Biological Engineering
Biological Engineering, BMS, HS albsig
Biological Engineering, BMS, HS albsig
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Cartes-fiches
Aus welchen Biopolymerklassen sind Ribozyme aufgebaut? Welche Molekülklasse ist katalytisch aktiv? Welche wenigen Reaktionen katalysieren Ribozyme?
Aus Ribonukleotiden, zum Beispiel Spliceosom der mRNA
Ribozyme --> binden spezifisch an Zielmoleküle und katalysieren enzymatische Reaktionen, RNA ist katalytisch aktiv
Was spricht dafür, dass ein Ribozym nicht als Katalysator bezeichnet werden kann? Welche Bezeichnung wird deshalb alternativ verwendet?
Gegen die Bezeichnung Katalysatoren spricht, dass sich die Konformation der Ribozyme irreversibel mit der Reaktion ändert --> im Gegensatz zu Enzymatischen Katalysatoren
Das Ribozym zerschneidet sich in Anwesenheit seines Metabolits selbst --> Daher auch Riboswitch (regulatorischer Riboschalter) genannt
Gibt es neben dem Splicing durch Spliceosom auch autokatalytisches RNA Splicing?
Ja, zum Beispiel Gruppe II-Intron --> Spalten RNA autokatalytisch, wenn physiologische Umgebung bestimmte Werte erreichten ergibt sich eine enge räumliche Nachbarschaft der Exons + 2´-OH-Adenyl in Intron --> 2x Umesterung
Ansonsten noch Gruppe I-Introns --> in Mitochondrien von Pilzen und Pflanzen
Worin besteht der Unterschied in der Zusammensetzung & im Aufbau der Ribosomen von Pro- und Eukaryoten? Welche Moleküle sind die eigentlichen Proteinsynthesizer?
Eukaryoten:
- 80 S Ribosome, 60 S und 40 S UE
- Im Cytoplasma, Mitochondrien, Chlororplasten
Prokaryoten
- 70 S Ribosome, 50 S und 30 S UE
- Im Cytoplasma
Proteinsynthesizer ist Ribosom
Wieviele Domänen besitzen Enzymeinheiten zum Einbau einer AS in nichtribosomalen Peptidylsynthetasen (NRPS)?
Welche Aufgaben haben diese Domänen im Multiple Carrier Modell der NRPS?
A-Domäne: Adenylierungsdomäne - Selektion der Aminosäuren (A-Domänen für 300 verschiedene Substrate bekannt!) --> gate keeper - Code für Spezifität von A Domäne - genom mining, ATP abhängige Aktivierung der Aminosäure --> AMP Ester + PPi
T-Domäne: PCR - Thiolierungsdomäne oder Peptidylcarrierprotein, PTM mit 4´Phosphopantetheinylrest (4-Ppant), WW mit verschiedenen Partnerdomänen zu definierten Zeitpunkten
C-Domäne: Condensationsdomäne - meist am Start eines NRPS Moduls, katalysiert Bildung der neuen Peptidbindung zwischen benachtbarten T gebundenden Substraten, Modellannahme: 2 verschiedene katalytische Binderegionen,
acceptorsite: bindet neue AS der eigenen T-Domäne
donorsite:bindet Teilpeptid der T-Domäne des vorhergehenden Moduls
Te-Domäne: Thioesterasedomäne - oft am Ende einer NRPS Kaskade (C-Terminus des Synthesepeptids), direkte Freisetzung oder Zyklisierungdes Substratpeptides
E-Domäne: Epimerisierungsdomäne - generiert D-AS aus L-AS
Wie viele und welche Subtrate haben autokatalytische RNAs?
Als Substrat nur sich selbst (also eins)
Wie kann der Thioester, der bei der Cystein-Methode am C-Terminus benötigt wird um toxische oder spezifisch modifizierte Proteine herzustellen, hergestellt werden?
- Klonierung einer Proteinsequenz in einen Expressionsvektor mit Inteinsequenz
- Protein wird als N-terminales Extein exprimiert
- Kein C-terminales Extein (kein H, C) --> keine Ligation der Exteine möglich
- N--> S-Acyltransfer findet statt --> stabiler Thioester
- Thioester kann durch Behandlung mit nukleiophil (Thiolreagenz) freigesetzt werden
Vergleichen Sie RNA vs. Protein Splicing
RNA Protein
Intron-Extron Intein-Extein
Spliceosom & autokatalytisch auokatalytisch
Variabilität auf mRNA Ebene PTM
--> translationale Proteinvariabilität --> Proteinvariabilität
Was ist die Expressed Protein Ligation EPL?
Ein Protein-Splicing Mechanismus
Durch Thiolgruppe induziertes Splicing
Anwendung zum Beispiel: - zwei nichttoxische rekombinante Proteinfragmente eines zelltoxischen Proteins
Nennen Sie ein Beispiel wie das Splicing in der Antibiotischen Therapie eingesetzt werden kann.
Bei Mycobakterium tuberculosis --> Hemmen des Splicing-Vorgangs von 2, für das Bakterium, lebenswichtigen Proteinen.
Was ist die NRPS?
Nicht-Ribosomale Proteinsynthese
Enzyme, die unter Einfluss von RNasen und Ribosom-Inhibitoren Proteine synthetisieren können.
Mindestens 3 katalytische Domänen dienen als NRPS
1) Adenylierung der AS (ATP -> AMP)
2) Bildung des Aminoacylthioester (Anhängen von SH, wobei AMP abgeht)
3) Bildung neuer Peptidbindung (NH2 reagiert mit SH an C-Terminus)
4) Ende der gesamten NRPS Kaskade, Abspaltung des fertigen Peptids oft als Cyclopeptid
Benennen Sie die Arbeitsfelder der Biotechnologie.
rot: Medikamente/Therapeutika
grün: Pflanzenschutz
weiß: industriell
grau: Umwelt
blau: Meeresorganismen
geld: Lebensmittel und Grundstoffherstellung
Welche Systeme und Verfahren werden in der Biotech. eingesetzt?
- Bakterien/Zellen
- Enzyme, RNA, DNA, Ribosome,..
- Fermentatoren
- Nährmedium
- Wissenschaftsgebiete wie: Genetik, Zellbiologie, Mikrobiologie, Thermodynamik, Verfahrenstechnik
Was sind historische, biotechnologische Produkte?
Salpeterproduktion, Bier, Essig
Wie lautet die moderne Definition von Antibiotika? Sind Sulfonamide, Natriumazid und H2O2 Antibiotika?
Jedes chemotherapeutische oder antibakterielle Mittel , das auch bei hoher Verdünnung eine Aktivität gegen MO´s zeigt.
In Abgrenzung zu Antiseptika: natürlich gebildet (Bakterien oder Pilze)
Ja, nein, nein
Wie ist die Klassifizierung von Antibiotika nach bakterizid und bakteriostatisch definiert?
Bakteriostatisch --> Verhinderung der Vermehrung von Bakterien
Bakteriozid --> Abtöten von Bakterien
Nennen Sie 5 klassische Targets von heutigen Antibiotika
- Zellwandsynthese
- DNA/RNA Synthese
- Proteinsynthese
- Folatsynthese
- Depolarisation
Nennen Sie die 3 wichtigen Mechanismen der Antibiotikaresistenz, wie werden Resistenzgene zwischen Bakterien ausgetauscht?
- Targetveränderung
- Wirkstoffabbau
- Metabolischer Bypass
- reduzierte Antibiotikaaufnahme
- erhöhter Antibiotikaefflux
--> Resistenzgen auf Plasmid wird vertikal (durch Konjugation, Transduktion, Transformation) oder horizontal (durch Vererbung) weitergegeben
Nennen Sie 3 prinzipiell mögliche Quellen für neue Antibiotika & begründen Sie in einem Satz Ihre Einschätzung für die erwartete Erfolgsrate & den erwarteten Aufwand.
1) Chemische Synthese: mächtiges & einfaches Tool, aber selten Hits
2) Synthese aus antibiotischen Naturstoffen: modifizieren von Naturstoffen --> gleiches Target --> gute Chancen
3) Isolation neuer antibiotischer Naturstoffe: schwer und Zufallsfund
Wie wirkt Penicillin auf molekularer Ebene? Warum wirkt Penicillin nur bei teilenden Bakterien & warum viele u. a. nur bei gram +?
Penicillin bindet die Transpeptidase, die für die Quervernetzung der Peptidoglykanschicht während der Zellwandsynthese ist --> gestörte Zellwandsynthese durch Penicillin --> osmotischer Druck --> Zelle platzt --> nur bei teilenden Zellen der Fall
Da Gramnegative Bakterien im Gegensatz zu Grampositiven Bakterien eine nur sehr dünne Peptidoglykanschicht besitzen wirkt Penicillin überwiegend nur bei Grampositiven.
Warum ist Penicillin für Säuger gesundheitlich unschädlich?
Zellen von Säugern besitzen keine Zellwand
Wodurch konnte die Entiwcklung von Penicillin vorangetrieben werden?
Kontinuierliche Fermentation
verbesseres Down-Streaming
optimierung von Pilzstämmen und Medien
Welcher Resistenzmechanismus führt dazu, dass Penicilline unwirksam werden? Wie wurden Penicilline optimiert, um solche Resistenzen zu umgehen?
Welchem der 5 generellen Resistenzmechanismen ist diese Reaktion zuzurechnen?
1) Spaltung des ß-Lactam-Rings --> Wirkstoffabbau
2) Modifizierte Transpeptidase (Baut Penicillin nicht ein) --> metabolischer Bypass
Was sind MRSA? Welche Antibiotika galten lange als Reserveantibiotika zur Behandlung von MRSA?
Methicillin-resistenter-Staphylococcus Aureus
Vancomycin --> seit 2002 auch Resistenz
Wie unterscheiden sich Vancomycin und Penicillin in Ihrem Wirkmechanismus?
Vancomycin: sterische Hinderung des Angriffs der Transpeptidase --> keine Peptidverknüpfung
Penicillin: reagiert mit aktivem Zentrum der Transpeptidase --> keine Peptidverknüpfung
Wie umgehen Vancomycin-resistente Bakterien den Wirkmechanismus?
Gen vanA --> Umbau der Zellwand in eine mit Vancomycin inkompatible Form (Metabolischer Bypass)
Vergleichen Sie die Prinzipien der antibiotischen Mechanismen der Hemmung der RNA Synthese am Beispiel deas Rifampicin und des Aktinomycin
Rifampicin --> blockiert mRNA- Austrittskanal der bakteriellen RNA-Polymerase (keine mRNA -> keine Proteine) - bakterizid
--> Resistenz durch Targetmodifikation
Aktinomycin --> wirkt interkalierend auf die DNA, steht nicht mehr zur mRNA Synthese zur Verfügung --> keine mRNA - bakteriostatisch
--> Resistenz durch modifizierte Zellmembran
Begründen Sie warum die Folat-, Zellwand- & Proteinbiosynthese für die Entwicklung von Antibiotika optimale Targetstrukturen bilden.
Bakterienspezifische Targets mit vielen Möglichkeiten (Wirkstoffmodifizierung)
Trotz gut etablierter & zuverlässiger Nachweisverfahren werden in ca. 40-60 % bakterieller Infektionen unwirksame Antibiotika verordnet. Was könnte der Grund dafür sein?
Oft werden Breitbandantibiotika eingesetzt, in der Hoffnung es trifft den Keim.
Diagnostik/serotypisierung teuer und zeitaufwändig
Welche Schritte werden durch die Antibiotika Tetracyclin, Erythromycin, Chloramphenicol Fusidinsäure geblockt?
Tetracyclin --> blockiert Anlagerung der tRNA am 30S Ribosom
Chloramphenicol --> blockiert Peptidyltransferzentrum aus 50 S UE
Erythromycin --> blockiert Translokation der tRNA auf 50S UE
Fusidinsäure --> Elongationsfaktor und verhindert dadurch die Proteinbiosynthese am bakteriellen Ribosom
Was sind die Schwachpunkte bei Penicillin?
1) säurelabiles Molekül --> semisynthetische Stabilisierung gegen Säure
2) schlechte Pharmakokinetik (HWZ, schlechte Absorption) --> Prodrug
3) ß-Lactamase deaktiviert ß-Lactamring (schnelle Resistenzentwicklung) --> zum Beispiel Methicillin stabil durch sterische Hinderung
Wie wirkt Vancomycin?
Reserveantibiotika - hemmt die Zellwandsynthese --> sterische Hinderung des Angriffs der Transpeptidase
Nennen Sie die 6 Angriffspunkte und jeweils ein Beispiel
- Zellwandsynthese (Penicillin, Methicillin, Vancomycin)
- DNA/RNA Synthese (Rifampicin, Actinomycin D)
- Proteinbiosynthese (Trtracyclin, Chloramphenicol, Erythromycin, Fusidinsäure)
- Folatsynthese
- Depolarisation (Gramicidin--> Baut sich in Zellwand ein und bildet ähnlcih wie Defensine Pore)
Was sind Konjugation, Transfromation und Transduktion?
vertikale Gentransfers
- Konjugation: Plasmidübertragung zwischen Bakterien
- Transduktion: über Phagen
- Transformation: Aufnahme von Plasmiden toter Bakterien
Nennen Sie die Problematik der Antibiotika-Therapie in Zusammenhang mit den humanen Mitochondrien.
Endosymbiontentheorie; Mitochondrien waren Bakterien die sich in Eukaryoten eingenistet haben
--> Antibiotika zielen auf bakterielle Strukturen ab --> Mitochondrien werden geschädigt
Zum Beispiel: Aminoglycosid --> Blockiert Bindung der tRNA --> aber auch Hemmung mitochondrialer Ribosomen in Eukaryoten --> Gehörschäden
Welche Produzenten für klassische AK kennen Sie? Englisch & Deutsch
B-Zellen --> Plasmazellen
Mouse/Maus, Goat/Ziege, Rabbit/Kaninchen, Rat/Ratte, Donkey/Esel
Warum können Seren nicht direkt in Assays eingesetzt werden? Wie klnnen Seren für die Verwendung in der Diagnostik oder in Assays aufbereitet werden?
- Störfaktoren, Verunreinigungen
- viele verschiedene AK --> Aufreinigung durch Affinitätschromatographie
Welche vier Mechanismen führen zu hoher Vatriabilität der AK?
- mehrere Kopien derselben Genabschnitte können Kombiniert werden
- variable Domäne von schwerer und leichter Kette können kombiniert werden
- ungenaue Rekombination der Gensegmente
- somatische Hypermutation --> Affinitätsreinigung
Erklären Sie das prinzipielle Vorgehen bei der Herstellung von MAK
Hybridomazelle:
Immunisierte Maus --> Extraktion der Milz --> Entnahme der B-Zellen --> Fusion mit Tumorzelle --> Screening (ELISA) --> Zellkulturüberstand --> keine Affinitätschromatographie nötig, da durch ELISA schon selektiert
Beschreiben Sie die prinzipiellen Schritte zur Generierung einer Phagenbibliothek zur scFv Herstellung. Was heißt scFv? Was sind Vorteile gegenüber MAK?
Erstellen einer Phagenbib.:
- mRNA ohne Introns --> reverse Transkriptase --> cDNA --> PCR von H-Ketten-cDNA und L-Ketten-cDNA --> Einbau von H- und L-Ketten (zufällige Kombinantion) in einen Expressionsvektor --> Verpackung in lambda-Phage --> kombinatorische Phagenbibliothek
scFv --> single chain Fragment variable --> besteht nur aus Paratop
Vorteil: kleiner, leichtere Diffusion, vor allem auch in dichteres Tumorgewebe, leichter und schneller herzustellen