Enzyme und die Grundlagen der DNA-Replikation

Enzyme und biochemische Reaktionen

Enzyme sind globuläre Proteine, die als Katalysatoren für biochemische Reaktionen fungieren, welche innerhalb oder außerhalb der Zelle (Celula) auftreten. Es gibt zwei Arten von Enzymen:

• Holoproteine: Bestehen nur aus Aminosäuren (z. B. Ribonuklease und Lysozym).
• Heteroproteine: Bestehen aus zwei Komponenten: dem Apoenzym (Proteinnatur) und einem Cofaktor oder Coenzym.

Einflussfaktoren und Klassifizierung

Die Enzymaktivität wird durch Faktoren wie die Temperatur (T°) und die Konzentration des Substrates beeinflusst. Es gibt verschiedene Hemmstoffe (Inhibitoren): kompetitive und nicht-kompetitive Hemmstoffe. Die Klassifizierung erfolgt nach: Oxidoreduktasen, Transferasen, Isomerasen, digestiven Hydrolasen, Lyasen sowie Ligasen oder Synthetasen.

DNA-Replikation und Vererbung

Die Replikation ist die Vervielfältigung der DNA (eine Form, bei der die Information exakt kopiert werden kann). Watson und Crick etablierten 1953 das Modell des DNA-Moleküls und machten deutlich, dass die DNA das genetische Material ist. Der DNA-Code enthält Informationen in der Abfolge seiner Basen.

Akteure der Replikation

• DNA-Moleküle: Dienen als Modell oder Vorlage für die Synthese der neuen Stränge.
• DNA-Helikasen: Öffnen das DNA-Molekül, um die Replikationsgabel (Horquilla) zu bilden.
• Destabilisierende Proteine: Halten die Replikationsgabel offen.
• Topoisomerasen: Brechen und verbinden die beiden DNA-Stränge wieder, um die Spannungen in der Gabel zu reduzieren.
• Desoxynukleotid-Triphosphate (dNTPs): Bilden neue DNA-Stränge und liefern Energie für die Verbindung.
• DNA-abhängige DNA-Polymerase: Bildet neue DNA-Stränge, die am freien 3'-Ende synthetisiert werden.
• Primase (Primos): Synthese der RNA-Primer.
• RNA-Nukleotide: Bestandteile der RNA-Primer.
• DNA-Ligasen: Enzyme, die DNA-Fragmente verbinden.

Meilensteine der Genetik

Im Jahr 1865 begründete Mendel die grundlegenden Mechanismen der Vererbung und erklärte damit die Genetik. 1928 experimentierte Griffith mit der „bakteriellen Transformation“ (Mäuse und Pneumonie, Streptococcus pneumoniae). Der Stamm „S“ (glatt) führt zum Tod von Mäusen, während der Stamm „R“ (rau) keine Letalität erzeugt. Einzeln injiziert verursachten sie keine Pneumonie, aber ihre Mischung tat es.

1923 erzielte J. L. Alloway die gleichen Ergebnisse wie Griffith. Er tötete gekapselte Bakterien ab und isolierte größere bakterielle Bestandteile. Die resultierende bakterielle Lösung enthielt kein nacktes Leben. Die Mischung führte jedoch zu lebenden, gekapselten Bakterien, die sich reproduzieren konnten. Die lebenden Bakterien-Moleküle hatten ein genetisches Partikel mit den Eigenschaften der toten Bakterien erworben.

Diese Partikel kodierten Anweisungen für die Kapselform, wodurch die ursprünglichen nackten Bakterien in gekapselte Bakterien umgewandelt wurden. 1944 entdeckten Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty an der Rockefeller University, dass das DNA-Molekül für die Transformation verantwortlich ist. Sie isolierten DNA aus gekapselten Bakterien und mischten sie mit lebenden nackten Bakterien, woraufhin lebende gekapselte Bakterien entstanden.

Bakteriophagen

Bakteriophagen (kurz Phagen) sind Viren, die Bakterien infizieren. Der Name stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Bakterienfresser“. Ein Bakteriophage hängt in allen Aspekten seines Lebenszyklus von seinem bakteriellen Wirt (Huésped) ab.