Grundlagen der Molekularbiologie und Zellbiologie

SESSION 4: Molekulare Genetik

1. Chemische Struktur der RNA

Ribonukleinsäure (RNA) besteht aus drei verschiedenen Molekülen:

• Eine Pentose (D-Ribose).
• Eine der folgenden Stickstoffbasen:
  • Purine: Adenin (A) und Guanin (G).
  • Pyrimidine: Cytosin (C) und Uracil (U).
• Ein Molekül Phosphorsäure.

Die Bindung der Ribose durch eine Kohlenstoff-Stickstoff-Basis 1 der Pentose wird als Nukleosid bezeichnet. Die Bindung an ein Molekül Phosphorsäure durch den Kohlenstoff-5' der Ribose ergibt ein Nukleotid.

Die Vereinigung mehrerer Ribonukleotide durch 5'-3'-Phosphodiesterbindungen bildet die Ribonukleinsäure (RNA), die daher auch als Polynukleotid bezeichnet wird. Die Reihenfolge der Nukleotide einer Nukleinsäure wird immer durch die Phosphorsäure bestimmt, die den 3'-Kohlenstoff der Pentose mit dem nächsten Nukleotid verbindet. Dieses Molekül hat zwei Enden: ein 3'-Ende und ein 5'-Ende.

2. Chemische und strukturelle Unterschiede zwischen RNA und DNA

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung:

• DNA: Enthält die Pentose Desoxyribose und die Stickstoffbasen A, G, C und T.
• RNA: Enthält die Pentose Ribose und die Stickstoffbasen A, C, G und U.

Hinsichtlich der Struktur ergeben sich folgende Unterschiede:

• DNA: Weist verschiedene Organisationsebenen auf: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.
  • Die Primärstruktur besteht aus der Abfolge der Nukleotide.
  • Die Sekundärstruktur ist eine rechtsgängige Doppelhelix (Watson & Crick, 1953).
  • Die Tertiärstruktur bezieht sich auf die Verpackung der DNA mit Histon-Proteinen zum Chromatin.
  • Die Quartärstruktur tritt bei der Zellteilung auf, wenn die DNA zu Chromosomen verpackt wird.
• RNA: Es gibt drei Arten, die als Einzelstränge vorkommen:
  • mRNA (Boten-RNA): Besitzt nur die Primärstruktur. Sie kopiert die genetische Information der DNA (Transkription) und transportiert sie ins Zytoplasma zu den Ribosomen.
  • tRNA (Transfer-RNA): Besitzt eine spezifische Primär- und Sekundärstruktur, das sogenannte Kleeblatt-Modell. Sie transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen.
  • rRNA (Ribosomale RNA): Bildet zusammen mit ribosomalen Proteinen die Untereinheiten der Ribosomen.

3. Struktur und Funktion der Transfer-RNA (tRNA)

Die tRNA besitzt eine Primär- und Sekundärstruktur. Die Sekundärstruktur bildet ein Kleeblatt, da innerhalb des Moleküls doppelsträngige Regionen durch Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen entstehen. Die tRNA transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen, um sie gemäß der genetischen Information der mRNA zu einer Polypeptidkette zu verknüpfen. Dies geschieht über das Anticodon, ein Triplett von Nukleotiden, das komplementär zum Codon der mRNA ist.

Chromatinorganisation und Chromosomen

1. Organisationsebenen des Chromatins

Die DNA in eukaryotischen Zellen nimmt verschiedene strukturelle Ebenen an:

• DNA-Doppelhelix.
• Dekondensierte Chromatinfaser: DNA ist mit Histon-Proteinen verbunden. Kornberg beschrieb 1974 die Nukleosomen (Durchmesser 10 nm) als zentrale Histon-Kerne, um die sich die DNA wickelt.
• Interphase-Chromatinfaser: Grundsubstanz des Kerns, zeigt eine 30-nm-Fibrillenbildung.
• Zweite Wicklungsstufe: Durchmesser von 300 nm.
• Superespiralisation: Bei Mitosebeginn kondensiert das Chromatin zu Chromosomen mit einem Durchmesser von 1.400 nm.

Chromosomen sind zylindrische Strukturen, die in der Metaphase und Anaphase ihre maximale Kondensation erreichen. Die beiden Chromatiden eines Chromosoms sind identische DNA-Moleküle, die aus der Replikation stammen.

2. Definitionen: Chromatid, Chromosom und Zentromer

• Chromatid: Jede der beiden Längshälften eines Chromosoms, die durch das Zentromer verbunden sind.
• Chromosom: Zylindrische Struktur, die das genetische Material in kondensierter Form enthält.
• Zentromer: Eine Verengung, die das Chromosom in zwei Arme teilt. Es enthält das Kinetochor, ein Protein, an dem die Mikrotubuli der Spindel während der Zellteilung ansetzen.

Chemische Bestandteile der Zelle

1. Struktur einer Aminosäure und Peptidbindung

Aminosäuren sind die Monomere der Proteine. Sie bestehen aus einem zentralen Kohlenstoffatom, an das eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH₂) und eine variable Seitenkette (R-Gruppe) gebunden sind.

Ein Peptid entsteht durch die Verknüpfung von Aminosäuren über eine Peptidbindung (kovalente Bindung zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer anderen unter Abspaltung von Wasser).

2. Stabilisierung der Tertiärstruktur von Proteinen

Die Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Konformation eines Proteins. Sie wird durch Bindungen zwischen den R-Gruppen stabilisiert:

• Wasserstoffbrücken.
• Elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Gruppen.
• Hydrophobe Wechselwirkungen und Van-der-Waals-Kräfte.
• Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten.

3. Biologische Funktionen von Proteinen

Proteine sind vielseitige Biomoleküle mit Funktionen wie: Reserve, Transport, Abwehr, Kontraktion, Enzymaktivität, Homöostase, Hormonwirkung und Stützfunktion.

4. ATP: Struktur und Bedeutung

Adenosintriphosphat (ATP) besteht aus Adenin, Ribose und drei Phosphorsäuremolekülen. Es dient als universeller Energieträger der Zelle. Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind energiereich und ermöglichen die Speicherung und Freisetzung von Energie für metabolische Prozesse.

Strukturelle Ebenen der Proteine

• Primärstruktur: Lineare Sequenz der Aminosäuren.
• Sekundärstruktur: Regelmäßige räumliche Anordnung (z. B. Alpha-Helix, Beta-Faltblatt).
• Tertiärstruktur: Dreidimensionale Faltung des gesamten Proteins.
• Quartärstruktur: Zusammensetzung aus mehreren Polypeptidketten (z. B. Hämoglobin).

Denaturierung: Verlust der dreidimensionalen Struktur und damit der biologischen Aktivität durch Hitze, pH-Wert-Änderungen oder Chemikalien.

Zellorganellen

1. Lysosomen

Membrangebundene Organellen, die hydrolytische Enzyme enthalten, um biologische Polymere abzubauen.

2. Endoplasmatisches Retikulum (ER)

• Raues ER: Mit Ribosomen besetzt, zuständig für die Proteinsynthese und den Transport.
• Glattes ER: Zuständig für die Lipidsynthese (Phospholipide, Cholesterin) und Entgiftungsprozesse.

DNA-Struktur nach Watson und Crick

Das DNA-Molekül besteht aus zwei antiparallelen, rechtsgängigen Polynucleotidketten, die eine Doppelhelix bilden. Die Basenpaare (A-T, G-C) liegen im Inneren und sind über Wasserstoffbrücken verbunden. Die Replikation ist semikonservativ, wobei jeder alte Strang als Vorlage für einen neuen dient.

Zytoskelett

Das Zytoskelett ist ein dynamisches Netzwerk aus:

• Mikrotubuli: Bestehen aus Tubulin, wichtig für Zellform und Transport.
• Mikrofilamente: Bestehen aus Aktin, wichtig für Zellbewegung.
• Intermediärfilamente: Stabile Strukturen (z. B. Keratin), die der Zelle mechanische Stabilität verleihen.

Endosymbiontentheorie

Mitochondrien und Chloroplasten besitzen eine Doppelmembran, eigene DNA und Ribosomen (70S). Dies stützt die Theorie, dass sie aus ursprünglich frei lebenden prokaryotischen Organismen hervorgegangen sind, die von einer Wirtszelle aufgenommen wurden.

Zellzyklus und Meiose

• Zellzyklus: Besteht aus der Interphase (Wachstum, DNA-Replikation) und der Mitose (Zellteilung).
• Meiose: Dient der Bildung von Keimzellen. Durch genetische Rekombination (Crossing-over) wird die genetische Variabilität erhöht, was für die Evolution essenziell ist.