Bio 10 & 11 - Genetik & Biokatalyse Zusammenfassung

Bau der Chromosomen

• Die Erbinformation steckt in der Erbsubstanz.
• Unter dem Mikroskop ist die Erbsubstanz im Inneren des Zellkerns als fädiges Geflecht (Chromatin) zu erkennen.
• Chromatin lässt sich mit Farbstoffen gut anfärben.
• Ein einzelner Faden des Chromatins wird als Chromosom bezeichnet.
• Chromosomen liegen wie in einem Knäuel angeordnet im Zellkern.
• In Zellen, die sich nicht teilen, besteht jedes Chromosom aus einem einzigen langen Faden, dem Chromatid (Ein-Chromatid-Chromosom).
• In dieser Form steuern die Chromosomen die Zellvorgänge.
• Vor der Zellteilung verdoppelt sich jedes Ein-Chromatid-Chromosom zu einem Zwei-Chromatid-Chromosom.
• Während der Teilung wickeln Proteine die Chromosomenfäden schraubenförmig auf, wodurch sie sich verkürzen und als Einzelstrukturen sichtbar werden.
• In dieser Phase haben Chromosomen eine typische X-Form, wobei die beiden Chromatiden über das Centromer verbunden sind.
• Da sich das Centromer nicht in der Mitte des Chromosoms befindet, entstehen zwei kurze und zwei lange Arme.
• Der Aufbau der Chromosomen ähnelt einer Strickleiter, wobei der Doppelstrang eine gewundene Struktur (Doppelhelix) aufweist.
• Chromatid: Arbeitsform.
• Chromosom: Transportform.

Struktur der DNA

• Chromosomen bestehen aus Proteinen und Desoxyribonucleinsäure (DNA).
• DNA-Moleküle bestehen aus vier Grundbausteinen, den Nucleotiden.
• Jedes Nucleotid enthält eine Phosphatgruppe, ein Zuckermolekül (Desoxyribose) und eine stickstoffhaltige Base (Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) oder Cytosin (C)).
• Watson und Crick's Modell: DNA gleicht einer Leiter, die aus zwei Ketten mit Nucleotiden besteht.
• Die Holme der Leiter bestehen aus Desoxyribose und Phosphatgruppen (das Rückgrat der DNA).
• Die Sprossen der Leiter werden durch Basenpaare gebildet, die über Wasserstoffbrücken verbunden sind.
• In der DNA ist die Häufigkeit von Adenin (A) ungefähr gleich der von Thymin (T), und Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C).
• Die prozentuale Häufigkeit der Basen ist organismusspezifisch.

DNA-Einzelstränge und Doppelstränge

• Ein DNA-Einzelstrang endet immer mit einem 3'-C-Atom (3'-Ende) an einem Ende und einem Phosphatrest am 5'-C-Atom (5'-Ende) am anderen Ende.
• Die beiden DNA-Einzelstränge bilden einen Doppelstrang, in dem sich immer zwei Basen gegenüberliegen (komplementär sind).
• Das 5'-Ende des einen Strangs liegt dem 3'-Ende des anderen Strangs gegenüber (antiparallel).

Replikationsblase und Replikationsgabel

• Die Replikation beginnt am Replikationsursprung und von dort aus in beide Richtungen.
• Es entstehen zwei Replikationsgabeln, die sich voneinander weg bewegen.
• DNA-Polymerase katalysiert die Synthese des neuen Strangs, indem sie ein passendes Nucleotid an das 3'-Ende des vorhergehenden Nucleotids anfügt.
• Der neue Einzelstrang wird immer in 5'-3'-Richtung aufgebaut und bewegt sich am Vorlagenstrang in 3'-5'-Richtung.
• Nach der Replikation werden die RNA-Primer entfernt und durch DNA-Nucleotide ersetzt.
• Wegen der antiparallelen Anordnung der DNA-Doppelhelix und der Tatsache, dass die Polymerasen nur in 5'-3'-Richtung arbeiten können, wird ein Strang kontinuierlich und der andere diskontinuierlich repliziert.

Kontinuierlicher und diskontinuierlicher Strang

• Der kontinuierliche Strang wird ohne Unterbrechung aufgebaut, da die DNA-Polymerase der Helicase direkt folgen kann.
• Am diskontinuierlichen Strang erfolgt die Synthese in entgegengesetzter Richtung.
• Die RNA-Primase setzt RNA-Primer an die geöffnete Stelle der Replikationsgabel.
• Die DNA-Polymerase beginnt ausgehend vom RNA-Primer mit der Synthese des neuen DNA-Strangs, läuft aber entgegen der Wanderungsbewegung der Helicase.
• Es entstehen Okazaki-Fragmente (100-200 Nucleotide lang).
• Nach der Replikation werden die RNA-Primer entfernt und durch DNA-Nucleotide ersetzt.
• Das Enzym Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente.

Ergebnis und Korrektur der Replikation

• Das Ergebnis der Replikation sind zwei DNA-Doppelstränge, die jeweils zur Hälfte aus einem Vorlagenstrang und einem neu gebildeten Strang bestehen (semikonservative Replikation).
• Fehlpaarungen werden durch die Korrekturlesefunktion der DNA-Polymerasen korrigiert.
• Reparaturenzyme beseitigen Fehlpaarungen nach der Replikation.

Telomere

• Die neu synthetisierte DNA wird bei jeder Replikation ein Stück kürzer, da die RNA-Primer an den 5'-Enden nicht ersetzt werden können.
• An den Enden eukaryotischer Chromosomen befinden sich Telomere (Wiederholungen bestimmter Basensequenzen), die keine genetische Information tragen.
• Telomerase kann an die Telomer-Sequenz kurze Stücke anfügen und so deren Verkürzung ausgleichen (in Keimbahnzellen und Stammzellen).

Semikonservative Replikation

• Vor einer Zellteilung muss sich die Erbinformation duplizieren (Replikation).
• Ein Enzym entspiralisiert die Doppelhelix, und durch Helicase entstehen zwei Einzelstränge (Replikationsgabel).
• RNA-Primase synthetisiert komplementäre RNA-Nucleotide (Primer) in 5'-3'-Richtung.
• DNA-Polymerase bindet an Primer und synthetisiert kontinuierlich einen komplementären DNA-Strang.
• RNA-Primer wird entfernt und durch DNA ersetzt; DNA-Ligase schließt die Lücke.
• An jeder Replikationsgabel wächst ein Strang kontinuierlich , während der andere immer wieder neu beginnen muss , wenn sich die Helicase ein Stück weiterbewegt hat .
• Es entstehen Abschnitte , sogenannte Okazaki-Fragmente.

Proteinbiosynthese

• Die meisten Merkmale und der Phänotyp eines Lebewesens beruhen auf der Wirkung von Proteinen.
• Die Bauanleitung für diese Proteine befindet sich in der Basenabfolge der DNA.
• Im Verlauf der Proteinbiosynthese wird diese Basensequenz in eine Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt (Transkription und Translation).

Transkription

• Soll ein Genprodukt (Protein) produziert werden, stellt die Zelle durch Transkription eine einzelsträngige RNA-Kopie des Gens her (mRNA).
• Diese dient dann an den Ribosomen bei der Translation als Vorlage für den Proteinbau.

Unterschiede zwischen RNA und DNA

• RNA ist einzelsträngig, DNA doppelsträngig.
• RNA enthält Ribose statt Desoxyribose.
• RNA enthält Uracil (U) statt Thymin (T).

Ablauf der Transkription

• Das Enzym RNA-Polymerase synthetisiert aus freien RNA-Nukleotiden eine einsträngige Kopie des Gens, die zum codogenen Strang der DNA komplementär ist.
• Jedes Gen besitzt einen Promotor (Nukleotid-Abfolge), der von der RNA-Polymerase erkannt wird und den Startpunkt der Transkription signalisiert.
• Die DNA-Doppelhelix wird entwunden, und die Einzelstränge werden getrennt.
• Die RNA-Polymerase stellt die korrekte Anlagerung der komplementären RNA-Nukleotide sicher und katalysiert die Verknüpfung zum mRNA-Einzelstrang.
• Neue Nukleotide werden immer am 3'-Ende des vorherigen Nukleotids angeknüpft (5'-3'-Richtung).
• Der DNA-Einzelstrang, der als Matrize dient, wird als codogener Strang bezeichnet.
• Die Transkription endet am Terminator (Nukleotid-Abfolge), der das Signal zum Beenden der Transkription gibt.
• Die RNA-Polymerase löst sich von der DNA und gibt die synthetisierte RNA-Kopie (prä-mRNA) frei, die bei Eukaryoten im Zellkern zur reifen mRNA umgebaut und dann zu den Ribosomen transportiert wird.

Genetischer Code

• Die Basensequenz der mRNA wird in die Aminosäuresequenz des Polypeptids übersetzt (Translation).
• Für den Aufbau eines Polypeptids stehen 20 Aminosäuren zur Verfügung, während in der mRNA nur vier Basen (A, U, G, C) vorkommen.
• Drei aufeinanderfolgende Basen (Basentriplett/Codon) codieren für eine Aminosäure (4! = 64 Möglichkeiten).
• In der Codesonne kann abgelesen werden, welches Basentriplett der mRNA zum Einbau welcher Aminosäure führt (von innen nach außen, 5'-3'-Richtung).

Translation

• Die reife mRNA wird im Cytoplasma an den Ribosomen in eine Aminosäuresequenz übersetzt.
• Aminosäuren werden von der transfer-RNA (tRNA) zu den Ribosomen transportiert.
• Das Anticodon der tRNA ist komplementär zu einem Codon der mRNA und bindet dort.
• tRNA-Moleküle werden entsprechend ihres Anticodons mit einer Aminosäure beladen.
• Das Ribosom katalysiert die Verknüpfung der Aminosäuren zu einem Polypeptid.
• Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: Die kleinere bindet die mRNA, die größere enthält drei Bindungsstellen für tRNA-Moleküle.
• Die Aminosäurenkette faltet sich und es entsteht das Protein, das oft als Enzym wirkt.

Proteinbiosynthese (Ablauf)

• Im Zellkern wird ein Abschnitt der DNA in mRNA umgeschrieben.
• Die mRNA verlässt den Zellkern und gelangt ins Cytoplasma.
• Die mRNA gelangt zu den Ribosomen.
• Basentripletts werden abgelesen, und mithilfe der tRNA werden
  Aminosäuren angehängt.
• Eine Aminosäurenkette entsteht, wird gefaltet und bildet ein Protein.

Enzyme

• Enzyme sind Biokatalysatoren, die Stoffwechselreaktionen beschleunigen.
• Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie einer Reaktion (Energiediagramm).
• Ausgangsstoffe (Substrate) sind Luciferin und Sauerstoff, das Enzym Luciferase beschleunigt die Reaktion, und die freigesetzte Energie wird als Leuchten sichtbar.
• Auch ohne Katalysatoren findet eine Reaktion statt, aber langsamer; Enzyme beschleunigen die Reaktion nur.

Katalase und Peroxidase

• Die Enzyme Katalase und Peroxidase katalysieren die Ausgangsstoffe Hydrochinon und Wasserstoffperoxid; durch die Zerlegung entsteht freie Energie (Wärmeentwicklung).

Lactoseintoleranz und Lactase

• Lactoseintoleranten Menschen fehlt das Enzym Lactase, um Milchzucker (Lactose) zu verwerten.
• Lactose ist ein Zweifachzucker aus Glucose und Galaktose.
• Das Enzym Lactase bindet das Substrat Lactose und bildet einen Enzym-Substrat-Komplex.
• Die Bindung erfolgt im aktiven Zentrum des Enzyms.
• Bei der Spaltung von Lactose reagiert das Lactosemolekül mit Wasser (Hydrolyse).
• Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
• Produktmoleküle (Glucose und Galactose) lösen sich vom Enzymmolekül ab, das unverändert aus der Reaktion hervorgeht.
• Enzyme werden nicht verbraucht und sind bereits in geringen Mengen wirksam (Modell: Katalytischer Zyklus).

Einfluss der Substratkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit

• Bei niedriger Substratkonzentration ist die Reaktionsgeschwindigkeit niedrig.
• Eine Erhöhung der Substratkonzentration steigert die Geschwindigkeit, bis die maximale Reaktionsgeschwindigkeit ($V_{\text{max}}$) erreicht ist.
• Die Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit ($\frac{1}{2} V<em>{\text{max}}$) wird als Michaelis-Menten-Konstante ($K</em>M$) bezeichnet und ist ein Maß für die Affinität des Enzyms zum Substrat (unabhängig von Enzym- und Substratkonzentration).

Michaelis-Menten-Konstante und Wechselzahl

• Je kleiner der $K_M$-Wert, desto größer ist die Enzym-Substrat-Affinität.
• Die Wechselzahl gibt an, wie viele Substratmoleküle pro Sekunde am aktiven Zentrum eines Enzymmoleküls umgesetzt werden, wenn $V<em>{\text{max}}$ erreicht ist; je größer, desto größer der $K</em>{\text{cat}}$-Wert.
• Carboanhydrase hat die höchste Arbeitsgeschwindigkeit, Acetylcholinestrase die höchste Affinität.

Einfluss von Enzymen auf Substratkonzentrationen

• Der Alkoholabbau kann durch eine geringere Aktivität der Enzyme ADH und ALDH verursacht werden.
• Unterschiedliche Mengen von Alkoholdehydrogenase-Molekülen/Isoenzyme oder inaktive mitochondriale ALDH1 können Ursachen sein.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit von Enzymen ist abhängig von:
  • Enzymkonzentration: Hohe Enzymkonzentration steigert die Produktkonzentration schneller.
  • Substratkonzentration.
  • Temperatur: Enzyme haben ein Temperaturoptimum (beim Menschen ca. 37 °C); zu hohe Temperaturen führen zur Denaturierung des Enzyms.
  • pH-Wert: Je nach Wirkort haben Enzyme ein bestimmtes pH-Optimum (Pepsin im Magen (sauer), Trypsin im Dünndarm (basisch)).

Kompetitive und Allosterische Hemmung

• Kompetitive Hemmung: Substanzen mit ähnlicher Struktur wie Substratmoleküle binden an das aktive Zentrum und verhindern die Reaktion; mit zunehmender Substratkonzentration nimmt die Hemmwirkung ab (reversibel).
• Allosterische Hemmung: Ein Hemmstoff besetzt das allosterische Zentrum, wodurch sich die Struktur des aktiven Zentrums verändert und das Substrat nicht mehr binden kann (reversibel); allosterische Aktivatoren haben eine fördernde Wirkung.
• Irreversible Hemmung: Das Inhibitormolekül bindet dauerhaft an das aktive Zentrum oder an Thiol-Gruppen (SH-Gruppen) von Enzymmolekülen; Schwermetall-Ionen (z.B. Blei, Quecksilber) binden irreversibel an SH-Gruppen.
• Kompetitive Hemmung erreicht die maximale Reaktionsgeschwindigkeit erst bei höheren Substratkonzentrationen, während allosterische Hemmung unabhängig von der Substratkonzentration ist und zur Inaktivierung des Enzyms führt.

Allosterische Hemmung

• Ein Hemmstoff bindet an das allosterische Zentrum, wodurch sich die Struktur des aktiven Zentrums ändert.
• Das Enzym ist inaktiv, und eine Erhöhung der Substratkonzentration beeinflusst die Wirkung des Hemmstoffs nicht (nichtkompetitive Hemmung).

Enzymaktivität und Effektoren

• Enzyme mit gebundenem Aktivator zeigen bei geringeren Substratkonzentrationen eine höhere Reaktion.
• Enzyme mit Inhibitor zeigen die stärkste Reaktionseinbuße.
• AMP ist ein positiver Effektor (Aktivator), ATP und Glucose sind negative Effektoren (Inhibitoren).
• Aktiviertes allosterisches Zentrum fördert die Substratbindung.
• Inhibitor (ATP oder Glucose) verhindert die Abspaltung von Glucose.