Grundlagen der Biologie: Reproduktion, Proteine und Nukleinsäuren

Reproduktion

Asexuelle Reproduktion

• Vor ca. 3500 Millionen Jahren
• Verbunden mit Mitose
• 1 Elternteil
• Normale Zellen
• Einfaches und effizientes Reproduktionssystem
• Genetisch identische Individuen
• Rekombination von Genen, nicht von Merkmalen
• Schnelle Zunahme der Individuenzahl

Sexuelle Reproduktion

• Vor ca. 1500 Millionen Jahren
• Verbunden mit Meiose
• Meist 2 Elternteile
• Spezielle Zellen (Gameten)
• Aufwendige und sehr komplexe Reproduktion mit hohem materiellem Aufwand
• Genetisch unterschiedliche Individuen
• Einfache Genrekombination
• Merkmalsvielfalt

Parthenogenese (Jungfernzeugung)

Eine Variante der sexuellen Fortpflanzung, bei der sich ein Ei ohne Befruchtung zu einem Embryo entwickeln kann.

Bivitelline Zwillinge

Entstehen aus zwei oder mehr gleichzeitig befruchteten Eizellen durch unterschiedliche Spermien.

Univitelline Zwillinge (eineiige Zwillinge)

Entstehen aus einer einzigen befruchteten Eizelle (ein Spermium, eine Eizelle), bei der sich die Zellgruppen teilen und zwei genetisch identische Individuen bilden.

Lebenszyklen

Haplont

Die Zygote durchläuft sofort eine Meiose zur Teilung. Organismen besitzen einen einfachen Chromosomensatz (haploid). Beispiele: Pilze und Algen.

Diplont

Meiose führt direkt zur Bildung von Gameten (Gametogenese). Beispiele: Menschen und Tiere (Spermien/Eizellen).

Diplo-Haplont

Kombiniert die Vorteile beider Lebenszyklen (Haplont und Diplont).

Moose

Der Sporophyt durchläuft die Meiose im Sporangium, wo Sporen gebildet und freigesetzt werden. Diese Sporen keimen und bilden ein Protonema, aus dem sich der Gametophyt entwickelt (männlich oder weiblich, mit Antheridien oder Archegonien). Die Antherozoide (männliche Gameten) bewegen sich durch Wasser zur Archegonie, wo die Befruchtung stattfindet und ein neuer Sporophyt entsteht, wodurch der Zyklus von Neuem beginnt.

Farne

Im Sporangium werden Sporen gebildet und freigesetzt. Diese Sporen keimen zu einem Prothallium (Gametophyt), das Antheridien (männlich) und Archegonien (weiblich) enthält. Die Antherozoide bewegen sich durch Wasser zur Eizelle (Ovulum) und befruchten diese. Daraus entwickelt sich ein neuer Sporophyt, der wiederum die Meiose durchläuft und den Zyklus erneut startet.

Keimblätter

Ektoderm

• Epidermis
• Nägel
• Nervensystem
• Schweißdrüsen
• Zahnschmelz

Mesoderm

• Dermis
• Bindegewebe
• Knorpel
• Knochen
• Muskulatur
• Blut
• Gonaden
• Nieren

Endoderm

• Mundschleimhaut
• Verdauungstrakt
• Bronchien
• Lunge
• Harnröhre
• Pankreas
• Leber
• Thymus
• Schilddrüse

Metamorphose

Unvollständige Metamorphose

Typisch für bestimmte Insekten und andere Tiere. Die Larve ähnelt dem erwachsenen Tier, durchläuft aber kein inaktives Puppenstadium und ernährt sich während ihrer Entwicklung.

Vollständige Metamorphose

Die Larve (z.B. eine Raupe) durchläuft ein Puppenstadium, bevor sie das Erwachsenenalter erreicht.

Proteine

Proteine, auch Protide genannt, sind Polypeptide, die aus miteinander verknüpften Aminosäuren bestehen. Wenn sie strukturelle, chemische oder biologische Veränderungen erfahren, spricht man von Denaturierung. Man unterscheidet:

• Holoproteine: Bestehen ausschließlich aus Aminosäuren.
• Konjugierte Proteine (Heteroproteine): Bestehen aus Aminosäuren und einer prosthetischen Gruppe, die chemisch vielfältig sein kann.

Aminosäuren

Organische Verbindungen, die eine basische Aminogruppe und eine saure Carboxylgruppe besitzen. Sie sind amphotere Verbindungen. An jedem Alpha-Kohlenstoffatom sind vier Gruppen gebunden: eine Carboxylgruppe, eine Aminogruppe, ein Wasserstoffatom und eine Seitenkette (Rest).

Biologische Funktionen von Proteinen

• Struktur und Schutz
• Katalyse (Enzyme)
• Transport
• Nährstoffspeicherung
• Hormonelle Regulation
• Kontraktion (Muskeln)
• Abwehr und Erkennung
• Homöostase

Proteinstrukturen

Primärstruktur

Die Aminosäuresequenz, die die Reihenfolge und Position der Aminosäuren angibt, die durch Peptidbindungen zwischen der Amino- und Carboxylgruppe verbunden sind.

Sekundärstruktur

Die räumliche Anordnung der Primärstruktur. Beispiele: Alpha-Helix und Beta-Faltblatt. (Vergleich: aufgerolltes Telefonkabel).

Tertiärstruktur

Die dreidimensionale Faltung der Sekundärstruktur, die die räumliche Anordnung der Aminosäuren beschreibt. Man unterscheidet zwei Hauptkonformationen:

• Faserförmig: Seilartig, stabil, hart und in der zellulären Umgebung unlöslich. Bilden parallele Platten. Beispiele: Keratin, Elastin, Kollagen, Gelatine.
• Kugelförmig (globulär): Kugelförmig gefaltet, gut löslich, biologisch aktiv und von hohem Nährwert. Beispiele: Histone, Prolamine, Albumine, Globuline.

Quartärstruktur

Proteine, die aus zwei oder mehr Polypeptidketten bestehen.

Holoproteine (einfache Proteine)

Bestehen ausschließlich aus Polypeptidketten.

• Faserförmige Holoproteine: Sehr stabil, hart und unlöslich. Bilden Platten oder Fasern in tierischen Geweben.

  Alpha-Keratin

  Bietet hohen mechanischen Widerstand. Reich an Schwefel.

  Elastin

  Elastisch, Bestandteil des Bindegewebes.

  Kollagen

  Das häufigste Protein bei Wirbeltieren. Bildet harte Gewebe und Organe. Bildet beim Kochen Gelatine.

• Globuläre Holoproteine: Polypeptidketten, die mehr oder weniger kugelförmig gefaltet sind. Gut löslich, biologisch hoch aktiv und von hohem Nährwert.

  Histone

  Basische Proteine, die mit der DNA im Chromatin assoziiert sind.

  Prolamine

  Gluteine, in Getreidekörnern enthalten.

  Albumine

  Reservestoff- oder Nährstofftransportfunktion.

  Globuline

  Proteine mit hohem Molekulargewicht.

Heteroproteine (konjugierte Proteine)

Bestehen aus einer Proteinfraktion und einer prosthetischen Gruppe. Typen:

• Glykoproteine

  (Prosthetische Gruppe: Kohlenhydrate) Proteine in Zellmembranen und -hüllen, Hormone, Immunglobuline, bestimmte Enzyme.

• Lipoproteine

  (Prosthetische Gruppe: Lipide) Transportieren Fette im Blut.

• Phosphoproteine

  (Prosthetische Gruppe: Phosphatgruppen)

• Nukleoproteine

  (Prosthetische Gruppe: Nukleinsäuren)

• Chromoproteine

  (Prosthetische Gruppe: Pigmente) Können porphyrinisch oder nicht-porphyrinisch sein.

Nukleinsäuren

Langkettige, unverzweigte lineare Polymere, die aus Nukleotiden aufgebaut sind.

Nukleoside und Nukleotide

Ein Nukleosid ist die Verbindung einer Pentose (Ribose oder Desoxyribose) mit einer stickstoffhaltigen Base. Ein Nukleotid ist die elementare Baueinheit einer Nukleinsäure und besteht aus einer Pentose (Ribose oder Desoxyribose), einer Nukleobase (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin, Uracil) und einem Phosphorsäuremolekül.

ATP (Adenosintriphosphat)

Ein Nukleotid, das aus Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen besteht. Es ist der wichtigste Energieträger und -vermittler zwischen energieverbrauchenden und energieliefernden Reaktionen in der Zelle.

Nukleasen

Enzyme, die die Phosphodiesterbindungen zwischen den Nukleotiden spalten. Sie sind nützlich für Studien und Forschung.

Funktion der DNA

Die DNA ist der Träger der genetischen Information. Sie koordiniert die Biosynthese aller zellulären Komponenten oder des gesamten Organismus. Die Information ist in der genetischen Sequenz der Nukleotide des DNA-Moleküls gespeichert.

Struktur und Zusammensetzung der DNA

Die DNA hat eine sehr hohe molekulare Masse und besteht aus zwei Ketten von Desoxyribonukleotiden. Bei Prokaryoten bildet ein großes DNA-Molekül das Chromosom. Bei Eukaryoten sind verschiedene DNA-Moleküle mit Chromatin-Proteinen verbunden, die den Zellkern bilden oder als Chromosomen während der Zellteilung sichtbar werden.

Dreidimensionale Struktur der DNA

Mit Ausnahme einiger Viren, die einzelsträngige DNA besitzen, besteht das DNA-Molekül aus zwei spiralförmig gewundenen Filamenten, die eine Doppelhelix bilden, wie 1953 von Watson und Crick beschrieben. Jeder Strang windet sich um eine imaginäre zentrale Achse von links nach rechts. Die beiden Ketten sind antiparallel angeordnet. In dieser Struktur passen nur bestimmte Basenpaare zusammen: Adenin mit Thymin (A-T) und Cytosin mit Guanin (C-G). Da A immer mit T und C immer mit G gepaart ist, sind die beiden Stränge komplementär in ihrer Basensequenz, d.h., die Sequenz eines Stranges bestimmt die Sequenz des anderen Stranges.

DNA bei Prokaryoten und Viren

Viren nutzen DNA als genetisches Material und replizieren es mittels DNA-Polymerase. Die Nukleinsäure ist in der Regel einzelsträngige DNA oder doppelsträngige DNA.

DNA bei Eukaryoten

Die DNA-Menge ist bei Eukaryoten viel höher als bei Bakterien. Sie befindet sich im Zellkern, wo sie als Chromatin in Verbindung mit Histonen vorliegt. Wenn sich die Zelle teilt, verändert sich das Chromatin und bildet Chromosomen. Nukleosom: Eine Struktur, die die wesentliche und grundlegende Einheit des Chromatins darstellt und die Organisation der DNA bei Eukaryoten ermöglicht. Nukleosomen bestehen aus einem Kern, einem Protein-Oktamer aus grundlegenden und phylogenetisch stark konservierten Histonen. Das Oktamer besteht aus jeweils zwei Molekülen der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Im Elektronenmikroskop erscheint es wie eine "Perlenkette", da es aus der DNA-Doppelhelix besteht, die um aufeinanderfolgende Histon-Oktamere gewickelt ist. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nukleosomen befindet sich ein DNA-Fragment, die sogenannte Spacer-DNA. Jedes Histon-Oktamer ist von fast zwei Windungen doppelsträngiger DNA umgeben. Ein weiteres Histon (H1) bindet an das DNA-Molekül außerhalb des zentralen Teils des Nukleosoms.

C-Wert-Paradoxon

Bezieht sich auf den DNA-Gehalt der Gameten einer bestimmten Art. Dieser schwankt stark von Art zu Art. Innerhalb jeder Organismengruppe gibt es Arten, die einen höheren C-Wert aufweisen, obwohl ihre Komplexität evolutionär nicht proportional dazu zugenommen hat.

RNA (Ribonukleinsäure)

Besteht aus langen Ketten von Ribonukleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind.

• Unterschiede zur DNA:
  • Die Pentose des Nukleotids ist Ribose, nicht Desoxyribose.
  • Die Nukleobase Thymin wird durch Uracil ersetzt.
  • RNA-Moleküle bestehen meist aus einem einzelnen Strang. Basenpaarungen können innerhalb des Stranges auftreten und Schleifenstrukturen bilden. Es gibt auch doppelsträngige RNA-Moleküle, die der DNA-Doppelhelix ähneln.

RNA-Typen

mRNA (Messenger-RNA)

Trägt die genetische Information von der DNA zu den Ribosomen, wo die Proteinsynthese stattfindet.

rRNA (Ribosomale RNA)

Ist der konstitutive und wichtigste Bestandteil der Ribosomen.

tRNA (Transfer-RNA)

Transportiert Aminosäuren zur wachsenden Peptidkette während der Proteinsynthese.

Weitere RNA-Typen bei Eukaryoten

hnRNA (heterogene nukleäre RNA)

Großes Vorläufermolekül der mRNA.

snRNA (kleine nukleäre Ribonukleinsäuren)

Beteiligt an der Reifung der mRNA.