Biologie Zusammenfassung 12.2 #1

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1 Biologie Zusammenfassung 12.2 #1 Viren und Phagen Definition Als Viren bezeichnet man generell nichtzelluläre Partikel, die aus einer ukleinsäure (DA oder RA) und einem Umgebenden Capsid bestehen. Teilweise gibt es auch Lipoproteine und weitere Teile wie Kopf, Schwanz, Spikes (Stacheln) oder Schwanzfäden. Viren sind etwa 20nm-300nm klein und haben eine entweder kugel- oder stäbchenförmige Gestalt. Phagen sind eine besondere Ausprägung der Viren. Phagen sind Viren, die Bakterien befallen und angreifen. Befall einer Wirtszelle, Vermehrung des Virus Je nach Virus werden die Zellen unterschiedlich befallen. Man unterscheidet die virulenten Phagen, die die Krankheit relativ kurzfristig nach der Einnahme des Erregers auslösen und die temporären Phagen bei denen es zum Ausbruch der Krankheit nach längerer Zeit kommt, ausgelöst durch bestimmte Änderungen der Umgebung (Temperatur, Licht, p-wert, ). Da die Viren immer nur bei einem bestimmten Auslöser ausbrechen kommt es zu Schüben die deutlich intensiver sind als bei virulenten Phagen und dazwischen Pausen in denen sich die Krankheit schienbar nicht verschlimmert. Virulente Phagen lösen einen lytischen Zyklus aus und die temporären einen lysogenen Zyklus. Lytischer Zyklus Die Phage heftet sich mit den Schwanzfasern an die Wirtszelle. Ein Enzym aus dem Schwanz löst die Zellwand der Bakterien lokal auf. Der Virenkörper zieht sich zusammen und presst die DA/RA in das Bakterium Die DA des Bakteriums wird so verändert, dass sie nun Phagen-DA und Phagen-Proteine produziert. Die Produzierten Phagen- Bestandteile werden zu neuen Phagen zusammengebaut. Das Phagen-Enzym löst die Zellwand von Innen auf und das Bakterium stirbt ab. Die Phagen kommen aus dem Bakterium und können neue Bakterien befallen Seite 1

2 Lysogener Zyklus Die DA der Phage wird in die DA der Wirtszelle eingebaut. Bei der Zellteilung vermehrt sich die veränderte DA die Phagen produzieren kann. Durch äußere Einflüsse wie Licht / Temperatur / chem. Einflüsse /... wird die Phagen-DA "aktiviert" Das Bakterium produziert Phagen- DA/RA und Phagen- Proteine Die Produzierten Phagen-Bestandteile werden zu neuen Phagen zusammengebaut. Das Phagen-Enzym löst die Zellwand von Innen auf und das Bakterium stirbt ab. Die Phagen kommen aus dem Bakterium und können neue Bakterien befallen Prokaryot vs. Eukaryot Als Prokaryoten bezeichnet man Bakterienzellen, als Eukaryoten die menschlichen, tierlichen oder pflanzlichen Zellen. Beide sind aus den alten Prokaryoten entstanden sind sich daher relativ ähnlich. Allerdings haben sich dann doch im Laufe der Zeit einige Unterschiede herausgebildet die in der folgenden Tabelle aufgelistet sind. Als Prokaryot/Eukaryot bezeichnet man einen gesamten rganismus (Mensch, und, Tulpe, ) als Procyte, Eucyte eine einzelne Zelle! Procyte Stäbchen-, Kugel- oder Spiralform Kein Zellkern mit ülle, DA in Ringform (Plasmide) und als ucleoid (Chromatid-Knäul) 70s-Ribosomen 0,5μm-5 μm groß Meist Einzeller (die sich tw. in kleineren Gruppen finden) Kaum Kompartimentierung Keine Mitochondrien/Plastiden äufig Anhänge/üllen (wie Schleimhülle, Geißel, ) Kein ER Einstülpungen (Mesosome) in der Zellwand Eucyte Rundliche oder 6-eckige Form Zellkern mit ülle, Chromosomen, Chromatid 80s-Ribosomen Ab 5 μm bis 100 μm (tw. sogar 20cm) groß Meist Vielzeller (nur selten Einzeller) Kompartimentierung Mitochondrien/Plastiden Selten Anhänge oder zusätzliche üllen ER Keine Einstülpungen Seite 2

3 Genetik Chromatin und Chromosomen Sowohl Chromatin und Chromosom bezeichnet die Erbsubstanz einer Zelle. Der Unterschied liegt nur in der Form in der sich die Erbsubstanz befindet. Im Chromatin liegt die Erbsubstanz in Form von langen, dünnen Fäden vor die mikroskopisch nicht erkennbar sind, aber durch Anfärben kenntlich gemacht werden können. Das Chromatin stellt die Arbeitsform der Erbsubstanz dar. Aus ihr werden Informationen gelesen und übersetzt. Daher kommt das Chromatin nur in der Interphase vor. Die Chromosomen sind die maximal verdichtete Form des Chromatins. Sie sind daher auch unterm Lichtmikroskop erkennbar. Sie treten im Gegensatz zum Chromatin nur während der Zell- und Kernteilung auf. Die Anzahl an Chromosomen ist artspezifisch, d.h. dass jeder Mensch gleich viele Chromosomen hat und auch jede Schnecke gleich viele Chromosomen hat, aber nicht jeder Mensch gleich viele Chromosomen hat wie eine Schnecke. Man unterscheidet Zellen in dem jedes Chromosom doppelt vorkommt (diploider Satz: 2n) dies sind Körperzellen. Die Zellen in denen jedes Chromosom einfach vorkommt (haploider Satz: n) sind die Geschlechtszellen. Die Chromosomen werden im Karyogramm angeordnet nach bestimmten Regeln (Größe, Form, Lage des Zentromers, Anzahl). Alle Chromosomen haben im Grundsatz denselben Aufbau, den man in der Abbildung erkennt. Die Telomere sind eine Art Schutzkappe für die Chromosomen. Bei jeder Teilung verkürzt sich das Telomer Kurzer Arm p-arm Zentromer Langer Arm q-arm Chromatid Chromosom an den Enden um ein kleines Stück. un haben die Chromosomen eine Schutzkappe, die Telomere die keine Erbinformation enthalten und so problemlos verkürzt werden können. Da auch diese Schutzkappen relativ schnell aufgebraucht wären gibt es das sogenannte Unsterblichkeitsenzym, die Telomerase. Ein Enzym das die angefressenen Schutzkappen wieder verlängert. Zellzyklus Eine Zelle durchläuft in ihrem Leben immer den gleichen Zyklus. Beginnen wir bei der Mitose der Zellteilung. ier teilt sich die Zelle auf und die Erbsubstanz wird verteilt. Anschließend wachsen beide Zellen im sogenannten Wachstums-stadium, dem G 1 - Stadium. Im G 1 -Stadium befindet sich der G 1 -Kontrollpunkt. ier wird entschieden, ob eine Verdopplung der Zelle überhaupt nötig ist. Dazu gelangen Wachstums- oder Wachstums hemmende Faktoren an die Rezeptoren der Zellmembran und je nach Faktor wird der Zellzyklus direkt fortgesetzt oder zeitweise unterbrochen. G 3 -Stadium G 3 -Kontrollpkt Interphase Mitose S-Stadium G 1 -Stadium G 1 -Kontrollpkt G 0 -Stadium Seite 3

4 Gesetzt der Fall es werden mehr Zellen benötigt gelangt die Zelle in das Synthese-Stadium kurz S- Stadium. ier wird die Erbsubstanz verdoppelt. ach abgeschlossener Verdopplung gelangt die Zelle ins nächste Stadium, das G 3 -Stadium. Dieses bildet die restliche Zeit bis zur nächsten Mitose. Im G 3 - Stadium befindet sich der G 3 -Kontrollpunkt. ier wird überprüft, ob die Verdopplung der Erbsubstanz fehlerfrei abgelaufen ist und eventuelle Fehler werden behoben, oder es kommt bei schwereren Fehlern zur Apophyse, dem Zelltod. Man bezeichnet das G 1 -Stadium zusammen mit S-Stadium und G 3 -Stadium als Interphase, also die Zeit zwischen zwei Mitosen. Falls sich eine Zelle überhaupt nicht mehr teilen soll kann sie aus dem Zellzyklus austreten. Dies geschieht im G 1 -Stadium und die aus dem Zyklus ausgetretene Zelle befindet sich dann im sogenannten G 0 -Stadium. Mitose (Auszug aus einem Text für die YBS eidelberg) Während der Mitose wird das genetische Material identisch auf beide Tochterzellen aufgeteilt. Die Mitose lässt sich in vier Stadien (Phasen) aufteilen: Prophase (Abb. a) Die zunächst fadenförmige DA beginnt sich zu verdichten und die Chromosomen bilden sich langsam aus. Zusätzlich verschwinden Kernmembran und ucleoli. Die Zentriolen wandern zu den Zellpolen, sodass sich die Zentralspindel ausbilden kann. Metaphase (Abb. b) In der Metaphase verdickt sich die DA weiter, bis die Chromosomen vollständig ausgebildet sind. Die (2-Chromatid-)Chromosomen ordnen sich an der Äquatorialebene an, wobei die Zentromere zur Mitte gerichtet sind (Monasterform). Anaphase (Abb. c) Die Chromosomen teilen sich in die beiden Chromatiden auf und durch die Verkürzung der Spindelfasern werden die Chromatiden zu den Spindelpolen gezogen (Diasterform). ierbei wird die genetische Information also auf beiden Tochterzellen (identisch) verteilt. Telophase (Abb. d) In der Telophase bilden sich Kernmembran und ucleoli neu und die Chromosomen ändern ihre Form langsam wieder zu den dünnen fadenförmigen Strukturen. Die Zentralspindel löst sich auf. Abschließend beginnt sich die Zellmembran wieder zu bilden. Mikroskopische Aufnahmen: Prophase Metaphase Anaphase Telophase Seite 4

5 3-5 -Richtung Aufbau und Struktur der DA Die DA besteht aus einem Doppelstrang. Den äußeren Rand der DA bilden zwei Stränge an denen sich Zucker (Desoxyribose) und ein Phosphat-Rest sich abwechseln. An den Zuckern dockt eine von vier möglichen Basen an: Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin. Zwei ähnliche Basen bilden untereinander Wasserstoffbrücken. So bilden Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken und Guanin und Cytosin dazu im Gegensatz drei. So entsteht eine Sprossenleiterstruktur in der die Basen die einzelnen Sprossen darstellen und die Phosphat-Reste mit den Zuckern den äußeren Rand. Verdreht man diese Sprossenleiter entsteht die für die DA klassische Doppelhelix. In dieser Form befindet sich die DA normalerweise. ier nochmal die Basen abgebildet mit Chemischen Aufbau. Zu Unterscheiden sind die Basen an zwei Kriterien: Adenin und Thymin bauen 2 Wasserstoffbrücken (gestrichelte Linien) auf, Guanin und Cytosin dagegen zwei. Weiterhin bestehen Adenin und Guanin aus zwei Ringen, Thymin und Cytosin dagegen nur aus einem Ring. Dort wo in der Formel Bindung steht ist später in der DA die Desoxyribose, der Zucker. Weiterhin wichtig sind folgende Bezeichnungen: Adenin Guanin Bindung Bindung Thymin Bindung Bindung Cytosin ukleosid (Komplex aus einer Base mit dazugehörigem Zucker) ukleotid (Komplex aus einer Base mit dazugehörigem Zucker und Phosphat-Ion) Betrachtet man die Desoxyribose genau erkennt man, dass die Phosphat-Ionen jeweils am 3. und am 5. Kohlenstoff- Atom gebunden sind. So lässt sich an einem Strang eine Richtung festlegen (s. Abbildung). Die beiden DA-Stränge laufen antiparallel, d.h. wenn einer in 3-5 -Richtung läuft, läuft der andere in 5-3 -Richtung! Phosphat-Ion C5 2 C Base 3 C Phosphat-Ion Seite 5

6 Replikation Theorien Semi-konservativ Konservativ Dispersiv Ein Strang teilt sich in der Mitte auf und die neuen Stränge werden wieder angebaut. Momentan anerkannt Der Tochterstrang wird komplett nach Vorbild des Mutterstrangs gebaut, ohne dass der Mutterstrang geöffnet oder geändert wird. Widerlegt nach Meselson und Stahl Der Mutterstrang zerfällt in etliche Kleinteile und die komplementären Stücke lagern sich an und die DA wird wieder zusammengebaut Widerlegt Zu Kompliziert für die atur Versuch von Meselson und Stahl Meselson und Stahl gaben einige Darmbakterien in ein ährmedium, welches statt dem normalen Stickstoff eine schwerere Form des Stickstoffes enthielt. Alle Bakterien ernährten sich von diesem Stickstoff und bauten in ihre DA ein. ieraus folge, dass nun auch ihre DA schwerer ist als die der riginalbakterien. un wurden die Bakterien alle in das normale ährmedium zurückversetzt. Bei neuen Teilungen wird also nun auch der leichtere Stickstoff eingebaut. Beim konservativen Erbgang sähe dies folgendermaßen aus: Zunächst hätten alle Zellen nur den schweren Stickstoff in ihren Strängen (rote Stränge). Bei einer Zellteilung würde sich nun ein komplett neuer Strang bilden. Da nun nur noch der leichte Stickstoff übrig ist müsste eine neue DA aus zwei leichten Strängen bestehen. Möglich wären also nur die ganz schweren Stränge oder die ganz leichten. Auch bei der nächsten Teilung könnte nichts anderes Entstehen als ganz leichte oder ganz schwere, da immer noch nur das leichte ährmedium vorhanden ist. Bei der Messung dürfte also nur die ganz schwere und die ganz leichte DA vorkommen. Beim semikonservativen Erbgang würde sich der Strang aufteilen zu jedem Strang ein neuer leichter Strang dazu bilden. So würden sich die DA so bilden, dass je ein leichter und ein schwerer Strang zusammen kommen. Es müsste sich also eine DA bilden die genau zwischen der ganz schweren und der ganz leichten liegt. In der zweiten Generation würde sich die DA wieder aufteilen und zu den Strängen würde sich neue leichte Stränge bilden. ier entständen dann zu den alten schweren Strängen neue leichte und es ergäbe sich wieder das Gemisch beim Wiegen. Und zu den alten leichten Strängen bilden sich neue leichte Stränge, sodass die leichte Bande zu erkennen wäre. Meselson und Stahl erkannten beim einwiegen das letzteres eintritt und dies war der Beweis für den semikonservativen Erbgang. Seite 6

7 Tatsächlicher Ablauf Erstellen einer Replikationsblase Das Enzym elicase bricht die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen auf und es bildet sich so eine Lücke zwischen den beiden Strängen Andocken eines Primers Ein kleines RA-Molekül bestehend aus 3 Basen dockt sich an der passenden Stelle am DA-Strang an. Der Primer wird vom Enzym Primase produziert und bildet die Ansatzstelle für die DA-Polymerase Erstellen des komplementären Strangs Das Enzym DA-Polymerase setzt sich auf die DA am Primer und läuft sie in 3'-5'-Richtung ab. Dabei bedient sie sich der ukleosid-fragmente im Zellplasma und fügt diese passend an Am Strang an dem die DA-Polymerase von der elicase weg läuft arbeitet die Polymerase die DA in Fragmenten ab und springt anschließend wieder ein Stück zur elicase Ligase verbindet die einzelnen Stücke wieder zusammen Die Fragmente die beim 3. Schritt entstanden sind werden vom Enzym Ligase wieder miteinander verbunden, sodass biede Stränge vollständig sind Proteinbiosynthese Als Proteinbiosynthese bezeichnet man den Weg von der DA zum fertigen Protein. Dieser weg wird in zwei Schritte unterschieden. Einmal in die Transkription, in welcher aus der DA die sogenannte mra erstellt wird und in die Translation, wo aus der mra mittels der tra eine Kette von Aminosäuren erstellt wird, also ein Protein. Im Grundsatz läuft die Proteinbiosynthese wie im Folgenden beschrieben ab, jedoch gibt es Unterschiede zwischen Eukaryoten und Prokaryoten die weiter hinten ebenfalls nochmal erläutert sind. Wichtig bei der Proteinbiosynthese ist, dass der genetische Code in Tripletts verschlüsselt, so stehen 3 Tripletts immer für eine Aminosäure. Weiterhin ist der Code universell und gilt damit in allen Lebewesen. Zusätzlich wird er kommafrei gelesen und nicht überlappend, d.h. die Ribosomen und Polymerase-Enzyme machen keine Pause beim Lesen und lesen auch keine Abschnitte mehfach. Seite 7

8 Ablauf der Proteinbiosynthese Transkription Erstellung einer Blase mittels dem Enzym elicase Läuft genau so ab, wie bei der Replikation Andocken der RA-Polymerase an einem Promoter und erstellen eines komplementären Strangs mittels freier ukleotide Läuft fast gleich ab, wie bei der Replikation. Allerdings wird hier der neue Strang nicht mit dem alten verbunden, sondern der neue Strang wird weggebracht. Die Base Thymin wird weiterhin durch Uracil ersetzt Die Ligase verbindet die beiden Stränge der DA wieder Translation Die mra läuft durch die Ribosomen Sobald das Startcodon vom Ribosom erkannt wird (Triplett AUG) können an der A-Stelle des Ribosoms mit Aminosäuren beladene tras andocken. Das Ribosom bewegt sich weiter in 5'-3'-Richtung, die tra der A-Stelle gelangt an die P-Stelle. An der A-Stelle dockt die nächste tra mit Aminosäure an, bei der das Anticodon passt. Die beiden Aminosäuren von A- und P-Stelle werden verbunden Das Ribosom bewegt sich weiter und die tra der P-Stelle gelangt an die E-Stelle und wird unbeladen abgestoßen. Die tra der A-Stelle gelangt an die P-Stelle und an der A-Stelle wird eine neue passende tra mit passender Aminosäure angelagert. Die beiden Aminosäuren werden verknüpft So bildet sich eine immer längere Kette, bis das Ribosom an ein Stoppcodon (UAG, UAA, UGA) gelangt. Ab dann werden keine Aminosäuren mehr hinzugefügt und das Protein ist fertig. Seite 8

9 Eukaryoten vs. Prokaryoten So wie das oben dargestellt wurde läuft das ganze bei den Prokaryoten ab. Bei den Eukaryoten gibt es innerhalb der DA nicht codierte Bereiche (sog. Introns) und codierte Bereiche (sog. Exons). Bei der Transkription müssen nun die Introns herausgeschnitten werden, sodass nur die Exons übrig bleiben, also die mra komplett codiert ist. Dies geschieht über einen zwischen Schritt zwischen Transkription und Translation, der sogenannten Prozessierung. ier wird die mra aus der Transkription (prä-mra) verändert in die reife mra für die Translation. ierbei werden drei Vorgänge durchgeführt: Spleißen: Es bilden sich an der prä-mra sogenannte Lasso-Strukturen, die aus den Introns bestehen. Diese können nun einfach herausgeschnitten werden, sodass nur noch die codierten Bereiche übrig sind. Cap-Struktur: An das 5 -Ende wird die sogenannte cap-struktur angehängt, die mra vor Abbau schützt, bevor sie übersetzt wurde. Poly-A-Schwanz: An das 3 -Ende wird eine Kette von Adenin-ukleotiden angehängt, welche die mra am anderen Ende vor Abbau schützt. Es gibt weiterhin einige Unterschieden zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, die hier nochmal aufgelistet sind: Unterschied Prokaryoten Eukaryoten Codierung Alles ist codiert Es gibt nicht codierte Bereiche Räumliche Trennung Translation und Transkription finden im Zellplasma statt Transkription findet im Zellkern statt, Translation im Zellplasma Zeitliche Trennung Transkription und Translation finden gleichzeitig statt Die Translation beginnt erst, wenn die Transkription fertig ist. Reifung Reifung nicht nötig Reifung ist nötig DA-Aufbau Die DA ist nicht um Stützproteine (istone) aufgewickelt Die DA ist um Stützproteine (istone) aufgewickelt Ribosomen 70S-Ribosomen 80S-Ribosomen Das wäre es mit der letzten Zusammenfassung für dieses Schuljahr. Es ist wieder mal sehr umfangreich geworden, was an der enormen Menge an Stoff liegen könnte. Ich denk mal es ist soweit vollständig und passt auch inhaltlich. Zu Proteinbiosynthese und Replikation gibt es auf youtube einiges an Videos und Animationen die dann doch gut weiterhelfen. Übrigens, falls ihr irgendwo in der Zusammenfassung ein DA findet, sollte das DA heißen und wurde von Word konvertiert Wie immer gilt bei Fragen/Fehlern/eigenen Zusammenfassungen/ könnt ihr mir eine Mail schreiben an fsure@web.de. Ansonsten wünsche ich euch viel Glück bei den wenigen Klausuren die euch dieses albjahr noch erwarten und selbstverständlich noch ruhige Restferien. Gruß und bis nächstes Schuljahr, Florian Seite 9