Tutorium Biochemie. Vorbereitungskurs 1. Staatsexamen

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1 Tutorium Biochemie Vorbereitungskurs 1. Staatsexamen

2 IMPP-Gegenstandskatalog 1 Cytologie 1.1 Morphologische Grundlagen der Zelle (Eubakterien, Eukaryoten) Zelle der Eubakterien (Bacteria) Zelle der Samenpflanzen Zelle der Säugetiere 1.3 Biomembranen Chemie und Aufbau Membranfluss Physikalische Eigenschaften: Semipermeabilität, Membranpotential Zellkontakte (gap junction, tight junction, Desmosom, Plasmodesmata) Transportmechanismen Signaltransduktionswege in Säugetierzellen 1.4 Zellstrukturen und ihre Funktionen Zusammensetzung und Funktion des Cytosols Zellkern (inkl. Chromosomen), Kernäquivalente Vakuole Glattes und raues Endoplasmatisches Reticulum Dictyosomen, Golgi-Apparat Speichervesikel Mitochondrien Plastiden Ribosomen Glyoxysomen, Peroxisomen Lysosomen Cytoskelett Geißeln 3 Genetik 3.1 Nukleinsäuren Molekulare Struktur, Konformationen und Funktionen der Desoxyribonukleinsäure (DNA); Exon, Intron Molekulare Strukturen und Funktionen der Ribonukleinsäure (RNA) Genetischer Code 3.2 Umsetzung genetischer Information Transkription der DNA Prozessieren der RNA Translation Regulation der Proteinbiosynthese 3.3 Weitergabe und Verteilung genetischer Information Replikation der DANN Zellzyklus, Mitose, Meiose Meiotische Systeme, Kernphasenwechsel, Generationswechsel Plasmatische Vererbung Parasexuelle (parameiotische) Systeme, Phagen, Plasmide, Resistenzfaktoren 3.4 Veränderungen der genetischen Information Somatische Mutationen, Mutationen der Keimbahn Mutationstypen, Genom-, Chromosomen- und Punktmutationen, Ames-Test Mutagene Faktoren und transponierbare genetische Elemente Umordnung der Gene (Anikörperbildung) 3.5 Grundlagen der Molekularbiologie Techniken der Molekularbiologie Klonierung und Überexpression von Genen

3 IMPP-Gegenstandskatalog 4 Stoffwechsel- und Entwicklungsphysiologie 4.1 Enzyme Einteilung, Wirkweise und Bedeutung von Enzymen für den Stoffwechsel; Coenzyme, Beziehung zu den Vitaminen Beeinflussung der Enzymaktivität Ribozyme 4.2 Grundzüge des Kohlenhydratstoffwechsels Mono-, Oligo- und Polysaccharide 4.3 Grundzüge des Stickstoffwechsels Aminosäuren und Proteine 4.4 Grundzüge des Fettstoffwechsels Fettsäuren und Fette 4.5 Grundzüge des Energiestoffwechsels Energetische Kopplung, Prinzip und Bedeutung Glykolyse Pyruvatdecarboxylierung Citratzyklus Glyoxylatzyklus und Gluconeogenese Atmung, Endoxidation Anaplerotische Reaktionen Gärungen 4.6 Pflanzliche und bakterielle Stoffwechselprozesse Photosynthese Chemosynthese Calvin-Zyklus Aufnahme und Verwertung von Stickstoff und Schwefel

4 Literaturempfehlungen Leistner, Breckle Pharmazeutische Biologie kompakt 7. Auflage Horn, u.a. Biochemie des Menschen 3. Auflage Löffler Basiswissen Biochemie mit Pathobiochemie 7. Auflage

5 Unterschiede Prokaryoten - Eukaryote Prokaryot geringe/keine Kompartimentierung Kernäquivalent (Nukleoid) zirkuläres Genom Extrons keine Mitochondrien und Plastiden Eukaryot ausgeprägte Kompartimentierung Zellkern lineares Genom Introns und Extrons Mitochondrien und Plastide vorhanden 70 S Ribosomen (30 S + 50 S) 80 S Ribosomen (40 S + 60 S) 70 S Ribosomen (30 S + 50 S) in Mitochondrien und Plastiden Semiautonomie Zellwandgerüst aus Murein Zellwandgerüst aus Cellulose Pflanzen Zellwandgerüst aus Chitin Pilze

6 Unterschiede Zellstrukturen Bakterienzelle Säugetierzelle Pflanzenzelle Zellkapsel - - Zellwand (Murein) - Zellwand (Cellulose) Cytoplasma Cytoplasma Cytoplasma Cytoplasmamembran Cytoplasmamembran Cytoplasmamembran Geißeln Geißeln - Thylakoide - Plastide Nukleoid Zellkern Zellkern Plasmid - - Ribosomen (70S) Ribosomen (70S + 80S) Ribosomen (70S + 80S) Polysomen Polysomen Polysomen Pili Endoplasmatisches Reticulum Endoplasmatisches Reticulum - Dictyosomen Dictyosomen - - Vakuole - Mitochondrien Mitochondrien

7 Biomembranen Biomembranen haben vielfältige Funktionen innerhalb einer Zelle. Sie sind fundamental für die Abgrenzung jeder einzelnen Zelle von der Umgebung und spielen bei der Kompartimentierung eine wichtige Rolle. Typischerweise liegen Membranen als Lipid- Bilayer vor. Manche Kompartimente (z.b. Mitochondrien und Plastide) besitzen eine Doppelmembran Endosymbiontentheorie

8 Chemie und Struktur Membranen bestehen aus folgenden Stoffgruppen: Lipide: Glykolipide (z.b. Cerebrosid) Phospholipide (z.b. Lecithin) Sulfolipide Polyisoprenoide Cholesterole Proteine Periphere Proteine Integrale Proteine Transmembräne Proteine (Tunnelproteine) Kohlenhydrate ( Glykokalyx) Dabei sind die hydrophilen Köpfe der Lipidbausteine hydratisiert und nach aussen, die hydrophoben Schwänze nach innen orientiert. Biologische Membranen sind nicht starr, die Lipide sind sehr leicht beweglich. Fluid-Mosaic-Modell

9 Funktionen der Biomembranen Diffusionsbarriere (undurchlässig für polare Stoffe) Regulation des Stofftransports mittels Tunnelproteinen Proteine der BM sind beteiligt an Energieumwandlungs- und biosynthetischen Schritten Erregungsbildung, -leitung und -übertragung mittels Membranpotential Stofftransport innerhalb der Zelle

10 Stoffaustausch durch Biomembranen passiver Transport (katalysierte, erleichterte Diffusion) ohne Energieaufwand nur in Richtung eines Konzentrationsgefälles Ionenkanäle aktiver Transport Zelle braucht Transportproteine, die Moleküle aktiv gegen ein Konzentrationsgefälle durch die Membran transportieren (Carrierproteine) Energie wird benötigt (ATP, GTP) nur in eine Richtung primär aktiver Transport: energiereiches Nucleotid ist direkt am Transportmechanismus beteiligt (z. B. Ionenpumpe: Na/K/-ATPase). sekundär aktiver Transport: energieverbrauchender Transport, an den passiven Transport eines Ions gebunden Symport: Gleiche Richtung des Transports von Ionen und Substrat Antiport: Entgegengesetzte Richtung des Transports von Ionen und Substrat 2 Hauptklassen von Transportproteinen Carrierproteine: Binden spezifisch die zu transportierenden Moleküle und transportieren diese auf die andere Seite der Biomembran (Konformationsänderung) Kanalproteine: Formen wassergefüllte Poren in die Lipiddoppelschicht, bei geöffneten Poren: z. B. Durchtritt von anorganischen Ionen möglich

11 Membranfluss Da manche Verbindungen wie z.b. Proteine zu groß für den Transport durch die Membran sind, erfolgt deren Auf- bzw. Abgabe mittels Endocytose Exocytose Dabei verschmilzt ein Transportvesikel mit der Zellmembran und wird danach entweder abgeschnürt oder aufgelöst Plastide und Mitochondrien nehmen nicht am Membranfluss teil.

12 Zellstrukturen und ihre Funktion

13 Cytoplasma klares, wässriges Gel Proteine, Aminosäuren RNA, Nucleotide Zucker, andere Kohlenhydrate Fettsäuren Vitamine Ionen

14 Cytoskelett Das Cytoskelett verleiht der Zelle Stabilität, es besteht aus: Mikrotubuli Mikrotubuli assoziierten Proteinen (MAP) Mikrofilamenten Intermediärfilamenten Mikrotubuli: Cilien, Flagellen Organellenbewegung und -positionierung Kernteilung: Mikrotubuli als Bestandteile des Spindelapparates, der Bewegung der Chromatiden vermittelt Colchicin: Verhindert Ausbildung des Spindelapparates Centriolen: Nur in tierischen Zellen, Organisationszentralen der Mikrotubuli; nur während der Zellteilung sichtbar von Proteinkapsel umgeben, aus der die Mikrotubuli wachsen; gesamter Komplex: Centrosom Bestehen aus a- und b-tubulin Mikrofilamente: Bestehen aus Aktin Sind an der Bewegung der Golgivesikel während Sekretionsprozessen beteiligt Kontrahierende Elemente Intermediärfilamente: Bestehen aus verschiedenen Proteinen Kommen u. a. im Zellkern vor

15 Zellkern (Karyon, Nucleus) Enthält den größten Teil des genetisches Material (DNA) einer Zelle in den Chromosomen DNA-Lagerung, -Verdopplung, Umschreibung auf mrna Kernhülle umgibt Zellkern: Doppelmembran (Teil des ER), von Poren durchsetzt (Öffnung für geregelten Stoffaustausch), in Verbindung mit anderen Membranen im Cytoplasma Nicht alle eukaryotischen Zellen enthalten einen Zellkern z. B. enthalten Erythrozyten und Siebröhren keinen Zellkern z. B. enthalten Leberzellen oder Milchröhren viele Zellkerne Nucleolus (Kernkörperchen) Zusammenbau ribosomaler Untereinheiten, bevor sie durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert werden

16 Chromosome Chromosom bestehend aus vier Komponenten: DNA Basischen Proteinen (Histone) RNA Saure Proteine nur sichtbar während der Zellteilung in Form des Chromatin (Mitose, Meiose) jedes Chromosom enthält ein einziges DNA- Molekül, das um Histon-Proteinkerne aufgewickelt ist

17 Endoplasmatisches Reticulum Cytoplasma durchziehendes Membransystem Abgrenzung von Zellbereichen, Transport- und Stoffumwandlungsfunktionen (z. B. Glykosylierung von Proteinen) Verbindung mit Cytoplasmamembran und Kernmembran rauhes ER: mit angelagerten Ribosomen, in denen Proteine für die Cytoplasmamembran und den Export hergestellt werden glattes ER: ohne Ribosomen, v. a. Kohlenhydrat- und Fettsynthese; Abschicken von neu hergestellten Molekülen zum Golgi-Apparat Transportbläschen (Vesikel): Teil des ER, auf dem Weg, um mit dem Golgi-Apparat zu verschmelzen

18 Dictyosomen/Golgi-Apparat Abgeflachte, membranbegrenzte Zisternen, tellerartig übereinander gestapelt Rolle bei Transport- und Sekretionsprozessen, bei Strukturierung und Sezernierung von Proteinen, Synthese von Polysacchariden (z.b. Pektin der Mittellamelle) und ätherischen Ölen; Cellulose wird nicht produziert! Beteiligung an der Bildung der Zellwand und der Zellmembran Gesamtheit aller Dicytosomen: Golgi-Apparat cis- (Bildungs-) und trans- (Sekretions-)Seite

19 Vakuole (nur Pflanzenzellen) mit Zellsaft gefüllt Von Membran (Tonoplast) umschlossen (Abgrenzung zum Cytoplasma) Pflanzenzelle ist osmotisches System durch selektive Permeabilität der Plasmagrenzschichten (Cytoplasmamembran und Tonoplast) Ablagerung, Entgiftung, Speicherung von Stoffen außer Proteinen keine Makromoleküle! Gesamtheit aller Vakuolen: Vakuom Enthält viele Enzyme (z.b. Hydrolasen)

20 Lysosome (in tierischen Zellen) Verdauungsorganelle in tierischen Zellen (entsprechen Vakuole in Pflanzenzellen) intrazellulärer Abbau von Makromolekülen viele Enzyme: Proteasen, Glykosidasen

21 Ribosomen Ort der Proteinbiosynthese bestehen aus ribosomaler Ribonukleinsäure (rrna) und zu 30-50% aus basischem Protein Unterteilung nach Sedimentationskonstante in 80S- Ribosomen (Eukaryonten) und 70S-Ribosomen (Prokaryonten, Mitochondrien, Chloroplasten) 80S bestehen aus 40S- und 60S-Untereinheiten 70S bestehen aus 30S- und 50S-Untereinheiten Während Proteinbiosynthese sind mehrere Ribosome perlschnurartig zu sog. Polysomen aneinander gereiht

22 Mitochondrien Kraftwerke der Zelle Doppelmembran Orte der Energiegewinnung: ATP-Synthese (an Innenseite der inneren Membran) semiautonom: mitochondriale DNA: Chondriom; meist zirkulär; mütterliche (matrokline) Vererbung Innenmembran ist Ort der Atmungskette und oxydativen Phosphorylierung Matrix ist Ort des Citratzyklus und des Fettsäureabbaus

23 Plastide nur in pflanzlichen Zellen Produktion und Speicherung von Stoffen Doppelmembran eigene Proteinbiosynthese semiautonom: DNA: Plastom, zirkulär; matroklin verschiedene Plastiden können sich ineinander umwandeln (Ausnahme: Gerontoplasten) Proplastiden: Vorstufe der anderen Plastidentypen

24 im Inneren: Membraneinstülpungen (Thylakoide), diese werden unterteilt in Stroma (Grundsubstanz, Matrix) und Grana (Stapel) Grana: Ort der O 2 -Entwicklung, Photosynthese und Photophosphorylierung Stroma: Ort der CO 2 -Fixierung und des Calvin- Zyklus Photosynthetisch aktive Pigmente: Chlorophylle Carotinoide Phycobiline

25 Chromoplasten Farbpigmente: Carotinoide v. a. in Zellen der Blüten und Früchte Entstehung aus Proplastiden, Leukoplasten oder durch Chlorophyllverlust aus Chloroplasten (Abbau des Thylakoidsystems) photosynthetisch inaktiv

26 Leukoplasten Aufbau von Reservestoffen aus Zucker In Speicherorganen (Samen, Knollen) Amyloplasten (Reservestärke/Speicherstärke) Proteinoplasten (Proteine) Elaioplasten (Lipide)

27 Gerontoplasten/Etioplasten Gerontoplasten Rückgewinnung des Stickstoffs: Chlorophyllabbau, Abbau des Thylakoidsystems Etioplasten: Entstehung bei mangelnder Belichtung aus Chloroplasten

28 Oleosomen: Speicherung, Ansammlung fetter Öle Glyoxysomen: Abbau von Fettsäuren durch β- Oxidation zu Acetyl-CoA

29 Zellwand schließt Protoplasten (Inhalt der Pflanzenzelle) nach außen ab; verhindert zu starke Ausdehnung und Platzen Besteht aus Cellulose Aufbau aus Mittellamelle, Primärwand, Sekundärwand und Abschlusslamelle Variable Akkrustierungen und Inkrustierungen möglich