BIO ABI BIG 26

Erhöhte Proteinsynthese vs. -abbau:

• Belastung aktiviert Signalwege, die die Translation (Proteinsynthese) anregen.

• Gleichzeitig wird der Proteinabbau (über das Ubiquitin-Proteasom-System) vorübergehend gehemmt.

• Nettoeffekt: Akkumulation von kontraktilen Proteinen.

Organisationsebene des Lebens

• Zelle: die kleinste lebensfähige und vermehrungsfähige Einheit (z. B. eine einzelne Kieselalge oder eine Leberzelle).

• Gewebe: Verband von gleichartigen Zellen mit ähnlicher Funktion (z. B. Lebergewebe, Palisadengewebe im Blatt).

• Organ: funktionelle Einheit im Organismus, die aus verschiedenen Geweben zusammengesetzt ist (z. B. Leber, Blatt, Wurzel).

• Organismus: Das gesamte Lebewesen (z. B. Mensch, Buche, Moospflanze).

Kennzeichen aller Zellen

• Biomembranen schaffen abgeschlossene Räume (Kompartimentierung).

• Zellplasma

• Genetisches Material

• Energiebedarf: Für Lebensfunktionen (Transport, Bewegung, Stoffwechsel) wird Energie benötigt.

• Reproduktion: Zellen gehen immer aus bereits existierenden Zellen hervor.

Tierzelle Merkmale

• Zellwand: nicht vorhanden

• Chloroplast: nicht vorhanden

• Vakuole: Meist keine/ kleine vesikel

• Zellform: Variabel, meist eingebettet in EZM

• Verbindung über extrazelluläre Matrix

Merkmale Pflanzenzelle

• Zellwand: Vorhanden, (stabilität & Form)

• Chloroplast: Vorhanden (Ort der Fotosynthese)

• Vakuole: Große Zentralvakuole (Speicher/Verdauung)

• Zellform: Eher starr/geometrisch durch Zellwand

• Über Plasmodesmen (Kanäle in der Wand)

Tierzelle

Pflanzenzelle

Zellkern (Nucleus) Funktion

Enthält den Großteil der DNA; Steuerzentrum der Zelle.

Ribosomen Funktion

Ort der Proteinbiosynthese (verknüpfen Aminosäuren zu Ketten).

Endoplasmatisches Reticulum Merkmal

• Raues ER: Mit Ribosomen besetzt, stellt Proteine her.

• Glattes ER: Ohne Ribosomen, Lipidsynthese und Giftabbau (besonders stark in Leberzellen ausgeprägt).

Golgi-Apparat (Dictyosomen): Merkmal

Speichert und verändert Proteine; schnürt Vesikel für den Transport ab.

Mitochondrien: Merkmal

"Kraftwerke"; wandeln Energie um (Zellatmung); besitzen eigene DNA.

Chloroplasten (nur in Pflanzen): Merkmal

Ort der Fotosynthese; besitzen ebenfalls eigene ringförmige DNA.

Vesikel (Lysosomen/Peroxisomen):

kleine Membranbläschen für Transport oder Abbau von Stoffen.

Die Extrazelluläre Matrix (EZM) Erklärt

• Zusammenhalt: Hält die Zellen im Gewebe zusammen.

• Schutz & Signal: Dient als Barriere gegen Erreger und ermöglicht Immunzellen die Bewegung zum Infektionsort.

• Beispiel Knorpel: Die druckelastische Substanz zwischen den Knorpelzellen besteht aus Stoffen, die von den Zellen nach außen abgegeben wurden.

Semipermeabel

Eine halbdurchlässige Trennwand. Biomembranen sind für bestimmte Substanzen durchlässig, für andere jedoch nicht (= selektive Permeabilität). 

Prozess der Osmose: Ausgangslage

Zwei Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration an gelösten Stoffen (z. B. viel Zucker vs. wenig Zucker) sind durch eine semipermeable oder selektiv permeable Membran getrennt.

Prozess der Osmose Die Barriere

Die gelösten Stoffe (Zucker) können die Membran nicht passieren, da sie zu groß sind oder die Membran für sie nicht durchlässig ist. Wasser hingegen kann frei hindurchdiffundieren.

Prozess der Osmose: Bewegung

Wasserteilchen bewegen sich immer zum Ort der höheren Konzentration der gelösten Stoffe (dort, wo "weniger freies Wasser" ist).

Prozess der Osmose Ziel

Ein Konzentrationsausgleich zwischen beiden Seiten. Da die Teilchen selbst nicht wandern können, wandert das Lösungsmittel.

Warum ist die Osmose für die Zelle wichtig

Die Biomembran ist selektiv permeabel. Sie ermöglicht es der Zelle:

• Wasser gezielt aufzunehmen (Turgordruck), um stabil zu bleiben.

• Gleichzeitig wichtige Nährstoffe im Inneren zu behalten, ohne dass diese einfach nach außen diffundieren.

Merksatz Osmose

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran vom Ort des höheren Wasserpotenzials (niedrige Stoffkonzentration) zum Ort des niedrigeren Wasserpotenzials (hohe Stoffkonzentration).

Protein Definition

Proteine sind unverzweigte Makromoleküle, die aus Ketten von Aminosäuren bestehen.

Aminosäuren

Alle proteinogenen Aminosäuren haben einen gemeinsamen Grundbauplan:

• ein zentrales α-C-Atom,

• eine Aminogruppe (−NH2),

• eine Carboxygruppe (−COOH),

• ein H-Atom und einen variablen Rest (R).

Peptidbindung

Aminosäuren werden durch eine Kondensationsreaktion (unter Abspaltung von Wasser) miteinander verknüpft.

Kettenlänge Aminosäuren

Ketten unter 100 Aminosäuren heißen Peptide; darüber spricht man von Proteinen (meist 100 bis 600 Aminosäuren).

Primärstruktur

Die exakte Reihenfolge (Sequenz) der Aminosäuren.

Sekundärstruktur

Lokale Auffaltung durch Wasserstoffbrücken zwischen den Peptidbindungen

Tertiärstruktur

Die gesamte räumliche Faltung einer Kette. Sie wird durch Wechselwirkungen zwischen den Resten stabilisiert (z. B. Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte, Disulfidbrücken).

Quartärstruktur:

Zusammenschluss mehrerer Proteinketten zu einer funktionellen Einheit (z. B. Hämoglobin)

Lipide

Lipide sind hydrophobe Stoffe, die als Energiespeicher, Kälteschutz und Baustoff für Membranen dienen.

Fettmoleküle (Triglyceride)

Bestehen aus einem Molekül Glycerin und drei Fettsäuren, die durch eine Esterbindung verknüpft sind.

Gesättigte Fettsäuren:

Keine Doppelbindungen, meist fest bei Raumtemperatur.

Ungesättigte Fettsäuren:

Besitzen Doppelbindungen, meist flüssig (Öle).

Phospholipide

• Der Hauptbestandteil von Biomembranen. Sie sind amphiphil:

  • Ein hydrophiler Kopf (Phosphatgruppe, wasserliebend).

  • Zwei hydrophobe Schwänze (Fettsäuren, wasserabweisend).

  • In Wasser bilden sie spontan Doppelschichten oder Micellen.

Biomembran

Biomembranen grenzen Zellen und Organellen (z. B. Chloroplasten, Dictyosomen) ab und ermöglichen eine räumliche Trennung (Kompartimentierung).

Aufbau der Membran (Flüssig-Mosaik-Modell)

• Lipiddoppelschicht: Bildet die Grundstruktur; die hydrophoben Schwänze zeigen nach innen, die hydrophilen Köpfe nach außen. Sie verleiht Stabilität und Flexibilität.

• Membranproteine:

  • Integrale Proteine: Durchspannen die Membran ganz oder teilweise; fungieren oft als Kanäle oder Carrier.

  • Periphere Proteine: Liegen der Membran nur auf.

• Kohlenhydrate: Sind auf der Außenseite an Proteine (Glykoproteine) oder Lipide (Glykolipide) gebunden. Sie bilden die Glykokalyx, die der Zellidentifikation dient.

• Cholesterin (bei Tieren): Bis zu 25% Anteil; verhindert, dass die Membran bei niedrigen Temperaturen zu starr wird.

Proteinfunktionen

• Katalyse: Enzyme (beschleunigen Reaktionen)

• Struktur: Keratin (Haare), Kollagen (Bindegewebe)

• Transport: Hämoglobin (Sauerstoff), Tunnelproteine in Membranen

• Bewegung: Actin und Myosin im Muskel

• Immunabwehr: Antikörper

• Regulation: Hormone wie Insulin

Endoctyse

Die Zelle nimmt Stoffe aus dem Außenraum auf, indem sie die Zellmembran einstülpt.

• Die Zellmembran umschließt ein Partikel oder eine Flüssigkeit von außen.

• Die Einstülpung schnürt sich nach innen ab, und es entsteht ein kleines Bläschen im Zellinneren – das Vesikel.

• So gelangen Nährstoffe oder (bei Immunzellen) Bakterien in die Zelle, um dort verdaut zu werden.

Exotyse (Stoffabgabe)

Stoffe werden aus dem Zellinneren nach außen geschleust.

• Vorgang: Ein im Zellinneren beladenes Vesikel (z. B. vom Golgi-Apparat, siehe deine Buchseite 24) bewegt sich zur Zellmembran.

• Fusion: Die Membran des Vesikels verschmilzt (fusioniert) mit der Zellmembran.

• Abgabe: Die Membran öffnet sich nach außen, und der Inhalt des Vesikels wird in den Extrazellulärraum abgegeben.

• Nutzen: Abgabe von Abfallstoffen, Ausscheidung von Sekreten (z. B. Enzyme oder Hormone) oder der Einbau von Proteinen in die Zellmembran.

Zusammenhang Exo/Endocytose

1. Am rauen ER werden Proteine hergestellt.

2. Diese werden in Vesikeln zum Golgi-Apparat geschickt, dort modifiziert und sortiert.

3. Der Golgi-Apparat schnürt neue Vesikel ab, die dann per Exocytose Stoffe aus der Zelle transportieren (z. B. Verdauungssäfte in der Leber oder Baustoffe für die pflanzliche Zellwand).

Fünf Aminosäuren als Bsp.

Glycin, Alanin, Valin, Phenylalanin, Tryptophan, Serin, Tyrosin, Glutamin

Essenzielle Aminosäuren

Können vom Körper nicht selbst hergestellt werden und müssen über die Nahrung aufgenommen werden (z. B. Leucin, Valin, Methionin).

Semi-essenzielle Aminosäuren

Müssen nur in bestimmten Phasen wie Wachstum oder Genesung zugeführt werden (Arginin, Histidin).

Denaturierung

Die Zerstörung der räumlichen Tertiärstruktur eines Proteins durch Hitze oder pH-Wert-Änderungen. Das Protein verliert dabei seine Funktionsfähigkeit; dies ist meist irreversibel.

Enzyme Erklärung

• Wirkungsweise: Das Substrat bindet nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip am aktiven Zentrum des Enzyms. Es entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex, bevor das Produkt freigesetzt wird.

• Spezifität: Enzyme sind wirkungsspezifisch (z. B. spaltet Maltase nur Maltose in Glucose).

• Wechselzahl: Gibt an, wie viele Substratmoleküle ein Enzym pro Sekunde bei Sättigung umsetzen kann.

Kompetitive Hemmung

Ein Hemmstoff, der dem Substrat ähnlich sieht, konkurriert um das aktive Zentrum und blockiert es reversibel.

Allosterische Regulation (Hemmung/Aktivierung)

Der Stoff bindet an einer zweiten Bindungsstelle (allosterisches Zentrum). Dies verändert die Form des aktiven Zentrums, sodass das Substrat entweder besser (Aktivierung) oder gar nicht mehr (Hemmung) binden kann.

Negative Rückkopplung (Endprodukthemmung)

Das Endprodukt einer Stoffwechselkette hemmt allosterisch ein Enzym am Anfang der Kette, um eine Überproduktion zu verhindern.

Vergiftung (Enzyme)

Schwermetalle (Blei, Quecksilber) zerstören Enzyme irreversibel, indem sie z. B. Disulfidbrücken lösen.

Substratinduktion

Hohe Substratkonzentrationen können an das allosterische Zentrum binden und die Reaktionsgeschwindigkeit zusätzlich deutlich erhöhen.

Was ist DNA/RNA

Die Nukleinsäuren DNA und RNA sind die Informationsträger der Zelle.

DNA unterschiede zu RNA

• Die RNA ist meist nur ein Einzelstrang und wesentlich kürzer als die DNA.

• Statt Desoxyribose enthält sie den Zucker Ribose.

• Die Base Thymin wird in der RNA durch Uracil (U) ersetzt.

Verpackung der DNA

1. Nukleosomen

2. Chromatidenfasern

3. Chromatin

4. Chromosomen

Nucleosom erklärt

Die DNA wird zweimal um kugelige Proteine, die Histone, gewickelt (wie ein Faden um eine Spule).

Chromatinfaser

Diese Perlenschnur aus Nucleosomen wird zu einer dichteren Faser aufgewickelt.

Chromosomen

Durch weitere Faltung und Schleifenbildung entstehen während der Zellteilung die typischen, sichtbaren Chromosomen. Ein Metaphase-Chromosom besteht aus zwei identischen Hälften, den Chromatiden, die am Centromer verbunden sind.

Ablauf der Replikation

1. Entwindung

2. Startpunkt

3. Synthese

4. Kontinuierlicher und diskontinuierlicher Strang

5. Fertigstellung

Erster schritt replikation

Entwindung: Das Enzym Helicase entspiralisiert die Doppelhelix und trennt die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen wie bei einem Reißverschluss. Es entsteht eine Replikationsblase mit zwei Replikationsgabeln.

Zweiter Schritt Replikation

Startpunkt: Das Enzym RNA-Primase baut kurze Startsequenzen aus RNA an, die Primer. Diese dienen als "Andockstelle" für die Polymerase.

Dritter Schritt Replikation

Synthese: Die DNA-Polymerase verknüpft neue, passende Nukleotide mit den freien Basen der Mutterstränge. ◦ Wichtig: Die Polymerase kann nur in 5'→3' Richtung arbeiten.

Vierter Schritt Replikation

Kontinuierlicher und diskontinuierlicher Strang: ◦ Leitstrang: Hier kann die Polymerase der wandernden Helicase direkt folgen und den neuen Strang ohne Unterbrechung (kontinuierlich) synthetisieren. ◦ Folgestrang: Da dieser antiparallel verläuft, muss die Polymerase "rückwärts" arbeiten. Sie synthetisiert immer nur kurze Stücke, die Okazaki-Fragmente.

Fünfter Schritt Replikation

Fertigstellung: Die RNA-Primer werden durch DNA ersetzt. Das Enzym Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente schließlich zu einem durchgehenden Strang.G

Aufbau eines Nukleotids

1. Phosphatrest

2. Zuckermolekül (Pentose): Desoxyribose bei DNA, Ribose bei RNA.

3. Eine organische Base

Struktur der DNA

• Doppelhelix: Die DNA besteht aus zwei Einzelsträngen, die sich umeinander winden.

• Antiparallelität: Die Stränge verlaufen gegenläufig (5' → 3' und 3' → 5').

• Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).

• Komplementarität: A paart sich immer mit T (2 Wasserstoffbrücken); C immer mit G (3 Wasserstoffbrücken).

Struktur der RNA

• Meist als Einzelstrang vorhanden und wesentlich kürzer als DNA.

• Enthält die Base Uracil (U) anstelle von Thymin.

Nucleosom

Die DNA-Doppelhelix wickelt sich um scheibenförmige Proteinkomplexe, die Histone.

Chromatinfaser

Die Kette aus Nucleosomen wird zu einer dichteren Struktur aufgewickelt.

Chromosom

Während der Kernteilung (Mitose) verdichtet sich das Chromatin zur Transportform. Ein Metaphase-Chromosom besteht aus zwei identischen Chromatiden, die am Centromer verbunden sind.

Replikationsvorgang

• Helicase: Entwindet die Doppelhelix und trennt die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. Es entsteht eine Replikationsgabel.

• Primase: Erzeugt kurze RNA-Startsequenzen (Primer).

• DNA-Polymerase: Verknüpft passende Nukleotide in 5' $\rightarrow$ 3' Richtung.

• Leitstrang (kontinuierlich): Die Polymerase arbeitet in die gleiche Richtung wie die Helicase.

• Folgestrang (diskontinuierlich): Die Synthese erfolgt entgegen der Wanderungsrichtung der Helicase in kurzen Abschnitten, den Okazaki-Fragmenten.

• Ligase: Verknüpft die Okazaki-Fragmente zu einem durchgehenden Strang.

Was versteht man unter einer „Genwirkungskette“?

• Die Abfolge von Abhängigkeiten zwischen Genen und Merkmalen.

• Gen → Enzym (Genprodukt) → Stoffwechselreaktion → Merkmal.

Was ist ein „Genprodukt“?

Meist ein Protein oder speziell ein Enzym, dessen Bauplan in der DNA-Sequenz eines Gens festgelegt ist.

Warum bestimmen Gene das Aussehen (Phänotyp) eines Lebewesens?

• Weil Gene die Anleitung für Enzyme liefern.

• Diese Enzyme steuern die chemischen Prozesse, die zur Ausbildung von Strukturen oder Farbstoffen führen, welche wir als Merkmale wahrnehmen.

Erkläre den Zusammenhang zwischen DNA-Basensequenz und Merkmal am Beispiel einer Blüte.

1. DNA-Sequenz bestimmt die Struktur eines Enzyms.

2. Das Enzym stellt in der Zelle einen Farbstoff her.

3. Der Farbstoff sorgt für die Blütenfarbe (das Merkmal).

Wo findet die Transkription bei Eukaryoten und Prokaryoten statt?

Findet bei Eukaryoten im Zellkern statt, bei Prokaryoten im Cytoplasma.

Was sind Eukaryoten ?

Eukaryoten sind Lebewesen (Tiere, Pflanzen, Pilze), deren Zellen einen echten Zellkern besitzen, der die DNA einschließt. Sie sind komplexer als Prokaryoten, da sie verschiedene, durch Membranen getrennte Zellorganellen (wie Mitochondrien) enthalten. Eukaryotische Zellen bilden oft mehrzellige Organismen.

Was sind Prokaryoten?

Lebewesen, die - im Gegensatz zu den Eukaryoten - über keinen Zellkern verfügen

Transkription Prozess

• Initiation: Die RNA-Polymerase bindet an eine spezifische DNA-Sequenz, den Promotor.

• Elongation: Die DNA-Doppelhelix wird entwunden. Die RNA-Polymerase liest den Codogenen Strang (3' → 5') ab und setzt komplementäre RNA-Nukleotide (mit Uracil statt Thymin) zu einer mRNA zusammen.

• Termination: Beim Erreichen einer Stopp-Sequenz (Terminator) löst sich die RNA-Polymerase und die fertige mRNA wird freigesetzt.

RNA-Prozessierung

Nur bei Eukaryoten

Bevor die mRNA den Kern verlässt, wird sie modifiziert, um sie stabiler und funktionsfähig zu machen:

• Spleißen: Nicht-codierende Abschnitte (Introns) werden entfernt; nur die codierenden Exons werden zusammengefügt.

• Capping & Poly-A-Schwanz: Schützen die mRNA vor Abbau und erleichtern das Anheften an Ribosomen.

Translation

Findet an den Ribosomen im Cytoplasma statt.

• Beladung der tRNA: Enzyme verknüpfen spezifische Aminosäuren mit der passenden tRNA (besitzt ein zum mRNA-Codon passendes Anticodon).

• Ablauf am Ribosom:

  1. Das Ribosom wandert an der mRNA entlang bis zum Start-Codon (AUG).

  2. An der A-Stelle bindet eine neue beladene tRNA.

  3. An der P-Stelle wird die Aminosäurekette vom vorherigen tRNA-Molekül auf die neue Aminosäure übertragen (Peptidbindung).

  4. Die entladene tRNA verlässt das Ribosom über die E-Stelle.

• Ende: Ein Stopp-Codon führt zum Abbruch der Kette und zum Zerfall des Komplexes.

Vergleich Prokaryoten vs Eukaryoten

Anwendung des Genetischen Codes

• Eigenschaften:

  • Triplett-Code: Drei Basen (Codon) codieren für eine Aminosäure.

  • Degeneriert: Viele Aminosäuren werden durch mehrere verschiedene Codons bestimmt.

  • Kommafrei & Nicht überlappend: Die Basen werden nacheinander ohne Lücken gelesen.