Biochemie II

• autonome Aktivierung der Wachstumssignalkaskaden
• Deregulation von wachstumshemmenden Mechanismen
• Nichtausführung des programmierten Zelltodes
• ungehindertes Replikationspotential
• fortwährende Blutgefässbildung
• Gewebsinvasion und Metastasenbildung
• De-Regulation des zellulären Energiehaushaltes
• Verhindern einer Immunantwort
• Genominstabilität und Mutationsrate
• tumorfördernde Entzündungsreaktion

Gentechnologie ist die Methode zur Rekombination des genetischen Materials (der Desoxyribonukleinsäuren, DNA), zur Wiedereinführung der Rekombinanten-DNA in Bakterien (Prokaryonten) oder kernhaltige Zellen (Eukaryonten) und zur Vermehrung der rekombinierten DNA-Moleküle in neuer Umgebung

In die befruchtete Eizelle eines Tieres wird ein fremdes DNA-Konstrukt der Wahl (Transgen) eingeschleust. Individuen, in denen sich das Transgen stabil in die Erbmasse (Genom) integriert hat, bezeichnet man als transgene Tiere.

Tiere, bei denen eines oder mehrere Gene verändert wurden. Sie dienen der Erforschung von Krankheiten und Medikamenten.

totipotent:

Zellen, die die Fähigkeit haben, sich in alle Zelltypen eines Organismus differenzieren zu können, bzw. sich zu einem kompletten, lebensfähigen Organismus zu entwickeln

Morula, Trophoblast und 3 Keimblätter

pluripotent:

als Pluripotenz bezeichnet man die Fähigkeit von Stammzellen, sich in nahezu alle Zelltypen der drei Keimblätter differenzieren zu können.

Innere Zellmasse Blastozyste, nicht mehr fähig Trophoblast zu bilden, möglich: Mesoderm, Ektoderm, Endoderm

multipotent:

Als multipotent bezeichnet man Zellen, die die Fähigkeit haben, sich zu verschiedenen Zelltypen innerhalb eines Gewebetyps zu differenzieren.

Stammzellen, keimblattspezifisch

Eine knock-out-Maus ist eine Maus bei der mittels einer genetischen Manipulation gezielt ein Gen inaktiviert wurde. Diese Manipulation geschieht an den embryonalen Stammzellen (von Mäusen), die dann in die Keimbahn einer Maus eingebracht werden. Mit Hilfe der genetisch veränderten Tiere können beispielsweise biologische Mechanismen untersucht werden. Ausserdem eignen sie sich als Modelle für menschliche Erkrankungen oder für pharmakologische Fragestellungen.

Unter Klonieren versteht man die Produktion eines oder mehrerer genetisch identischer Individuen. Man unterscheidet in erster Linie reproduktives von therapeutischem Klonieren.

Natürlich entstehende Klone:

• bei Pflanzen häufig (vegetative Fortpflanzung) z.B. Kartoffelknollen. Wichtig in der Pflanzenzucht: Vermehrung durch Stecklinge oder Pfropfen.
• bei niederen Tieren asexuelle Fortpflanzung durch Knospung (Hydra, Korallen)
• bei höheren Tieren inkl. Säuger: eineiige Zwillinge oder Mehrlinge

Posttranslationelle Modifikation:

Häufig findet gleichzeitig mit dem Processing eine posttranslationelle Modifikation statt. Darunter versteht man eine enzymatische Anlagerung spezieller Gruppen an das Protein.

Im Vordergrund stehen dabei:

• Glykosylierungen, das heisst Einführung von Zuckergruppen (Glykoproteine, zum Beispiel: Rezeptoren, Oberflächenproteine, Membranproteine)
• Methylierungen (zum Beispiel: Histone)
• Acetylierungen (zum Beispiel: Histone)
• Phosphorylierungen (Phosphoproteine, zum Beispiel: aktive versus inaktive Glykogensynthetase, beziehungsweise Glykogenphosphorylase; aktive Krebsproteine, Regulation des Zellzyklus; Aktivierung / Inaktivierung von Kinasen, Signalübermittlung)
• Karboxylierungen (zum Beispiel: Vitamin K abhängige Karboxylierung von Glutaminsäureresten
  in Prothrombin und anderen Gerinnungsfaktoren)
• Hydroxylierungen (Prolinreste versus Hydroxyprolinreste im Kollagen)
• Poly(ADP)-Ribosylierungen, das heisst Anhängen von langen Polymeren, die aus Nikotinamidadenindinucleotiden (NAD) hergestellt wurden (hat möglicherweise etwas mit der Steuerung der DNA-Reparatur, der DNA-Replikation, der DNA-Struktur und der Differenzierung von Zellen und Geweben zu tun).
• Isopeptidische Verbindung, das heisst Verknüpfen zweier Proteine durch eine Peptidbindung (zum Beispiel: Anhängen von Ubiquitin an das Histon H2A; diese Modifikation bringt das Histon H2A in eine andere funktionelle Form).

Processing:

Unter Processing versteht man die enzymatische Abspaltung dieser aminoterminalen Sequenz aus den Proteinvorstufen; bei einzelnen Proteinen (zum Beispiel Insulin) finden zusätzlich auch Abspaltungen im Inneren der Kette statt. Der Sinn des Processings liegt häufig darin, dass aus einer inaktiven Vorstufe ein funktionstüchtiges Protein gemacht wird (“Veredlung“).

Die Signalübermittlung spielt bei der Kommunikation und Interaktion zwischen den Zellen, Organen und innerhalb des gesamten Organismus eine ausserordentlich wichtige Rolle. Mehrstufige und komplexe Signalwege ermöglichen das Verstärken oder Hemmen von Signalen und bieten mehrfache Kontroll- und Verzweigungsmöglichkeiten.

Ein Gen, das an der Entstehung von Krebs beteiligt ist.

Man nimmt an, dass die Proteine der Proto-Onkogene normalerweise physiologische Funktionen in der Zelle ausüben. Damit diese Proteine onkogen werden, muss das Proto-Onkogen in ein Onkogen transformiert werden (meistens durch eine Mutation, welche zur Überaktivität der kodierten Proteins führt). Durch eine einzige Mutation im Gen für dieses Protein wird das Proto-Onkogen plötzlich zum aktiven Onkogen.

Ein Tumorsuppressorgen kodiert ein Protein, welches in der Regulation von Zellwachstum eine Rolle spielt. Gene, die für Tumorsuppressoren kodieren, sind oft in Krebserkrankungen mutiert.

Polymerase-Ketten-Reaktion

Sie erlaubt mit Hilfe des Enzymes DNA-Polymerase bestimmte DNA-Abschnitte (zum Beispiel Gene oder Genteile) zu amplifizieren.

Die PCR benötigt mehrere grundlegende Komponenten. Diese sind:

• die Original-DNA, die den zu vervielfältigenden Abschnitt enthält (Template)
• zwei Primer, um auf den beiden Einzelsträngen der DNA jeweils den Startpunkt der DNA-Synthese festzulegen, wodurch der zu vervielfältigende Bereich von beiden Seiten begrenzt wird
• DNA-Polymerase, die bei hohen Temperaturen nicht zerstört wird, um den festgelegten Abschnitt zu replizieren(z.B.Taq-Polymerase)
• die 4 aktivierten Basen: Desoxyribonucleosidtriphosphate, die Bausteine für den von der DNA-Polymerase synthetisierten DNA-Strang
• Mg²⁺-Ionen, für die Funktion der Polymerase essentiell, stabilisieren die Anlagerung der Primer und bilden lösliche Komplexe mit den Desoxyribonucleosidtriphosphaten
• Pufferlösungen, die eine für die DNA-Polymerase geeignete chemische Umgebung sicherstellen

komplementäre DNA

cDNA ist DNA, die mit Hilfe von mRNA-Matrizen im Labor synthetisiert wird.

Expressionsvektor: Klonierungsvektor, der so konstruiert ist, dass eine an einer bestimmten Stelle eingebaute codierende
Sequenz transkribiert und in Protein translatiert wird.

Immunisierung mittels DNA Expressionsvektoren, die ein Antigen exprimieren können (im Gegensatz zur Vakzine mit dem Antigen)

DNA-Vakzine werden normaleweise mit einer physiologischen Kochsalzlösung direkt in einen Muskel injiziert (ca. 100 mg Plasmid). Eine gute Alternative ist auch die “Gene Gun” (Heliumspritzpistole): dabei wird nur 1 mg Plasmid an Goldpartikel gebunden und mit Hilfe der Pistole in die Haut geschossen.

Stammzellen sind teilungsfähige Zellen, die noch nicht ausdifferenziert sind. Das heisst, sie können
sich vermehren (ohne ihre Pluripotenz zu verlieren) und sich nach Behandlung mit Differenzierungshormonen in organspezifische Zellen differenzieren.

Embryonale Stammzellen:

• aus 4-5 d alten Embryonen (Blastozysten gewonnen)
• sind pluripotent, sie können sich in mehr als 200 Zelltypen entwickeln
• etisch umstritten

Adulte Stammzellen:

• z.B. im Knochenmark, in der Haut, im Hirn
• multipotent und können sich daher i.d.R. nur noch in bestimmte Zelltypen eines einzigen Gewebes entwickeln
• ethisch unbedenklich

Nabelschnur-Stammzellen

• aus dem Nabelschnurblut
• werden erfolgreich bei Kindern für die Behandlung von angeborenen Immunkrankheiten oder Blutkrebs verwendet
• etisch unbedenklich

Fötale Stammzellen

• werden aus abgetriebenden Föten gewonnen
• ethisch gelten sie als weniger heikel als ES-Zellen, weil abgetriebene Föten bereits tot sind

Menstruationsblut-Stammzellen (Endometrium Stammzellen)

• das Endometrium ist Ursprung für verschiedene Typen von Stammzellen (epitheliale, mesenchymale und endotheliale)

Induzierte pluripotente Stammzellen( iPS-Zellen)

• Induktion eines pluripotenten Zustandes in differenzierten Zellen
• De-Differenzierung jetzt möglich durch die Zugabe von Proteinen und speziellesn Faktoren (ohne Transduktion durch Viren)
• fast unbegrenztes Vermehrungspotential in Kultur
• haben die Möglichkeit sich spezifisch zu jedem gewünschten Zelltyp differenzieren zu lassen
• Alternative zu embryonalen und fötalen Stammzellen

Gentherapie ist der Vorgang durch den ein Gen in die Zellen eines Organismus eingeführt wird, wodurch diese Zellen dann in der Lage ist ein funktionelles Protein zu bilden.
Meist werden Gene eingeführt die für Proteine kodieren welche die Zellen sonst nicht produzieren können.
Der übliche Ansatz ist hierdurch Krankheiten zu therapieren, die durch ein mutiertes oder fehlendes
Gen bzw. Protein verursacht werden.

Die CRISPR/Cas-Methode ist eine biochemische Methode um DNA gezielt zu schneiden und zu verändernt, Gene können mit dem CRISPR/Cas-System eingefügt entfernt oder ausgeschaltet werden.

CRISPR

• CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats undsind Abschnitte sich wiederholender DNA (“repeats”) in Prokaryonten
• wurde ursprünglich in Bakterien entdeckt und ist Teil ihres adaptiven Immunsystems gegen virale Infektionen
• das CRISPR/Cas9-System besteht aus einer Genschere (Cas9 Nuklease), die DNA zerschneiden kann, und DNA-Sequenzvorlagen (small guide RNA, sgRNA), welche die DNA-Sequenzen identifiziert, die zerschnitten werden sollen

• Bundesgesetz über die Gentechnik im Ausserhumanbereich (Gentechnikgesetzt, GTG)
• Bundesgesetz über die Forschung an embryonalen Stammzellen (Stammzellforschungsgesetz, StFG)
• Bundesgesetz über die medizinisch unterstützte Fortpflanzung (Fortpflanzungsmedizingesetz, FMedG)
• Tierschutzgesetz (TSchG)
• Bundesgesetz über Lebensmittel und Gebrauchsgegenstände (Lebensmittelgesetz, LMG)

• soll den Menschen, die Tiere und die Umwelt vor Missbräuchen der Gentechnologie schützen und dem Wohl bei der Anwendung der Gentechnologie dienen
• Ziele
  • Schutz der Gesundheit und Sicherheit des Menschen, der Tiere und der Umwelt
  • Erhalten der biologischen Vielfalt und der Fruchtbarkeit des Bodens
  • Erhalten der Achtung der Würde der Kreatur
  • Erhalten der Wahlfreiheit der Konsumentinnen/Konsumenten
  • Verhindern der Täuschung über Erzeugnisse
  • Fördern der Information
• das Berücksichtigen der Bedeutung der wissenschaftlichen Forschung im Bereich der Gentechnologie für Mensch, Tier und Umwelt sind explizit erwähnt
• die verschiedenen Kapitel des Gentechnikgesetzes regeln
  • den Umgang mit gentechnischen Organismen durch allgemeine Grundsätze (Achtung der Kreatur, Veränderungen an Wirbeltieren, Freisetzungsversuche)
  • spezielle Bestimmungen (Information Abnehmener, Trennung Warenfluss, Kennzeichnung)
  • den Vollzug (Bund, Kanton, Eidg. Fachkommission für biologische Sicherheit, Eidg. Ethikkommission für Biotechnologie)
  • die Rechtspflege (Beschwerdeverfahren)
  • die Haftpflicht (Schädigung der Umwelt, Verjährung)
  • die Strafbestimmung

• Verordnung über den Umgang mit Organismen in geschlossenen Systemen (Einschliessungsverordnung, ESV)
• Verordnung über den Umgang mit Organismen in der Umwelt (Freisetzungsverordnung, FrSV)
• Verordnung über den Schutz der Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer vor Gefährdung durch Mikroorganismen (SAMV)
• Verordnung über den Schutz vor Störfällen (Störfallverordnung, StFV)

• die Einschliessungsverordnung soll vor Gefährdungen und Beeinträchtigungen durch den Umgang mit Organismen, deren Stoffwechselprodukten und Abfällen in geschlossenen Systemen schützen
• als geschlossene Systeme versteht man Einrichtungen, die den Kontakt der Organismen mit Mensch und Umwelt begrenzen oder verhindern
• die Einschliessungsverordnung betrifft somit alle Laborarbeiten mit Organismen oder Zellen in der Forschung
• solche Arbeiten unterliegen einer Meldepflicht und in gewissen Fällen sogar einer Bewilligungspflicht (Risikoklasse 3 und 4)
• sowohl die Organismen als auch die geplanten Arbeiten werden einer Risikogruppe zwischen 1 (kein oder vernachlässigbares Risiko) und 4 (hohes Risiko) zugeteilt

• die Freisetzungsverordnung soll den Menschen, die Tiere und die Umwelt sowie die biologische Vielfalt und deren nachhaltige Nutzung vor Gefährdungen und Beeinträchtigungen durch den Umgang mit Organismen (insbesondere gentechnisch veränderten Organismen), deren Stoffwechselprodukten und Abfällen schützen
• je nach Umfeld kommen auch die Einschliessungsverordnung, die Verordnung über den Schutz der Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer, die Pflanzenschutzmittelverordnung oder die Biozidprodukteverordnung zur Geltung
• diese Verordnung regelt die Anforderungen an den Umgang mit Organismen in der Umwelt, die Bewilligungs- und Meldepflicht, sowie behördliche Aufgaben
• der zentrale Aspekt der Freilassungsverordnung ist das Festlegen der Bewilligungsverfahren und Meldungen von Freisetzungsversuchen und Inverkehrbringen gentechnisch veränderter, pathogener oder gebietsfremder Organismen

Risikogruppe 1:

„Biostoffe, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sie beim Menschen eine Krankheit hervorrufen.“

Risikogruppe 2:

„Biostoffe, die eine Krankheit beim Menschen hervorrufen können und eine Gefahr für Beschäftigte darstellen könnten; eineVerbreitung in der Bevölkerung ist unwahrscheinlich; eine wirksame Vorbeugung oder  Behandlung st normalerweise möglich.“

Risikogruppe 3:

„Biostoffe, die eine schwere Krankheit beim Menschen hervorrufen und eine ernste Gefahr für Beschäftigte darstellen können; die Gefahr einer Verbreitung in der Bevölkerung kann bestehen, doch ist normalerweise eine wirksame Vorbeugung oder Behandlung möglich.“

Risikogruppe 4:

„Biostoffe, die eine schwere Krankheit beim Menschen hervorrufen und eine ernste Gefahr für Beschäftigte darstellen; die Gefahr einer Verbreitung in der Bevölkerung ist unter Umständen groß; normalerweise ist eine wirksame Vorbeugung oder Behandlung nicht möglich.“ 

C₆H₁₂O₆

Nur 1 der natürlich vokommenden Aminosäuren ist rein ketoplastisch, nämlich Leucin. Ihr C-Skelett wird zu Acetyl-CoA abgebaut. Damit ist Leucin ein potentieller Ketonkörperbildner, kann aber nicht zur Glukoneogenese verwendet werden.

• Leucin (Leu)

Von den 20 in Proteinen vorkommenden Aminosäuren sind 15 glukoplastisch, das heisst können zur Glukoneogenese verwendet werden. Ihre C-Skelette treten an 4 Stellen in den Zitratzyklus ein (α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat und Oxalacetat) oder werden via Pyruvat und die Auffüllreaktionen zu Oxalacetat umgewandelt. Von dort her nehmen sie den Aufstieg zum Phosphoenolpyruvat und weiter zur Glukose.

• Alanin (Ala)
• Asparaginsäure (Asp)
• Arginin (Arg)
• Asparagin (Asn)
• Cystein (Cys)
• Glutaminsäure (Glu)
• Glutamin (Gln)
• Gylcin (Gly)
• Histidin (His)
• Methionin (Met)
• Prolin (Pro)
• Serin (Ser)
• Threonin (Thr)
• Tryptophan (Trp)
• Valin (Val)

Nur 4 Aminosäuren (Isoleucin, Phenylalanin, Tyrosin, Lysin) sind gemischt keto- und glukoplastisch.
Ihre C-Skelette werden in verschiedene Bruchstücke zerlegt, von denen die einen weiter zu Acetyl-CoA abgebaut werden, während die anderen in den Zitratzyklus eintreten. Deswegen sind diese Aminosäuren gemischt keto- und glukoplastisch.

• Isoleucin (Ile)
• Lysin (Lys)
• Phenylalanin (Phe)
• Tyrosin (Tyr)

CH₄N₂O

Von den 20 in Proteinen vorkommenden Aminosäuren sind 10 essentiell, das heisst können vom Säugetierorganismus nicht selbst synthetisiert werden, sondern müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Die übrigen 10 sind nichtessentiell, das heisst entstehen im tierischen Organismus durch Eigensynthese.

Essentielle Aminosäuren

• Arginin
• Histidin
• Lysin
• Tryptophan
• Phenylalanin
• Methionin
• Threonin
• Valin
• Leucin
• Isoleucin

Nichtessentielle Aminosäuren

• Alanin
• Cystein
• Serin
• Glycin
• Prolin
• Tyrosin
• Glutaminsäure
• Glutamin
• Asparaginsäure
• Asparagin

Gesamtheit aller Stoffwechselprozesse, die über viele Zwischenstufen zum Auf- und Abbau von körpereigenen Substanzen dienen

Energie + kleine Moleküle →grosse Moleküle

grosse Moleküle →kleine Moleküle + Energie

Oxidation: Elektronenabgabe

Reduktion: Elektronenaufnahme

Bildung von ATP in einer Kette von 2 hintereinander geschalteten Reaktionen, in deren Verlauf anorganisches Phosphat (P_i) auf ADP übertragen wird

Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid

Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat

Flavin-Mononukleotid

Flavin-Adenin-Dinukleitid

Uridindiphosphat

Uridintriphosphat

Vitamine sind lebensnotwendige, kleinmolekulare, organische Verbindungen, welche vom Organismus nicht oder nur in ungenügendem Ausmass synthetisiert werden können.