MEDI-LEARN Skriptenreihe: Biochemie 4 [1 ed.] 3938802219 [PDF]

Zitiervorschau

Biochemie Band 4 Molekulargenetik, Binde- und Stützgewebe

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E-M ail: redaktion@medi-Iearn .de. www .m edi-Iearn.de Verlagsredaktion: Dr . Waltraud Habe rberger. Jens Plasger. Chr ist ian Weier, Tobias Happ Fachlicher Beirat: Timo Brandenburger Lekt or at : Eva Drude Grafike r : Irina Kart, Dr . Günter Körtner, Alexander Dosp il, Chr ist ine Marx Layout und Satz : Kjell W ierig und Angelika Lehle Illustration: Daniel Lüdeling. Rippenspreizer .com Druck: Druckerei Wenzel. Marburg 1. Auflage 2007 ISBN: 3-938802-21-9 ISBN: 978-3-93880 2 -21-2

© 2007 M EDI-LEARN Verlag . Marburg

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Wichtig er Hinweis für alle Leser Die Medizin ist als Naturwissenschaft ständigen Veränderungen und Neuerungen unterworfen. Sowohl die Forschung als auch klinische Erfahrungen sorgen dafür. dass der Wissensstand ständig erweitert wird. Dies gilt insbesondere für medikamentöse Therapie und andere Behandlungen. Alle Dosierungen oder Angaben in diesem Buch unterliegen diesen Veränderungen. Darüber hinaus hat das Team von MEDI-LEARN zwar die größte Sorgfalt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikationenwalten lassen. kannjedoch keine Gewähr dafür übernehmen. Jeder Leser ist angehalten. durch genaueLektüre der Beipackzettel oder Rücksprache mit einem Spezialisten zuüberprüfen, ob dieDosierung oder die Applikationsdaueroder -menge zutrifft. Jede Dosierung oder Applikati on erfolgt auf eigeneGefahr des Benutzers. SolltenFehler auffallen, bitten wir dringend darum, uns darüber in Kenntnis zu setzen.

logie, Chem ie. Biochem ie, Biologie, Histo logie. Anato mie und Psychologie/Soziologie. Ein gesonderte r B der M EDI-LEARN Skripte nre ihe widmet sich ausfüh rlich den Themen Ler nstrateg ien. MC-Techniken Pr üfungsrhetorik. Aus unserer langjährigen Arbe it im Bere ich profess ioneller Prüfungsvorbereitung sind uns die Probleme Studenten im Vorfeld des Physikums bestens bekannt . Angesichts des enormen Lernstoffs ist klar, dass n 100% jedes Prüfungsfachs gelernt werden können. We it weniger klar ist dagegen, wie eine M inimierung Faktenflut bei gleichzeitiger Ma ximierung der Bestehenschancen zu bewerkstelligen ist. Mit der MEDI-LEARN Skr ipt enreihe zur Vorbereitung auf das Physikum haben wir dieses Problem für e gelöst . Unsere Autoren haben durc h die Analyse der bisherigen Examina den examensrelevanten Stof jedes Pr üfungsfach herausgefiltert. Auf diese We ise sind Skripte entstanden, die eine kurze und prägna Darstellung des Prüfungsst offs liefer n. Um auch den münd lichen Teil der Physikumspr üfung nicht aus dem Auge zu verlieren, wurden die Bä jeweils um Themen ergä nzt. die für die münd liche Pr üfung von Bedeut ung sind. Zusammenfass end können wir fests te llen. dass die Kennt nis der in den Bänden gesamm elt en Fachinfor ti onen genügt , um das Examen gut zu beste hen. Grund sätzlich empfehlen wir. die Examensvorbereitung in drei Phasen zu gliedern . Dies setzt vorau s, d man mit der Vorbereitung schon zu Semesterbeginn [z.B. im April für das August-Examen bzw. im Oktobe das Mä rz-Examen) startet. Wenn nur die Semest erf er ien für die Examensvorbe re it ung zur Verfügun g ste sollte direkt wie unt en beschri eben mit Phase 2 begonnen wer den.

• Phase 1 : Die ers te Phase der Examensvorbere itung ist der Era r beitung des Lern stoffs gewidmet. W e Semesterbeginn anfängt zu ler nen, hat bis zur schr iftlichen Pr üfung je dr ei Tage für die Erarbeitung je Skriptes zur Verfügung. Mög licherwe ise werden einzelne Skripte in weniger Zeit zu bewält igen sein, d bleibt dann mehr Zeit für andere Themen oder Fächer. Wä hrend der Erarbe it ungsphase ist es sinnvoll zelne Sachverhalte durc h die punktuelle Lektüre eines Lehrb uchs zu ergä nzen. Allerd ings sollte sich d punktuelle Lektüre an den in den Skripte n dargeste llte n Themen ori entieren! Zur Fest igu ng des Geler nte n empfehlen wir . bere its in dieser erste n Lernp hase themenweise zu k zen. Während der Arbe it mit dem Skr ipt Biochem ie sollen z.B. beim Thema "Gentechnologie" auch sc Pr üfungsfragen zu diesem Thema bearbe itet werden. Als Fragensam mlung empfe hlen wir in dieser Ph die "Schwarzen Reihen". Die jüngst en dre i Examina sollten dabei jedoch ausgelassen und für den Ends [= Phase 3) aufgehoben werden.

• Phase 2 : Die zweite Phase setzt mit Beginn der Semeste rferien ein. Zur Festi gung und Vertief ung Gelernten empfehlen wir, täglich ein Skript zu wi eder holen und parallel exame nswe ise das betre ffe Fach zu kreuzen. Wä hrend der Bearbe itung der Biochemie [hierf ür sind sieben bis acht Tage vorgese empfehlen wir , pro Tag jeweils ALLE Biochemiefrage n eines Altexamens zu kreuzen. Bitte hebt euch a hier die drei aktuellst en Examina für Phase 3 auf. Durch dieses Verf ahr en wird der Ler nzuwachs von Tag zu Tag deutlich er erkennbar. Natürlich wird zu Beginn der Arb eit im Fach Biochemie dur ch die täg liche Bearbe it ung eines kompletten Examens Themen konfront iert. die möglich erw eise erst in den komm enden Tagen wiederho lt werd en. Dennoc diese Vorg ehensweise sinnvoll, da die Vor ab-Besch äftigung mit noch zu wiederh olenden Themen d Verarbeit ungst iefe förd ert.

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bevor steh ende Examen! Euer M EDI-LEARN-Team

Online-Service zur Skriptenreihe Die mehrbändige MEDI-LEARN Skr ipte nreih e zum Physikum ist eine wertvoll e fachliche und lerns t rat egische Hilfeste llung. um die berü chtigte erste Pr üfungshürde im M edizinst udium sicher zu nehm en. Um die Arbeit mit den Skripte n noch angenehmer zu gestalten, bietet ein spezieller Dnline-Bereich auf den MEDI-LEARN W ebseiten ab sofort einen erwe iterte n Service. Welche erwe iterten Funktionen ihr dort findet und wie ihr damit zusätzlichen Nutzen aus den Skript en ziehen könnt , möchten wir euch im Folgenden kurz erläut ern .

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Ergän zung en aus den akt uellen Examina Die Bände der Skript enre ihe wer den in r egelmäßigen Abstän den von den Autoren online aktualisiert. Die E arb eitung von Fakten und Informationen aus den aktuellen Fragen sorgt dafür , dass die Skr ipte nre ihe imm auf dem neuest en Sta nd bleibt . Auf diese W eise könnt ihr eure Lernarb eit stets an den aktuellst en Erkenntn sen und Fragent endenzen orientieren.

Errata-Liste Sollt e uns trotz eines mehrstufigen Syste ms zur Sicher ung der inhaltlichen Qualität unser er Skript e ein Feh unterlaufen sein. wird dieser unm itte lbar nach seinem Bekanntwe rden im Internet veröffentlicht. Auf die Weise ist sicher gestellt. dass unsere Skript e nur fachlich kor rekte Aussagen entha lten. auf die ihr in d Pr üfung verlässlich Bezug nehmen könnt . Den Dnlinebere ich zur Skr ipte nre ihe find et ihr unter www.medi-Iearn.d ej sk ri pte

1.2 .4 Biosynt hese der Nucleot ide 1.2 .5 Abbau der Nucl eotid e 1.2.6 Synthese der Desoxyribosen 1 .3

1.4

1 .5

1

Nucleinsäuren

1

1.3 .1

St r uktur der Nucleinsäuren

1

1.3 .2

Einte ilung der Nucleinsäur en

1

Chromatin

1

1.4.1

Histo ne

1

1.4.2

Nucleosomen

1

Replikation der DNA

1

1.5.1

Mechanismus der Replikation

1

1.5 .2

Hemmstoffe der Replikat ion

1

1 .6

Schäden und Reparaturmechanismen der DNA

1

1.7

Transkription

2

1.7 .1

M echanismu s der Tra nskr iption

2

1.7 .2

Processing der hnRNA

2

1.7 .3

RNA-Polymerase n

2

1.7.4

Transkriptionskontrolle

2

1.7.5

Hemmstoffe der Tra nskr ipt ion

2

1.8

1.9

Tra nslat ion

2

1.8 .1

genetischer Code

2

1.8.2

tRNA

2

1.8 .3

Ribosome n

2

1.8.4

M echan ismu s der funktion sfähigen Tr anslati on

2

1.8 .5

Posttrans lat ionale M odifikationen

3

1.8.6

Hemm stoffe der Transla t ion

3

Gentechnologie

3

1.9.1

Grundlagen

3

1.9 .2

Rest riktionsendonukleasen

3

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2 Binde- und Stützgewebe

40

2.1

extrazelluläre Matrix

40

2 .1.1

40

Index

Kollagen

45

und Expression genetischer Information und ist gerade in den letzten Jahren zunehmend in das Bewusstsein einer breiten Öffentlichkeit gerückt. Das Klonschaf Dolly, der genetische Fin gerabdruck und die Gentherapie sind nur einige Schlagwörter, die die Vielfalt dieses Stoffgebiets vor Augen führen . Die strikte Ausrichtung dieser Reihe auf die Physikums-Relevanz lässt jedoch glü ckliche rweise d ie man chmal endlos ers chei nenden Synthesewege auf einige wenige Fakten zusammenschrumpfen. Fakten, die dann aber mit großer Regelmäßigkeit gefra~t " ,' J werden und deren Lernen, Verstehe n u nd Anwenden im Physikum mit Punkten belohnt wi rd . Im ersten Kapitel wird euch das für die Prüfung wesentliche Wissen über die Erbinformation des Menschen vorgestellt. Im Einzelnen geht es u m ihren Aufbau, wie sie für Ami nosäuren codiert, sich für die Zellteilung verdoppelt (= repliziert), in RNA umgeschrieben (= transkribiert) und schli eßlich in Proteine übersetzt (= translatiert) wird. Der darauf folgende Ab sch nitt befasst sich mit den prüfungsrelevanten Fak ten zu gentechnische n Methoden und Viren . Das zweite Kapitel hat das Thema Binde- und Stützgewebe, wobei h ier der Schwerpunkt auf der Synthese des Kollagens liegt. Komplettiert wird dieses Skript durch einen Exkurs zum Vitamin Folsäure, das z.B. für d ie Synthese der Nucleotide benötigt wird und durch einen Exkurs zum Vitamin C, das unter anderem für die Biosynthese des Kollagens unerlässlich ist.

1.1 Grundl agen Die DNA (= Desoxyribonucleinsäure) ist die Speicherform der Erbinformation . Sie besteht aus einer Doppelkette von vier verschiedenen Nucl eotiden und wird im Zellkern gelagert. Um die Erbinforma tion bei einer Zellteilung von einer Zellgenera-

Die Gesamtheit der Kodierungsmöglichkei für Aminosäuren nennt man den genetisc Code. Um Proteine herzustellen, muss als er d ie Spei cherform der Erbinformation - d ie D - in die Transportform d ie R A (= Ribonu insäure) - umgeschrieben werden. Dazu w im Zellkern durch Transkription der 0 A mRNA (= messenger Rl A) synthetisiert und Proteinsynthese an Ribosomen - der Transla - in das Zytoplasma transferiert. Um diese Vorgänge zu verstehen, sollte man s als erstes mit den Bestandteilen der 0 1 A traut machen: Wie ist sie strukturiert? Wie w sie synthetisiert? Und wie erfüllt sie ihre Fu tionen? Erst na chdem diese Fragen beantwo sind, werden hier die Replikation, Transkrip und Translation vorgestellt.

1.2 Nucleotide

Sieht man sich den menschlichen Stoffwec etwas genauer an, kann man feststellen, d Nucleotide in fast allen Stoffwechselwegen treten sind und dort wichtige Funktionen üb nehm en . Sie sind zum Beispiel: • ak tiv ierte Vorstufen der DNA- und R A-S these, • Zwischenprodukte bei vielen anderen Syn sen (= z.B. UDP -Glucose, CDP -Diacylglyce S-Adenosylmethionin), • wich tige Energiequellen (= ATP und GTP), • wic htige Coenzyme als Adeninnucleo (= AD +, ADP+, FAD und Coenzym A) u • wichtige Komponenten der Signalübertrag in Körperzellen (= cAMP und cGMP).

1.2.1 Struktur der Nucleotide Nucleotide sind aufgebaut aus einer Base, nem Zucker und eine m Phosphat-Rest . Ist die Base an einen Zucker gebunden, so liegt Nucleosid vor, da s dann durch Anknüpfung nes Phosphat-Rests zum Nucleotid wird .

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energiereiche Phosphorsäureanhydrid-Bindungen, deren Spaltung Energie für an de re Reaktionen liefert. N-glykosidische Bindung

~ase

Esterbindung

/0' _

11

/0' _

11

/0' \ _

11

-, / _

_OPI - 0 C 2 - - P I -0 :;;- - P I -0 - -~

QI. \

Q)

QI.

0

4

PhosphorsaureanhydridBindungen

1

3' HO

Polydesoxyribonucieotiden (Desoxyribonucleinsäuren, DNA

~ OH H 2-Desoxy-D-Ribose

Abb. 2: Ribose und Desoxyribose

1.2.3 Basen der Nucleotide

N

5

' C~o~r

(O)H

( Nucl eosid ) )

Trin ucleotid (N uc leosidt r i phosphat) Abb. 1: St rukt ur der Nucle otide

Prinzipiell werden zwe i verschiedene Basen-Typ unterschieden: Basen, die sich vom Pyrimidin abl ten und solche, die eine Purin-Grundstruktur be zen. Es lohn t sich, hier etwas zu verweilen und Augenmerk auf die Pyrimidin- und Purin-Deriv zu richten, da in den Physikum sfragen sehr gern einzelnen Basen vertauscht werden und die richt Zuordn ung erkann t werden muss . H

. . . 9'-,CH N,

Pyrimidinderivate I I HC' 'CH ......N'/' ~------------,---------

o

NH,

M ERKE:

• Eine Esterb indung wird aus eine r Alk oh ol-Gr uppe [= OH-Gruppe) und eine r Sä ure-Gruppe gebil det und ist (r elativ) energiear m .

HN~

I~

Pyrimidin

o~.N1 .)

O.l.N) H

H

Cytosin (Cyt)

Uracil (Ura)

• Eine Säureanhydridb indung w ir d aus zwei Säur eNH,

Base n

Gruppen geb ildet und ist en ergierei c h.

N/"

,

I,

1.2.2 Zucker der Nucleotide Nu cleotide besitzen Pent osen, also Zucker mit fün f Kohlens toff-Atomen. Dab ei werde n zwei verschiedene Pent osen benutzt: die Ribose und die Desoxyribose. Den Unterschied macht das zwe ite Koh lenst offatom des Zuc kers aus : Befindet sich hier eine OH-Gru pp e, so sp richt man von einer Ribose. Ist d ie OH -Gruppe durch einen H-Rest ersetzt, sprich t man von einer Desoxyribose. Passend zu m Na men, werden die Ribosen zum Aufbau der RNA und die Desoxyrib osen für die DNA benötigt.

0 "'- N'

5

'I "

'O-\?oj ,

,

, ,

HO

o

HN~ O~N)

"O-roj HO

OH

Uridin (U)

OH

Cytidin (C) Nucleoside 0

HN~CH3 o .l.N)

'OTo) HO

Desoxy-Thymidin (dT)

O'

t?c

011

011

O-P -O -P - O' I I HO OH O· O· a-5-Phosphoribosyl-1-Pyrophosphat (PRPP Abb. 4: PRPP o

HN/y-N H,N,l,WJ-.)

Synthese der Pyrimidin-Basen Der ge na ue Ablauf ist in der Verga ngenheit Physikum nicht gefragt worden. Vielmehr kussierten sich die Fragen auf einige Eckpun der Synthese (s. Abb.7, S. 5 und Abb . 8, S. 6). HO OH Wichtig zu wissen ist aber, dass die Zuckerk Guanosin (G) po nen te - das PRPP - erst in der Mitte der S these in die Reaktion ein tri tt, na chdem vo der komplette Pyrimidin-Basenring synthetis wurde. Doch nun der Reihe nach: Abb. 3: Pyrimidinderivate und Purinderivate Die Synthese der Pyrimidin-Basen erfolgt sch weise über das relevante Zwischenprod 1 .2.4 Biosynthese der Nucleotide ! UMP (= Uri dinmonophosphat) und erzeugt Die Synthese d er Basen-Ring e der N u Endprodukt die beiden ucleotide CTP (= cleotide ist ein sehr komplexer Vor(J ' \ gang, der im Physikum aber gefragt ': . tidintriphosphat) und dTMP (= Desoxy-Thy dinmonophosphat). wird; glücklicherweise nur auszugsMöchte man die Synthese der Pyrimidin-B weise. verstehen, so beginnt man am bes ten bei Bildung der Ausgangsstoffe für diesen Syn Synthese von PRPP seweg. Als erstes wird die energiereiche Ver Der erste Schritt zur Synthese der ucleotide ist dung Carbamoyl phosph at aus Hydrogenca die Bereitstellung der aktivierten Form der Zu nat und Glutamin syn thetisiert. cker. Hierzu liefert der Pentosephosphatweg das a -D-Ribose-5-Phosphat, das nun atypisch durch Diese Reaktion wird vom Enzym Carba ATP phosphor yliert wird . Es ents teht a -S-Phosylph osp h at-Syn th etase 11 kat alysiert, das phoribosyl-l-Pyrophosphat oder kurz PRPP. energiereiche Säu reanhydridbindung aufba

"O tOJ

0

MERKE:

PRPP entsteht durch atypische Phos phorylierung von a -D-Ribose-5-Phos phat am er sten Kohlenst offAtom (norma lerweise am 5 . C-Atom).

Übrigens ... Diese Reaktion läuft im Zytoplasma ab und unterscheidet sichvon der Reaktion. dievon der mit ochondrialen Carbamoylphosphat·Syntheta· se Iim Harnstoffzyklus katalysiert wi rd.

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Carbamoylphosphalsvnthetase 11

Gluta mat +

2 ADP + PI

Q =C

/

NH,

ME RKE:

o

• UM P • UMP

-0

/ saureanhydridbindung

übertragen. Es entstehen als Produkte d dTMP und die verbrauchte inaktive Form d Folsäure - das Dihydrofolat (s. Abb . 8, S. 6).

P.-O-

6Carbamoylphosphat

Abb. 5: Synt hese von Carb amoylpho sphat

Carbamylphosphat reagiert zunächst mit Aspartat zu Carbamoylaspartat, dann weiter zu Dihydroorotat und schließlich zum Orotat. Erst jetzt tritt das PRPP in die Reaktion ein und es en tsteht das ucl eotid OMP (= Orotid inmonop hosphat). OMP wird zum releva n ten Zwische n produkt UMP (= Ur id inmono phos phat) decarb oxyliert (= CO 2-Abspalhmg, s. Abb. 7, S. 5). MER KE:

Oie Atom e des Pyrimidin-Rings sta m men von Carbamoylphosphat und von Aspartat. aus Carbamoylphosphat

aus Aspartat

Abb. 6: At omherku nft der Pyrim idine

Aus dem Zwischenprodukt UMP kann jetzt entweder CTP oder dT MP synthetisiert werden: • Um CTP herzustellen, muss UMP über VOP zu UTP phosphoryliert werden. Danach katalysiert die ATP-ab hän gige CTP -Synthetase die Herstellung von CTP. • Um dT MP her zustellen, sind umfangreichere Schritte notwendig. Als erstes wird UMP zu dUMP umgewandelt. Es wird also die

~ ~

dUMP ~ dTM P UOP ~ UTP ~ CTP

Die Reakti on zur Herstellung von dTMP wi sehr gern im Physikum gefrag t, d a sie klinis relevant ist. Aus diesem Grund wird sie hi noch einmal näher betrachtet. Die Folsäure ist als Vitamin für d en mensc lichen Körper sehr wertvoll und unterlie einem Recyclingprozess. Die inaktive Form d Folsäure - das Dih ydrofolat - wird durch die D hydrofolat-Red uk tase zum aktiven Tetrahyd r folat u mgewandelt. Aktive Form deshalb, we nur an Tetra hy drofolat eine Kohlenstoff-Einh e an geknüpft werde n kann. In diesem Fall stamm di e Kohl enstoff-Einh eit vom Serin, welches dan zum Glycin u mgewandelt wird und der Ko lenstoff-Donator M ethylen-Tetrahydrofolat en steht. Methylen -Tetrah ydrofolat üb erträgt d an eine Kohlenstoff-Einheit - die Methylen-Grupp - auf dUMP und es entsteht dTMP. Somit kann ma n festhalten. dass am letzt Schritt der Syn these von dTMP zwei wichti Enzyme be teiligt sind: • Die direkt wirkende Thy mi dy lat-Syn tha und • d ie indirekt wirkende die Dih yd rofolat-R duk tase. Seide Enzyme können gehemmt werden un führen dann zu einer Inhibierung der Synthe von dT MP (s. Abb. 9, S. 6): • Die Thymidylat-Synthase wird durch Fluor racil (= 5FU) gehemmt und • di e Dih ydrofolat-Reduktase durch Amin op t rin und M eth otrexat (= MTX).

Carbamoy l - P

Dihydroo rotat

NAD+ (Ubichinon) NADH + H+ (Ubichinol)

Orotat

o

-J

HN /

PO

2-

03

cO~ 2

J:

pp.

11

I

C

" CH

1

11

C

C

P - Ribose - PP Orotat Phosphoribosyltransferase

o 11

HN /~CH

" N/ ' COOH

o

-J

I / C" /

2---~'------) 7

0 3 PO

c O/,/' 2

11 CH

N

o

Orotidin-5'-phosphatdecarb oxylase

HO

OH

Orotidin -5'-monopho sphat OMP

HO

OH

Uridin-5'-monoph osphat UMP

Abb. 7: Synthese der Pyrimidin e bis UMP

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HO

OH

Uridin-5'-monophosphat UMP

UDP