Agrarbiotechnologie (Subject) / Vorlesungen 1, 2, 5, 6; WS 15/16 (Lesson)

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• Biotechnologie - Definition - eingesetzte Organismen Definition: Wissenschaft, die sich mit der Nutzung von Organismen oder Zellen zur Herstellung oder Prozessierung von Materialien befasst Querschnittswissenschaft aus Biologie und Ingenieurwissenschaften Eingesetzte Organismen: Bakterien, Pilze, Tiere, Mensch
• Klassische Biotechnologien - Bestandteile in: - Landwirtschaft - Molkereiprodukte - Getränkeprodukte - Backwaren - Haltbarmachung - Genussmittel inkl. eingesetzte Organismen und beispiel Produkte Landwirtschaft: Pflanzenbau, Tierhaltung Molkereiprodukte: Fermentation von Milch durch Bakterien, Pilze (Quark, Joghurt, Sauermilch, Kefir, Käse, etc.)  Getränkeprodukte:- Bierherstellung durch Hefepilze (ober- und untergärige Hefe)- Weinherstellung durch Hefepilze (Wein, Most, etc.) Backwaren: Teigherstellung durch Hefepilze, Bakterien Haltbarmachung: Lactofermentation durch Bakterien (Sauergemüse, Sauerkraut, etc.) Genussmittel: Fermentation von Tee und Tabak durch Bakterien
• Moderne Biotechnolgiezweige - Was versteht man unter: - Rote, Weiße, Grüne, Graue und Blaue Biotechnologie Rote Bt: Medizin und Pharmazie --> Herstellung von Pharmazeutika & Diagnostika z.B. Insulin oder Antikörper Weiße Bt: industrielle Chemie --> Produktion von Enzymen, Aminosäuren, Vitaminen, Hormonen Grüne Bt: Abfallwirtschaft, Bodensanierung --> Verfahren zum Abbau von Rückständen Blaue Bt: Produktion von Meeresleben --> Bezeichnung nicht anwendungs-, sondern herkunftsorientier
• Agrarbiotechnologie - Definitionen von: - Mikrobielle Abt - Tierische Abt - Pflanzliche Abt Mikrobielle Abt: Herstellung und Anwendung von Mikroben zur Förderung des Pflanzenwachstums, Abwehr, etc. z.B. Bacillus thuringiensis, Bacillus subtilis, Paecilomyces lilacinus Tierische Abt: Reproduktionstechnologien z.B. Künstliche Besamung, Embryoklonierung, Embryotransfer, somatische Klonierung Pflanzliche Abt: Verfahren in der Pflanzenproduktion z.B. Züchtung, Vermehrung, Pflanzenschutz, Protoplasten, Zellkultur, Antherenkultur, Gewebekultur, Markerentwicklung und -anwendung, Genomic, Gentechnik: Klonierung, Rekombination, Transformation, Regeneration
• Rahmenbedingungen für die Landwirtschaft - Was gibt es für begrenzte Ressourcen? - Was gibt es für variable Produktionsfaktoren? - Der Bedarf steigt durch.... Begrenzte Ressourcen: Boden, Wasser, Nährstoffe und fossile Energie Variable Produktionsfaktoren: Bodenqualität, Niederschläge, Wasserqualität, Temperatur, Wind, Immissionen/Staub, Krankheiten/Schädlinge und Klimawandel Steigender Bedarf: Bevölkerungswachstum Änderung des Konsumverhaltens (von pflanzlicher Nahrung zu tierischer Nahrung)
• Maßnahmen zur Effizienzsteigerung sind auf allen Ebene notwendig - Ausgangsmaterial - Produktion - Infrastruktur Ausgangsmaterial: Genetische Veranlagung der Pflanze Produktion: Anbauformen, Pflanzenschutz und -ernährung, Kulturtechnik Infrastruktur: Transport, Lagerhaltung
• - Weltgesamtproduktion: ca. _____ Tonnen an Nahrungsmittel - ____% Verlust nach Ernte durch: _____ ca. 4 Mrd Tonnen 30-50% Verluste durch Transport, Lagerung, Verarbeitung, Verkauf, beim Konsumenten
• Klimawandel Trockene Gebiete werden wärmer und trockener Niederschläge ändern sich in geographischer und zeitlicher Verteilung Anzahl von Extremereignissen nimmt zu
• Erfordernisse in der Landwirtschaft keine weitere Ausweitung landwirtschaftlicher Nutzflächen, insbesondere nicht in Tropen Steigerung der Erträge durch z.B. precision farming, Methoden aus dem Ökolandbau sowie Pflanzenzüchtung optimierter Einsatz von Wasser und Nährstoffen Minimierung von Nachernteverlusten und Lebensmittelabfällen, kritische Überprüfung des Anbaus von Futter- und Energiepflanzen Offenheit für alle Problemlösungsansätze
• Entwicklung von Verfahren: Beispiel Züchtung - Selektionszüchtung - Rekombinationszüchtung - Hybridzüchtung - "Smart Breeding oder MAS (marker assisted breeding) Selektionszüchtung Auswahl von Pflanzen mit positiven Eigenschaften Beispiel: Triticium aestivum  Rekombinationszüchtung Kreuzung von Linien mit vorteilhaften Eigenschaften --> Standardverfahren für alle Kulturpflanzen Genetikkenntnisse (Mendel) Hybridzüchtung z.B. bei Mais und Roggen Kreuzung von Inzuchtlinien zur Nutzung des Heterosiseffekts in der F1 Generation Genetikkenntnisse "Smart Breeding oder MAS (marker assisted breeding) Kreuzung von Pflanzen anhand von genetischen Markern anstatt des Phänotyps Molekularbiologie und Genomik
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• Entwicklung von Verfahren beim Pflanzenschutz - 4 Stück - Ziele dieser Verfahren - Chemische Pflanzenschutzmaßnahmen - Natürliche org. und anorganische Verbindungen Arsen, Quecksilber (Pilze) Nikotin (Insekten) - Synthetische organische Verbindungen Chlorierte Kohlenwasserstoffe (Insekten) Organophosphorsäuren (Insekten) - Synthetische "Naturstoffderivate" Pyrethroide (Insekten) Strobilurine (Pilze) NeonikoInoide (Insekten) ImmunsImulatoren Ziele: Senkung der Toxizität von Pflanzenschutzmitteln für Umwelt, Anwender Optimierung der Andwendungen (Intergrierter Pflanzenschutz) Senkung der Aufwandmenge (kg-g/ha) Verringerung der Rückstandsproblematik
• Entwicklung von Verfahren: Nenne die natürlichen Gegenspieler (Antagonisten) die es im biologischen Pflanzenschutz gibt auf und wo gegen sie wirken. Entomopathogene Bakterien (Bacillus thuringiensis), Viren, Pilze und Nematoden --> gegen Insekten  Parasitäre und räuberische Insekten als Antagonisten unter Glas und im Freiland Nematophage Pilze --> gegen Nematoden Antagonistische Pilze und Bakterien --> gegen Pilze Immunstimulatorische Mikroben, z.T. als Saatgutbeize --> gegen Krankheiten & Schädlinge --> Zunehmender kommerzieller Einsatz
• Entwicklung von Verfahren in der Pflanzenernährung Wanderfeldbau Brache Beweidung Organische und mineralische Düngung Beeinflussung des Bodenmillieus (pH, organische Substanz) Präzisionsverteilung Mikrobielle Stickstofffixierung
• Entwicklung von Verfahren - Was versteht man unter Gentechnisch veränderte (transgene) Pflanzen + wichtigste Eigenschaften Pflanzen, in die neue Eigenschaften mit Hilfe gentechnischer Verfahren übertragen wurden Wichtigste Eigenschaften:- Herbizidresistenz (Soja) --> im Zusammenhang mit Minimalbodenbearbeitung- Insektenresistenz (Mais, Baumwolle)- Virsuresistenz (Papaya, Bohne)
• Ein gentechnisch veränderter Organismen ist: §3: ein Organismus, dessen genetisches Material in einer Weise verändert worden ist, wie sie unter natürlichen Bedingungen durch Kreuzen oder natürliche Rekombination nicht vorkommt....
• Verfahren zur Veränderung genetischen Materials Nukleinsäure-Rekombinationstechniken durch Einbringung von Nukleinsäuremolekülen, die außerhalb eines Organismus erzeugt wurden in Vektorsystemen neue Kombinationen von genetischem Material gebildet werden und diese in einen Wirtsorganismus eingebracht werden, in dem sie unter natürlichen Bedingungen nicht vorkommen oder: Verfahren bei denen in einen Organismus direkt Erbgut eingebracht wird, welches außerhalb des Org. hergestellt wurde und natürlicherweise nicht darin vorkommt, einschließlich Mikroinjektion, Markoinjektion und Mikroverkapselung
• Woraus besteht die Pflanze? (2 Stichpunkte) Biomoleküle Zellen
• Woraus bestehen Biomoleküle Kohlenwasserstoffe Zucker Triglyceride und Lipide Nukleinsäuren Aminosäuren und Proteine
• Moleküle organischer Substanzen, die in Lebewesen vorkommen bestehen hauptsächlich aus.... Kohlenstoff und Wasserstoff die mit Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor oder Schwefel chemische Verbindungen eingehen
• Nenne fünf funktionelle Seitengruppen von Kohlenwasserstoffe Hydroxlgruppe: C-OH Oxogruppe: C=O Oxohydroxygruppe: COOH Aminogruppe: C-NH2 Thiolgruppe: C-SH
• Zähle vier Alkohole auf Alkohol Methanol Ethanol Propanol
• Zähle vier Zuckeralkohole auf - u.a. das was von der Struktur am einfachsten aufgebaut ist Am einfachsten aufgebaut: Glycerin Ribit Mannit myo-Inosit
• Definition + allgemeine Summenformel von Zuckeralkohol Definition: Polyalkohole, die durch Reduktion der funtionellen Gruppen (Aldehyd- oder Ketogruppen) aus den ihnen verwandten Zuckern gewonnen werden können Summenformel: CnH2n+2On
• Was passiert bei einer Veresterung schwache exotherme Reaktion Säure + Alkohol = Ester --> unter Wasserabspaltung: ein H vom Alkohol und eine OH Gruppe von Säure
• Woran erkennt man Zuckermoleküle? - Nenne ein paar Zuckermoleküle Man erkennt sie an ihrer Aldehyd- (O=C-H) oder Ketogruppe (C=O) Bsp: Glycerinaldehyd, Erythrose, Arabinose, Ribose, Ribulose, Desoxyribose
• Oligosaccharide + Bsp Kohlenhydrate (Zucker) die aus mehreren gleichen oder versch. Monosacchariden (Einfachzuckern) aufgebaut und durch glycosidische Bindungen miteinander verbunden sind Bsp.: α-D-Glucopyranose + β-D-Fructofuranose = Saccharose (unter Wasserabspaltung)
• Glykosidische Bindung + Definition + Isomerie + Beispiele Definition: entsteht zwischen Hydroxylgruppe (-OH) eines Saccharids und einer OH-Gruppeoder NH2-Gruppe eines anderen Moleküls Bei Zucker-Oligo-/Polymeren unterscheidet man anhand der Position der verknüpften OH-Gruppe des nächsten Monosaccharids ferner: 1,1-glykosidische Bindung (z.B. in Trehalose)1,2-glykosidische Bindung (z.B. in Saccharose)1,3-glykosidische Bindung (z.B. in Laminaribiose)1,4-glykosidische Bindung (z.B. in Amylopektin und Stärke)1,6-glykosidische Bindung (z.B. in Gentiobiose und als "Querverbindung" in Glycogen)  Beispiele: Disaccharide wie Maltose und Lactose oder Nukleoside wie Adenosin
• Wo von ist Amylose ein Bestandteil? + Massenanteil + Bsp wo es vorhanden ist Bestandteil der natürlichen, pflanzlichen Stärke Massenanteil: etwa 20–30 Prozent z.B. in Mais oder Kartoffel
• Wovon ist Amylopektin der Hauptbestandteil? + Bsp wo es vorkommt Hauptbestandteil (70–80 %) der natürlichen pflanzlichen Stärke z. B. der Mais- oder der Kartoffelstärke
• Was versteht man unter der gentechnischen Veränderung von Kartoffeln und wozu? Vor der genetischen Veränderung: Stärkekartoffeln --> 80% Amylopektin und 20% Amylose Genetische Veränderung: Ausgestaltestes Gens des Schlüsselenzyms (Stärkesynthetase) für Amylose-Synthese--> Amflora wird hergestellt mit >98% Amylopektin  Ziel: Herstellung verbesserter Stärke
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• Was sind Triglyceride und woran erkennt man sie? sie sind Nahrungsfette bestehen aus eine Glyzerinmolekül + 3 Fettsäuren (unter Wasserabspaltung)
• Nukleinsäure - Definition - bekanntester Vertreter Definition: aus einzelnen Bausteinen, den Nukleotiden, aufgebaute Makromoleküle abwechselnde Einfachzucker & Phosphorsäureester bilden eine Kette- an jedem Zucker hängt eine Nukleinbase  Bekanntester Vertreter: Desoxyribonukleinsäure (DNA)
• Nukleinbasen - Definition - die zwei wichtigsten heterozyklischen Basen Definition: sind Bausteine der Nukleinsäuren DNA und RNA die Basen sind hierbei derjenige Bestandteil, durch welchen sich die verschiedenen Nukleotide voneinander unterscheiden Zwei wichtigsten heterozyklischen Basen: Purin (= Grundgerüst von Adenin, Guanin) Pyrimidin (= Grundgerüst der Basen Cytosin, Uracil, 5-Methylcytosin und Thymin)
• Unterschied RNA und DNA RNA - Ribose DNA - Desoxiribose
• Eigenschaften Purin 2 Ringe Adenin und Guanin chemische Reaktion abhängig von Stickstoffatomen im Ring
• Eigenschaften Pyrimidin 1 Ring Thymin und Cytosin chemische Reaktion ist abhängig von den Stickstoffatomen im Ring
• Basenpaarung in der DNA Adenin und Thymin (2 H-Brücken) Cytosin und Guanin (3 H-Brücken) --> stabiler
• Nukleotide - Definition - Unterschied zu Nukleoside - Verbindung zweier Nukleotide Definition Grundbaustein von DNA und RNA Molekül mit einem Phosphat-, Zucker- und Basenbestandteil Unterschied: Nukleoside --> nur Zucker und Base, kein Phosphatrest Verbindung 2er Nukleotide: durch Phosphordiester-Bindungen (zw. Zucker & Phosphor)
• Anhydrid - Definition Verbindung aus 2 Säuregruppen unter Entzug von H2O
• tRNA = Transfer-RNA kurze Ribonukleinsäuren (RNA) über das Basentriplett ihres Anticodons vermitteln sie bei der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon auf der mRNA mehrfach gebunden durch WBB --> zur Stabilisierung
• Superspiralisierung DNA weist keine freien Ende auf Chromosomen an Kernmatrix fixiert, dadurch entstehen Schleifen Verdrillung um die eigene Achse
• Transkriptionsfaktoren regulatorische Proteine, erkennen bestimmte Abschnitte der DNA binden sich an DNA Aktivität bestimmter Gene wird beeinflusst
• Transkription - Faktoren - Steuerung Faktoren: regulatorische Proteine, erkennen bestimmte Abschnitte der DNA binden sich an DNA Aktivität bestimmter Gene wird beeinflusst Steuerung: Aktivierung von Genen durch TF Jede Genklasse hat eigene TF
• Aminosäure Gehören zur Gruppe der Carbonsäuren wie auch Amine org. Verbindungen mit min. 1 Carboxygruppe (-COOH) & 1 Aminogruppe (-NH2) Können in unterschiedlichen Protonierungsstufen vorkommen proteinogene Aminosäuren --> Bausteine der Proteine
• Was gibt es bei Aminosäuren für Seitenketten? Nenne jeweils Beispiele geladene Sk - basisch (Lysin, Arginin, Histidin) - sauer (Asparaginsäure, Glutaminsäure) amidhaltige Sk (Asparagin, Glutamin --> polar und neutral) aromatische Sk- Phenylalanin, Tryptophan --> unpolar, hydrophob- Tyrosin --> polar, neutral aliphatische Sk (Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin Schwefel-haltige Sk (Cytein, Methionin --> unpolar, hydrophob) Hydroxylierte Sk (Serin, Threonin --> polar, neutral)
• Bildung einer Peptidbindung Bindung von Aminosäuren miteinander Carboxy-Gruppe von 1.As bildet mit Amino-Gruppe von 2. As die Peptidbindung unter Wasserfreisetzung Zwitterionencharakter bleibt erhalten
• Bildung einer Peptidkette Entsteht indem As für As über ein Peptidbindung ankondensiert wird Proteine bestehen aus einer oder mehreren Polypeptidketten
• Sekundärstrukturen repetitive lokale Konformationen entlang der Polypeptidkette eines Proteins Peptidketten können helikale (z.B. α-Helix --> WBB stabilisieren) oder lineare (z.B. β-Faltblätter) Sekundärstrukturen bilden
• Tertiärstruktur eines Proteins mehrere Sekundärstrukturelemente bilden die Tertiärstruktur wird durch relative Position der Atome aller As-Reste der Polypeptidketten beschrieben
• Proteinfunktionen Strukturgebung (z.B. Mikrofilamente, Mikrotubuli) Speicherung (insbesondere in Samen z.B. Leguminosen) Metabolismus (enzymatische Umsetzung --> senken Aktivierungsenergie für chem. Reaktion)

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