MOLEKULARGENETIK. Die Bestandteile liegen in folgenden Mengenverhältnissen vor:

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1 MOLEKULARGENETIK BAU UND FUNKTOIN DER NUKLEINSÄUREN Bau von DNS und RNS Den räumlichen Bau der Desoxyribonukleinsäure (=DNS, DNA) entschlüsselten die beiden britischen Forscher James Watson und Francis Crick. Sie bauten dabei auf folgende Erkenntnisse auf: Das DNS Molekül besteht aus Phosphatgruppen, Desoxyribose- Zuckereinheiten und den vier organischen Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Die Bestandteile liegen in folgenden Mengenverhältnissen vor: Adenin : Thymin = 1:1 Desoxyribose : Phosphorsäure = 1:1 Guanin : Cytosin = 1:1 DNS liegt als Doppelstrang vor, wobei beide Stränge gleich weit voneinander entfernt sind Die aus diesen Erkenntnissen zu machenden Schlussfolgerungen waren : Adenin paart sich mit Thymin Guanin paart sich mit Cytosin mit Hilfe von 2 bzw. 3 Wasserstoffbrückenbindungen Schwesterstränge sind komplementär zueinander, d. h. sie verlaufen antiparallel.

2 DNS-Stränge bilden eine strickleiterartige Doppelhelix. Die Basen-Paare sind die Sprossen der Leiter. Die Holme (Seiten) werden von Desoxyribose und Phosphorsäure gebildet. Die Erbinformation wird dabei in der Reihenfolge der Basen verschlüsselt. RNA Die Ribonukleinsäure (=RNS) tritt in der Zelle in Form der Messenger-RNS (mrns), der Transfer-RNS (trns) und der ribosomalen RNS (rrns) auf. Die Bedeutung der einzelnen Die RNS unterscheidet sich von der DNS in folgenden Merkmalen: RNS ist einzelsträngig Thymin (T) wird durch Uracil (U) ersetzt Ribose statt Desoxyribose als Zucker im Leiterholm BAU VON PROTEINEN und PROTEINBIOSYNTHESE Proteine sind biologische Makromoleküle, die durch Verknüpfung von Aminosäuren durch eine Peptidbindung (=Säureamid-Gruppe) entstehen. In der Natur kommen dabei folgende 20 proteinogene Aminosäuren vor :

3 Der räumliche Bau und damit die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften hängen von Anzahl, Art und Reihenfolge der verknüpften Aminosäure ab (Primärstruktur). Die Primärstruktur wird dabei häufig in einem Dreibuchstaben-Code angegeben: z.b Ala-Val-Leu-Gly-... PROTEINBIOSYNTHESE TRANSKRIPTION Bei der Proteinbiosynthese werden aus den 20 Aminosäure-Bausteinen Eiweißsstoffe

4 hergestellt. Den Bauplan liefert die Abfolge der Basen in der DNS des codogenen (=antisense) Strangs vom 3 zum 5 - Ende der DNS. Der andere Code(=sense)-Strang vom 5 zum 3 -Ende der DNS wird nicht abgelesen. Dabei steht eine bestimmte Dreier-Kombination an Basen (Basen-Triplett) für eine bestimmte Aminosäure. Ablauf der Transskription Bei der Transskription wird die Information der DNS originalgetreu in RNS durch das Enzym RNS- Polymerase kopiert. 1. Die RNS- Polymerase bindet in einer Startregion (TATA-Box) vor dem abzulesenden Gen an die DNS. 2. RNS-Polymerase öffnet den Doppelstrang für eine kurze Strecke. 3. An den codogenen 3-5 (antisense-) Strang lagern sich komplementäre Ribonukleotide an. So entsteht eine Kopie des Code (sense)-stranges bei der die Base Thymin T durch Uracil U ersetzt ist. Diese Kopie bezeichnet man als messenger m-rns. 4. Synthesestelle bewegt sich vom 3 -zum 5 -Ende des codogenen Stranges weiter bis das Ende des Gens erreicht ist (Terminator-Region). Dort wird die mrna freigesetzt und die DNS tritt wieder zur Doppelhelix zusammen. 5. Im Anschluss reift die mrns, in dem unnötige Abschnitte herausgeschnitten werden (splicing) und verlässt dann den Zellkern durch die Kernporen.

5 TRANSLATION Bei der Translation wird die Basensequenz der mrns mit Hilfe der Ribosomen in die Aminosäuresequenz des zu erstellenden Proteins übersetzt. Kleine Ribosomenuntereinheit bindet an die mrns. t-rns mit Methionin (Met) bindet an das Start-Codon (Triplett) der RNS. Große Ribosomenuntereinheit bindet an mrna und Starter t-rns Für jede Aminosäure existiert eine eigene, spezifische trns, die mit einem sog. Anticodon an das Codon der mrns bindet. Am Ribosom wird die AS mit einer Peptidbindung an die bereits vorhandenen AS gebunden. An einem Stopp-Codon ist das Ende des codierenden Abschnitts erreicht und die Proteinsynthese bricht ab.

6 Durch Forschungen konnte der genetische Code entschlüsselt werden. Er wird häufig in Form einer sog. Code- Sonne (Code- Lexikon) dargestellt. Die Leserichtung der Codons erfolgt dabei von innen nach außen. Da einige Codons für die gleiche Aminosäure codieren, spricht man davon, das der genetische Code degeneriert ist. BICHOCHEMIE DER PHOTOSYNTHESE UND DER ATMUNG Die Photosyntheseformel 6CO 2 + 6H 2 O + Licht C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 steht für Kohlendioxyd, 6H 2 O ist Wasser. Dadurch entsteht C 6 H 12 O 6 (Zucker) und 6O 2 (Sauerstoff). Auf der Unterseite von Blättern sind, wenn man das Blatt unter dem Mikroskop betrachtet, kleine Poren zu sehen. Diese Poren werden Spaltöffnungen genannt. Durch diese Spaltöffnungen nimmt die Pflanze Luft auf und diese gelangt in die Hohlräume zwischen den Zellen Die Sonnenenergie regt das Chlorophyll nun an, der Luft wird Kohlendioxid entzogen. Das Kohlendioxid reagiert mit dem Wasser und es entsteht Glucose (Einfachzucker) Von diesem energiereichen Stoff kann sich die Pflanze versorgen.

7 Die Spaltöffnungen setzen den Sauerstoff frei. CHEMIE DER ATMUNG ANATOMIE UND FUNKTION DER ATMUNG 3 Bereiche der Atmung auch bei Tieren Äußere Atmung (wie bringe ich Luft in das innere System Da gibt es Hautatmung Lungenatmung Tracheen Kiemen Innere Atmung vom Atmungsorgan zur Lunge Zellatmung Mitochondrien DER WEG DER LUFT Mund/Nase Rachen Kehlkopf Luftröhre Bronchien (Hauptbronchien) Lungelflügel (Links 2 Lappig, Rechts 3 Lappig) Lungenbläschen dort erfolgt die chemische Aufteilung des Sauerstoffs Was ist der Rachen? Muskelschlauch Geht von der Schädelbasis bis zur Speiseröhre Im Rachen kreuzen sich Luft- und Speisewege Teilt sich im unteren Ende vorne Kehlkopf und Luftröhre Hinten Speiseröhre Die aufgaben des Kehlkopfes öffnet und schließt die unteren Luftwege, regelt so deren Belüftung Enthält die Stimmbänder Hauptorgan der Stimmbildung Übernimmt beim essen und Schlucken eine Lebenswichtige Funktion Schütz Lunge vor dem eindringen größere Partikel DIFFUSION = Passiver Stoffaustausch z.b Sauerstoff rein Kohlendioxyd raus 2 Stoffe wollen sich bis zu einer Konzentration von 100% mischen BEI DER ATMUNG HOLEN WIR UNS NUR CA 4% SAUERSTOFF, AUSATEMLUFT HAT NOCH 17% SAUERSTOFF Drum Funktioniert Mund-Zu-Mund Beatmung

8 Beim Atmen sinkt der Sauerstoffwert, der Körper misst den Kohlendioxyd Spiegel wenn er bei 4% CO2 liegt wird man Ohnmächtig Bei ca. 4-6L Lungenkapazität schafft man es nie die ganze Luft herauszubekommen Hyperventilieren = Stickstoff (N2) statt Kohlendioxyd im Lager der Lunge, wenn man also seine 4% Sauerstoff verbraucht hat, dann fehlt der CO2 Anteil welcer vom Stickstoff verdrängt wurde. Erkrankungen der Atemwege: RAUCHERHUSTEN: Flimmerhärchen können sich nicht mehr bewegen ASTHMA Krämpfe des Rippenfells CHEMIE DER ATMUNG Die passiert in um am Mitochondrium Beim aeroben (mit Sauerstoff) Abbau der Kohlenhydrate wird Glucose zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert: Vorgang der Atmung. Der Gesamtvorgang ist ein komplizierter Stufenprozeß, an dem zahlreiche Enzyme beteiligt sind Es gibt 3 Hauptbestandteile in der Nahrung Lipide Proteine Kohlenhydrate (Zucker) VORGANG DER ZELLATMUNG Atmung ist Sauerstoff verbrauchender Abbau (Dissimilation) zur Energiegewinnung Reaktionsgleichung des gesamten Prozesses: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H20 Aus der Formelgleichung ist zu entnehmen, dass die Atmung einer vollständigen Oxidation entspricht.

9 Unter einer Oxidation versteht man einen der folgenden drei Prozesse: Aufnahme von Sauerstoff Abgabe von Wasserstoff Abgabe von Elektronen Ziel der aeroben Oxidation ist die Gewinnung von ATP 1. GLYKOLYSE = schrittweise Abbau von Monosacchariden (Einfachzuckern) wie der D-Glucose (Traubenzucker), von der sich auch die Bezeichnung Glykolyse ableitet. Sie ist der zentrale Prozess beim Abbau aller Kohlenhydrate in allen Eukaryoten Der Abbau erfolgt in zehn Einzelschritten Es entsteht unter anderem ATP ADENOSINTRIPHOSPHAT In der Glycolyse wird die Glucose in zwei kleinere organische Moleküle mit je 3 C- Atomen zerlegt, und etwas Energie wird dabei gewonnen. C 6 H 12 O 6 = TRAUBENZUCKER Dies ist der sogenannte C 6 Körper (6 Kohlenstoffe) Bei der Atmung wird das Substrat (Kohlenhydrat) restlos zu energiearmen anorganischen Substanzen abgebaut bei entsprechend hohem Energiegewinn. Atmung ist ein Oxidationsprozeß, sie ist sauerstoffbedürftig, aerob. Höhere Tiere und Pflanzen atmen. Zur Atmung gehören 2 Teilprozesse: schrittweiser Substratabbau unter Abspaltung von Wasserstoff, der an Coenzyme gebunden wird (Symbol: (H 2 )) schrittweise Oxidation des (H 2 ) durch Übertragung auf Sauerstoff Für Kohlenhydrate: Kohlenhydrate werden Zerkleinert Kohlenhydrate werden abgegeben Wasserstoff wird gewonnen Eigentlich das Umgekehrte der Photosynthese!! H enzymgebundener Wasserstoff C 6 CO2 geht raus 4 Kolenstoffe gehen weg Es bleibt C2 Energie ATP = Adenosintriphosphat

10 ATP = Adenosintriphosphat, die universelle Energiewährung der Zelle. ATP besteht aus einem großen organischen Molekül, dem Adenosin, das mit drei Phosphatgruppen verbunden ist. Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind sehr energiereich, daher kann man ATP als Energiespeicher ansehen. 2. KREBS-ZYKLUS (Zitratzyklus) Der zweite Schritt des aeroben Glucose-Abbaus ist der Citratzyklus (Zitronensäurezyklus). Hier werden die C 3 -Moleküle aus der Glycoloyse weiter oxidiert, und dabei wird jede Menge Wasserstoff gewonnen - allerdings kein gasförmiger, sondern chemisch gebundender Wasserstoff. Mikroorganismen kommen nur bis zu dieser Stufe Gärung Bei der Atmung entsteht Essigsäure Fette sind aus Fettsäuren gemacht Proteine bestehen aus Aminosäuren Sauerstoff wird benötigt zur Verbrennung 3. Atmungskette Die Atmungskette ist der letzte Schritt des Glucose-Abbaus, Der Waserstoff kommt mit Sauerstoff zusammen: z.b 4H + 2O 2H 2 O = 36 ATP Dies geschieht in vielen Teilschritten, übrig bleibt H 2 O wird über die Atmung ausgeschüttet Wir verbrennen die Nahrung nur um den darin enthaltenen Wasserstoff zu bekommen