Vorlesung 1

• Urknall vor ca. 14 Milliarden J.

• Erdentstehung von ca. 4,5 Milliarden J.

• 1 Mill. J. später erste Urbakterien (Archaea) und Bakterien

• 1. Eukaryont, Pilze, Pflanzen vor 2 Mil. Jahren

• Kambrium vor 500 Mio J. —> höher entwickelte Lebewesen!

• Trias vor 200 Mio J. erste kleine Säugetiere (verstecken vor Dinos) -Tierbreich besser nachvollziehbar aufgrund von Fossilien

• Kreidezeit vor 100 Mio J. —> 5. Massesterben durch Asteroideneinschlag - Dinos und 75% Tiere weg

• Tertiärzeit vor 60 Mio J. —> große Säugetiere

Überreste oder Abdrücke von Lebewesen, die älter als 10 000 J

dürfen nicht zersetz werden, das passiert, wenn sie schnell austrocknen, einfrieren, von 02 Austausch abgeschlossen

Körper, Pflanzen, Spurenfossilien

Häufig: Versteinerung -> Überreste unter Erde luftdicht eingeschlossen und Versteinert

Bsp:

Dinosaurier stirbt und sinkt auf Meeresboden

wenig 02 -> langsame Zersetzung

Sedimente lagern sich über ihn (Schlamm, Sand..)

hoher Druck auf ihn -> Flüssigkeiten raus

—>Versteinerung

kommt durch Plattentektoniks an Oberfläche durch Wetter freigelegt

Kambrische Explosion

aufgrund von veränderten Umweltbedingungen im Meer, gab es mehr Sauerstoff

Entstehung fast aller heutigen Tierstämme

—> Entstehung der Baupläne für Tiere -> seitdem Variationen, aber nichts neues

z.B. Landlebewesen u.a. Mensch stammt von Wassertier ab, da Flossen zu Armen und Beinen

—>aber manche sind auch wieder ins Wasser zurückgegangen (Delphine, Wale bewegen sich anders als Fische)

-> Hox-Gen Gliederung Körper

Gemeinsamtkeit: DNA, ATP, nahezu universell genetischer code

Vereinigungstheorie (fusion)

—> Bakterium und Archae verschmelzen und 1. Eukaryont entsteht (Erbgut wird ebenfalls veerschmolzen)

Verschlingungstheorie

—>Archaea verschlingt Bakterium

—>Bakteriengene werden an Archaea gegebne

—>Bakterium entwickelt sich zu Mitochondrium

—>1. Eukaryont

aufgrund von Sonnenenergie

—>Pflanzen wandeln Co2 und Wasser in O2 und Glucose um

—>wir verbrennen O2 und Glucose zur Energiegewinnung

in Tiefsee leben trotzdem möglich (obwohl kein Licht, keine Energie)

da Schwefelwasserstoffquellen

—>kann oxidiert werden

—>alle Tiere weiß

—>Röhrenwürme haben z.B. symbiotische Bakterien in ihrem Körper, die Schwefelwasserstoff oxidieren können

Zähne vor ca. 500 Mio J. entstanden (Kambrium)

am besten angepasst: Krokodil und Hai

Nahrungsangepasst: z.B. Raubtiere mit Reißzähnen; Pflanzenfresser mit Mahlzähnen

Krokodil:

• hat ca. 80 Zähne, bis zu 50 mal ersetzbar

• Zahn nicht gut verankert, damit Kiefer bei Biss in Opfer nicht bricht (Drehung)

Hai:

• Revolvergebiss mit mehreren Schichten (vorderen fallen aus, neue werden nachgeschoben)

• 1 Hai Leben bis zu 30 000 Zähne (gibts schon 500 Mio J. —> viele Fossilien)

Elefant:

• 4Kg Zähne! , Stoßzähne

• Zähne wachsen von hinten nach, Lamellen blättern ab

• weniger anfällig für Krebs, da p51

Hasen, Ratten:

• Zähne wachsen ständig nach, werden immer länger

• scharfe Zähne!; rot, stabil durch Eiseneinlagerung

• Diamant Härtegrad 10- Mäusezahn 9,6

Modifikationstheorie:

—> Zähne aus modifizierten Körperstrukturen entstanden sind, die für andere Funktionen entwickelt wurden, wie z.B. Schuppen.

Schuppenpanzer nach Innen gewachsen

—> Beweis: Krankheit bei der die Schweißdrüsen betroffen sind, dann sind auch Haare und Zähne betroffen —> Gen: Ectodysplasin A

1) Ursuppe (Mischung organischer und anorganischer Stoffe)

2) Tiefsee (Leben in Nähe heißer Quellen)

3) im All (Komet mit allem Leben auf Erde -> Transportmitte

Grundform: simple Chemicals —> simple RNA, die Infos speichern kann —> komplexe RNA mit katalytischer Aktivität und Relpikationsfähigkeit —> Proteinentstehung

—>singulärer Ursprung - alles miteinander verwandt

—> muss sein, da alles ATP braucht, alle haben DNA, alle haben 21 AS

—>aufgrund von kleiner Nahrung

Vogel (Abstammung vom Dinosaurier (Archaeopterix Übergangsform Vogel - Dino), hatte noch Zähne, aber mit Evolution verloren gegangen —> Schnabelfunktion)

Ameisenbär

Kröten ehr Platten

Plasmamembran - Transport, mit Rezeptoren

Cytoplasma - füllt Zelle aus mit gelösten Bestandteilen

innere Membran - teilt Zelle in Kompartimente

Zellkern - genetische Info verpackt in Chromosomen (hier findete DNA-Replikation, tRNA und mRNA Synsthese statt)

endoplasmatisches Retikulum - mit Membran vom Zellkern verbunden

raues: Proteinbiosynsthese, hier sitzen Ribosomen

glattes: Speicheraufgaben, Zellentgiftung

Golgi-Apperat - Proteine, die vom eR hergestellt werden hier modifiziert, gereift, sortiert

schnürrt Vesikel ab z.B. Lysosomen

Endosomen, Exosomen - Vesikel für o2 Austausch mit Zelle

Mitochondrien - Stoffwechsel, aerobe Energiegewinnung, Zellatmung

Ribosom - Proteinbiosynthese (Translation)

Lysosom, Peroxisom - Verdauungsorganelle, Entgiftung, Gallensäuresynthese

Cytoskelett - Gerüst aus Protein (Microtubuli, Aktinfilamente, Centriole)

Chloroplasten bei Pflanzen - gegenstück Mitochondrien, Photosynthese

Zytosol - Plasma ohne Organellen

wasserlösliches Protein

Bestandteil Atmungskette-System

bindet Elektronen und transportiert sie von einem zum nächsten Enzymkomplex

—>durch Transport von Elektronen wird Energie frei

—> zur Synthese von ATP nötig

durch Vergleich der Aminosäuresequenz von Cytochrom c in verschiedenen Arten können Wissenschaftler die evolutionären Verwandtschaften von Organismen bestimmen

1. dichte Kontakte (Tight juncitons)

   —>Abdichten, Diffusionsbarriere

   —>an Orten, wo strenge Trennung der Kompartimente nötig (Blut-Hirn-Schranke)

   —> auch in Haut wichtig: Schutz vor Eindringen von Wasser,Schmutz

2. Haftkontakte (Desmosomen)

   —>Knopfartige Zell-Zell-Verbindungen (Zusammenhalt)

   —>zwischen zwei Zellen: Desmosomen - Adhäsionsprotein: Cadherine

   —>zwischen Zelle und EZR: Hemidesmosomen -Integrine (bindet an Aktin)

3. Kommunikationskontakte (Gap Junction)

   —>Informationsaustausch

   —>rundliche Membranareale mit Tunnelprotein eingelagert

   —>Infoaustausch durch elektr. Kopplung und IZR Stoffaustausch

-findet in eukaryotischen Zellen statt

-geregelter Ablauf von Ereignissen zwischen einzelnen Zellteilungen

-zwei Hauptphasen: Interphase, Mitose

-Ziel: Informationder Zelle indetisch verdoppeln und auf zwei Tochterzellen übertragen

Interphase:

• G1Phase -> Wachstum

  ->Ende der Phase: erster Kontrollpunkt

  “G1-Restriktionspunkt” Zelle reif für S-Phase?

  —>für Überwindung äußerer Faktoren notwendig: Nährstoffe, WF

• Bsp: Leberzellen größtenteils G0 (keine Vermehrung), Teilung 1-2x pro Jahr, bei Schaden aller zwei Tage

  Nervenzellen immer G0

  Tumorzellen nie G0, kurze G1

• S-Phase —>Synthese

  —>Kopie und Replikation DNA

  —>vorher 46 ein-Chromatid-Chromosomen danach verdoppelt —> als zwei Chromatid Chromosomen

• G2-Phase —>Qualitätssicherung

  —>Kontrolle, ob alles richtig —>Mitose, sonst Apoptose

Prozess, wo sich Zelle in zwei Tochterzellen aufteilt

1. Prophase: Herstellung DNA-Transportform

   —>DNA durch Spiralisierung, Verdichtung zu Chromosomen gebündelt

   —>zwei Identische Chromatiden durch Centromer zusammengehalten

   —>Kernteilunsspindel bildet sich aus und Kernhülle löst sich auf

2. Metaphase

   —>Anordnung der Chromosomen in Äquatorialebene und weiter verkürzt und verdickt

   —>Andocken Spindelfasern am Zentromer

3. Anaphase

   —>Trennung der Chromatiden zu gegensätzlichen Polen

   —>Abbau Spindelapparat

4. Telophase

   —>Widerherstellung Zellkern + Hülle

   —>Chromatiden zu Faden, nur noch ein Chromatid Chromosom

5. Zytokenese

   —>Zellteilung durch Abschnürung in Mitte

   —>mithilfe von Aktinfilamenten und eR —>Membranbiosynthese, Stabilität

Zell-Zyklus-Kontrollsystem, um nicht unnötig viele Zellen zu produzieren

(Einzeller teilen sich immer, Vielzeller nur wenn nötig)

—>Erlaubnis erteilen WF (Kontrolle, Differenzierung) —>12h nach Eintritt in Zelle kommt es zur S-Phase

—>über 50 bekannt (meiste davon Proteine)

—>binden an Rezeptoren auf Zelloberfläche —> aktivieren Signalkaskaden, die Zellwachstum/Zellteilung auslösen

• EGF epidermaler WF (Haut und Schleimhäute)

• NGF Nerven WF (Nervenzelle)

• FGF Fibroblasten WF (Bindegewebe, Knochen, Blutgefäße)

• Vaskulärer endothelialer WF (Blutgefäße, Gewebsreparatur)

• IGF insulinähnlicher WF (Zellen, Stoffwechselregulation)

• PDGF von Blutplättchen produziert (Wundheilung)

• Erythropoetin (EPO) in Niere produziert (regt Bildung von roten Blutkörperchen an)

  —> DOpingmittel im Sport, da wichtig für 02 Transport

Desoxyribonukleinsäure

-Form: alpha-Doppelhelix

-zwei antiparallele Nukleotidstränge

-Nukleotid = Nukleosid (Base+Zucker) + Phosphat

-zwei komplementärbasen gegenüber durch H+Brückenbindung verbunden

—> Adenin - 2H+Brücken - Thymin

—>Guanin - 3H+Brücken - Cytosin

Stabilität durch Wendeltreppe mit kleiner und großer Furche + Stapelwechselwirkungen der Basenpaare

—>während S-Phase

—>Doppelhelix wird entwunden und getrennt —> beide Stränge dienen als Matritze für Synthese von neuen komplementären DNA Strang

—>Chromosomen wir in zwei chromatid chromosomen gewandelt

1. Initiation

   —>beginn an definierten Stellen: Replikationsursprung

   —> Topoisomerase entwindet DNA

   —>Helicase trennt H+-Brücken zwischen Basen unter ATP verbrauch (Replikationsgabel entsteht)

   —>Stabilisierung der einzelnen Stränge durch DNA-Bindungsproteine (damit Stränge nicht wieder zusammen gehen)

   —>anlegen von Primer (hergestellt durch Primase - RNA-Stück bestehend aus Nukleotiden (RNA-Polymerase))

   —>stellt 3´OH Ende bereit - Replikationsbeginn

2. Elongation

   —>Enzym für Anheftung der kompl. Basen: DNA-Polymerase

   —>fügt Nukleotide an 3´Ende des Primers

   —>arbeitet in 5´-3´Richtung

   —->Leitstrang (kontinuierliche Verlängerung)

   Ablesen 3´-5´Richtung!

   
   

   —>Folgestrang: Polymerase und Helicase arbeiten in verschiedene Richtungen

   —>Lösung: Primase fügt immer wieder Primer an Folgestrang

   —>abschnittweise Verlängerung, Abschnitte: Okazaki-Fragmente

   —>durch Ligase verknüpft

3. Termination

   —>DNA-Polymerase hört auf sobald sie auf ihr entgegengesetz laufende Replikationsgabel trifft

   —> dauert insgesamt ca 7h —> dann in G2 zur Kontrolle

   
   

   
   

   Zeitlich gesehen dauert bei Eukaryonten länger durch DNA Verpackung

   
   

   Korrektur von Fehlern durch DNA-Polymerase (erkennt falsches Nukleotid, schneidet es raus) —> trotzdem manchmal nicht fehlerfrei, deshalb Punktmutation

   
   

Zellkern: 5-10mikrometer —> DNA 2m lang

nicht benötigte Infos verpackt, andere griffbereit

3 Stufen:

Nukleosomen

—> Histone (+) binden sich an DNA, da durch Phosphate stark neg. geladen

—>DNA wird darum gewickelt

Nukleosomen winden sich zu Chromatinfaden (Spiralisierung)

nochmal in Schleifen gelegt (Chomatin)

weiter spiralisiert (stark Verkürzt)

—> Chromosom liegt vor

—>dieser hohe Verpackungsgrad nur in Transportform (hier keien Replikation, Translation)

jeder DNA Einzelstrang fungiert als Vorlage für die Synthese eines neuen Strangs

(halberhalten -> einer neu einer alt)

—>Transportform DNA (in der Metaphase)

—>Träger Erbinformation

normal: 1 chromatid Chromosomen

in S-Phase: 2 chromatid Chromosomen

menschliche Zelle hat diploiden Chromosomensatz: 46 (23 Frau, 23 Mann)

geschlechtsbestimmende Chromosomen: Genosomen, Rest: Autosomen

Geschlechtszelle: haploid, wenn befruchtet: diploid

—> Gesamtheit aller Gene in einem vollständig haploiden Chromosomensatz

—> ca. 23 000 Gene, davon 1,5 % kodiert

—>Basenpaare: 3,2 Milliarden

—> 70% intergene DNA (nicht codiert)

—> 30% genähnlich

• nur 90 % nicht codiert nämlich Introns

• 10 % codiert: Exons

(man kann mittlerweile sehr viel sequenzieren und schnell - nicht immer gut (erfährt Krankheit von später))

Codierend bedeutet: Genabschnitt der verantwortlich ist für Herstellung von Protein

—>Information dafür aufgrund von Basenabfolge in DNA

—>Erbgut in verschiedene Abschnitte unterteilt sind die Gene

—> besitzen Informationen für ein bestimmtes Merkmal z.B. Körpergröße

Prozess bei dem das genetische Material der Zelle in eine für uns nutzbare Form überführt wird

—> Bildung der Genprodukte: “Exprimieren”

—>Weg vom Genotyp zum Phänotyp

—> im engeren Sinne Proteinbiosynthese

Genregulation

—>welche Proteine dein Körper wo, wann und in welcher Menge bildet

—> nicht jede Zelle exprimiert jedes Gen

—> z.B. durch Transkriptionsfaktoren reguliert

Abschnitt auf der DNA

Besteht aus Nukleinsäureketten

Enthält bestimmte Informationen zur Herstellung einer RNA

RNA wiederum dient als Bauplan für Proteine

Gen bestimmt die Merkmale eines Lebewesens (fast immer eigentlich mehrere Gene)

• Methode zur Untersuchung der DNA (z.B. Vergleich von zwei unbekannten DNAs)

• mithilfe von Restriktionsenzymen (Restriktionsendonukleasen) werden bestimmte DNA-Sequenzen erkannt und geschnitten

• (Antagonist: Ligasen)

• DNA Charakterisierung möglich durch Gelelektrophroese

• —>Fragmente wandern hier unterschiedlich weit

• durch VergleichsDNA Muster abgleichen und DNA erkennen

(Durchbruch mit Insulin in den 80er Jahren??)

Polymerase Kettenreaktion

—> Verfahren, bei dem bestimmter DNA-Abschnitt vervielfältigt werden kann

—>z.B. um aus geringen Mengen von DNA viel zu machen, um daran zu forschen, analysieren, diagostik (Vaterschaftstest, Geschlechtsbestimmung, Genmutationen)

Zyklus:

1. Denaturierung

   —>DNA-Doppelstrang auf 94 Grad erhitzt dadurch H+Brücken gelöst

2. Annealing

   —>abkühlen auf 55 Grad damit Primer binden kann

3. Elongation

   —>hinzufügen von DNA-Polymerase, um neue DNA zu synthetisieren

   (bei 72 Grad - taq Polymerase, da sie hitzebeständig ist

durch mehrmaliges Widerholen, entstehen Kopien von Kopien - Kettenreaktion

Zusammenhang CT wert Covid:

bei Test wird RNA entnommen und auf DNA umgeschrieben (Corona besteht aus RNA - mutiert öfter)

—>Zykuls 35-40 mal durchgeführt

—> CT hoch - geringe Viruslast, da Zyklus öfter widerholt werden musste um Virus zu finden

Kettenabbruchmethose zur Bestimmung bestimmter Basenabfolgen der DNA (Sequenz)

z.B. um Erbkrankheiten früher zu erkennen und Handeln könne, Erbgutentschlüsselung

• Sanger Sequenzierung

• Funktionsweise vom PCR mit DNA Polymerase und spezieller Stopp-bausteine (Didesoxynukleotide —> mit unterschiedlcihen Farben)

• —> es werden unterschielcih lange DNA-Bruchstücke generiert

• unterscheiden sich nur um ein Basenpaar

• Auftrennung mit Hilfe von Gelektrophroese (DNA ist negativ geladen - Plus pol am Boden)

  
  

-therapeutische Antikörper so hergestellt

-mittlerweile lässt sich sehr schnell sequenzieren (vor 20 Jahren wären wir bei Corona einfach krank geworden, hätten nicht gewusst was es ist) - vor und nachteile

-früher sehr kostenintensiv sein Genom zu sequenzieren 1Milliarde (jetzt mit Chiptechnologie 800 euro)

genetische Krankheit bei Männern auch: 47,XXY-Syndrom genannt

normalerweise: ein X-Chromosomen von Mutter, ein Y vom Vater

—> mit Syndrom ein X mehr, also nun 47 Chromosomen statt 46

—> kann nicht geheilt werden, aber durch Hormontherapie Lebensqualität verbessern, Symptome lindern

Symptome:

-Unfruchtbarkeit (wenig bis keine Spermien)

-weniger Testosteronproduktion (Entwicklungsverzögerung - Haar, Musekelwachtum)

-Lernsprachentwicklung beeinträchtigt

in Interphase

G-1 Restriktionspunkt = Kontrollpunkt -> Entscheidung ob Zelle reif ist und in S-Phase darf

Kontrolle durch äußerliche Faktoren (z.B.Nährstoffe, WF)

G-2-Phase = Qualitätssicherung

- Kontrolle ob Erbgut richtig verdoppelt, sonst Korrektur 

- bei zu vielen Fehlern Apoptose (P53 verhindert Weiterlaufen der Zelle)

Bei Ausfall:

- viele mutierte Zellen 

- unkontrollierte Zellteilung