Biochemie, Zellbiologie & Immunität: Grundlagen und Funktionen

B1OA: Grundlagen der Biochemie (Sept. 2006)

1. Aminosäuren und Peptide

Eine Aminosäure ist, wie der Name schon sagt, eine organische Verbindung, die sowohl eine Aminogruppe (-NH₂) als auch eine Carboxylgruppe (-COOH) besitzt. Alle Proteinbestandteile sind Alpha-Aminosäuren. Dies weist darauf hin, dass die Aminogruppe an das Alpha-Kohlenstoffatom gebunden ist, welches sich direkt neben dem Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe befindet.

Eine Alpha-Aminosäure besteht daher aus:

• Einem Alpha-Kohlenstoffatom
• Einer Carboxylgruppe
• Einer Aminogruppe
• Einem Wasserstoffatom
• Einer variablen Seitenkette (in der Regel als R bezeichnet), welche die Identität und die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Aminosäure bestimmt.

Ein Peptid ist ein Molekül, das durch die Verknüpfung von zwei oder mehr Aminosäuren über Peptidbindungen entsteht.

2. Stabilisierung der Tertiärstruktur von Proteinen

Die Tertiärstruktur eines Proteins wird durch folgende Arten von Bindungen und Wechselwirkungen stabilisiert:

• Ionenbindungen
• Wasserstoffbrücken
• Van-der-Waals-Kräfte
• Hydrophobe Wechselwirkungen
• Disulfidbrücken (Schwefelkohlenstoff) und weitere Wechselwirkungen

3. Funktionen von Proteinen

Enzymatische oder katalytische Funktionen

Enzyme sind Proteine, die den Zellstoffwechsel regulieren. Sie erhöhen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und bleiben dabei unverändert.

Regulierende oder hormonelle Funktionen

Einige Hormone sind Proteine. Hormone werden von Drüsenzellen produziert und über das Blut transportiert, um auf andere Zellen des Körpers einzuwirken. Beispiele: Insulin, Thyroxin, Wachstumshormon.

Abwehr- und Immunfunktionen

Viele Proteine übernehmen Schutzfunktionen im Körper. Die wichtigsten sind die Immunglobuline (Antikörper) im Blut. Diese Proteine werden vom Körper als Reaktion auf das Vorhandensein von Fremdkörpern oder Antigenen gebildet, die sie präzipitieren oder agglutinieren.

Transportfunktionen

Dazu gehört Hämoglobin, das Sauerstoff durch das Blut von Wirbeltieren transportiert.

Strukturelle Funktionen

Einige Glykoproteine sind Bestandteile von Zellmembranen. Kollagen und Elastin sind Proteine, die kollagene bzw. elastische Fasern des Bindegewebes bilden. Keratin ist ein Bestandteil von Nägeln, Haaren, Reptilienschuppen und Vogelfedern.

Homöostatische Funktionen (Pufferfunktion)

Proteine sind in der Lage, das innere Milieu auszugleichen. Aufgrund ihrer amphoteren Eigenschaften (sie können als Säure und Base fungieren) können sie als Puffer wirken und zur Aufrechterhaltung des pH-Werts beitragen.

Kontraktile Funktion

Die Fähigkeit der Muskeln zur Kontraktion basiert auf den kontraktilen Proteinen Aktin und Myosin.

Reservefunktionen

Beispiele sind Eieralbumin oder Kasein in der Milch.

B2OB: Organisation des Chromatins und Zellteilung

1. Organisationsebenen des Chromatins

Die Ebenen der Organisation der DNA sind:

1. DNA-Doppelhelix
2. Nukleosom
3. Chromatinfaser
4. Chromosomen-Domänen
5. Metaphase-Chromosom

2. Das Metaphase-Chromosom

Das Metaphase-Chromosom entspricht einem Zustand maximaler Kontraktion des Chromatins. Dieser Zustand ermöglicht die Untersuchung äußerer Merkmale wie Form, Größe und Anzahl.

3. Rolle der Zentriolen bei der Zellteilung

Während der Zellteilung bewegen sich die Zentriolen zu entgegengesetzten Seiten der Zelle. Jeder Cluster bildet dann radiale Filamente, die als Aster bezeichnet werden. Anschließend wird eine Spindel zwischen den beiden Zentriolen durch Filamente gebildet. Diese Filamente bestehen aus Proteinen und nur minimalen Mengen an Ribonukleinsäure (RNA).

Die Chromosomen heften sich über ihr Zentromer an diese Filamente und werden dann zu den gegenüberliegenden Seiten der Zelle geschoben.

B3OA: Stoffwechsel, ATP und Energie

1. Autotrophe und Heterotrophe Organismen

Autotrophe Organismen nutzen CO₂ als Kohlenstoffquelle und synthetisieren organische Moleküle, oft unter Verwendung von Licht als Energiequelle.

Heterotrophe Organismen nutzen Biomoleküle als organische Kohlenstoffquelle, die sie von anderen Lebewesen aufnehmen, um ihre eigenen Strukturen aufzubauen.

2. Adenosintriphosphat (ATP)

Adenosintriphosphat (ATP) ist ein Molekül, bestehend aus einem Purin (Adenin), einem Zucker (Ribose) und drei Phosphatgruppen. Die für biologische Funktionen benötigte hohe Energie wird in den Hochenergiebindungen gespeichert, welche die Phosphatgruppen verknüpfen. Diese Energie wird freigegeben, wenn eine oder zwei Phosphatgruppen vom Molekül entfernt werden. ATP ist eine unverzichtbare Energiequelle für die Synthese von Biomolekülen.

3. Oxidative Phosphorylierung und Photophosphorylierung

Oxidative Phosphorylierung

Die Oxidative Phosphorylierung ist der Elektronentransfer der reduzierten Äquivalente NADH und FADH₂ (gewonnen bei der Glykolyse und dem Krebs-Zyklus) auf molekularen Sauerstoff, gekoppelt mit der ATP-Synthese.

Dieser metabolische Prozess besteht aus einem komplexen Satz von Enzymen in der inneren Membran der Mitochondrien, die viele Redox-Reaktionen katalysieren. Sauerstoff ist der terminale Elektronenakzeptor, wodurch letztendlich Wasser gebildet wird.

Photophosphorylierung

Die Photophosphorylierung (auch Photosynthese-Phosphorylierung genannt) bezieht sich auf den Prozess der ATP-Bildung während der Photosynthese.

Die Lichtenergie regt Elektronen im Chlorophyll und anderen Pigmenten in Pflanzen an und versetzt sie in Bewegung. Die Energie der angeregten Elektronen wird in ATP gespeichert. Dieser Prozess produziert ATP-Moleküle aus ADP und anorganischem Phosphat.

B4OB: Pathogenität und Immunität

1. Definitionen und Zuordnungen

Zuordnung (Originaldaten): 5A, 1B, 4E, 2C, 6F, 3D.

a. Kolonisierung

Die Kolonisierung beschreibt die Besiedlung eines Wirtsorganismus durch externe Arten (Mikroorganismen).

b. Virulenz

Virulenz bezieht sich auf den pathogenen, schädlichen und aggressiven Charakter eines Organismus (wie Bakterien, Pilze oder Viren). Es ist die Fähigkeit eines Mikroorganismus, eine Krankheit zu verursachen.

c. Bakterielle Substanzen

Wichtige bakterielle Substanzen sind Chemotaxine (Quimixto), Toxine und Adhäsine. Diese Substanzen wirken oft als Antigene.

2. Arten der Immunität

Angeborene Immunität (IC)

Die angeborene Immunität (auch natürliche Immunität genannt) ist diejenige, die bestimmte Arten oder Individuen von Natur aus besitzen. Sie ist ein sehr wichtiger allgemeiner Faktor.

Erworbene Immunität (IA)

Die erworbene Immunität wird zu einem bestimmten Zeitpunkt im Leben des Individuums durch die Bildung von Antikörpern gegen die Einwirkung von Krankheitserregern erreicht. Die erworbene Immunität kann natürlich oder künstlich erworben werden.