Genevon gr. génos „Herkunft“ aus ig. *genə- „erzeugen“wie in gr. gígnesthai „werden, entstehen“
Vorlesung Biologische PsychologieC. KaernbachLiteratur: Schandry, Kapitel 2Vertiefung:
– 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“ 51044 s
• Zeit nicht mehr unterteilbar, Planck-Zeit 51044 s• Raum nicht mehr unterteilbar, Planck-Länge 1035 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): 51044 bis 1036 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: 1036 s bis 1033 s• in 1033 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 1033 s (1025 K): Quarks und Anti-Quarks, Elektronen und Positronen• ab 1012 s (1016 K): Elektroschwache Kraft spaltet sich auf. 4 Kräfte• ab 106 s (1013 K): Quarks bilden Protonen (uud) und Neutronen (udd).
Antiprotonen und Antineutronen werden vernichtet.• ab 104 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
Vor 13,7 Milliarden Jahren
Weltall
Galaxien und Sterne
Sonnensystem
Leben
Protoerde + Theia
Erde + Mond
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
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
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
• 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. -OH+)– 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!
Ursuppes. Chemische Evolution
• Miller, Urey: 1953– „Uratmosphäre“:
• Wasser (H2O)• Ammoniak (NH3)• Wasserstoff (H2)• Methan (CH4)
– Energiezufuhr (Funken, „Blitze“)
Aminosäuren Carbonsäuren Lipide Purine, Zucker
Homer Jacobson, *1923,Autor eines Artikels in
American Scientist (1955),der die Ursuppentheoriefür unmöglich erklärte,
widerruft in 2007.
Stanley LloydMiller
* 1930† 2007
Harold Clayton Urey * 1893, † 1981, Nobel-preis 1931 für Entdeckung des Deuteriums
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)
Alkohol + Säure⇨ Ester + H2O:R-C=O-OH + HO-R
⇨ R-C=O-O-R + H2O
Alkohol + Alkohol ⇨ Ether + H2O:
R-OH + HO-R ⇨ R-O-R + H2O
Oxidation zu Aldehyd:R-CH2-OH + O ⇨ R-CH=O + H2OOxidation zu Keton:R-CHOH-R + O ⇨ R-C=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+-KonzentrationAutoprotolyse: H2O + H2O = H3O+ + OH. c(H3O+) = 107 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
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
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– Cn(H2O)m + Ck(H2O)i ⇨
Cn+k(H2O)m+i1 + H2O– Stärke Glykogen– Zellulose Chitin
• „Kohlenhydrate“: oft Cn(H2O)m
– Hydroxyaldehyde / Hydroxyketone und deren Polykondensate– Chiralität (optische Aktivität, links/rechtsdrehend, L/D-Form)
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 derproteinogenen 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, ...
A R N D
C E Q G
H I L K
M F P S
T W Y V
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– 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)
Pyrimidin, PurinCytosin Uracil
Thymin
Adenin
Guanin
Nukleotide
• 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
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
Codonss. Genetischer Code
• Je 3 Nukleotide kodieren eine proteinogene Aminosäure– 43 = 64 ⇨
1 bis 6 Codons pro Aminosäure
• Startcodon,Stopcodon
• Wer legt den Code fest?
GCC
Proteinsynthese
• Transkription– Entkoppeln der
Doppelhelix• Genexpression
– „Arbeitskopie“ mRNA
• Translation– tRNA
• Aminosäure-Arm• Anticodon
Gens entspricht, getrennt.
Ribosom
• „Übermolekül“,kleine und großeUntereinheit– > 40 rRNA-Moleküle
(rosa/gelb, Funktion)– > 50 Protein-Moleküle
(blau, Struktur)– Peptidbindungen
im „Graben“ dergroßen Einheit
Selbstreplikations. Autoreplikation
Wille
Information
• Peptide
• RNA (RNA-Welt, „chemische Evolution“)
• DNA-Protein-System
Psyche
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