Proteinstrukturen, Photosynthese, Chromatin, Mutationen und HIV

**Die vier Ebenen der Proteinstruktur**

5. Juni

Die Zusammensetzung und die Form eines Proteins werden durch vier Strukturen definiert. Sie haben eine hierarchische Struktur, d.h. es gibt Ebenen oder Stufen der zunehmenden Komplexität, die zu den vier Arten von Strukturen führen: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.

• Die Primärstruktur eines Proteins ist die lineare Sequenz der Aminosäuren, d.h. die Anzahl und die Reihenfolge, in der sie auftreten. Peptidbindungen zwischen Aminosäuren stabilisieren diese Struktur.
• Die Sekundärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die regelmäßige und periodische Anordnung der Polypeptidkette im Raum entlang einer Richtung. Man kann auch sagen, dass es die Anordnung der Primärstruktur im Raum ist und dass es eine direkte Folge der Eigenrotationsfähigkeit des Alpha-Kohlenstoffs ist. Es gibt zwei Arten von Sekundärstrukturen:
  • α-Helix
  • β-Faltblatt
• Die Tertiärstruktur eines Proteins gibt Auskunft über die Anordnung der Sekundärstruktur im Raum und damit über die Art der dreidimensionalen Konformation, die es besitzt. Die häufigsten Konformationen von Proteinen sind die globuläre und die faserige. Die biologischen Funktionen von Proteinen hängen von ihrer Tertiärstruktur ab.
• Die Quartärstruktur eines Proteins gibt an, ob es aus mehr als einer Polypeptidkette besteht, und bezieht sich auf die Art und Weise, wie diese Ketten oder Untereinheiten assoziiert sind, um das aktive Protein zu bilden (z. B. Hämoglobin). Die verschiedenen Untereinheiten sind durch Wasserstoffbrücken und Disulfidbrücken verbunden.

Denaturierung und Renaturierung von Proteinen

Die Art und Weise, die Bedeutung der spezifischen Struktur eines Proteins für seine biologische Funktion zu bestimmen, besteht darin, sie zu verändern und die Auswirkungen dieser Veränderung auf die Funktion zu beobachten. Eine extreme Störung ist die Zerstörung seiner dreidimensionalen Struktur. Dieser Vorgang wird als Denaturierung bezeichnet. Die Denaturierung von Proteinen kann durch Hitze, extreme pH-Werte und die Einwirkung von organischen Lösungsmitteln und Detergenzien erfolgen. Die Denaturierung von Proteinen ist immer mit einem Verlust der biologischen Aktivität verbunden. Einige Proteine können jedoch ihre Struktur und damit ihre biologische Aktivität in einem Prozess wiedererlangen, der als Renaturierung bezeichnet wird, wenn die Bedingungen wiederhergestellt werden, unter denen ihre native Konformation stabil ist.

Funktionen von Proteinen

Aus funktionaler Sicht sind Proteine vielseitige Biomoleküle, die in der Lage sind, vielfältige Funktionen zu erfüllen. Die wichtigsten biologischen Rollen, die sie in der Organisation spielen, sind:

• Reservestoff für bestimmte Verbindungen
• Transport von verschiedenen Stoffen
• Zellschutz
• Kontraktile Funktion
• Enzymatische Funktion
• Homöostatische Funktion
• Hormonelle Funktion
• Strukturelle Funktion

Der Calvin-Zyklus

Der Calvin-Zyklus ist der Stoffwechselweg, über den die meisten photosynthetisch aktiven Organismen CO₂ fixieren und damit den Kohlenstoff erhalten, der für den Aufbau organischer Biomoleküle benötigt wird.

Dieser Zyklus stellt die Dunkelphase der Photosynthese oder die Phase der Biosynthese dar, in der das in der Lichtphase gewonnene ATP und NADPH verwendet wird, um anorganische Verbindungen in organische Verbindungen umzuwandeln, d.h. um CO₂ zu reduzieren und so einfache Kohlenhydrate zu synthetisieren. Der Calvin-Zyklus umfasst mehrere Phasen:

1. Carboxylierungsphase: Das CO₂ wird in ein Molekül mit 5 C-Atomen, Ribulose-1,5-bisphosphat, eingebaut, wobei zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat entstehen. Diese Reaktion wird durch das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase (Rubisco) katalysiert, das das am häufigsten vorkommende Enzym auf der Erde ist.
2. Reduktionsphase: In dieser Phase wird das in der Carboxylierungsphase als Carboxygruppe aufgenommene CO₂ in Form von 3-Phosphoglycerat durch ATP und NADPH aus der Lichtphase reduziert.
3. Regenerationsphase: In dieser Phase wird ein Teil des in der Reduktionsphase erhaltenen Glycerinaldehyd-3-phosphats in Glucose-6-phosphat und ein anderer Teil in Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt, um den Zyklus wieder zu schließen.

Die Bilanz des Calvin-Zyklus ist:

6 CO₂ + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H⁺ + 12 H₂O → Glucose + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP⁺

Dieser hohe ATP-Verbrauch spiegelt die Tatsache wider, dass CO₂ die am stärksten oxidierte Form von Kohlenstoff ist, die für den Aufbau der Kohlenstoffgerüste organischer Moleküle verwendet werden kann.

Der Calvin-Zyklus findet im Stroma der Chloroplasten statt.

Chemosynthese

Die Chemosynthese ist ein anaboler Prozess, ähnlich wie die Photosynthese, aber im Gegensatz zu dieser stammt die Energie, die für die Umwandlung anorganischer Stoffe in organische Stoffe benötigt wird, aus exothermen chemischen Reaktionen, die Energie in Form von ATP speichern. Die Chemosynthese ist eine Form der autotrophen Ernährung, die typisch für bestimmte Bakterien ist, die die für die Entwicklung organischer Bestandteile benötigte Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen gewinnen.

Bei der Chemosynthese unterscheidet man ebenfalls zwei Phasen:

• Oxidation anorganischer Verbindungen: ATP wird durch oxidative Phosphorylierung erzeugt, und die aus den Molekülen freigesetzten Elektronen werden verwendet, um ein Coenzym zu reduzieren, das in der Regel NAD⁺ ist und zu NADH wird.
• Bildung organischer Verbindungen: Die in der vorherigen Phase gewonnene Energie (ATP) und die Reduktionskraft (NADH) werden verwendet, um anorganische Moleküle zu reduzieren. Diese zweite Phase ist vergleichbar mit der Dunkelphase der Photosynthese.

Einfluss der Temperatur auf die Photosynthese

Die photochemischen Reaktionen der Lichtphase sind temperaturunabhängig, aber die Geschwindigkeit der Reaktionen der Dunkelphase steigt mit der Temperatur. Darüber hinaus führt in jedem Fall eine übermäßige Erhöhung der Temperatur zu einer Denaturierung der Enzyme und zu einem Rückgang der photosynthetischen Leistung. Die Grafik zeigt eine optimale Photosynthesetemperatur von etwa 35 ºC, da die photosynthetische Leistung bei dieser Temperatur am höchsten ist.

Chromatin, Chromatiden und Chromosomen

Chromatin ist die Grundsubstanz des Zellkerns eukaryotischer Zellen in der Interphase. Im Zellkern oder Kern in der mitotischen Teilung ist die Individualisierung des genetischen Materials erkennbar, und das Chromatin verdichtet sich zu Chromosomen. Die Chromatiden sind die Elemente, in die das Zentromer das Chromosom in Längsrichtung teilt. Jedes Chromatid besteht aus nur einem DNA-Molekül, das die morphologische Manifestation des genetischen Materials darstellt.

Genetische Rekombination

Die genetische Rekombination ist eine direkte Folge des Austauschs von genetischer Information, der beim Crossing-over in der Meiose stattfindet. Bei diesem Phänomen liegen die homologen Chromosomen eng beieinander und sind an bestimmten Punkten, den Chiasmata, miteinander verbunden. In dieser Situation sind die Schwesterchromatiden miteinander verflochten und es kommt zu Querbrüchen, die zu einem Austausch von DNA zwischen ihnen führen.

Dieser Prozess führt zusammen mit der Mutation zu einer erhöhten genetischen Variabilität. So kann ein Individuum die günstigste Kombination von Merkmalen seiner Eltern erwerben und so unter ungünstigen Bedingungen die sexuelle Fortpflanzung die Anpassung an die Umwelt erleichtern.

Genmutationen

a) Genmutationen, auch Punktmutationen genannt, sind solche, die die Nukleotidsequenz betreffen. Wir unterscheiden zwei Arten von Genmutationen:

• Basensubstitutionen: Sie sind für etwa 20 % der Genmutationen verantwortlich und bestehen aus einer Veränderung einer Base in der DNA durch eine andere.
• Verschiebung des Leserasters: Sie können aus Insertionen bestehen, wenn ein Nukleotid in das DNA-Molekül eingefügt wird, oder aus Deletionen, wenn ein Nukleotid aus dem DNA-Molekül entfernt wird.

b) Chromosomenmutationen werden auch als strukturelle Chromosomenveränderungen bezeichnet. Die Variation oder Veränderung betrifft ein Chromosomensegment, das mehrere Gene umfasst, und ist daher unter dem Mikroskop durch die Chromosomenbänderungstechnik mit speziellen Färbungen erkennbar. Veränderungen in der Organisation der Gene auf dem Chromosom entstehen durch Brüche, die während der Reproduktion der Keimzellen auftreten und dazu führen, dass die Bruchstücke an anderen Stellen als den ursprünglichen Chromosomen angeheftet werden. Es gibt verschiedene Arten von Chromosomenmutationen, die durch Deletionen, Inversionen, Duplikationen und Translokationen von Fragmenten in den Chromosomen verursacht werden.

c) Genommutationen betreffen die Anzahl der Chromosomen. Es gibt verschiedene Arten:

1. Polyploidie: Diese Mutationen bestehen in der Erhöhung der Anzahl der normalen Chromosomensätze oder Chromosomen jeder Art (z. B. von 2n auf 4n).
2. Haploidie: Dies sind Mutationen, die eine Verringerung der Anzahl der Chromosomensätze der Art verursachen.
3. Aneuploidie: Dies sind Mutationen, die nur die Anzahl der Kopien eines Chromosoms oder mehrerer Chromosomen betreffen, nicht aber den gesamten Satz.

Virulenz und Pathogenität

Der Grad der Pathogenität eines Mikroorganismus wird als Virulenz bezeichnet und ist quantifizierbar. Ein pathogener Erreger ist ein Erreger, der in der Lage ist, eine Krankheit hervorzurufen. Pathogenität ist die Fähigkeit des Parasiten, in den Wirt einzudringen und anatomische und physiologische Veränderungen hervorzurufen, die zu einer Krankheit führen.

Ein Toxin ist eine Substanz mit Proteincharakter, die von einigen Bakterien produziert wird und spezifische Schäden verursacht. Toxine zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, ihren Wirt zu schädigen, und sind die eigentliche Ursache für bakterielle Erkrankungen. Es gibt zwei Arten von Toxinen:

• Exotoxine, die aus Proteinen bestehen, thermolabil sind und von grampositiven Bakterien ins Äußere ausgeschieden werden und eine hohe Toxizität besitzen.
• Endotoxine, strukturelle Bestandteile gramnegativer Bakterien, deren toxische Wirkung viel geringer ist als die von Endotoxinen.

Replikationszyklus von HIV

HIV gehört zur Familie der Retroviren. Diese Viren zeichnen sich dadurch aus, dass ihre genetische Information in einem RNA-Molekül enthalten ist, das während ihres Replikationszyklus durch die Wirkung eines viruseigenen Enzyms, der reversen Transkriptase oder Retrotranskriptase, in DNA kopiert werden muss.

Der Zyklus beginnt, wenn das Retrovirus HIV mit einem Glykoprotein der Wirtszellmembran interagiert. Diese Interaktion löst die Fusion der Membranen des Virus und der Zelle aus, wodurch das Retrovirus in das Zellinnere gelangt. Nach dem Verlust der Proteinhülle beginnt die reverse Transkription der viralen RNA durch die reverse Transkriptase, wodurch eine DNA-Doppelhelix entsteht. Das Enzym Integrase bewirkt die Integration der viralen DNA in das Chromosom der Wirtszelle. Der nächste Schritt ist die Expression der viralen DNA, die zur Bildung der viralen RNA führt, die in strukturelle und enzymatische Proteine des Virus translatiert wird. Nach der Assemblierung der Virionen können diese freigesetzt werden, um einen neuen Zyklus zu starten und neue Zielzellen zu infizieren.

Der Zyklus von HIV ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Auswirkungen von HIV auf das Immunsystem

Das AIDS-Virus infiziert T4-Lymphozyten, was zu deren Zerstörung und damit zur Deaktivierung der Immunantwort, sowohl der zellulären als auch der humoralen, führt. In der Folge kann der Körper keine Immunreaktion gegen die infizierten T4-Zellen oder gegen das Virus selbst oder auch gegen andere opportunistische eindringende Organismen oder bösartige Zellen, die sich entwickeln und präsentieren können, hervorrufen. Wenn das System schwächer wird, wird der Patient anfälliger für andere Krankheiten, insbesondere für Lungenentzündungen, die durch Pneumocystis carinii verursacht werden, für das Kaposi-Sarkom und andere Krebsarten.

Pathologische Situationen und Immundefekte entstehen durch das Fehlen oder Versagen der Funktion eines oder mehrerer Elemente des Immunsystems. Je nach Ursache unterscheidet man zwischen angeborenen oder primären Immundefekten und sekundären oder erworbenen Immundefekten.

Sekundäre oder erworbene Immundefekte sind solche, die nach der Geburt erworben werden und auf äußere und umweltbedingte Faktoren zurückzuführen sind, wie z. B. die meisten Medikamente, die in der Krebs-Chemotherapie verwendet werden, Strahlung, Unterernährung oder Infektionen. Unter den Immundefekten ist der durch HIV verursachte Immundefekt, der AIDS verursacht, hervorzuheben.