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Gene von gr. génos Herkunft aus ig. *genə- erzeugen wie in gr. gígnesthai werden, entstehen Vorlesung Biologische Psychologie C. Kaernbach Literatur: Schandry,

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1 Gene von gr. génos Herkunft aus ig. *genə- erzeugen wie in gr. gígnesthai werden, entstehen Vorlesung Biologische Psychologie C. Kaernbach Literatur: Schandry, Kapitel 2 Vertiefung: –Kandel, Schwartz, Jessell –Wikipedia: empfohlen bzw. bei weiterführendem Interesse

2 Gene sis 1,1-2 Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. Und die Erde war wüst und leer, und es war finster auf der Tiefe; und der Geist Gottes schwebte auf dem Wasser.

3 Vor 13,7 Milliarden Jahren Urknall –Planck-Ära: 0 bis s Zeit nicht mehr unterteilbar, Planck-Zeit s Raum nicht mehr unterteilbar, Planck-Länge m Universum in dieser Ära physikalisch nicht beschreibbar Temperatur K Urkraft vereint: –Gravitation –Starke Wechselwirkung (sorgt später für Atomzusammenhalt) –Elektromagnetische Wechselwirkung –Schwache Wechselwirkung (Teilchenvielfalt) –GUT-Ära (Grand Unified Theory): bis s Urkraft spaltet sich auf in Gravitation und GUT-Kraft Materie und Antimaterie befinden sich fast im Gleichgewicht. Materie überwiegt um ein Milliardstel. Basis für sämtliche heute existierende Materie

4 Vor 13,7 Milliarden Jahren –Inflationäres Universum: s bis s in s Zunahme von weit unter Protonendurchmesser auf ca. 10 cm: überlichtschnelle Ausdehnung des Universums. Temperatur K, Abspaltung der starken Wechselwirkung großräumige Strukturen wie Galaxiencluster –Teilchen entstehen: ab s (10 25 K):Quarks und Anti-Quarks, Elektronen und Positronen ab s (10 16 K):Elektroschwache Kraft spaltet sich auf. 4 Kräfte ab 10 6 s (10 13 K):Quarks bilden Protonen (uud) und Neutronen (udd). Antiprotonen und Antineutronen werden vernichtet. ab 10 4 s (10 12 K):Elektronen und Positronen dominieren bis 1 s (10 10 K):Positronen werden vernichtet s (<10 9 K):Atomkerne bilden sich, 75% p (H + ), 25% (He 2+ ) –Materie dominiert ( Jahre) –Atome entstehen ( Jahre, K), Weltall durchsichtig

5 Vor 13,7 Milliarden Jahren –1 Million Jahre: Halos entstehen Einzugbereich eine Galaxie –1 Milliarde Jahre: Galaxien und Sterne entstehen Wasserstoffbrennen in jungen Sternen: 4 p ( 1 H + ) ( 2 He 2+ ) Heliumbrennen in alten Sternen: 3 6 C, 6 C + 8 O Bindungsenergie nimmt zu bis Eisen ( 26 Fe), schwerere Elemente entstehen z. B. bei Supernovae und in Roten Riesen –9,2 Milliarden Jahre (vor 4,6 Milliarden Jahren): Sonnensystem in 3. Generation aus Urwolke (Kant) aus Sternenstaub (Überreste explodierter Sterne, viele schwere Elemente) Sonnennahe Planeten (Merkur bis Mars) werden vom Sonnenwind von leichten Elementen freigeblasen Vor 4,5 Milliarden Jahren kollidieren Protoerde & Theia und bilden Erde & Mond Älteste Fossilien: Stromatolithen, 3,5-4 Milliarden Jahre

6 Vor 13,7 Milliarden Jahren Weltall Galaxien und Sterne Sonnensystem Leben Protoerde + Theia Erde + Mond

7 Atome

8 Periodensystem der Elemente 7 Perioden –1. Periode: 1. Schale enthält maximal 2 Elektronen –2. und 3. Periode: 2. bzw. 3. Schale enthält maximal 8 Elektronen –4. und 5. Periode: größte Schale enthält maximal 18 Elektronen –6. und 7. Periode: größte Schale enthält maximal 32 Elektronen s. a. Elektronenkonfiguration

9 Periodensystem der Elemente 18 Gruppen –Alkalimetalle: im äußersten Energieniveau 1 Elektron zuviel –.... –Halogene: im äußersten Energieniveau 1 Elektron zuwenig –Edelgase: äußerstes Energieniveau komplett s. a. Elektronenkonfiguration

10 Bindungen zwischen Atomen kovalente Bindung (Atombindung) Elektronenpaarbindung –zwei Atome leihen sich gegenseitig je ein Elektron: jedes erhebt Besitzansprüche auf beide Elektronen des Paars Doppelbindung (zwei Elektronenpaare) Dreifachbindung (drei Elektronenpaare) Edelgasregel (Periode 2 und 3: Oktettregel): angestrebt wird Komplettierung des äußeren Energieniveaus

11 Wasserstoff Häufigstes Element im Weltall –die Sonne besteht zu 91% aus Wasserstoff –erstes Element des Universums –stabiles Isotop Deuterium ( 2 H, pn) 0,015% –instabiles Isotop Tritium ( 3 H, pnn), T ½ = 12,3 a Vorkommen auf der Erde (Erdhülle: 0,9%) –als Element: Gas H 2 (Atmosphäre 0,00005 %) spezifische Dichte: 90 g/m 3 ; zum Vergleich Luft: 1 kg/m 3. brennbar, Knallgas H 2 :O 2 2:1 –in chemischen Verbindungen eine kovalente Bindung zur Komplettierung des Energieniveaus Wasser (H 2 O), Methan (CH 4 ), Ammoniak (NH 3 ), organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe

12 Sauerstoff Im Weltall nach H und He dritthäufigstes Element Häufigstes Element auf der Erde –Häufigkeit Erdkruste:50% (Minerale) Atmosphäre:23% Ozeanwasser:86% (Süßwasser: 89%) Verbindungen –2 kovalente Bindungen zur Komplettierung des Energieniveaus Redoxreaktion: O + 2e: Oxid. Exotherm: Stoffwechsel, Verbrennung.

13 Stickstoff Im Weltall fünfthäufigstes Element (nach H He O C) Anteil an der Erdhülle: 0,03% Wichtiger Bestandteil der Proteine (Tiere & Pflanzen) Als N 2 Hauptbestandteil der Luft (77 %) –Aufnahme des Stickstoffs durch Pflanzen: aus der Luft nicht möglich Symbiose mit Knöllchenbakterien (in den Wurzelknöllchen) –bei Leguminosen: Bohnen, Erbsen, Linsen, Erdnüsse, Lupinen,.... eigenständige Mikroorganismen Stickstoffoxide nach Gewittern saurer Regen (Salpeters.) Nitrate Pflanzendünger, Autoabgase Verbindungen: –3 kovalente Bindungen zur Komplettierung des Energieniveaus

14 Kohlenstoff Im Weltall vierthäufigstes Element (nach H He O) Anteil an der Erdhülle 0,1 % Kohlenstoffverbindungen sind Grundlage des Lebens organische Chemie = Kohlenstoffchemie in der Mitte des Periodensystems, Oktett halb gefüllt, 4 kovalente Bindungen größte Verbindungsvielfalt aller Elemente Vorkommen –Elementar als Graphit oder Diamant –in Verbindungen (Carbonate: Dolomiten) –fossil (Kohle, Erdöl, Erdgas), Methanhydrat –in der Luft: Kohlendioxid (CO 2 ) Fulleren (bucky ball) Kohlenstoff- nanoröhre

15 Phosphor Anteil an der Erdkruste 0,1% (Phosphate) Reiner Phosphor kommt in vier Versionen vor: –weißer Phosphor ist sehr reaktiv, leuchtet an der Luft, Chemoluminiszenz, Lichtträger Lagerung unter Wasser –schwarzer Phosphor stabil, roter/violetter Phosphor metastabil Phosphorverbindungen –(3 oder) 5 kovalente Bindungen –Nukleinsäuren, ATP, Phospholipide,... Vorkommen –Apatit, verwittert, Pflanzen (0,2% i. Tr.) –Säugetiere 4% i. Tr., Mensch 700 g (600 g Knochen & Zähne)

16 Bindungen zwischen Molekülen Wasserstoffbrücken –Wasserstoffatom kovalent an elektro- negatives Atom gebunden (z. B. N, O, F) –Elektron verschiebt sich zum Bindungspartner Dipol (z. B. -O H + ) –Dipole richten sich aus: + an und Verantwortlich für –Eigenschaften des Wassers: flüssig, da hoher Siedepunkt –flüssiges Wasser: Cluster (2, 4, 8 H 2 O), daher hohe Verdunstungsenergie Dichteanomalie: dehnt sich aus beim Frieren, da Hohlstruktur, Kohäsion –Struktur der Proteine –Basenpaarung in RNA, DNA, Doppelhelix, Transkription umgekehrt. Seen frieren nicht durch!

17 Ursuppe s. Chemische Evolution Miller, Urey: 1953 –Uratmosphäre: Wasser (H 2 O) Ammoniak (NH 3 ) Wasserstoff (H 2 ) Methan (CH 4 ) –Energiezufuhr (Funken, Blitze) Aminosäuren Carbonsäuren Lipide Purine, Zucker Homer Jacobson, *1923, Autor eines Artikels in American Scientist (1955), der die Ursuppentheorie für unmöglich erklärte, widerruft in Stanley Lloyd Miller * Harold Clayton Urey * 1893, 1981, Nobel- preis 1931 für Entdeckung des Deuteriums

18 Organische Chemie Kohlenwasserstoffe Alkohole Carbonsäuren, Lipide Kohlenhydrate –Einfachzucker, Disaccharide –Polysaccharide Aminosäuren und deren Polymere –bis 100 Aminosäuren: Peptide (Oligo-, Polypeptide) –mehr als 100 Aminosäuren: Proteine Nukleinsäuren –RNA –DNA

19 Kohlenwasserstoffe keine Wasserstoffbrücken, daher hydrophob brennbar (C n H 2m + (n+m/2) O 2 n CO 2 + m H 2 O) gesättigt (keine Doppelbindungen, Alkane) –CH 4 Methan,C 2 H 6 Ethan –C 3 H 8 Propan, C 4 H 10 Butan,... C n H 2n+2 –Isomere (Butan, Isobutan) –ringförmige Alkane ungesättigt –Alkene (mit Doppelbindung, z.B. Ethen, Butadien) –Alkine (mit Dreifachbindung, z.B. Ethin = Acetylen) –Aromaten, z. B. Benzol: C 6 H 6 gegenüber Addition (Aufgabe der Doppelbindung) träge Substitution häufig –z. B. Phenol, C 6 H 5 -OH

20 Alkohole (Wikipedia: nicht [nur] Alkohol) Kohl hebr. für Antimon, daraus arab. al kuhl, feines Antimonpulver für Schminkzwecke Kohlenstoffverbindung mit Hydroxylgruppe(n) (-OH) –Wasserstoffbrücken hydrophil, Siedepunkt höher als ohne Hydroxylgruppe Alkane + 1 Hydroxylgruppe: Alkanole –Methanol: CH 3 -OH, Ethanol: H 3 C-CH 2 -OH Diole (2 Hydroxylgr.), Triole (Glycerin = Propantriol) Alkohol + Säure Ester + H 2 O: R-C=O-OH + HO-R R-C=O-O-R + H 2 O Alkohol + Alkohol Ether + H 2 O: R-OH + HO-R R-O-R + H 2 O Oxidation zu Aldehyd: R-CH 2 -OH + O R-CH=O + H 2 O Oxidation zu Keton: R-CHOH-R + O R-C=O-R + H 2 O

21 Carbonsäuren Kohlenstoffverbindung mit Carboxylgruppe(n) –im Wasser Freisetzung von H + -Ionen R-COOH + H 2 O = R-COO + H 3 O + pH-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der H 3 O + -Konzentration Autoprotolyse: H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH. c(H 3 O + ) = 10 7 mol/l. –Aliphatische Carbonsäuren (Alkane, Alkene, Alkine) Alkansäuren mit einer Carboxylgruppe (Monocarbonsäuren) –Ameisensäure = Methansäure, Essigsäure = Ethans., Buttersäure = Butans. Aliphatische Monocarbonsäuren mit mind. 4 C = Fettsäuren –Alkanmonosäuren = gesättigte Fettsäuren –Alkenmonosäuren (1 oder mehrere Doppelbind.) = ungesättigte Fettsäuren Dicarbonsäuren, Oxalsäure = Ethandisäure, Bernsteinsäure = Butandisäure Tricarbonsäuren: z. B. Zitronensäure –Aromatische Carbonsäuren, z. B. Salicylsäure –Heterocyclische Carbonsäuren, z. B. Nikotinsäure

22 Lipide Fettsäuren Fettsäureester –Wachse Einfach-Ester langer Fettsäuren mit langkettigen Alkoholen –Triglyceride, Triacylglyceride = Fette und Öle Dreifachester langer Fettsäuren mit Glycerin (Propantriol) Fest (Fett) oder flüssig (Öl)? Abhängig vom Anteil ungesättigter Fettsäuren Energielieferant Energiespeicher Verseifung: Auftrennung der Fette in Fettsäuresalze und Glycerin +=+ H 2 O

23 Lipide: Amphiphilie Hydrophiler Kopf, lipohiler Schwanz –Tenside lösen Fett in wässriger Lösung, z. B. Seife –Emulgatoren Emulsionsbildner, fein verteilte Mischung Fette/Wasser stabilisieren z. B. Lecithin –Membranbildende Lipide Phosphoglyceride (Glycerinester, 2 Fettsäuren 1 Phosphorylgruppe), z. B. Lecithin Sphingolipide (Sphingosin), darunter Glycolipide (+ Kohlenhydrat) bilden Doppellipidschichten (Zellmembranen), hydrophiler Anteil jeweils außen –monomolekularen Film herstellen: Stearinsäure in Benzin auf Wasser

24 Pentosen Hexosen Zucker, Polysaccharide Monosaccharide –Glucose Mannose –Fructose Galactose –Ribose Desoxyribose –Furanose (zykl. Umbau) Disaccharide –Saccharose (Glu+Fru) –Lactose (Glu+Gal) –Maltose (Glu+Glu) Polysaccharide –C n (H 2 O) m + C k (H 2 O) i C n+k (H 2 O) m+i 1 + H 2 O –Stärke Glykogen –Zellulose Chitin Kohlenhydrate: oft C n (H 2 O) m –Hydroxyaldehyde / Hydroxyketone und deren Polykondensate –Chiralität (optische Aktivität, links/rechtsdrehend, L/D-Form)

25 Aminosäuren Carbonsäuren mit Aminogruppe –über 270 biologische Aminosäuren bekannt Carboxylgruppe deprotoniert (-COO ) Aminogruppe protoniert (-NH3 + ) –je nach Stellung,, -Aminosäure, Enantiomere, chiral (L-Form, D-Form) –20 proteinogene Aminosäuren codiert in RNA/DNA mit Codons aus drei Nukleotiden Bausteine der Eiweiße sämtlichen Lebens auf Erden -Aminosäuren, L-Form 8 proteinogene Aminosäuren (Kinder: 9) sind essentiell d.h. sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden

26 Eigenschaften der proteinogenen Aminosäuren pH-Wert –basisch: Lys, Arg, His –sauer: Asp, Glu hydrophil Größe Polarität Hydrophilie / -phobie –hydrophil: Arg, Lys, Asn, Gln,... –hydrophob: Ile, Val, Leu, Phe,... ARND CEQG HILK MFPS TWYV Faltung

27 Proteine Peptidbindung von 100 – Aminosäuren –Peptidbindung erfolgt nicht spontan, muß katalysiert werden –100 Aminosäuren: = Möglichkeiten Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren Sekundärstruktur: –häufig vorkommende Strukturtypen für räumliche Anordnung -Helix, -Faltblatt, -Schleifen, Random-Coil –Wasserstoffbrückenbindungen Tertiärstruktur: übergeordnete räumliche Struktur –Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken, ionische Kräfte Quartärstruktur: –Zusammenlagerung von mehreren Proteinen zu Proteinkomplex

28 Pyrimidin –abgeleitete Nukleinbasen: Cytosin, desaminiert ( NH 3 + H 2 O) Uracil Uracil (RNA) Thymin (DNA) Purin –Kondensat Pyrimidin + Imidazol –nicht essentiell, kommt vor in Innereien & Haut Abbau zu Harnsäure (Gicht) –abgeleitete Nukleinbasen Adenin (2 H-Brücken zu Thymin/Uracil) Guanin (3 H-Brücken zu Cytosin) Pyrimidin, Purin Cytosin Uracil Thymin Adenin Guanin

29 Nukleotide –bestehen aus drei Bestandteilen: Phosphorsäure (Monophosphat, Diphosphat, Triphosphat) Zucker (RNA: Ribose, DNA: Desoxyribose) Nukleobase (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin, Uracil) –z. B. Adenosintriphosphat, ATP –sauerer Charakter überwiegt Verkettung –P-Säure (an C5) von Monophosphat- Nukleotiden verestert mit OH-Gruppe an C3 RNA: Umesterung auf C2 unterbricht Verkettung DNA: ohne Hydroxylgruppe an C2 stabiler, 1µg/l im Meer Adenosintriphosphat

30 Nukleinsäure 1869 als Nuclein von Friedrich Miescher aus Zellkernen von Leukozyten (Eiter) isoliert –DNA als Doppelstrang (Doppelhelix) Wasserstoffbrücken A - T (2), C - G (3) –Doppelstrang erlaubt Reparatur von mutierten Nukleotiden z.B. nach Desaminierung von Cytosin zu Uracil Bakterien, Archaeen: zyklische DNA Eukaryoten: freie Enden (5-Ende, 3-Ende) –bei jeder Replikation etwas verkürzt, am Ende 1000e sinnlose Basenpaare, trotzdem begrenzte Lebensdauer –RNA als Einzelstrang Schleifenbildung durch Wasserstoffbrücken A - U, C - G erlaubt komplexe 3-D-Strukturen

31 Codons s. Genetischer Code Je 3 Nukleotide kodieren eine proteinogene Aminosäure –4 3 = 64 1 bis 6 Codons pro Aminosäure Startcodon, Stopcodon Wer legt den Code fest? GCC

32 Proteinsynthese Transkription –Entkoppeln der Doppelhelix Genexpression –Arbeitskopie mRNA Translation –tRNA Aminosäure-Arm Anticodon Gens entspricht, getrennt.

33 Ribosom Übermolekül, kleine und große Untereinheit –> 40 rRNA-Moleküle (rosa/gelb, Funktion) –> 50 Protein-Moleküle (blau, Struktur) –Peptidbindungen im Graben der großen Einheit

34 Selbstreplikation s. Autoreplikation Wille Information Peptide RNA (RNA-Welt, chemische Evolution) DNA-Protein-System Psych e

35 Stichworte für die Lektüre Genexpression Zellzyklus Chromosomen Keimzellen Mutation Viren Pathogenetik Mendel Allel dominant/rezessiv Gene und Neurone Gene und Verhalten Gene und Intelligenz Zwillingsstudien


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