer erkrankt Vater krank: alle Söhne gesund, alle Töchter Konduktorinnen Mutter Konduktorin: 50% der Söhne krank, 50% der Töchter Konduktorinnen 5. Verwandtenehen: Gefahr der Kombination phänotypisch Kranker mit Konduktorin 4 ENDE 16
