HAM-Nat - Elsevier · 2018-03-20 · HAM-Nat 2018/19 Das Lernskript für den naturwissenschaft-...

2018/2019HAM-NatDas Lernskript für den naturwissenschaftlichen Auswahltest in Hamburg, Berlin und Magdeburg

Windisch Tafrali

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Der Schlüssel zum Medizinstudium

HAM-Nat 2018/19Das Lernskript für den naturwissenschaftlichen Auswahltest in Hamburg, Berlin und Magdeburg

Windisch, P., Heidelberg / Tafrali, D., Ellwangen2018. 264 S., 270 farb. Abb., SpiralbindungISBN 978-3-437-44050-2

Das bieten die Lernskripte: ▪ Die Inhalte orientieren sich am aktuellen Themen- katalog des HAM-Nat bzw. MedAT. Auch wenn man in dem einen oder anderen Fach kein Abitur oder keine Matura gemacht hat, mit diesen Skripten kann man sich optimal vorbereiten, denn sie erklären jedes Fach so, dass man es versteht.

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▪ Geschrieben von Medizinstudenten, die genau wissen, was dran kommt.

MedAT 2018/19Das Lernskript für den BMS

Tafrali, D., Ellwangen / Windisch, P., Heidelberg / Hagen, F., Graz 2018. 458 S., 500 farb. Abb., SpiralbindungISBN 978-3-437-44060-1

Für die Vorbereitung auf den Hamburger Naturwissenschaftstest – kurz HAM-Nat – oder auf den Medizin- aufnahmetest (BMS)-Teil) in Österreich – MedAT – sind diese Lernskripte ideal, denn sie enthalten alles, was man in den Fächern Biologie, Chemie (inkl. Biochemie), Physik und Mathematik wissen muss. Zusätzlich bekommt man einen exklusiven Zugang zur Lernskript.get-to-med.com-Online-Lernplattform, auf der man sein Wissen testen und prüfen kann.

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Buchfeatures

Notizen

_44060_Tafrali.indb 12 30.01.2018 09:52:21

1.5 DAS MITOCHONDRIUM

60-TAGE-LERNPLAN Man könnte sich nun fragen:Unterscheiden sich innere und äußere Membran in ihrer Zusammensetzung?Ja! Die innere Membran enthält Cardiolipin, das sonst in den Zellen unseres Körpers nicht vorkommt. Dafür fehlt ihr das Cholesterin, das sich wiederum in allen anderen Membranen fi ndet. Der unterschiedliche Auf-bau erklärt auch, warum es für viele Stoff e nicht ganz einfach ist, die innere Membran zu passieren. Hierfür sind oft spezielle Shuttles und Transporter notwendig, wohingegen die äußere Membran dank eingebauter Porine vergleichsweise leicht passiert werden kann.

• Aber was ist mit der DNA der phagozytierten Bakterie passiert? Die gibt es immer noch! Die ist zu der am Anfang des Buchs erwähnten eigenen DNA der Mitochondrien geworden.

• Werden die Mitochondrien wie andere Organellen auch, vor der Zellteilung (Mitose) vermehrt? Die Mitochondrien können sich unabhängig vom Zellzyklus (azyklisch) vermehren.

• Gibt es noch andere Hinweise, dass Mitochondrien mal Prokaryonten waren? Wie wir schon wissen, besitzen Mitochondrien wie auch die Zelle, in der sie vorkommen, Ribosomen. Während unsere eu-karyontische Zelle in ihrem Zytoplasma sogenannte S-Ribosomen besitzen, gibt es im inneren der Mitochondrien S-Ribosomen. Wo fi ndet man ebenfalls S-Ribosomen? Richtig, in Bakterien!

MedAT-GEHEIMTIPP Eine gern gestellte Frage zur Zelle ist die nach den Organellen die eine Doppel-membran aufweisen. Erinnert euch: Neben den Mitochondrien hat auch noch der Zellkern eine doppelte Membran!

Außerdem gut zu wissen: Spermien enthalten zwar Mitochondrien, die bei der Befruchtung in der Regel jedoch nicht in die Eizelle gelangen (wenn doch, werden sie dort eliminiert). Folglich stammen alle Mito-chondrien eines Kindes ausschließlich von seiner Mutter (maternaler Erbgang). Dies wird besonders bei genetischen Defekten, die die mitochondriale DNA betreff en, wichtig.Die Hauptaufgabe des Mitochondriums ist es, durch eine Vielzahl von Stoff wechselwegen, darunter der Citratzyklus, die β-Oxidation der Fettsäuren und die Atmungskette, Energie in Form von ATP zur Ver-fügung zu stellen.Bis jetzt haben wir den Ursprung und die Synthese von Proteinen, die Modifi kationen von Stoff en nach der Translation und die Bereitstellung von Energie für all diese Prozesse behandelt. Doch was machen wir mit chemischen wie biologischen Molekülen, die entweder ihre Arbeit getan haben und nicht mehr benö-tigt werden oder von vornherein unnütz oder gar schädlich für die Zelle sind? Richtig: Diese Stoff e wer-den abgebaut.

Abb. 1.10 Struktur des Mitochondriums (und einige Stoffwechselprozesse, die aber vor allem in der Bioche-mie wichtig sind).

23.5 VITAMINE Notizen

23.5 Vitamine

DEFINITIONEN Ein Vitamin ist ein Stoff , den der Körper zum Überleben benötigt, aber nicht in ausrei-chendem Maß selbst synthetisieren kann.Das Enzym ist ein großes Protein, in Ausnahmefällen auch eine katalytisch aktive RNA bzw. ein Ribozym (› Kap. 7.2), welches als sogenannter Katalysator eine (bio-)chemische Reaktion beschleunigen kann.Als Cofaktor bezeichnet man unterschiedlichste Moleküle und Molekülgruppen, die die Gemeinsamkeit ha-ben, dass sie für die Funktion von Enzymen unbedingt notwendig sind.

Sind die essenziellen Aminosäuren also auch Vitamine?Nein, denn die Nährstoff e gehören defi nitionsgemäß nicht zu den Vitaminen. Und was ist mit Eisen-Ionen? Nein, denn bei Vitaminen handelt es sich defi nitionsgemäß um organische Verbindungen.Gemäß dieser Defi nition existieren Vitamine, die in wasser- und fettlösliche Vitamine unterteilt wer-den (› Tab. .). Ihr müsst natürlich nicht alle perfekt lernen. Die Vitamine A, D, E und K sind fettlöslich, wohingegen die B-Vitamine, Vitamin C, H sowie Fol- und Panthotensäure wasserlöslich sind.

VERSTÄNDNIS+ Mit dem Blick auf die Zukunft als Mediziner dürft ihr euch merken, dass die Aufnahme der fettlöslichen Vitamine bei einer Störung der Fettverdauung beeinträchtigt ist und es dementsprechend zu Mangelerscheinungen kommen kann.

EPISCHE ESELSBRÜCKENDer obligatorische Merkspruch: ADEK? Die Vitamine A, D, E und K sind fettlöslich.Deutschen Testteilnehmern ist dieser bestimmt geläufi ger: EDeKA – Die Vitamine E, D, K und A sind fettlös-lich.

VERSTÄNDNIS+ Was ist eigentlich mit den „fehlenden“ B-Vitaminen? Die meisten fehlenden Zahlen wa-ren mal vergeben, aber man fand bei vielen dieser vermeintlichen Vitamine irgendwann heraus, dass diese entweder gar nicht lebensnotwendig sind oder doch vom Körper synthetisiert werden können.

MedAT-GEHEIMTIPP Vitamine werden beim Thema Naturstoff e am genauesten geprüft. Besonders wich-tig: Ihr solltet fettlösliche und wasserlösliche Vitamine trennen können, wissen, dass Vitamine so defi niert sind, dass man sie von außen zuführen muss und die chemischen Namen der Vitamine (z. B. Ascorbinsäure für Vitamin C) dürft ihr euch auch gleich merken.

Tab. 23.2 Übersicht der Vitamine.

Vitamin Name Löslichkeit Funktion Krankheitsbild bei Mangel

A Retinol Fett Dunkelsehen Zellwachstum u. a. Nachtblindheit Xerophthalmie Infektanfälligkeit

D Cholecalciferol Fett Calciumhaushalt und Knochen-mineralisierung

Rachitis Osteomalazie

E Tocopherol Fett Antioxidans –

K Phyllochinon/Menachinon

Fett Carboxylierungen der Gerin-nungsfaktoren II, XII, IX und X sowie Protein C und S

Störung der Blutgerinnung

B1 Thiamin Wasser Decarboxylierungen Beri-Beri, Wernicke-Korsakow

B2 Riboflavin Wasser Elektronenübertragungen als prosthetische Gruppe FMN oder FAD

-

B3 Niacin Wasser Elektronenübertragungen als Cofaktor NAD oder NADP

Pellagra

B5 Pantothensäure Wasser Bestandteil von Coenzym A -

B6 Pyridoxin Wasser Transaminierung und Decarbo-xylierung v. a. im Aminosäuren-stoffwechsel als Pyridoxal-phosphat (PALP)

-

B9 Folsäure Wasser Übertragungen von Methyl- und Methylengruppen

Makrozytäre/hyperchrome Anämie Neuralrohrdefekte beim Embryo

B12 Cobalamin Wasser Isomerisierungen Perniziöse (makrozytäre/hyper-chrome) Anämie Funikuläre Myelose (ZNS-Schädigung)

C Ascorbinsäure Wasser Antioxidans Skorbut

H Biotin Wasser Carboxylierung Diverse (z. B. Hautdefekte, Depression, Haarausfall)

_44060_Tafrali.indb 309 30.01.2018 09:59:44

VERSTÄNDNIS+ Hier werden komplizierte Themen anhand grundlegender Prinzipien der Naturwissenschaften und mittels einfacher Sprache erklärt, um nachfolgend wichtiges Schlüsselwissen erschließen zu können.

EPISCHE ESELSBRÜCKEN Unsere epischen Eselsbrücken sollen durch Merksprüche, Reime, Verbildlichungen und vielem mehr schwer ein-prägsame Fakten unterhaltsam darbieten, damit man sie sich einfacher merken kann.

GEHEIMTIPP Mit diesem Kasten werden anhand von Erfahrungsberichten früherer Testteilnehmer gezielt Informationen zu Themenschwerpunkten der vergangenen Prüfungen aufgezeigt.

60-TAGE-LERNPLAN Die 60-Tage-Lernplan- Kästen arbeitet man durch, wenn man unseren 60-Tage-Lernplan anwendet. Hier findet man oftmals Detailwissen, um das Verständnis zu festigen.

DEFINITIONEN Um einen Text über einen Sachverhalt ganzheitlich verstehen zu können, muss man wissen, was die Begriffe bedeuten, die dieser Text beinhaltet. Dieser Kasten liefert an geeigneten Stellen Definitionen zu Begriffen, die selten geläufig oder kompliziert sind.

Hier ist Platz für eigene Notizen.

Lernplattform

Hier wählt man zwischen dem 30- und 60-Tage-Lernplan aus

Übersicht über die einzelnen Unterthemen und ihre Gewichtung in der Prüfung

Innerhalb des Lernplans wählt man das Fach aus, in dem man sein Wissen vertiefen und testen will.

Nun kann man sich ent-weder für ein komplettes Themengebiet oder aber eine Testsimulation mit Fragen aus allen Themen-gebieten entscheiden.

Fragen? Hilfe gibt es auf der FAQ-Seite

Lernplattform

In jedem Themengebiet kann man zwischen Lern- und Prüfungsmodus wählen. Der Lernmodus eignet sich für eine erste Wissensüberprüfung – man erfährt die richtige Antwort unmittelbar.

Wählt man den Prüfungsmodus, erfährt man erst am Ende, ob die Antworten richtig oder falsch waren.

Jeder Test kann beliebig oft wieder-holt werden.

Wissen unter Zeitdruck prüfen, indem man sich einen Timer setzt.

Der Tipp zeigt, wieviel Zeit man in einer Prüfung für diese Fragen hätte.

Jederzeit wissen, wo man steht! Die Statistiken zeigen nicht nur den eigenen Fort-schritt, sondern auch wie an-dere Studenten im gleichen Modul abschneiden.

1 Grundausstattung der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Transkription und Translation – Das Tag essgeschäft der Zelle . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Zellzyklus und Apoptose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Genetik – Regeln der Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Mikrobiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6 Stoff wechsel- Grundkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

7 Signaltransduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

8 Grundkurs Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

I BiologiePaul Windisch

• Nach dem Abschluss eines jeden Kapitels geht bitte auf https://lernskript.get-to-med.com/ und bearbei-tet die jeweils dazugehörigen Übungsaufgaben. Die Lernplattform ist zwar selbsterklärend, aber schaut sie am besten vorher einfach an.

• Vergesst nicht abzuhaken, was ihr bisher schon durchgearbeitet habt.• Falls ihr nach Durcharbeiten dieses Buchs noch weiterlernen wollt, um eure Chance auf einen Studien-

platz bis ins Unendliche zu steigern, fi ndet ihr in der Spalte „Weiterführende Stichwörter“ Begriff e, dieeuch als Ausgangspunkt (z.B. einer Internetrecherche) für die Erweiterung eures Wissens dienen können.

Lernplan Biologie

Kapitel 30-Tage-Lernplan

60-Tage-Lernplan

Erledigt? Weiterführende Stichwörter

Grundausstattung der Zelle (› Kap. 1)

2 3 sucht die Namen der erwähnten Organellen

Transkription und Trans-lation (› Kap. 2)

1 3 Initiations- und Elongationsfaktoren, tRNA-Synthetase, Transkriptions- und Transla-tionhemmstoffe

Zellzyklus und Apoptose (› Kap. 3)

1 2 Caspasen, Cycline, Krebs, Checkpoints

Genetik (› Kap. 4) 1 3 Epigenetik, CRISPR,

Mikrobiologie (› Kap. 5) 1 2 Staphylokokken, Streptokokken, Clostridium, Mycobakterien, Agar, Plasmide

Stoffwechsel-Grundkurs (› Kap. 6)

2 3 sucht die Namen der erwähnten Stoffwechsel-wege

Signaltransduktion – Grundkurs Evolution (› Kap. 7, › Kap. 8)

1 2 saltatorische Erregung, Myelinscheide, motori-sche Endplatte, Acetylcholin, GABA, Glutamat, Gendrift, Systematik

_44050_Windisch.indb 1_44050_Windisch.indb 1 01.02.2018 15:21:1501.02.2018 15:21:15

KAPITEL

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Notizen

Zellzyklus und ApoptosePaul Windisch3

Wir wissen nun, woraus eine Zelle besteht und wie sie die Proteine, die sie zum Leben braucht, herstellt. Nun befassen wir uns mit den „Meilensteinen“ im Leben einer Zelle: Wir betrachten, wie sich eine Zelle teilt und was für Vorbereitungen dafür nötig sind, werfen einen Blick auf die Entstehung von Spermien und Eizellen, um uns dann mit dem unausweichlichen Ende des Lebens unserer Zellen zu befassen.

3.1 Zellzyklus

Zellen entstehen durch Zellteilung und können durch Zellteilung weiter Nachkommen bilden. Es ist nur logisch, diesen Prozess als Kreislauf, den Zellzyklus, darzustellen. Darüber wollen wir uns nun zunächst einen groben Überblick verschaff en und dann die besonders wichtigen Abschnitte detailliert beleuchten (› Abb. .).

Wenn wir uns eine Zelle vorstellen, die gerade durch Zellteilung (Mitose) entstanden ist, hat diese Zelle zwei Möglichkeiten.

3.1.1 G0-PhaseHat unsere Zelle nicht das Ziel, sich noch einmal zu teilen, tritt sie in die sogenannte G-Phase ein. Die G- Phase stellt gewissermaßen den „Austritt“ aus dem Zellzyklus dar. Die Zelle geht zwar noch ihren Funktionen nach, trifft aber keine Vorbereitungen, um sich weiter zu vermehren. In machen Geweben verharren die Zellen, egal was passiert, in der G-Phase und gehen ihren Aufgaben stur nach bis sie ster-ben (man spricht von terminaler Diff erenzierung). Andere Zellen sind da fl exibler: Sie können bei Be-darf (z. B. wenn Zellen in der Nachbarschaft geschädigt werden oder sterben) aus der G-Phase in den Zellzyklus zurückkehren und sich weiter teilen.

3.1.2 G1-PhaseNehmen wir an, unsere Zelle will sich sofort weiter teilen oder hat sich nach einem kurzen Ausfl ug in die G-Phase wieder besonnen. Sie tritt nun in die G- Phase ein, die das Ziel hat, die Verdopplung der DNA zu ermöglichen. Diese Verdopplung ist notwendig, damit beide Tochterzellen, die bei der Mitose entste-hen, über eine vollständige Erbinformation verfügen.

VERSTÄNDNIS+ Wie sehen die Vorbereitungen auf die Verdopplung der DNA aus und wofür steht über-haupt das „G“ in G1-/G0-Phase?Unsere DNA verdoppelt sich nicht von selbst, sondern braucht dafür, wie eigentlich für alle ihre Aktivitäten, Enzyme. Auch die Bestandteile des Spindelapparats müssen im Hinblick auf die Mitose synthetisiert wer-den. Entsprechend wird während der G1-Phase sehr viel RNA und Protein synthetisiert. Das G steht übri-gens für „Gap“, also Lücke. Eine hohe Proteinsyntheserate lässt sich von außen nämlich relativ schwer er-kennen, sodass man früher nicht wusste, was die Zelle während dieser Zeit macht.

Abb. 3.1 Der Zellzyklus [L253]


3 ZELLZYKLUS UND APOPTOSE

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Notizen

Die G-Phase ist die längste Phase des Zellzyklus. Wie lang sie tatsächlich dauert, hängt stark vom Gewe-betyp ab. Während der G-Phase verfügt die Zelle über einen diploiden Chromosomensatz ( Chromo-somenpaare = Chromosomen, je eins von Vater und Mutter). Da jedes Chromosom eines Paares aus je einem DNA-Strang, einem Chromatid, besteht, liegt ein Gen in doppelter Ausfertigung vor. Man schreibt folglich n (diploider Chromosomensatz) c (Gen liegt doppelt vor).Den Abschluss der G-Phase bildet der sogenannte G-Kontrollpunkt (› Abb. .). Ihr könnt euch vor-stellen, dass in der langen G-Phase viel schiefgehen kann. Es wäre ziemlich problematisch, wenn Mutati-onen in der DNA, die während dieser Phase entstanden sind, in der anschließenden Synthesephase ver-doppelt werden, sodass beide Tochterzellen die fehlerhaft e DNA in sich tragen. Aus diesem Grund prüft die Zelle am Ende der G-Phase, ob alles stimmt. Wird die Zelle für würdig befunden, bekommt sie ein Signal und darf den Zellzyklus weiter durchlaufen. Finden sich Fehler, muss die Zelle in die G-Phase eintreten oder es kommt zum kontrollierten Zelltod, der Apoptose.

3.1.3 S-PhaseDer nächste Schritt ist die sogenannte Synthese-Phase. Hier kommt es zur Verdopplung der DNA. Wie wir bereits gelernt haben, entstehen dabei aber nicht etwa Chromosomen, sondern unsere Chromo-somen bestehen nun aus zwei Chromatiden. Wir haben also immer noch einen diploiden Chromoso-mensatz (n), wobei die beiden Chromosomen eines homologen Chromosomenpaares nun aus je zwei Chromatiden bestehen. Folglich gibt es in der Zelle * , also Kopien eines Gens (c). Die Verdopplung der DNA wird Replikation genannt und wird uns in › Kap. . noch genauer beschäft igen. Zunächst wollen wir aber unseren Zellzyklus beenden.Übrigens: Die S- Phase ist die zweitlängste Phase des Zellzyklus.

3.1.4 G2-PhaseDa auf die G- Phase die Mitose folgt, muss die Zelle in diesem Abschnitt des Zellzyklus sämtliche Vorbe-reitungen abschließen. Dazu gehört auch, sicherzustellen, dass die DNA der Zelle nach wie vor fehlerfrei vorliegt. Es ist also Zeit für einen weiteren Kontrollpunkt, um zu entscheiden, ob die Zelle sich endlich teilen darf.Da das Herstellen von DNA aufwendiger ist als das Kontrollieren, ist die G-Phase kürzer als die G- bzw. die S-Phase.Der DNA-Gehalt der Zelle ist immer noch nc.

3.1.5 MitoseNun teilt sich die Zelle endlich. Wenn man sich anschaut, wie lange sie darauf hingearbeitet hat, ist die Mitose fast schon enttäuschend kurz: Beim Fibroblasten dauert sie nur ca. Stunde. Auch mit der Mitose werden wir uns noch genauer befassen. Merkt euch aber schon mal, dass der DNA-Gehalt nach der Mito-se nc ist. Das entspricht dem DNA Gehalt in der G-/G-Phase, was auch passt, denn schließlich tritt die Zelle nach der Teilung wieder in eine dieser Phasen ein. Übrigens: Auch während der Mitose gibt es einen Kontrollpunkt. Er überwacht unter anderem die Tren-nung der -Chromatid-Chromosomen und wird Metaphasen-Kontrollpunkt genannt.

VERSTÄNDNIS+ Warum beträgt der DNA-Gehalt nach der Mitose wieder 2n2c? Bei der Mitose werden die Chromosomen geteilt und jede Tochterzelle bekommt ein Chromatid von jedem Chromosom. Eine Tochter-zelle enthält also wieder 2 * 23 = 46 Chromosomen. Da es sich aber nur noch um 1-Chromatid-Chromoso-men handelt, ist der DNA-Gehalt nur noch 2n2c.

In › Tab. . ist der Zellzyklus noch einmal im Überblick zusammengefasst.

DEFINITION Gelegentlich wird auch der Begriff Interphase verwendet. Damit bezeichnet man die Phase zwischen (daher der Name) den Zellteilungen. Anders gesagt: G1-, S- und G2-Phase kann man als Interpha-se zusammenfassen.

Abb. 3.2 Kontrollpunkte des Zellzyklus [L253]


3.2 REPLIKATION

33

Notizen

3.2 Replikation

Die Replikation der DNA fi ndet während der S-Phase des Zellzyklus statt. Es gibt einige Parallelen zur Transkription, allerdings ist die Sache hier etwas komplizierter: Da wir nicht nur ein vergleichsweise kur-zes Gen kopieren müssen, sondern das gesamte Genom einer Zelle, braucht es in jedem Fall mehrere En-zyme, von denen jedes an einem anderen Ort anfängt zu arbeiten. Diese Orte werden Origins of Replica-tion (ORI) genannt – beim Bakteriengenom reicht oft nur ein einzelner ORI (› Abb. .).

Das Enzym, das die DNA repliziert, heißt DNA-Polymerase. Im Gegensatz zur RNA-Polymerase ist sie aber nicht in der Lage, den DNA-Doppelstrang zu entwinden, besitzt also keine Helicase-Aktivität. Glück-licherweise gibt es aber ein anderes Enzym, das die DNA-Stränge trennen kann, und es heißt passender-weise … DNA-Helicase. Dieses Enzym trennt nun also die Stränge wie einen Reißverschluss. Aufgrund des Aussehens der teilweise getrennten Stränge spricht man auch von Replikationsgabeln. Damit die Einzelstränge nicht wieder spontan Wasserstoffb rückenbindungen zueinander ausbilden und sich zu-sammenlagern (der Fachbegriff dafür lautet „Annealing“), gibt es Proteine, die Single-Stranded Bin-ding Proteins genannt werden, und die getrennten Stränge stabilisieren.Es gibt noch einen weiteren Unterschied zwischen DNA- und RNA-Polymerase. Während die RNA-Poly-merase sofort anfangen kann, Nucleotide zu einem RNA-Molekül zu verknüpfen, benötigt die DNA-Poly-merase eine kurze RNA-Sequenz (Primer), um daran anzuknüpfen. Das Enzym, das die Primer synthe-tisiert, trägt beim Prokaryonten den treff enden Namen Primase. Beim Eukaryonten übernimmt die DNA-Polymerase α die Synthese der Primer.Nun gibt es ein kleines Problem: Die Helicase läuft den Doppelstrang in eine Richtung ab und trennt ihn dabei auf. Die DNA-Polymerase kann aber die Nucleotide, wie die RNA-Polymerase auch, nur von ' nach '

Tab. 3.1 Überblick über den Zellzyklus

Phase Funktion Kontrollpunkt DNA-Gehalt Dauer beim Fibro-blasten

G1 (Gap) Protein- und RNA-Synthese für Verdopplung der DNA, Wachs-tumsphase

Ja 2n2c 9 h

S (Synthese) Verdopplung der DNA Am Anfang 2n2c, am Ende 2n4c

7 h

G2 (Gap) Kontrolle der DNA vor Mitose Ja 2n4c 5 h

Mitose Teilung der Zelle Ja (Metaphasen-kontrollpunkt)

Am Anfang 2n4c, am Ende 2n2c

1 h

G0 (Gap) Gewebsspezifische Aufgaben Nein 2n2c Bis Zelltod oder Rückkehr in G1-Phase

Abb. 3.3 Beginn der DNA-Replikation:• Die Replikation startet mit einem RNA-Primer.• Eine DNA-Polymerase verknüpft DNA-Nucleotide in 5'-3'-Richtung.• Eine andere DNA-Polymerase ersetzt den Primer durch DNA.• Die DNA, die am Ort des ehemaligen Primers sitzt, wird mit dem Rest der neusynthetisierten DNA verbunden und das

neue Molekül ist fertig. [L253]



34

Notizen

verknüpfen. Entsprechend kann sie nur an einem Strang der Helicase folgen und kontinuierlich Nucleo-tide aneinanderhängen. Den Strang, an dem diese kontinuierliche DNA-Synthese erfolgt, bezeichnet man als Leitstrang (› Abb. .).

Am anderen Strang, dem Folgestrang, ist die Sache nicht ganz so einfach: Die DNA-Polymerase kann auch hier nur von ' nach ' arbeiten und läuft entgegengesetzt zur Helicase. Folglich stößt sie ziemlich bald auf den noch nicht getrennten DNA-Doppelstrang und kann nicht weiterarbeiten. Die Lösung: So-bald die Helicase weitergewandert ist, wird dort ein Primer synthetisiert und die DNA-Polymerase ver-bindet so lange Nucleotide, bis sie auf das Fragment trifft , das sie davor synthetisiert hat.Es entstehen also lauter Fragmente aus DNA, die von den RNA-Primern unterbrochen sind. Man be-zeichnet sie auch als Okazaki- Fragmente. Beim Eukaryonten sind die Okazaki-Fragmente zwischen und Nucleotide lang, beim Prokaryonten sind sie kürzer. Zum Abschluss der Replikation werden die Primer entfernt und durch DNA ersetzt. Nun müssen noch sämtliche Fragmente verbunden werden, was Aufgabe der DNA-Ligase ist (› Abb. .).Die neu synthetisierten Doppelstränge bestehen also zu einer Hälft e aus neu synthetisierter DNA, zur anderen Hälft e aus dem alten Strang, der bei der Replikation als Matrize gedient hat. Man bezeichnet den Replikationsmechanismus deshalb auch als semikonservativ.

3.2.1 Polymerase-KettenreaktionStellt euch vor, ihr seid Forscher und wollt ein Experiment machen, für das ihr große Mengen eines Gens aus bestimmten Zellen benötigt. Ihr könntet nun warten, bis sich die Zellen soweit vermehren, dass durch Replikation genug Kopien des Gens entstanden sind. Dabei entstehen natürlich nicht nur Kopien des Gens, für das ihr euch interessiert, sondern das gesamte Genom wird vervielfältigt. Es wäre also viel prak-tischer, wenn ihr nur das Gen vermehren würdet, an dem ihr auch interessiert seid. Und noch praktischer wäre es, wenn ihr das ganze innerhalb von Stunden machen könntet und nicht tagelang warten müsstet.Dafür gibt es die Polymerase Chain Reaction (PCR) ( › Abb. .), die wie folgt abläuft :

(1)

(2)

Abb. 3.4 Replikation der DNA am Leit- und Folgestrang:(1) Die DNA-Polymerase verlängert den neuen Strang in 5'-3'-Richtung; der Leitstrang wird dabei durchgehend syntheti-siert. Am Folgestrang werden die Okazaki-Fragmente in 5'-3'-Richtung synthetisiert und (2) im Anschluss durch die Li-gase verbunden. [L253]


3.2 REPLIKATION

35

Notizen

. Ihr braucht eine kleine Menge der DNA der Zellen, die ihr untersuchen wollt. Die DNA wird auf rund °C erhitzt, sodass die Wasserstoffb rücken, die den DNA-Doppelstrang zusammenhalten, gelöst werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Denaturierung.

. Nun braucht es Primer, die euer Gen binden können. Da dieses Binden aber bei °C unmöglich ist, wird das Ganze auf rund °C abgekühlt, damit es zum Annealing der Primer kommt.

VERSTÄNDNIS+ Der Begriff Primer ist hier etwas irreführend, denn es handelt sich nicht wie bei der Re-plikation um kurze RNA-, sondern um kurze DNA-Sequenzen aus ca. 10–20 Nucleotiden. Diese können syn-thetisch hergestellt werden und überstehen die Denaturierung.

. Eine hitzestabile DNA-Polymerase fängt ausgehend von den Primern an, freie Nucleotide (die müsst ihr natürlich vorher zu eurer DNA gegeben haben) zu einem komplementären Strang zu verknüpfen. Diese Elongation kann bei ca. °C stattfi nden, da die verwendeten Polymerasen aus Bakterien stammen, die in der Nähe von heißen Quellen leben, und die bei diesen Temperaturen ideal arbeiten.

Nun wurde die DNA bzw. euer Zielgen verdoppelt. Nach einem weiteren Zyklus habt ihr schon vier Ko-pien, danach acht usw. Die Zahl der Kopien wächst also exponentiell. Wenn ihr nicht nur ein Zielgen, sondern die gesamte DNA vervielfältigen wollt, müsst ihr lediglich Primer verwenden, die unspezifi sch im gesamten Genom binden.

3.2.2 TelomereIhr habt bereits von den Telomeren gehört. Bei den Telomeren handelt es sich um repetitive DNA an den Enden der Chromosomen, die die „wichtigen“ Bestandteile des Genoms schützt. Warum ist das notwen-dig? Wie wir wissen, benötigen die DNA-Polymerasen ein freies '-OH-Ende (entweder von einem Primer oder von bestehender DNA), um weiter Nucleotide anzuknüpfen. Wir wissen auch, dass bei der Replika-tion am Folgestrang mit Primern gearbeitet wird. Stellen wir uns nun das '-Ende der Kopie des Folge-strangs vor. An dieser Stelle muss ein Primer sitzen, damit die DNA-Polymerase arbeiten kann. Da Pri-mer aber aus RNA bestehen, muss dieser noch entfernt und durch DNA ersetzt werden. Wird der Primer entfernt, ist aber nur ein '-Ende an der neu synthetisierten DNA vorhanden, sodass die DNA-Polymerase die entstehende Lücke nicht auff üllen kann. Folglich entstehen bei jeder Replikation Kopien, die um ein paar Basenpaare kürzer sind als die Matrizen (› Abb. .). Solange diese Verkürzung nur die Telomere betrifft , ist das kein Problem. Wenn die Telomere aber eine kritische Länge unterschreiten, sodass die codierende DNA beschädigt werden könnte, geht die Zelle in der Regel in die Apoptose. Die Lebensdauer einer Zelle ist sozusagen in der Länge ihrer Telomere vorprogrammiert.Was ist mit Zellen, die in der Lage sein müssen, sich sehr oft zu teilen, wie denen des Knochenmarks? In diesen Zellen ist ein Enzym namens Telomerase aktiv, das die Telomere verlängern kann. Die Telomera-se besteht aus einem Protein- und einem RNA-Anteil. Die RNA der Telomerase enthält eine Sequenz, die komplementär zu der der Telomere ist. Die Telomerase nutzt sie als Matrize und kann auf diese Weise die Telomere synthetisieren bzw. verlängern. Sie schreibt also gewissermaßen von sich selbst ab. Da die

1. Zyklus

2. Zyklus

3. Zyklus

Abb. 3.5 Schema einer PCR [L253]



36

Notizen

Telomerase RNA als Matrize verwendet und DNA herstellt, bezeichnet man sie auch als RNA-abhängige DNA-Polymerase oder Reverse Transkriptase (RT).

VERSTÄNDNIS+ RNA-abhängige DNA-Polymerasen nutzen RNA als Vorlage und synthetisieren DNA. Un-sere DNA-Polymerasen aus der Replikation sind DNA-abhängige DNA-Polymerasen, denn sie nutzen DNA als Matrize, um DNA zu synthetisieren. Wie schaut es mit den Enzymen aus, die unsere mRNAs erstellen? Es sind DNA-abhängige RNA-Polymerasen.

Auch in Krebszellen ist die Telomerase aktiv, ansonsten wäre es ihnen nicht möglich, sich so oft zu teilen.

3.2.3 DNA-PolymerasenAn der Replikation der DNA sind bei Pro- und Eukaryonten unterschiedliche Enzyme beteiligt. Ein Bei-spiel ist die Existenz einer Primase im Komplex mit der Helicase bei Prokaryonten, wohingegen sie bei Eukaryonten Teil der DNA-Polymerase α ist. Um die Verwirrung noch zu steigern verfügen auch Proka-ryonten über mehrere DNA-Polymerasen, von denen aber nur eine vorwiegend an der DNA-Synthese beteiligt ist. In der folgenden Tabelle erhaltet ihr deshalb einen Überblick über einige der relevanten DNA-Polymerasen. Das bedeutet aber nicht, dass ihr diese Informationen im Detail für eure Klausur pa-rat haben müsst, denn die Funktionen der Enzyme zeigen Überschneidungen und werden gerade bei Eukaryonten noch kontrovers diskutiert.

VERSTÄNDNIS+ Verwechselt bitte nicht die drei DNA-Polymerasen der Prokaryonten mit den RNA-Poly-merasen beim Menschen (die werden schließlich auch durchnummeriert)!

3.2.4 DNA-ReparaturBei der Replikation der drei Milliarden Basenpaare unseres Genoms kann natürlich auch der eine oder andere Fehler passieren. Damit aber nicht mit jeder Verdopplung der DNA eine minderwertige Kopie entsteht, besitzen bereits die DNA-Polymerasen die Fähigkeit zum Korrekturlesen und beseitigen zu-mindest einige ihrer Fehler (› Tab. .).

Es gibt aber noch eine Vielzahl anderer Reparaturmechanismen. Grundsätzlich ist es für die Zelle natürlich günstig, wenn nur ein Strang Schaden genommen hat, sodass das Reparaturenzym den anderen als Matri-ze nutzen kann. Das heißt aber nicht, dass die Zelle keine Möglichkeit hat auf einen Doppelstrangbruch zu reagieren. Das Risiko, dass die DNA einen bleibenden Schaden davonträgt ist dann allerdings höher.Ein gern gefragtes Prinzip ist das der Exzisionsreparatur bei Einzelstrangbrüchen:. Die veränderte/falsche Base oder gleich das gesamte Nucleotid wird entfernt. Teilweise lassen die En-

zyme einen Sicherheitsabstand und schneiden gleich benachbarte Basen mit heraus.. Eine DNA-Polymerase synthetisiert die Sequenz neu und nutzt dafür den unbeschädigten Strang als

Matrize.. Eine DNA-Ligase verbindet das neu synthetisierte Fragment mit dem restlichen Strang (› Abb. .). Der genaue Reparaturmechanismus ist dabei sehr variabel. Manche Enzyme erkennen Änderungen in der Konformation, also Verformungen des DNA-Strangs, die durch falsche Basen verursacht werden. Andere erkennen Basen, die in der DNA nicht vorkommen, oder gleichen die Informationen der beiden Stränge miteinander ab. Auch der Reparaturmechanismus selbst ist nicht immer gleich: Bei der Basenex-zisionsreparatur werden nur Basen, bei der Nucleotidexzisionsreparatur gesamte Nucleotide entfernt. Eventuell müsst ihr euch im Rahmen der Biochemie detaillierter mit diesem Th ema befassen, für die Biologie sollten diese Informationen aber genügen.

Abb. 3.6 Das Problem der Replikation: Am 5'-Ende der Kopie des Folgestrangs hat die DNA-Polymerase nach Entfernung des Primers keine 3'-OH-Gruppe, an der sie anknüpfen kann, um das letzte DNA-Stück zu syntheti-sieren. Die Folge: Die Kopie ist kürzer als das Original. [L253]

Tab. 3.2 DNA-Polymerasen

Prokaryonten Eukaryonten

DNA-Polymerase I DNA-Polymerase α (Primersynthese)

DNA-Polymerase II DNA-Polymerase β

DNA-Polymerase III (Replikation) DNA-Polymerase γ (DNA-Synthese in Mitochondrien)

DNA-Polymerase δ

DNA-Polymerase ε


3.3 MITOSE

37

Notizen

Übrigens: Ihr seht, wie wichtig die DNA-Ligase für die Replikation und Reparatur unserer DNA ist. Ha-ben Patienten Probleme, funktionstüchtige DNA-Ligase zu bilden (etwa durch eine Mutation), spricht man von DNA Ligase I Defi ciency. Betroff ene Personen fallen durch eine Immunschwäche und erhöhte Sensibilität gegenüber Mutagenen auf.

3.3 Mitose

Nachdem die DNA repliziert und in der G-Phase für fehlerfrei befunden wurde, kommt es im Anschluss zur Zellteilung, mit der wir uns nun genauer befassen wollen. Im Fokus steht dabei zunächst die Teilung des Nucleus und danach werfen wir einen Blick auf die Teilung der gesamten Zelle (Zytokinese).

EPISCHE ESELSBRÜCKEPrägt euch am besten schon mal die Namen der Mitosephasen in der richtigen Reihenfolge ein:• I pass my anatomy test!• Interphase, Prophase, Metaphase, Anaphase, TelophaseDie Interphase gehört dabei nicht zur eigentlichen Mitose (sie kommt davor und danach), macht aber die Eselsbrücke möglich.

3.3.1 ProphaseUm euch zu merken, was in der Mitose passiert, müsst ihr euch fragen: Was würdet ihr tun, wenn ihr die Zelle wärt und euch teilen müsstet? Das Folgende passiert in der Prophase (› Abb. .) der Mitose:• Verdichtung der Chromosomen: Nur wenn die DNA kondensiert, kann sie gut zu den Zellpolen ge-

zogen werden!• Teilung der Zentriolen: Wenn beide Zentriolen zusammen irgendwo im Zytoplasma herumschwim-

men, sind sie bei der Kernteilung keine große Hilfe. Deshalb wandern sie als erstes zu den Zellpolen.• Aufl ösung des Nucleolus: Der Nucleolus „verschwindet“ im Rahmen der Prophase. Er wird erst wie-

der wichtig, wenn die Tochterzellen entstanden sind und neue Proteine synthetisieren wollen.

Abb. 3.7 Exzisionsreparatur:• Der Schaden wird erkannt.• Die Nucleotide werden entfernt.• Eine neue komplementäre Nucleotidsequenz wird syn-

thetisiert.• Eine DNA-Ligase verbindet die neue Sequenz mit dem

restlichen Strang. [L253]

Abb. 3.8 Mitose – Prophase [L253]


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