Gene von gr. génos „Herkunft“ aus ig. genə- „erzeugen“ wie in gr 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

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.

Vor 13,7 Milliarden Jahren Urknall Planck-Ära: 0 „bis“ 51044 s Zeit nicht mehr unterteilbar, Planck-Zeit 51044 s Raum nicht mehr unterteilbar, Planck-Länge 1035 m Universum in dieser Ära physikalisch nicht beschreibbar Temperatur 1032 K Urkraft vereint: Gravitation Starke Wechselwirkung (sorgt später für Atomzusammenhalt) Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung (Teilchenvielfalt) GUT-Ära (Grand Unified Theory): 51044 bis 1036 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

Vor 13,7 Milliarden Jahren Inflationäres Universum: 1036 s bis 1033 s in 1033 s Zunahme von weit unter Protonendurchmesser auf ca. 10 cm: überlichtschnelle Ausdehnung des Universums. Temperatur 1027 K, Abspaltung der starken Wechselwirkung großräumige Strukturen wie Galaxiencluster Teilchen entstehen: ab 1033 s (1025 K): Quarks und Anti-Quarks, Elektronen und Positronen ab 1012 s (1016 K): Elektroschwache Kraft spaltet sich auf. 4 Kräfte ab 106 s (1013 K): Quarks bilden Protonen (uud) und Neutronen (udd). Antiprotonen und Antineutronen werden vernichtet. ab 104 s (1012 K): Elektronen und Positronen dominieren bis 1 s (1010 K): Positronen werden vernichtet. 10-300 s (<109 K): Atomkerne bilden sich, 75% p (H+), 25%  (He2+) Materie dominiert (10.000 Jahre) Atome entstehen (400.000 Jahre, 3.000 K), Weltall durchsichtig

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 (1H+) ⇨  (2He2+) „Heliumbrennen“ in alten Sternen: 3   ⇨ 6C, 6C +  ⇨ 8O Bindungsenergie nimmt zu bis Eisen (26Fe), 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

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

Atome

Periodensystem der Elemente 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

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

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

Wasserstoff Häufigstes Element im Weltall die Sonne besteht zu 91% aus Wasserstoff erstes Element des Universums stabiles Isotop Deuterium (2H, pn) 0,015% instabiles Isotop Tritium (3H, pnn), T½ = 12,3 a Vorkommen auf der Erde (Erdhülle: 0,9%) als Element: Gas H2 (Atmosphäre 0,00005 %) spezifische Dichte: 90 g/m3; zum Vergleich Luft: 1 kg/m3. brennbar, Knallgas H2:O2 2:1 in chemischen Verbindungen eine kovalente Bindung zur Komplettierung des Energieniveaus Wasser (H2O), Methan (CH4), Ammoniak (NH3), organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe Erdhülle = Atmosphäre + Erdkruste (bis 16 km)

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.

Stickstoff Im Weltall fünfthäufigstes Element (nach H He O C) Anteil an der Erdhülle: 0,03% Wichtiger Bestandteil der Proteine (Tiere & Pflanzen) Als N2 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

Kohlenstoff- nanoröhre 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 (CO2) Fulleren (bucky ball) Kohlenstoff- nanoröhre

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)

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 H2O), 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!

Ursuppe s. Chemische Evolution Miller, Urey: 1953 „Uratmosphäre“: Wasser (H2O) Ammoniak (NH3) Wasserstoff (H2) Methan (CH4) Energiezufuhr (Funken, „Blitze“) Aminosäuren Carbonsäuren Lipide Purine, Zucker Stanley Lloyd Miller * 1930 † 2007 Harold Clayton Urey * 1893, † 1981, Nobel- preis 1931 für Entdeckung des Deuteriums Homer Jacobson, *1923, Autor eines Artikels in American Scientist (1955), der die Ursuppentheorie für unmöglich erklärte, widerruft in 2007.

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

Kohlenwasserstoffe keine Wasserstoffbrücken, daher hydrophob brennbar (CnH2m + (n+m/2) O2 ⇨ n CO2 + m H2O) gesättigt (keine Doppelbindungen, „Alkane“) CH4 Methan, C2H6 Ethan C3H8 Propan, C4H10 Butan, ... CnH2n+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: C6H6 gegenüber Addition (Aufgabe der Doppelbindung) träge Substitution häufig z. B. Phenol, C6H5-OH

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: CH3-OH, Ethanol: H3C-CH2-OH Diole (2 Hydroxylgr.), Triole (Glycerin = Propantriol) Oxidation zu Aldehyd: R-CH2-OH + O ⇨ R-CH=O + H2O Oxidation zu Keton: R-CHOH-R + O ⇨ R-C=O-R + H2O Alkohol + Alkohol ⇨ Ether + H2O: R-OH + HO-R ⇨ R-O-R + H2O Alkohol + Säure ⇨ Ester + H2O: R-C=O-OH + HO-R ⇨ R-C=O-O-R + H2O

Carbonsäuren Kohlenstoffverbindung mit Carboxylgruppe(n) im Wasser Freisetzung von H+-Ionen R-COOH + H2O = R-COO + H3O+ pH-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der H3O+-Konzentration Autoprotolyse: H2O + H2O = H3O+ + OH. c(H3O+) = 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 aliphatisch von gr. aleiphar = fettig

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 + = + H2O

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

Zucker, Polysaccharide „Kohlenhydrate“: oft Cn(H2O)m Hydroxyaldehyde / Hydroxyketone und deren Polykondensate Chiralität (optische Aktivität, links/rechtsdrehend, L/D-Form) Monosaccharide Glucose  Mannose Fructose  Galactose Ribose  Desoxyribose Furanose (zykl. Umbau) Disaccharide Saccharose (Glu+Fru) Lactose (Glu+Gal) Maltose (Glu+Glu) Polysaccharide Cn(H2O)m + Ck(H2O)i ⇨ Cn+k(H2O)m+i1 + H2O Stärke  Glykogen Zellulose  Chitin Hexosen Pentosen D: dexter, L: laevus

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

Eigenschaften der proteinogenen Aminosäuren Q G H I L K M F P S T W Y V 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, ...  Faltung

Proteine Peptidbindung von 100 – 30.000 Aminosäuren Peptidbindung erfolgt nicht spontan, muß katalysiert werden 100 Aminosäuren: 20100 = 10130 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

Pyrimidin, Purin Pyrimidin Purin abgeleitete Nukleinbasen: Cytosin Uracil Pyrimidin, Purin Pyrimidin abgeleitete Nukleinbasen: Cytosin, desaminiert (NH3 + H2O) ⇨ 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) Thymin Guanin Adenin

Nukleotide Nukleotide Verkettung 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

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

Codons s. Genetischer Code GCC Je 3 Nukleotide kodieren eine proteinogene Aminosäure 43 = 64 ⇨ 1 bis 6 Codons pro Aminosäure Startcodon, Stopcodon Wer legt den Code fest? Fehler in der Abbildung im Schandry: GCC -> Alanin fehlt

Proteinsynthese Transkription Translation Entkoppeln der Doppelhelix Genexpression „Arbeitskopie“ mRNA Translation tRNA Aminosäure-Arm Anticodon Gens entspricht, getrennt. Abbildung unvollständig? Oder nur in der PDF?

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

Selbstreplikation s. Autoreplikation Peptide RNA (RNA-Welt, „chemische Evolution“) DNA-Protein-System Leben Information Wille Psyche

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