Wie arbeiten Gene? Transkription. Translation. Ablesen der DNA RNA. mrna Protein

Transkript

1 Transkription Wie arbeiten Gene? Ablesen der DNA RNA Translation mrna Protein

2 Transkription RNA-Synthese: Sequenz der DNA wird abgelesen RNA-Polymerase Eukaryonten (mindstens 3: trna, rrna und mrna) mrna-vorläufer im Kern (Precursor( Precursor); werden noch modifiziert

3 Translation mrna + Ribosomen trna + Aminosäure Information der mrna wird in Proteine umgesetzt Basentripletts; Codon, Anticodon

4 Iniation Aktivierung der Aminosäuren (ATP, AS durch Aminoacyl-tRNA trna-synthetase an trna) Ribosomen Elongation Aktivierte AS zu Ribosomen Termination Ribosomen zerfallen in ihre Untereinheiten

5 Molekulare Genetik DNA und molekularer Bau: schon besprochen Desoxyribose,, Phosphat, Purin und Pyrimidinbasen Doppelhelix

6 Genetischer Code 4 verschiedene Basen Für 20 Aminosäuren müssen Basentriplets kodieren (4 2 = 16, 4 3 = 64) Triplet = Codon (mrna) Codon teterminierende Teil auf DNA = Codogen komplementärer Teil bei der t-rna t = Anticodon

7 Replikation der DNA DNA-Polymerasen Semikonservativ Schrauben werden entwunden Komplementärer Strang wird ergänzt Fehler (1:10 4 ) werden durch Enzym korrigiert: Exonuklease (entfernt nicht- gepaarte Nucleotide)

8 Replikation der DNA (Eukaryonten) Wesentlich langsamer als bei Bakterien 5 3 leicht Antiparallel: Okazaki-Fragmente An mehreren Stellen gleichzeig (Replicon); 1000 und mehr pro DNA-Doppelhelix Doppelhelix DNA-Polymerasen Eigene Startpunkte (Iniationspunkte( Iniationspunkte) Replikationsgabeln (bidirektional)

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10 Transposons, repetitive DNA, Introns, Exons Lineare Anordnung der Gene ist nicht immer stabil; kurze DNA Sequenzen; springende Gene Nur 1-5 % codieren Zellproteine Repetitive DNA Introns: : keine Information, durch Exons von den Genen getrennt; split genes

11 Mutationen Genommutationen (Anzahl der Chromosomen - Polyploidie) Chromosomenmutationen (Änderung der Chromosomenarchitektur; Deletion, Translocation, Duplication,, Inversion) Genmutationen (Änderung in der molekularen Architektur eines einzelnen Gens)

12 Mutationen Mutagene Strahlen Mutagene Agenzien Reparaturmechanismen

13 DNA- Klonierung Zur Sequenzbestimmung: viel DNA nötig DNA-Abschnitt Abschnitt wird ausgeschnitten (Restriktions-Endonucleasen Endonucleasen) Auf Plasmid übertragen (E.( coli), z.b. R-Plasmid Bakterien + Antibiotikum Wird durch Bakterien repliziert, die Plasmid haben Plasmide werden isoliert, klonierte DNA herausgeschnitten

14 Transgene Pflanzen Gentechnologie; direkte Veränderungen Kallus- oder Protoplastenkulturen von Pflanzen Überträger (Vektoren): Ti-Plasmide Plasmide, onkogene Bereiche weggeschnitten (keine Tumorbildung) Mikroprejektil (Wolfram); oder Viren Regeneration von Pflanzen Oder: Blütensprosse

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16 Dominanter Erbgang Bei Heterozygoten Genen erscheint nur das dominante Phän Der Phänotyp bei dominanten Erbgängen ist 3 : 1

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18 Rückkreuzung Frage ob reinrassig oder Hybrid (F 1 ) kann man mit Rückkreuzung mit dem rezessiven Elternteil klären Reinrassig: alle F 1 der Rückkreuzung gleichen den dominanten Elter Hybrid: 50 % zu 50 %

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20 Freie Kombinierbarkeit der Gene Wenn sich Rassen in 2 oder meheren Genen unterscheiden (Di- bzw. Polyhybride) so werden bei Kreuzung die Gene normaler-weise unabhängig voneinander vererbt Züchtung neuer Rassen

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22 Vererbung Die durch Fortpflanzung entstandene Nachkommenschaft gleicht den Elternorganismen weitgehend

23 Klassische Genetik Äußeres Erscheinungsbild: Phänotypus setzt sich aus einer Reihe von Merkmalen (Phänen( Phänen) zusammen Die Realisierung wird durch Gene (Erbfaktoren) gesteuert; ihre Gesamtheit ist der Genotypus Ein Merkmal kann durch viele Gene kontrolliert werden oder ein Gen kann ein oder mehrere Phäne kontrollieren

24 Modifikationen Organismen unterscheiden sich, auch wenn sie gleichen Genotupus haben Nichterbliche Unterschiede

25 Genom Gesamtheit der Gene auf einem Chromosom Es gibt auch extrachromosomale Gene Realisierung: Haplonten ein Chromosom, Diplonten 2, polyploide Organismen mehrere Chromosomen

26 Allele Verschiedene Zustände eines Gens (diploid: Diallelie) Homozygot (reinerbig): gleiche Konfiguration Heterozygot (mischerbig): verschiedene Allele Gene lassen sich rekombinieren

27 Mendelsche Regeln Uniformitätsregel Spaltungsregel Freie Kombinierbarkeit

28 Uniformitätsregel Eltern (Parental( Parental- oder P-Generation) P unterscheiden sich in einem Merkmal 1. Filialgeneration (F 1 -Generation) sind genotypisch gleiche (uniforme) Hybriden (Bastarde) Intermediärer Erbgang Dominanter Erbgang

29 Spaltungsregel Kreuzt man die monohybride F 1 - Generation so spalten sich die Genotypen im Verhältnis 1 : 2 : 1

30 Physiologie der Pflanzen

31 Wasserhaushalt % Wasser (bis 98 %!) Sinkt der Wassergehalt unter einen Schwellenwert (Welkungspunkt): Störungen Wasseraufnahme: Wurzel Wassertransport: Xylem Wasserabgabe: Blätter

32 Wasseraufnahme Prinzipiell: ganze Pflanze (Wasserpflanzen) Überwiegend: Wurzel (Ausnahmen: Epiphyten) Über den Apoplasten und Symplasten Endodermis: Symplast Weiterer Mechanismus nicht bekannt; Wurzeldruck!

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34 Wasser im Boden Haftwasser an Bodenkolloiden (Hydrathüllen; Quellungs oder Schwarmwasser); für Pflanze wegen stark negativen Ψ praktisch nicht verfügbar Kapillaren (Kapillarwasser); Lösung; Ψπ des Bodens (meist -55 bar) muß von der Pflanze überwunden werden

35 Wasserabgabe Transpiration: : Wasserabgabe über Hindernisse Cuticuläre Transpiration Stomatäre Transpiration

36 Makro-,, Mikronährelemente (Spurenelemente) In Pflanzen wurden praktisch alle Elemente gefunden (Veraschen( von Pflanzen)? ob für Pflanze von Bedeutung Mangelkulturen

37 Aufnahme der Nährelemente Pasive Aufnahme Gelöste Ionen Apoplasten der Wurzel Intrameieiren: Plasmalemma Permeieren: Plasmalemma Tonoplast Vakuole Plasma Plasma Behinderte Diffusion ( fach) Größere Moleküle nach ihrer Lipidlöslichkeit Kleine Moleküle viel schneller

38 Aufnahme der Nährelemente Aktive Aufnahme Anreicherung (Braunalgen: J, fach, 1 kg Tang: 17 mg Gold) Auswahlvermögen Mangelndes Ausschlussvermögen Endocytose Phagocytose Pinocytose

39 Transport der Mineralstoffe Endodermis Symplast (? aktiv, passiv) Ferntransport im Xylem; ; auch Parnchym und Phloem

40 Biokatalyse Organische Substanzen sind metastabil Aktivierungsenergie Katalyse

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43 Enzyme Wirkungsspezifität Substratspezifität Gruppenspezifität Apoenzym + prosthetische Gruppe: Holoenzym; prosthetische Gruppe nicht fest: Coenzym (Co-Substrate) Aktives Zentrum Induced fit - Hypothese

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45 Funktionstypen Oxidoreduktasen Transferasen (Hexokinase( Hexokinase) Hydrolasen Lyasen Isomerasen Ligasen

46 Regulation der Enzymaktivität Temperatur ph-wert Allosterische Hemmung Kompetitive (Isosterische)) Hemmung 2 Substrate konkurrieren Spezielle Mechanismen

47 Photosynthese

48 Photosynthese Strahlungsenergie wird absorbiert und in eine chemische Bindung überführt Abspaltung von Wasserstoff aus dem Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff Wasserstoff wird auf Kohlendioxid übertragen (Akzeptor( Akzeptor)

49 Bruttoformel h.ν 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 + 6H 2 O G kj

50 Nachweise CO 2 : CO 2 -freie Atmosphäre, Pflanzen verkümmern; Manometrie; 14 CO 2 ; URAS Sauerstoff: : Wasserpflanzen; Manometrie; Isotopen Kohlenhydrate: : Stärkenachweis

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52 Chloroplasten Chloroplastenhülle Thylakoide Stroma DNA Assimilations (=autochthone) Stärke

53 Chlorophyll Porphyrinring (4 Pyrrolringe + Mg) Isozyklischer Pentanonring Propionsäure Phytol

54 Licht- und Dunkelreaktionen Absorption eines Lichtquants: Chlorophyll a angeregt; kann als Wärme verloren gehen, oder rotes Fluoreszenzlicht, oder Lichtreaktionen Reduktionsäquivalente werden zum Kohlenhydrataufbau genutzt

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57 Besteht aus: Photosystem II RC II (P 680), Antenennenkomplex,, H 2 O- oxidierender Komplex (Mn) Mit LHC II assoziert Primärakzeptor: Phaeophytin a; Phaeophytine: : Chlorophyll ohne Mg Plastochinon; Cytochrom b, f; Plastocyanin

58 Besteht aus: Photosystem I RC I (P 700), Antenennenkomplex,, H 2 O- oxidierender Komplex Mit LHC I assoziert Primärakzeptor unbekannt (A) Ferredoxin; Ferredoxin-NADP NADP-Reduktase

59 Dunkelreaktionen Einbau des Kohlendioxids (Reduktion!) Bildung von Kohlenhydrat Bildung von Assimilations- (=autochthoner) Stärke Stroma der Cloroplasten

60 Calvin und Benson Radioaktiv markiertes CO 2 wurde einer Algensuspension zugeführt Nach kurzen Intervallen wurden die Algen getötet und extrahiert Mittels 2-dimensionaler 2 Papierchromato-graphie wurden die Extrakte getrennt und identifiziert Mit Autoradiographie die markierten Produkte untersucht

61 Calvin-Zyklus (C 3 ) Bei der Mehrzahl der Pflanzen CO 2 wird in eine Pentose (Ribulose-1,5- bisphosphat) ) eingebaut RubisCO (Ribolose-1,5- bisphosphatcarboxylase, -oxygenase) Instabiler C 6 -Körper entsteht Es entsehen sofort 2 C 3 -Körper: 3-Phosphorglycerinsäure

62 Calvin-Zyklus (C 3 ) Die Phosphorglycerinsäure wird reduziert: mit Hilfe von ATP, NADPH+H + entsteht ein Triosephosphat,, ADP und NADP + 2 davon verbinden sich zu einer Hexose Aus einem weiteren Triosoephosphat wird in einem komplizierten Zyklus (Calvin-Zyklus, reduktiver Pentosephosphatzyklus) Ribulose-1,5 1,5- bisphosphat regeneriert

63 Verwertung der Assimilate Hexosen (vorläufiges Endprodukt); kondensieren zu Stärke Abtransport in der Nacht (Stärke in Triosephophat); im Plasma: Saccharosebildung Speicherorgane: Kohlenhydrate, Fette

64 Sekundäre Pflanzenstoffe Glykoside Terpene Gerbstoffe Alkaloide

65 Glykoside Verbindungen von Zuckern mit anderen Molekülen Sehr heterogen Beispiele: Amygdalin Strophantin - Digitalis-Glykoside Saponine Anthocyane und Flavone(= (=Anthoxanthine)

66 Terpene Leiten sich vom Isopren,, C 5 H 8 ab Ganzzahliges Vielfaches von 5 (C-Atome) Hemiterpene (C 5 ) Monoterpene (C 10 ) Sesquiterpene (C 15 ) Diterpene (C 20 ) (Phytol( Phytol, Gibberelline) Triterpene (C 30 ) (Steroide) Tetraterpene (C40) (Carotinoide( Carotinoide) Polyterpene (Kautschuk)

67 Etherische Öle Terpenoide (meist Mono- und Sesquiterpene), oder Phenole In Drüsenepithelien oder -zellen; Ölvakuolen; ; Ausscheidung unter die Cuticula Lockstoffe (Orchideen, Seidenraupen, Pheromone - Borkenkäfer, Pyrethrine - Chrysanthemum)

68 Phenole Einfache Phenole Hydrochinon, Arbutin Phenolcarbonsäuren Gallussäure Phenylpropane Zimtsäuren, Lignine Flavanderivate Flavane, Anthocyanidine HOOC C C C O OH OH OH

69 Gerbstoffe Gemeinsame physiologische und technische Eigenschaften: fällen Eiweiße (Häute in Leder); durch Oxidation werden sie rotbraune Phlobaphene (Borken!) Beispiel: Tannin

70 Alkaloide Sammelbezeichnung für organische Stick- stoffverbindungen basischen Charakters Spezifische physiologische und medizinische Wirkungen (Solanaceae( Solanaceae) Beispiele: Morphin (Papaver( somniferum) Cocain (Erythroxylum coca) Chinin (Cinchona( succirubra - Plasmodium malariae) Nicotin

71 Dissimilation Biologische Oxidation: Atmung (Dissimilation) C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O G kj

72 Hydrolyse der Stärke Ausgangssubstrate: Glucose, Fructose Stärkehydrolyse: Amylasen Endo- (α-amylase)) und Exoamylasen (β-amylase,, spaltet Maltose vom nichtreduzierenden Ende; nur Pflanzen); R-Enzym (α( 1-66 Verzweigungen); α-glucosidase (Maltase)

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74 Glykolyse Glukose + ATP Glucose-6~P Glucose-6~P Fructose-6~P Fructose-6~P + ATP Fructose-1,6 1,6- bisphosphat 2 Triosephosphat (Dihydroxyaceton- phosphat, Glycerinaldehyd-3-phosphat phosphat) 3-Phosphorglycerat 2-Phosphor- glycerat Phosphorenolpyruvat

75 Gärungen Endprodukte, die noch energetisch verwertbar sind, entstehen H, der bei Oxidation des Atmungssubstrates abgespalten wird, kann auch auf andere Substrate übertragen werden Nach Endprodukt benannt: z.b. alkoholische, Milchsäure, Essigsäure Gärung Aerob - anaerob

76 Alkoholische Gärung Läuft bis zum Pyruvat (Brenztraubensäure)) mit der Glykolyse parallel 2 Moleküle ATP werden gebildet C 6 H 12 O 6 2CO C 2 H 5 OH G 0 = -234 kj Hefe: fakultativer Anaerobier