Grundlagen der Biologie: Von Proteinen bis zur Genetik

B1OA: Grundlagen der Biochemie – Proteine

1. Die Aminosäure

Eine Aminosäure ist, wie der Name schon sagt, ein organisches Molekül mit einer Aminogruppe (-NH₂) und einer Carboxylgruppe (-COOH, sauer).

2. Bindungen und Stabilität

Die dreidimensionale Struktur und Stabilität des Moleküls wird durch verschiedene Bindungen und Wechselwirkungen erreicht:

• Ionenbindungen
• Wasserstoffbrücken
• Van-der-Waals-Kräfte
• Disulfidbrücken
• Hydrophobe Wechselwirkungen

3. Native Struktur und Denaturierung

Proteine werden von der Zelle mit einer spezifischen Struktur synthetisiert, die für ihre Funktion notwendig ist. Diese Struktur wird als native Struktur bezeichnet. Der Verlust dieser nativen Struktur, verursacht durch erhöhte Temperatur, extreme pH-Wert-Veränderungen oder andere Schocks, wird Denaturierung genannt.

4. Proteinklassifizierung

• Strukturproteine: Helfen, die Form und Steifigkeit von Organismen zu bestimmen. Die meisten sind Faserproteine (fibrilär), z. B. Keratin.
• Reserveproteine: Dienen als Speicher für den Körper (z. B. für Wachstum oder Reparatur). Beispiele sind Proteine aus Milch oder Eiern.
• Aktive Proteine (Funktionsproteine): Spielen verschiedene Rollen in der Körperfunktion: Enzyme, Transportproteine, regulatorische Proteine, kontraktile Proteine oder Immunproteine.

B2OA: Zellbiologie – Mitochondrien und Atmung

1. Mitochondrien: Aufbau und Funktion

Mitochondrien sind die Kraftwerke aller eukaryotischen Zellen, in denen die Zellatmung stattfindet. Sie variieren in Größe und Form, abhängig von ihrer Herkunft und ihrem metabolischen Zustand.

Struktur der Mitochondrien

Sie besitzen zwei Membranen: eine glatte äußere Membran und eine innere Membran, die gefaltete Einstülpungen (Invaginationen) bildet, die als Cristae (Kämme) bezeichnet werden. Diese Membranen definieren verschiedene Kompartimente: den Intermembranraum und die Matrix (begrenzt durch die innere Membran).

2. Katalytische Prozesse

In der Matrix befinden sich Enzyme, die die Reaktionen der Zellatmung katalysieren, einschließlich des Citratzyklus (Krebs-Zyklus) und der Oxidation von Fettsäuren.

3. Energieproduktion (ATP)

Mitochondrien sind die Kraftwerke aller eukaryotischen Zellen, da in ihnen die Atmung stattfindet. Ihre Hauptaufgabe ist die Gewinnung von Energie in Form von ATP durch Zellatmung, wobei organische Moleküle (MO) in Gegenwart von O₂ zu CO₂, H₂O und Energie oxidiert werden.

B3OB: Mikrobiologie – Viren, Phagen und Prionen

1. Komponenten

Genetisches Material, Lysis (Risse) und Zusammenbau (Assembly).

2. Virustypen und Prionen

• Bakteriophagen: Viren, die nur Bakterien infizieren.
• Retroviren: Umhüllte Viren, die ein einzelsträngiges RNA-Genom besitzen und sich über eine doppelsträngige DNA-Zwischenform replizieren.
• Prionen: Proteine, die in zwei Formen existieren (gutartig und bösartig). Das bösartige Protein wird Prion genannt und kann übertragbare subakute spongiforme Enzephalopathien verursachen.

3. Replikationszyklen von Viren

Der Lytische Zyklus

Nach dem Eindringen des genetischen Materials ist das Virus im Zytoplasma der Wirtszelle frei und beginnt, sich auf Kosten der Wirtszelle zu vermehren, die schließlich stirbt.

1. Bindung des Virus an die Zellwand.
2. Penetration der viralen Nukleinsäure in das Zytoplasma der Wirtszelle.
3. Eklipse (Entpacken des viralen genetischen Materials und Unterbrechung der Wirtszellfunktion).
4. Zusammenbau (Vereinigung aller Teile zur Bildung von Virionen).
5. Lysis (Die gebildeten Virionen werden freigesetzt, wobei die Wirtszelle vollständig zerstört wird).

Der Lysogene Zyklus

Die Nukleinsäure des Virus integriert sich in das Chromosom der Wirtszelle. Das Virus befindet sich im Ruhezustand (als Prophage). Im Prophagen-Zustand kann das Virus durch Vererbung weitergegeben werden. Nach einer gewissen Zeit kann der Prophage aktiv werden, den lytischen Zyklus starten und zur Reproduktion und Zerstörung der Wirtszelle führen.

B4OA: Genetik – Code, Gene und Mutationen

1. Der Genetische Code

Der genetische Code ist eine Reihe von Anweisungen, die verwendet werden, um Proteine basierend auf der Reihenfolge der Nukleotide in der DNA herzustellen. Dieser Code besagt, dass jede Gruppe von drei Nukleotiden eine Aminosäure codiert. Er stellt die Regel der Übereinstimmung zwischen der Sequenz der Nukleotide in den Nukleinsäuren und der Sequenz der Aminosäuren in den Polypeptiden dar.

2. Gen und Codon

• Gen: Ein Gen ist ein Abschnitt einer bestimmten Abfolge von Nukleotiden auf einem Chromosom. Diese Sequenz kann Proteine codieren oder gehemmt werden, abhängig vom zellulären Programm.
• Codon: Die genetische Information in der mRNA besteht aus vier Basen (Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil), die in Dreiergruppen eingeteilt sind. Jede Dreiergruppe wird Codon genannt und codiert entweder eine Aminosäure oder ein Stoppsignal. Das Codon zeigt an, welche Aminosäure an das tRNA-Molekül binden soll.

3. Mutationen

Eine Mutation ist eine Änderung oder Veränderung im Erbgut eines Individuums.

• Karyotypische Mutationen (Genommutationen): Betreffen die Anzahl der Chromosomen eines Individuums. Sie werden durch abnormale Segregation von Chromosomen oder Chromatiden während der Meiose verursacht (z. B. Aneuploidie) und sind wichtig für die Evolution.
• Chromosomenmutationen: Betreffen Segmente eines Chromosoms und wirken sich auf dessen Struktur aus. Dazu gehören Deletionen, Duplikationen, Inversionen oder Translokationen.
• Genmutationen: Mutationen, die den Austausch, die Addition oder die Deletion von stickstoffhaltigen Basen innerhalb eines Gens zur Folge haben.