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In Biomoleküle und molekulare Genetik geht es darum, wie wichtige Moleküle wie DNA, Proteine, Kohlenhydrate und Fette aufgebaut sind und wie sie in Zellen Informationen speichern, weitergeben und verwenden.

Aufbau:

• Doppellipidschicht aus Phospholipiden (hydrophiler Kopf, hydrophober Schwanz)

• Eingelagerte Proteine (z. B. Transport-, Rezeptor- oder Enzymproteine)

• Teilweise mit Kohlenhydratketten (Glykokalix) → zelluläre Erkennung

Funktionen:

• Abgrenzung von Zellräumen (Kompartimentierung)

• Stofftransport (selektiv permeabel)

• Signalaufnahme & -weiterleitung

• Zell-Zell-Kommunikation

→ Membran ist beweglich, Proteine sind wie Mosaiksteine eingelagert

Passiver Transport:

• Diffusion: Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgefälles

• Osmose: Diffusion von Wasser

• Erleichterte Diffusion: über Kanal- oder Carrierproteine

Aktiver Transport:

• Primär aktiv: direkt mit ATP (z. B. Natrium-Kalium-Pumpe)

• Sekundär aktiv: nutzt Konzentrationsgefälle eines anderen Stoffes → Transport gegen das Konzentrationsgefälle

Membranfluss (Vesikeltransport):

• Endozytose: Stoffaufnahme durch Einstülpung der Membran

• Exozytose: Stoffabgabe durch Vesikel, die mit Membran verschmelzen

Proteine sind aus langen Ketten von Aminosäuren aufgebaut, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Diese Ketten falten sich in eine bestimmte 3D-Struktur, die die Funktion des Proteins bestimmt. Der Bau und die Faltung der Proteine erfolgt in mehreren Strukturebenen.

Aminosäuren:

Bausteine der Proteine, 20 verschiedene, die durch Peptidbindungen verknüpft sind.

Peptidbindung:

Chemische Bindung zwischen der Aminogruppe einer Aminosäure und der Carboxylgruppe einer anderen.

Der Bau und die Faltung der Proteine erfolgt in mehreren Strukturebenen, die von der Reihenfolge der Aminosäuren bis hin zur komplexen Struktur reichen.

→ Aminosäuresequenz - Peptidbindungen (Atombindung) zwischen den Aminosäurebausteine

→ α-Helix/β-Faltblatt - Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) zwischen CO- und NH-Gruppen des Peptidrückgrats

→ funktionelle 3D-Faltung - Disulfidbrücken (Atombindung), Ionenbindubgen, H-Brücken, Van-der-Waals-Kräfte - Bindungen bzw. stabilisierende Kräfte zwischen den Aminosäureresten der Eiweißkette.

→ funktionelle 3D-Struktur - Zusammenschluss mehrerer Polypeptide

Proteine übernehmen lebenswichtige Aufgaben in der Zelle - sie wirken z. B. als Enzyme, Transporter, Strukturgeber oder Botenstoffe. Ihre Funktion hängt direkt von ihrer Form ab.

• Enzyme: beschleunigen biochemische Reaktionen

• Strukturproteine: geben Zellen Stabilität

• Transportproteine: befördern Stoffe

• Signalproteine: übertragen Signale zwischen Zellen

• Abwehrproteine: erkennen & bekämpfen Krankheitserreger

• Regulationsproteine: steuern Genaktivität & Zellprozesse

→ Enzyme sind Proteine mit einer spezifischen räumlichen Struktur, die ein aktives Zentrum, an dem das Substrat bindet, besitzen. Diese wirken im Stoffwechsel als Biokatalysatoren.

→ Biokatalysatoren: Enzyme beschleunigen chemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie stark senken

• substratspezifisch: Enzym bindet nur ein bestimmtes Substrat

• reaktionsspezifisch: Enzym katalysiert nur eine bestimmte Reaktion

• temperaturabhängig: Aktivität steigt bis zum Optimum (meist 30–40 °C), danach Denaturierung

• pH-Abhängigkeit: Jedes Enzym hat ein pH-Optimum

• wiederverwendbar: Enzym bleibt unverändert und kann mehrfach verwendet werden

Enzyme beschleunigen biochemische Reaktionen.

Das Substrat bindet am aktiven Zentrum, ein Enzym-Substrat-Komplex entsteht, das Substrat wird umgesetzt (Enzym-Produkt-Komplex), das Produkt wird freigesetzt, das Enzym bleibt unverändert und kann erneut reagieren.

→ deshalb genügen wenige Enzymmengen, um große Substratmengen umzusetzen.

→ beschreibt, wie zwei Strukturen passgenau zueinander passen, dabei ist das Enzym das Schloss und das Substrat der Schlüssel. Nur ein genau passendes Substrat kann binden, andere Substrate passen nicht ins aktive Zentrum und können nicht umgesetzt werden - das erklärt die hohe Spezifität von Enzymen.

→ beschreibt, dass das Enzym und das Substrat leicht ihre Form verändern, wenn sie binden. Das aktive Zentrum des Enzyms passt sich dem Substrat an, durch eine Konformationsänderung, das eine ideale Passform für die Katalyse bietet.

→ Enzyme senken die Aktivierungsenergie, aber nicht die freie Enthalpie - sie machen die Reaktion schneller, nicht energetisch günstiger.

→ Energiedifferenz zwischen Substraten und Produkten einer Reaktion

Exergonische Reaktion:

Freie Enthalpie der Substrate ist höher als die der Produkte → Energie wird frei, Reaktion läuft freiwillig ab.

Endergonische Reaktion:

Freie Enthalpie der Substrate ist niedriger als die der Produkte → Energie muss zugeführt werden, Reaktion läuft nicht freiwillig.

Die Enzymaktivität hängt von verschiedenen Umweltfaktoren ab - z. B. Temperatur, pH-Wert und Substratkonzentration - deren Einfluss sich durch einfache Experimente untersuchen lässt.

→ beschreibt die Menge des Substrats, das pro Zeiteinheit in Produkte umgewandelt wird.

• mit Enzym: Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Substratkonzentration, bis die Maximalgeschwindigkeit (Vmax) erreicht wird.

• ohne Enzym: Geringere Reaktionsgeschwindigkeit für jede Substratkonzentration, keine Sättigung.

- Km: Affinität des Enzyms zum Substrat an - je niedriger der Km-Wert, desto höher ist die Affinität.

- Vmax: maximale Geschwindigkeit, die das Enzym erreichen kann, wenn alle Enzymmoleküle mit Substrat gesättigt sind.

- 1/2 Vmax: Substratkonzentration, bei der die Enzymaktivität halbmaximal ist.

→ je höher, die Temperatur, desto mehr steigt die Enzymaktivität - RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeitsregel)

• Enzyme sind nur in einem bestimmten Temperaturbereich aktiv. Zu hohe Temperaturen machen sie unbrauchbar, da ihre räumliche Struktur durch Denaturierung zerstört wird.

→ jedes Enzym hat ein optimales pH-Wert, bei dem es am besten funktioniert, da der pH-Wert die Dreidimensionalität der Enzyme und ihre aktive Bindungsfähigkeit zum Substrat beeinflusst.

• Bei zu hohem oder zu niedrigem pH-Wert sinkt die Enzymaktivität, da das Enzym seine funktionelle Struktur verliert und weniger effizient arbeitet.

• Anfang:

- freie Enzyme, viel Substrat; keine Enzym-Substrat-Komplexe, keine Produkte

• Änderung:

- Enzym-Substrat-Komplexe bilden sich (Schlüssel-Schloss-Prinzip); Substratkonzentration sinkt (Abbau); Produktkonzentration steigt an

→ Moleküle, die die Aktivität von Enzymen regulieren, indem sie an allosterische Zentren binden

• Aktivatoren - steigern die Enzymaktivität

• Inhibitoren - hemmen die Enzymaktivität

→ sie verändern die Raumstruktur des Enzyms und damit dessen Fähigkeit, Substrate zu binden.

Cofaktoren: Organische Moleküle, die bei der Reaktion mitwirken

→ beschreibt die gezielte oder unbeabsichtigte Blockierung der Enzymfunktion, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit sinkt oder ganz gestoppt wird.

→ umkehrbar, Enzym bleibt grundsätzlich funktionsfähig

→ dauerhafte Inaktivierung des Enzyms, Hemmstoff bindet kovalent oder zerstört das aktive Zentrum dauerhaft.

→ Hemmstoff ähnelt dem Substrat, bindet ans aktive Zentrum und blockiert es vorübergehend.

→ Hemmstoff bindet außerhalb des aktiven Zentrums (allosterisch) - Verformung des Enzyms - Aktivität sinkt

Es gibt zwei Haupttypen

• DNA (Desoxyribose): Träger der genetischen Information, liegt bei Eukaryoten im Zellkern, Mitochondrien und Chloroplasten; bei Prokaryoten als Bakterienchromosom und Plasmide im Cytoplasma.

• RNA (Ribonukleinsäure): Kommt im Zellkern, Cytoplasma und Ribosomen vor; spielt eine zentrale Rolle bei der Proteinbiosynthese (z. B. mRNA, tRNA, rRNA).

Ein Nukleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, Zucker (Desoxyribose bei DNA, Ribose bei RNA) und eine stickstoffhaltige Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin bei DNA oder Uracil bei RNA).

Diese Bausteine verbinden sich zu langen Ketten, die die DNA oder RNA bilden.

→ die Stickstoffbasen der Nukleinsäuren lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

• Purinbasen (zwei Ringe): Adenin (A) und Guanin (G)

• Pyrimidinbasen (ein Ring): (C), Thymin (T) (nur DNA) und Uracil (U) (nur RNA)

→ Die DNA besteht aus zwei gegenläufigen Strängen aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphat, verbunden durch komplementäre Basenpaare (A-T, G-C).

→ Die DNA besteht aus zwei langen, spiralig gewundenen Strängen (Doppelhelix), die durch Basenpaarung verbunden sind.

→ Die Basen passen nach festem Prinzip zueinander - nur so entsteht ein stabiler Doppelstrang.

• Adenin paart mit Thymin (2 H-Brücken)

• Guanin mit Cytosin (3 H-Brücken)

→ beide Stränge verlaufen entgegengesetzt - einer in 5’-3’-Richtung, der andere in 3’-5’

→ nötig für Replikation und Transkription

• 5’-Ende: hier hängt am 5. Kohlenstoffatom der Zuckerstruktur eine Phosphatgruppe

• 3’-Ende: Hier ist am 3. Kohlenstoffatom eine freie OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) vorhanden

→ RNA besteht aus einem Einzelstrang mit dem Zucker Ribose und der Base Uracil statt Thymin.

• mRNA - messenger RNA: langer Einzelstrang, trägt Abschrift der DNA zu den Ribosomen (Bauplan für Proteine).

• rRNA - ribosomale RNA: bildet mit Proteinen die Ribosomen und unterstützt deren katalytische Funktion.

• tRNA - transfer RNA: kurzer Strang (80–90 Nukleotide), bildet Kleeblattstruktur, bringt Aminosäuren zum Ribosom.

Die molekulare Genetik untersucht die Struktur, Funktion und Weitergabe der Erbinformation auf der Ebene von DNA, RNA und Proteinen.

Sie erklärt, wie genetische Information gespeichert, kopiert (Replikation), abgelesen (Transkription) und in Eiweiße übersetzt wird (Translation) – also die Grundlage aller Lebensprozesse.

Er arbeitete mit 2 Stämmen des Bakteriums Streptococcus pneumoniae:

• S-Stamm (smooth): bildet Schleimkapsel, schützt vor Immunabwehr - tödlich für Mäuse

• R-Stamm (rough): ohne Kapsel, vom Immunsystem erkannt - harmlos

Er mischte harmlose R-Bakterien mit abgetöteten, tödlichen S-Bakterien. Die Mäuse starben – und lebende S-Bakterien konnten nachgewiesen werden.

1: S-Stamm lebend → Mäuse sterben.

2: R-Stamm lebend → Mäuse überleben.

3: S-Stamm erhitzt (abgetötet) → Mäuse überleben.

4: S-Stamm erhitzt + R-Stamm lebend → Mäuse sterben überraschend. → Lebende S-Bakterien wurden aus den toten Mäusen isoliert.

→ Die R-Bakterien hatten von den toten S-Bakterien die Fähigkeit zur Kapselbildung übernommen. Es war etwas „Transformierendes“ von den S- auf die R-Zellen übergegangen.

Avery wollte herausfinden, welches Molekül für diese Transformation verantwortlich ist.

Dazu isolierte er verschiedene Makromoleküle (Proteine, RNA, DNA) aus den abgetöteten S-Bakterien und gab sie einzeln zu R-Bakterien.

Nur bei Zugabe von reiner DNA konnten sich aus den R-Bakterien wieder tödliche S-Bakterien entwickeln. Avery zeigte, dass ausschließlich DNA die Eigenschaft zur Transformation besitzt.

→ Beweis: DNA ist Träger der Erbinformation.

Bakterien wurden zuerst in einem schweren Stickstoffisotop (¹⁵N) gezüchtet - ihre DNA war schwer. Dann wurden sie auf ein Medium mit leichtem Stickstoff (¹⁴N) umgestellt.

Zu verschiedenen Zeitpunkten entnahm man DNA-Proben und analysierte deren Dichte durch Zentrifugation.

Nach 1 Replikation: nur mittelschwere DNA → ein alter + ein neuer Strang

Nach 2 Replikationen: Hälfte mittelschwer, Hälfte leicht → bestätigt das semikonservative Modell

→ Die DNA wird semikonservativ verdoppelt - jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neu gebildeten Strang.

Start:

• Die Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix, während die DNA-Helicase, die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen trennt (Aufspleißung/Denaturierung) Dies erzeugt eine Replikationsgabel. Die Einzelstrangbindenden Proteine (SSB) stabilisieren die getrennten Stränge und verhindern ihre erneute Bindung.

Primerbildung:

Das Enzym Primase bildet kurze RNA-Stücke, sog. Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.

Synthese:

Die DNA-Polymerase bindet komplementäre Nukleotife an den Primer. Neue Stränge entstehen in 5’ → 3’ - Richtung.

Leit- und Folgestrang:

Auf dem Leitstrang erfolgt die kontinuierliche Synthese, da die Polymerase in die gleiche Richtung wie die Replikationsgabel arbeitet. Auf dem Folgestrang erfolgt die diskontinuierlichen Synthese, diese wird in Okazaki-Fragmenten durchgeführt, da die Polymerase in entgegengesetzter Richtung zur Replikationsgabel arbeitet. Jedes Fragment benötigt einen neuen Primer.

Abschluss:

Die Primer werden durch eine weitere DNA-Polymerase entfernt und durch DNA ersetzt. Die DNA-Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente und den neu synthetisierten DNA-Abschnitt, indem sie Phosphodiesterbindungen bildet.

→ Die Replikation endet, wenn die Replikationsgabel das Ende der DNA erreicht oder spezifische Terminationssequenzen auf den Chromosomen angetroffen werden.

Die semikonservative Replikation ist entscheidend für…

• die exakte Weitergabe der Erbinformation bei der Zellteilung

• die Stabilität des Genoms über Generationen hinweg

• die Entwicklung, das Wachstum und die Reparatur von Organismen

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Information zur Herstellung eines funktionellen Produkts (meist RNA oder Protein) enthält und damit Merkmale mitbestimmt.

Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese

→ Jedes Gen codiert ein Enzym (Beadle, Tatum)

Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese

→ Auch nicht-enzymatische Proteine zählen dazu (Strukturproteine)

Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese

→ Viele Proteine bestehen aus mehrere Polypeptiden, die jeweils von einem eigenen gehen, codiert werden

Ein-Gen-eine-RNA-Hypothese

→ Manche Gene kodieren nur für RNA (rRNA, tRNA) und nicht für ein Protein.

Ein Genprodukt ist das Ergebnis der Genexpression - meist ein Protein oder eine funktionelle RNA, das bzw. die eine bestimmte biologische Funktion erfüllt.

Gen → Enzym → Reaktion im Stoffwechsel → sichtbares Merkmal

Mehrere Gene wirken nacheinander, indirekt auf den Phänotyp (äußeres Erscheinungsbild), indem sie Proteine (Enzyme) codieren, die bestimmte biochemische Reaktionen ermöglichen.

Wenn ein Gen defekt ist, fehlt das entsprechende Enzym, die Kette wird unterbrochen - und das Endprodukt (Merkmal) kann nicht entstehen.

Die Proteinbiosynthese ist der zentrale Prozess, durch den die genetische Information der DNA in funktionelle Proteine übersetzt wird - sie verläuft in zwei Schritten: Transkription (Abschrift der DNA in mRNA) und Translation (Übersetzung der mRNA in eine Aminosäurekette).

DNA → Transkription → mRNA → Translation → Polypeptid

Transkription:

Ort: Im Cytoplasma, da Prokaryoten keinen Zellkern besitzen.

Ziel: Die genetische Information eines Gens wird von der DNA auf ein mRNA-Molekül übertragen.

Bestandteile: DNA, Nukleosidtriphosphate (4 Basen), RNA-Polymerase

Initiation:

Die RNA-Polymerase bindet an eine bestimmte Erkennungssequenz auf der DNA, den Promotor.

Entwindung der DNA:

Die DNA Doppelhelix wird an dieser Stelle geöffnet - es entsteht eine Transkriptionsblase.

Elongation (Verlängerung der RNA-Kette):

Nur ein Strang der DNA, der sog. codogene Strang, dient als Vorlage. Die RNA-Polymerase setzt komplementäre RNA-Nukleotide aneinander - immer in 5’→3’-Richtung. Dabei entsteht eine Messenger (mRNA).

Termination:

Sobald die RNA-Polymerase, ein bestimmtes Terminator-Signal auf der DNA erreicht, endet die Transkription. Die fertige mRNA löst sich von der DNA und steht für die nächste Phase bereit.

Ort: Ebenfalls im Cytolasma, an den Ribosomen

Ziel: Die Basenabfolge der mRNA wird in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt

Bestandteile: mRNA, tRNA, Ribosomen Aminosäuren

Initiation (Start):

Die kleine Ribosomenuntereinheit bindet an die mRNA. Sie wandert entlang der mRNA bis zum Startcodon (AUG). Eine spezielle Start-tRNA, die Methionin trägt, bindet über ihr Anticodon (UAC) an das Start-Codon. Danach lagert sich die große Ribosomenuntereinheit an.

Elongation (Verlängerung der Polypeptidkette):

Neue tRNA’s bringen passende Aminosäuren zur mRNA. Die tRNA’s binden an die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle) des Ribosoms. Die wachsende Polypeptidkette wird an die neue Aminosäure angehängt. Die tRNA mit der Polypeptidkette wandert zur P-Stelle (Peptidyl-Stelle), die leere tRNA wird über die E-Stelle (Exit-Stelle) entlassen. Das Ribosom verschiebt sich jeweils um ein Codon weiter.

Termination (Beenden der Translation):

Sobald ein Stopp-Codon (UAA, UAG, UGA) erreicht wird, bricht die Translation ab. Es gibt keine passende tRNA für diese Codons. Das Ribosom zerfällt, und das fertige Protein wird freigesetzt.

mRNA: enthält die genetische Information in Form von Codons (Dreiergruppen von Basen)

tRNA: transferRNA, bringt die passenden Aminosäuren

Transkription im Zellkern:

Die Transkription findet im Zellkern statt. Es entsteht zunächst eine prä-mRNA, die sowohl Exons (kodierende Abschnitte), als auch Introns (nicht-kodierende Abschnitte) enthält.

Prozessierung der prä-mRNA:

Vor der Translation wird die prä-mRNA zu einer reifen mRNA umgewandelt:

• Spleißen - Introns werden entfernt, Exons miteinander verbunden

• 5’-Cap - eine Schützstruktur am 5’-Ende erleichtert das binden an Ribosomen

• Poly-A-Schwanz - eine Kette von Adenin-Basen am 3’-Ende schützt vor Abbau im Cytoplasma

Translation im Cytoplasma:

Die fertige mRNA wird durch Poren aus dem Zellkern ins Cytolasma transportiert und dort wie bei Prokaryoten an den Ribosomen in ein Protein übersetzt.

Unterschied im Ribosomenbau:

P: 70S-Ribosomen - bestehen aus 50S- und 30S-Untereinheiten

E: 80S-Ribosomen - bestehen aus 60S- und 40S-Untereinheiten

Der genetische Code beschreibt die “Sprache”, mit der die mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird.

Triplett-Code

Drei Basen (ein Codon) codieren jeweils eine Aminosäure.

Degeneriert/Redundant:

Eine Aminosäure kann durch mehrere verschiedene Codons codiert sein.

Kommafrei:

Die Codons folgen ohne Trennzeichen direkt aufeinander.

Nicht überlappend:

Jede Base gehört nur zu einem Codon.

Universell:

Fast alle Lebewesen nutzen denselben Code.

AUG

→ Startsignal für die Translation und codiert für Methionin als erste Aminosäure.

UAA, UAG, UGA

→ Beenden die Translation, codieren für keine Aminosäure.

Differenzielle Genaktivität beschreibt, dass in jeder Zelle nur bestimmte Gene aktiv sind - dadurch können sich Zellen trotz identischer DNA spezialisieren und unterschiedliche Funktionen übernehmen.

Die Regulation der Genaktivität ist bei Prokaryoten eher simpel, aber effizient.

→ Hauptmechanismus: Operon-Modell (von Jacob und Monod bei E.Coli entwickelt)

Strukturgene:

codieren für Enzyme oder funktionale Proteine.

Promotor:

Bindungsstelle der RNA-Polymerase → Startpunkt der Transkription.

Operator:

Kontrollstelle, an die der Repressor binden kann.

Regulatorgen:

liegt außerhalb des Operons, codiert für den Repressor.

Repressor:

Protein, das den Operator blockieren kann → hemmt Transkription reversibel.