Biologie Zusammenfassung 12.2 #1

Biologie Zusammenfassung 12.2 #1
Viren und Phagen
Definition
Als Viren bezeichnet man generell nichtzelluläre Partikel, die aus einer Nukleinsäure (DANN oder
RNA) 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, pH-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
DNA/RNA in das
Bakterium
Die DNA des Bakteriums
wird so verändert, dass
sie nun Phagen-DNA und
Phagen-Proteine
produziert.
Die Produzierten PhagenBestandteile 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
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Lysogener Zyklus
Die DNA der Phage wird
in die DNA der
Wirtszelle eingebaut.
Bei der Zellteilung
vermehrt sich die
veränderte DNA die
Phagen produzieren
kann.
Durch äußere Einflüsse
wie Licht / Temperatur /
chem. Einflüsse / ... wird
die Phagen-DNA
"aktiviert"
Das Bakterium
produziert PhagenDNA/RNA und PhagenProteine
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
„Organismus“ (Mensch, Hund, Tulpe,…) als Procyte, Eucyte eine einzelne Zelle!
Procyte
Stäbchen-, Kugel- oder Spiralform
Kein Zellkern mit Hülle, DNA in Ringform
(Plasmide) und als Nucleoid (Chromatid-Knäul)
70s-Ribosomen
0,5μm-5 μm groß
Meist Einzeller (die sich tw. in kleineren Gruppen
finden)
Kaum Kompartimentierung
Keine Mitochondrien/Plastiden
Häufig Anhänge/Hüllen (wie Schleimhülle,
Geißel,…)
Kein ER
Einstülpungen (Mesosome) in der Zellwand
Eucyte
Rundliche oder 6-eckige Form
Zellkern mit Hülle, 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 Hüllen
ER
Keine Einstülpungen
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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.
Telomer
Die Chromosomen sind die maximal verdichtete Form des
Chromatins. Sie sind daher auch unterm Lichtmikroskop
Kurzer Arm
erkennbar. Sie treten im Gegensatz zum Chromatin nur während
p-Arm
der Zell- und Kernteilung auf. Die Anzahl an Chromosomen ist
artspezifisch, d.h. dass jeder Mensch gleich viele Chromosomen
Zentromer
hat und auch jede Schnecke gleich viele Chromosomen hat, aber
Langer Arm
nicht jeder Mensch gleich viele Chromosomen hat wie eine
q-Arm
Schnecke. Man unterscheidet Zellen in dem jedes Chromosom
doppelt vorkommt (diploider Satz: 2n) – dies sind Körperzellen.
Chromatid
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
Chromosom an den Enden um ein kleines Stück. Nun 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. Hier teilt sich die
Zelle auf und die Erbsubstanz wird verteilt.
Anschließend wachsen beide Zellen im
sogenannten Wachstums-stadium, dem G1Stadium. Im G1-Stadium befindet sich der
G1-Kontrollpunkt. Hier 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.
Mitose
G0-Stadium
G3-Stadium
G1-Stadium
•G3-Kontrollpkt
•G1-Kontrollpkt
S-Stadium
Interphase
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Gesetzt der Fall es werden mehr Zellen benötigt gelangt die Zelle in das Synthese-Stadium – kurz SStadium. Hier wird die Erbsubstanz verdoppelt. Nach abgeschlossener Verdopplung gelangt die Zelle
ins nächste Stadium, das G3-Stadium. Dieses bildet die restliche Zeit bis zur nächsten Mitose. Im G 3Stadium befindet sich der G3-Kontrollpunkt. Hier 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 G1-Stadium zusammen mit S-Stadium und G3-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 G1-Stadium und die aus dem Zyklus ausgetretene Zelle
befindet sich dann im sogenannten G0-Stadium.
Mitose (Auszug aus einem Text für die YBS Heidelberg)
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 DNA beginnt sich zu verdichten und die
Chromosomen bilden sich langsam aus. Zusätzlich verschwinden
Kernmembran und Nucleoli. Die Zentriolen wandern zu den Zellpolen, sodass
sich die Zentralspindel ausbilden kann.
Metaphase (Abb. b)
In der Metaphase verdickt sich die DNA 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). Hierbei wird die genetische Information also auf
beiden Tochterzellen (identisch) verteilt.
Telophase (Abb. d)
In der Telophase bilden sich Kernmembran und Nucleoli 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
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Telophase
Aufbau und Struktur der DNA
Die DNA besteht aus einem Doppelstrang. Den äußeren
Rand der DNA 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
DNA klassische Doppelhelix. In dieser Form befindet sich
die DNA normalerweise.
Adenin
Hier 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 DNA die Desoxyribose, der Zucker.
Weiterhin wichtig sind folgende Bezeichnungen:
H
N
N
N
O
N
H
N
H
H
H
N
H
O
N
N
N
N
N
N
H
H
H
N
N
Bindung
Bindung
O
Bindung
H
Thymin
H
H
H
H
H
O
H
N
H
Bindung
Cytosin
Guanin
Nukleosid (Komplex aus einer Base mit dazugehörigem Zucker)
Nukleotid (Komplex aus einer Base mit dazugehörigem Zucker und Phosphat-Ion)
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Phosphat-Ion
3‘-5‘-Richtung
Betrachtet man die Desoxyribose genau erkennt man, dass
die Phosphat-Ionen jeweils am 3. und am 5. KohlenstoffAtom gebunden sind. So lässt sich an einem Strang eine
Richtung festlegen (s. Abbildung). Die beiden DNA-Stränge
laufen antiparallel, d.h. wenn einer in 3‘-5‘-Richtung läuft,
läuft der andere in 5‘-3‘-Richtung!
O
C5
H2
Phosphat-Ion
O
C
3
O
C
OH
Base
Replikation
Theorien
Semi-konservativ
Ein Strang teilt sich in der Mitte
auf und die neuen Stränge
werden wieder angebaut.
Momentan anerkannt
Konservativ
Der Tochterstrang wird
komplett nach Vorbild des
Mutterstrangs gebaut, ohne
dass der Mutterstrang geöffnet
oder geändert wird.
Widerlegt
nach Meselson und Stahl
Dispersiv
Der Mutterstrang zerfällt in
etliche Kleinteile und die
komplementären Stücke lagern
sich an und die DNA wird
wieder zusammengebaut
Widerlegt
Zu Kompliziert für die Natur
Versuch von Meselson und Stahl
Meselson und Stahl gaben einige Darmbakterien in ein Nährmedium, welches statt dem normalen
Stickstoff eine schwerere Form des Stickstoffes enthielt. Alle Bakterien ernährten sich von diesem
Stickstoff und bauten in ihre DNA ein. Hieraus folge, dass nun auch ihre DNA schwerer ist als die der
„Originalbakterien“. Nun wurden die Bakterien alle in das normale Nährmedium 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 DNA 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 Nährmedium vorhanden ist. Bei der Messung dürfte also
nur die ganz schwere und die ganz leichte DNA vorkommen.
Beim semikonservativen Erbgang würde sich der Strang aufteilen zu jedem Strang ein
neuer leichter Strang dazu bilden. So würden sich die DNA so bilden, dass je ein leichter
und ein schwerer Strang zusammen kommen. Es müsste sich also eine DNA bilden die
genau zwischen der ganz schweren und der ganz leichten liegt. In der zweiten Generation
würde sich die DNA wieder aufteilen und zu den Strängen würde sich neue leichte Stränge
bilden. Hier 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.
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Tatsächlicher Ablauf
Erstellen einer Replikationsblase
•Das Enzym Helicase bricht die Wasserstoffbrücken zwischen
den Basen auf und es bildet sich so eine Lücke zwischen den
beiden Strängen
Andocken eines Primers
•Ein kleines RNA-Molekül bestehend aus 3 Basen dockt sich an
der passenden Stelle am DNA-Strang an. Der Primer wird vom
Enzym Primase produziert und bildet die Ansatzstelle für die
DNA-Polymerase
Erstellen des komplementären Strangs
•Das Enzym DNA-Polymerase setzt sich auf die DNA am Primer
und läuft sie in 3'-5'-Richtung ab. Dabei bedient sie sich der
Nukleosid-Fragmente im Zellplasma und fügt diese passend an
•Am Strang an dem die DNA-Polymerase von der Helicase weg
läuft arbeitet die Polymerase die DNA in Fragmenten ab und
springt anschließend wieder ein Stück zur Helicase
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 DNA zum fertigen Protein. Dieser weg wird
in zwei Schritte unterschieden. Einmal in die Transkription, in welcher aus der DNA die sogenannte
mRNA erstellt wird und in die Translation, wo aus der mRNA mittels der tRNA 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.
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Ablauf der Proteinbiosynthese
Transkription
Erstellung einer Blase mittels dem Enzym Helicase
•Läuft genau so ab, wie bei der Replikation
Andocken der RNA-Polymerase an einem Promoter und erstellen
eines komplementären Strangs mittels freier Nukleotide
•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 DNA wieder
Translation
Die mRNA läuft durch die Ribosomen
Sobald das Startcodon vom Ribosom erkannt wird (Triplett
AUG) können an der A-Stelle des Ribosoms mit Aminosäuren
beladene tRNAs andocken.
Das Ribosom bewegt sich weiter in 5'-3'-Richtung, die tRNA
der A-Stelle gelangt an die P-Stelle. An der A-Stelle dockt die
nächste tRNA 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 tRNA der P-Stelle
gelangt an die E-Stelle und wird unbeladen abgestoßen. Die
tRNA der A-Stelle gelangt an die P-Stelle und an der A-Stelle
wird eine neue passende tRNA 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.
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Eukaryoten vs. Prokaryoten
So wie das oben dargestellt wurde läuft das ganze bei den Prokaryoten ab.
Bei den Eukaryoten gibt es innerhalb der DNA 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 mRNA komplett codiert ist. Dies geschieht über einen
zwischen Schritt zwischen Transkription und Translation, der sogenannten Prozessierung. Hier wird
die mRNA aus der Transkription (prä-mRNA) verändert in die reife mRNA für die Translation.
Hierbei werden drei Vorgänge durchgeführt:
Spleißen: Es bilden sich an der prä-mRNA 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 mRNA vor Abbau
schützt, bevor sie übersetzt wurde.
Poly-A-Schwanz: An das 3‘-Ende wird eine Kette von Adenin-Nukleotiden angehängt, welche die
mRNA am anderen Ende vor Abbau schützt.
Es gibt weiterhin einige Unterschieden zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, die hier nochmal
aufgelistet sind:
Unterschied
Codierung
Räumliche Trennung
Zeitliche Trennung
Reifung
DNA-Aufbau
Ribosomen
Prokaryoten
Alles ist codiert
Translation und Transkription finden
im Zellplasma statt
Transkription und Translation finden
gleichzeitig statt
Reifung nicht nötig
Die DNA ist nicht um Stützproteine
(Histone) aufgewickelt
70S-Ribosomen
Eukaryoten
Es gibt nicht codierte Bereiche
Transkription findet im Zellkern
statt, Translation im Zellplasma
Die Translation beginnt erst, wenn
die Transkription fertig ist.
Reifung ist nötig
Die DNA ist um Stützproteine
(Histone) aufgewickelt
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 DANN findet,
sollte das DNA heißen und wurde von Word konvertiert…
Wie immer gilt bei Fragen/Fehlern/eigenen Zusammenfassungen/… könnt ihr mir eine
Mail schreiben an [email protected]. Ansonsten wünsche ich euch viel Glück bei den wenigen
Klausuren die euch dieses Halbjahr noch erwarten und selbstverständlich noch ruhige
Restferien.
Gruß und bis nächstes Schuljahr,
Florian
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