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Vorlesung Biologische Psychologie C. Kaernbach Literatur: Schandry, Kapitel 2 Vertiefung:

Gene von gr. génos „Herkunft“ aus ig. * gen ə - „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.

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Vorlesung Biologische Psychologie C. Kaernbach Literatur: Schandry, Kapitel 2 Vertiefung:

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  1. Genevon gr. génos „Herkunft“ aus ig. *genə- „erzeugen“wie in gr. gígnesthai „werden, entstehen“ Vorlesung Biologische PsychologieC. Kaernbach Literatur: Schandry, Kapitel 2 Vertiefung: Kandel, Schwartz, Jessell Wikipedia: empfohlen bzw. bei weiterführendem Interesse

  2. Genesis 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“ 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

  4. Vor 13,7 Milliarden Jahren • Inflationäres Universum: 1036 s bis 1033 s • in 1033 s Zunahme von weit unter Protonendurchmesserauf 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

  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 (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

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

  7. Atome

  8. Periodensystem der Elemente s. a. Elektronenkonfiguration • 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

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

  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 (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

  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 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

  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 (CO2) 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 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!

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

  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 (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

  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: 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

  21. 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+) = 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 + = + H2O

  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. 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 Zucker, Polysaccharide • „Kohlenhydrate“: oft Cn(H2O)m • Hydroxyaldehyde / Hydroxyketone und deren Polykondensate • Chiralität (optische Aktivität, links/rechtsdrehend, L/D-Form) Hexosen Pentosen

  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. A R N D C E Q G H I L K M F P S T W Y V 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, ...  Faltung

  27. 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

  28. Cytosin Uracil Thymin Guanin Adenin 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)

  29. Adenosintriphosphat 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

  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 Nukleotidenz.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 durchWasserstoffbrücken A-U, C-Gerlaubt komplexe 3-D-Strukturen

  31. Je 3 Nukleotide kodieren eine proteinogene Aminosäure 43 = 64 ⇨1 bis 6 Codons pro Aminosäure Startcodon,Stopcodon Wer legt den Code fest? Codonss. Genetischer Code GCC

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

  33. Ribosom • „Übermolekül“,kleine und großeUntereinheit • > 40 rRNA-Moleküle (rosa/gelb, Funktion) • > 50 Protein-Moleküle (blau, Struktur) • Peptidbindungenim „Graben“ dergroßen Einheit

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

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

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