Grundbegriffe der Biologie Teil 5

Wie arbeiten Gene?
z
Transkription
z Ablesen
z
der DNA
Translation
z mRNA
Protein
RNA
Transkription
RNA-Synthese: Sequenz der DNA wird
abgelesen
z RNA-Polymerase Eukaryonten
(mindstens 3: tRNA, rRNA und mRNA)
z mRNA-Vorläufer im Kern (Precursor);
werden noch modifiziert
z
Translation
mRNA + Ribosomen
z tRNA + Aminosäure
z Information der mRNA wird in Proteine
umgesetzt
z Basentripletts; Codon, Anticodon
z
z
z
z
Iniation
z Aktivierung der Aminosäuren (ATP, AS durch
Aminoacyl-tRNA-Synthetase an tRNA)
z Ribosomen
Elongation
z Aktivierte AS zu Ribosomen
Termination
z Ribosomen zerfallen in ihre Untereinheiten
Molekulare Genetik
z
DNA und molekularer Bau: schon
besprochen
z Desoxyribose,
Phosphat, Purin und
Pyrimidinbasen
z Doppelhelix
Genetischer Code
4 verschiedene Basen
z Für 20 Aminosäuren müssen Basentriplets
kodieren (42 = 16, 43 = 64)
z Triplet = Codon (mRNA)
Codon teterminierende Teil auf DNA =
Codogen
komplementärer Teil bei der t-RNA =
Anticodon
z
Replikation der DNA
DNA-Polymerasen
z Semikonservativ
z Schrauben werden entwunden
z Komplementärer Strang wird ergänzt
z Fehler (1:104) werden durch Enzym
korrigiert: Exonuklease (entfernt nichtgepaarte Nucleotide)
z
Replikation der DNA (Eukaryonten)
Wesentlich langsamer als bei Bakterien
3´ leicht
z 5´
z Antiparallel: Okazaki-Fragmente
z An mehreren Stellen gleichzeig (Replicon);
1000 und mehr pro DNA-Doppelhelix
z DNA-Polymerasen
z Eigene Startpunkte (Iniationspunkte)
z Replikationsgabeln (bidirektional)
z
Transposons, repetitive DNA,
Introns, Exons
Lineare Anordnung der Gene ist nicht
immer stabil; kurze DNA Sequenzen;
„springende Gene“
z Nur 1 - 5 % codieren Zellproteine
z Repetitive DNA
z Introns: keine Information, durch Exons
von den Genen getrennt; „split genes“
z
Mutationen
Genommutationen (Anzahl der
Chromosomen - Polyploidie)
z Chromosomenmutationen (Änderung der
Chromosomenarchitektur; Deletion,
Translocation, Duplication, Inversion)
z Genmutationen (Änderung in der
molekularen Architektur eines einzelnen
Gens)
z
Mutationen
Mutagene Strahlen
z Mutagene Agenzien
z Reparaturmechanismen
z
DNA- Klonierung
z
z
z
z
z
z
Zur Sequenzbestimmung: viel DNA nötig
DNA-Abschnitt wird ausgeschnitten
(Restriktions-Endonucleasen)
Auf Plasmid übertragen (E. coli), z.B.
R-Plasmid
Bakterien + Antibiotikum
Wird durch Bakterien repliziert, die Plasmid
haben
Plasmide werden isoliert, klonierte DNA
herausgeschnitten
Transgene Pflanzen
z
z
z
z
z
z
Gentechnologie; direkte Veränderungen
Kallus- oder Protoplastenkulturen von Pflanzen
Überträger (Vektoren): Ti-Plasmide, onkogene
Bereiche weggeschnitten (keine Tumorbildung)
Mikroprejektil (Wolfram); oder Viren
Regeneration von Pflanzen
Oder: Blütensprosse
Dominanter Erbgang
Bei Heterozygoten Genen erscheint nur
das dominante Phän
z Der Phänotyp bei dominanten Erbgängen
ist 3 : 1
z
Rückkreuzung
Frage ob reinrassig oder Hybrid (F1) kann
man mit Rückkreuzung mit dem
rezessiven Elternteil klären
z Reinrassig: alle F1 der Rückkreuzung
gleichen den dominanten Elter
z Hybrid: 50 % zu 50 %
z
Freie Kombinierbarkeit der
Gene
Wenn sich Rassen in 2 oder meheren
Genen unterscheiden (Di- bzw.
Polyhybride) so werden bei Kreuzung die
Gene normaler-weise unabhängig
voneinander vererbt
z Züchtung neuer Rassen
z
Vererbung
z
Die durch Fortpflanzung entstandene
Nachkommenschaft gleicht den
Elternorganismen weitgehend
Klassische Genetik
z
Äußeres Erscheinungsbild: Phänotypus
z
z
z
setzt sich aus einer Reihe von Merkmalen (Phänen)
zusammen
Die Realisierung wird durch Gene (Erbfaktoren)
gesteuert; ihre Gesamtheit ist der Genotypus
Ein Merkmal kann durch viele Gene kontrolliert
werden oder ein Gen kann ein oder mehrere
Phäne kontrollieren
Modifikationen
Organismen unterscheiden sich, auch
wenn sie gleichen Genotupus haben
z Nichterbliche Unterschiede
z
Genom
Gesamtheit der Gene auf einem
Chromosom
z Es gibt auch extrachromosomale Gene
z Realisierung: Haplonten ein Chromosom,
Diplonten 2, polyploide Organismen
mehrere Chromosomen
z
Allele
Verschiedene Zustände eines Gens
(diploid: Diallelie)
z Homozygot (reinerbig): gleiche
Konfiguration
z Heterozygot (mischerbig): verschiedene
Allele
z Gene lassen sich rekombinieren
z
Mendelsche Regeln
z Uniformitätsregel
z Spaltungsregel
z Freie
Kombinierbarkeit
Uniformitätsregel
Eltern (Parental- oder P-Generation)
unterscheiden sich in einem Merkmal
z 1. Filialgeneration (F1-Generation) sind
genotypisch gleiche (uniforme) Hybriden
(Bastarde)
z Intermediärer Erbgang
z Dominanter Erbgang
z
Spaltungsregel
z
Kreuzt man die monohybride F1Generation so spalten sich die Genotypen
im Verhältnis 1 : 2 : 1
Physiologie der Pflanzen
Wasserhaushalt
60 - 90 % Wasser (bis 98 %!)
z Sinkt der Wassergehalt unter einen
Schwellenwert (Welkungspunkt):
Störungen
z Wasseraufnahme: Wurzel
z Wassertransport: Xylem
z Wasserabgabe: Blätter
z
Wasseraufnahme
Prinzipiell: ganze Pflanze
(Wasserpflanzen)
z Überwiegend: Wurzel (Ausnahmen:
Epiphyten)
z Über den Apoplasten und Symplasten
z Endodermis: Symplast
z Weiterer Mechanismus nicht bekannt;
Wurzeldruck!
z
Wasser im Boden
Haftwasser an Bodenkolloiden
(Hydrathüllen; Quellungs oder
Schwarmwasser); für Pflanze wegen stark
negativen Ψ praktisch nicht verfügbar
z Kapillaren (Kapillarwasser); Lösung; Ψπ
des Bodens (meist -5 bar) muß von der
Pflanze überwunden werden
z
Wasserabgabe
Transpiration: Wasserabgabe über
Hindernisse
z Cuticuläre Transpiration
z Stomatäre Transpiration
z
Makro-, Mikronährelemente
(Spurenelemente)
In Pflanzen wurden praktisch alle
Elemente gefunden (Veraschen von
Pflanzen)
z ? ob für Pflanze von Bedeutung
z Mangelkulturen
z
Aufnahme der Nährelemente
z
Pasive Aufnahme
z Gelöste
Ionen
Apoplasten der Wurzel
Plasma
z Intrameieiren: Plasmalemma
Plasma
z Permeieren: Plasmalemma
Tonoplast Vakuole
z Behinderte Diffusion (100 - 10.000fach)
z Größere
Moleküle nach ihrer Lipidlöslichkeit
z Kleine Moleküle viel schneller
Aufnahme der Nährelemente
z
Aktive Aufnahme
z Anreicherung
(Braunalgen: J, 30.000fach, 1
kg Tang: 17 mg Gold)
z Auswahlvermögen
z Mangelndes Ausschlussvermögen
z
Endocytose
z Phagocytose
z Pinocytose
Transport der Mineralstoffe
z
Endodermis
Symplast (? aktiv, passiv)
Ferntransport im Xylem; auch
Parnchym und Phloem
Biokatalyse
Organische Substanzen sind metastabil
z Aktivierungsenergie
z Katalyse
z
Enzyme
Wirkungsspezifität
z Substratspezifität
z Gruppenspezifität
z Apoenzym + prosthetische Gruppe:
Holoenzym; prosthetische Gruppe nicht
fest: Coenzym (Co-Substrate)
z Aktives Zentrum
z Induced fit - Hypothese
z
Funktionstypen
Oxidoreduktasen
z Transferasen (Hexokinase)
z Hydrolasen
z Lyasen
z Isomerasen
z Ligasen
z
Regulation der Enzymaktivität
Temperatur
z pH-Wert
z Allosterische Hemmung
z Kompetitive (Isosterische) Hemmung
z
z2
z
Substrate konkurrieren
Spezielle Mechanismen
Photosynthese
Photosynthese
Strahlungsenergie wird absorbiert und in
eine chemische Bindung überführt
z Abspaltung von Wasserstoff aus dem
Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff
z Wasserstoff wird auf Kohlendioxid
übertragen (Akzeptor)
z
Bruttoformel
6 CO2 + 12 H2O
h.ν
C6H12O6 + 6 O2 + 6H2O
∆G0´ + 2872 kJ
Nachweise
CO2: CO2-freie Atmosphäre, Pflanzen
verkümmern; Manometrie; 14CO2; URAS
z Sauerstoff: Wasserpflanzen; Manometrie;
Isotopen
z Kohlenhydrate: Stärkenachweis
z
Chloroplasten
Chloroplastenhülle
z Thylakoide
z Stroma
z DNA
z Assimilations (=autochthone) Stärke
z
Chlorophyll
Porphyrinring (4 Pyrrolringe + Mg)
z Isozyklischer Pentanonring
z Propionsäure
z Phytol
z
Licht- und Dunkelreaktionen
Absorption eines Lichtquants:
Chlorophyll a angeregt; kann als Wärme
verloren gehen, oder rotes
Fluoreszenzlicht, oder Lichtreaktionen
z Reduktionsäquivalente werden zum
Kohlenhydrataufbau genutzt
z
Photosystem II
z
Besteht aus:
z RC
II (P 680), Antenennenkomplex, H2Ooxidierender Komplex (Mn)
z Mit LHC II assoziert
Primärakzeptor: Phaeophytin a;
Phaeophytine: Chlorophyll ohne Mg
z Plastochinon; Cytochrom b, f;
Plastocyanin
z
Photosystem I
z
Besteht aus:
z RC
I (P 700), Antenennenkomplex, H2Ooxidierender Komplex
z Mit LHC I assoziert
Primärakzeptor unbekannt (A)
z Ferredoxin; Ferredoxin-NADP-Reduktase
z
Dunkelreaktionen
Einbau des Kohlendioxids (Reduktion!)
z Bildung von Kohlenhydrat
z Bildung von Assimilations(=autochthoner) Stärke
z Stroma der Cloroplasten
z
Calvin und Benson
z
z
z
z
Radioaktiv markiertes CO2 wurde einer
Algensuspension zugeführt
Nach kurzen Intervallen wurden die Algen
getötet und extrahiert
Mittels 2-dimensionaler Papierchromato-graphie
wurden die Extrakte getrennt und identifiziert
Mit Autoradiographie die markierten Produkte
untersucht
Calvin-Zyklus (C3)
Bei der Mehrzahl der Pflanzen
z CO2 wird in eine Pentose (Ribulose-1,5bisphosphat) eingebaut
z RubisCO (Ribolose-1,5bisphosphatcarboxylase, -oxygenase)
z Instabiler C6-Körper entsteht
z Es entsehen sofort 2 C3-Körper:
3-Phosphorglycerinsäure
z
Calvin-Zyklus (C3)
Die Phosphorglycerinsäure wird
reduziert: mit Hilfe von ATP, NADPH+H+
entsteht ein Triosephosphat, ADP und
NADP+
z 2 davon verbinden sich zu einer Hexose
z Aus einem weiteren Triosoephosphat
wird in einem komplizierten Zyklus
(Calvin-Zyklus, reduktiver
Pentosephosphatzyklus) Ribulose-1,5bisphosphat regeneriert
z
Verwertung der Assimilate
Hexosen (vorläufiges Endprodukt);
kondensieren zu Stärke
z Abtransport in der Nacht (Stärke in
Triosephophat); im Plasma:
Saccharosebildung
z Speicherorgane: Kohlenhydrate, Fette
z
Sekundäre Pflanzenstoffe
Glykoside
z Terpene
z Gerbstoffe
z Alkaloide
z
Glykoside
Verbindungen von Zuckern mit anderen
Molekülen
z Sehr heterogen
z Beispiele:
z
z Amygdalin
z Strophantin
- Digitalis-Glykoside
z Saponine
z Anthocyane
und Flavone(=Anthoxanthine)
Terpene
Leiten sich vom Isopren, C5H8 ab
z Ganzzahliges Vielfaches von 5 (C-Atome)
z
z Hemiterpene
(C5)
z Monoterpene (C10)
z Sesquiterpene (C15)
z Diterpene (C20) (Phytol, Gibberelline)
z Triterpene (C30) (Steroide)
z Tetraterpene (C40) (Carotinoide)
z Polyterpene (Kautschuk)
Etherische Öle
Terpenoide (meist Mono- und
Sesquiterpene), oder Phenole
z In Drüsenepithelien oder -zellen;
Ölvakuolen; Ausscheidung unter die
Cuticula
z Lockstoffe (Orchideen, Seidenraupen,
Pheromone - Borkenkäfer, Pyrethrine Chrysanthemum)
z
Phenole
z
Einfache Phenole
z Hydrochinon,
z
Arbutin
OH
Phenolcarbonsäuren
z Gallussäure
z
OH
Phenylpropane
z Zimtsäuren,
z
HOOC
Lignine
Flavanderivate
z Flavane,
Anthocyanidine
C
C
C
OH
O
Gerbstoffe
Gemeinsame physiologische und
technische Eigenschaften: fällen Eiweiße
(Häute in Leder); durch Oxidation werden
sie rotbraune Phlobaphene (Borken!)
z Beispiel: Tannin
z
Alkaloide
Sammelbezeichnung für organische Stickstoffverbindungen basischen Charakters
z Spezifische physiologische und
medizinische Wirkungen (Solanaceae)
z Beispiele:
z
z Morphin
(Papaver somniferum)
z Cocain (Erythroxylum coca)
z Chinin (Cinchona succirubra - Plasmodium
malariae)
z Nicotin
Dissimilation
z
Biologische Oxidation: Atmung
(Dissimilation)
C6H12O6 + 6 O2 Æ 6 CO2 + 6 H2O
∆G0 -2872 kJ
Hydrolyse der Stärke
Ausgangssubstrate: Glucose, Fructose
z Stärkehydrolyse: Amylasen
z Endo- (α-Amylase) und Exoamylasen
(β-Amylase, spaltet Maltose vom
nichtreduzierenden Ende; nur Pflanzen);
R-Enzym (α 1-6 Verzweigungen);
α-Glucosidase (Maltase)
z
Glykolyse
Glukose + ATP
Glucose-6~P
Fructose-6~P
z Glucose-6~P
Fructose-1,6z Fructose-6~P + ATP
bisphosphat
z 2 Triosephosphat (Dihydroxyacetonphosphat, Glycerinaldehyd-3-phosphat)
2-Phosphorz 3-Phosphorglycerat
glycerat
Phosphorenolpyruvat
z
Gärungen
z
z
z
z
Endprodukte, die noch energetisch verwertbar
sind, entstehen
H, der bei Oxidation des Atmungssubstrates
abgespalten wird, kann auch auf andere
Substrate übertragen werden
Nach Endprodukt benannt: z.B. alkoholische,
Milchsäure, Essigsäure Gärung
Aerob - anaerob
Alkoholische Gärung
Läuft bis zum Pyruvat
(Brenztraubensäure) mit der Glykolyse
parallel
z 2 Moleküle ATP werden gebildet
C6H12O6
2CO2 + 2 C2H5OH
∆G0 = -234 kJ
z Hefe: fakultativer Anaerobier
z