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

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• Eigenschaften von Enzymen = Biokatalysator setzen Aktivierungenergie einer Reaktion herab Energieeinsparung in der Biotechnologie beschleunigen die Einstellung eines Reaktionsgleichgewichtes Spezifizität und Affinität zu einem Substrat
• Biomembran besteht aus Lipiden und Proteinen- Membranproteine sind in Lipiddoppelschicht eingelagert- Protein-Lipid-Interaktionen Trennschicht zwischen zwei wässrigen Kompartimenten (also Extrazellularraum und Cytoplasma)- beiden Seiten einer Biomembran können sich durch die Anordnung der Proteine stark unterscheiden
• Plastiden Ort der Photosynthese Doppelmembran eigene DNA und Proteinbiosynthese
• Mitochondrien Ort der Respiration Doppelmembran eigene DNA und Proteinbiosynthese
• Peroxisomen Zellorganellen zur Entgiftung Kompartimentierung von Reaktionen die verstärkt H2O2 entstehen lassen umgeben von einfachen Membran keine eigne DNA
• Zellkern Ort der Erbgutspeicherung Kernhülle aus einer Doppelmembran, die mit dem ER verbunden ist
• Endoplasmatisches Retikulum (ER) Am & im ER: Translation, Proteinfaltung, Proteinqualitätskontrolle, posttranslationale Modifikationen von Proteinen und Proteintransport von Transmembranproteinen und sekretorischen Proteinen  Ca-Speicher
• Golgi-Apparat Bildung und Speicherung sekretorischer Vesikel Glykosilierung sekretorischer Proteine einfache Membran
• Vakuole Turgor Speicherfunktion umgeben von einer einfachen Membran
• Stoffaustausch über Biomembranen Viele Proteine sind am Membrantransport beteiligt, d. h. am Stoffaustausch und der Signalübertragung über spezifische Rezeptoren. z.B. Schlüssel-Schloss-Prinzip
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• Aufbau der Zellwand einer ausdifferenzierten Zelle Primärwand Sekundärwand Mittellamelle Tüpfel Tertiärwand Interzelluare
• Chemische Zusammensetzung einer jungen primären Zellwand - In % - Vergleich mit ausgewachsenen Zellen 45% Pectinstoffe 25% Hemicellulose 15% Cellulose 15% Proteine In ausgewachsenen Zellen überwiegt bei weitem die Cellulose, da sie dickere Wände besitzen --> Cellulose: ca. 50% des org. gebundenen Kohlenstoffs auf Erden
• Pektinsäure sind Polymere von D-Galacturonsäure (Hauptbestandteil von Pektine) werden über divalente (zweiwertige) Ionen vernetzt
• Hemicellulose Sammelbegriff für in pflanzlicher Biomasse vorkommende Gemische von Polysacchariden in veränderlicher Zusammensetzung
• Teilprozesse der Zellwandbiosynthese sind kompartimentiert Cellulosesynthase und Plasmalemma Ort der Biosynthese von Cellulose und Kallose Dictyosom Ort der Biosynthese von Pectinstoffen und Hemicellulosen Ort der Glycolysierung von HRGP und weiteren Glycoproteinen Endoplasmatisches Reticulum Ort der Biosynthese von:HRGP, GRP, PRP und weiteren Strukturproteinen und Zellwandenzymen
• Teilprozesse der Zellwandbiosynthese sind kompartimentiert Cellulosesynthase und Plasmalemma Ort der Biosynthese von Cellulose und Kallose Dictyosom Ort der Biosynthese von Pectinstoffen und Hemicellulosen Ort der Glycolysierung von HRGP und weiteren Glycoproteinen Endoplasmatisches Reticulum Ort der Biosynthese von: HRGP, GRP, PRP und weiteren Strukturproteinen und Zellwandenzymen (HRGP: Hydroxyprolinreiche Glykoproteine; GRP: Glycinreiche Proteine; PRP: Prolinreiche Proteine)
• Eigenschaften von Cellulose hohe Festigkeit aufgrund der fibrillären Struktur hohe Beständigkeit gegen Hydrolyse Primärwand --> Streuungstextur Sekundärwand --> Paralleltextur
• Biosynthese von Cellulose Cellulose wasserunlöslich --> nicht im Golgi-Apparat synthetisierbar und durch Vesikel in die Zellwand transportierbar wird deshalb durch Enzymkomplex Cellulose-Synthase direkt als Elementarfibrille in Zellwand synthetisiert Cellulose-Synthase = Transmembranprotein, das als hexamerer Rosettenkomplex auftritt, meist in Rosettenfeldern Glucose für Synthese --> Uridindiphosphoglucose (UDPG) im Cytoplasma
• Synthese von Cellulose-Fibrillen erfolgt gerichtet Ausrichtung der Fibrillen --> wichtig für Zellwachstum und -differenzierung erfolgt durch das Cytoskelett, an dem sich die Cellulose-Synthase wie auf Schienen bewegt
• Zellteilung und Bildung einer neuen Zellwand Bildung der Zellplatte --> Pektine Anschluss der Zellplatte an die Zellwand --> Hemicellulose Bildung der Primärwand Verstärkung der Zellwand
• Organellengene Gene in Chloroplasten und Mitochondiren steuern Großteil des Zellstoffwechsels
• Nenne die drei verschiedenen Genome die eine Pflanze besitzt Chromosomen Plastom: genetische Info in Plastiden Chondriom: genetische Info in Chloroplasten --> größer als Plastom aber weniger Gene
• Endosymbiontentheorie 1883 angefangen durch Schimper symbiontische Entstehung der Chloroplasten 1. Endosymbiose:- eine Zelle nimmt eine weitere auf- 1.Schritt zu eukaryotischen Zelle 2. Endosymbiose: Aufnahme von Plastiden (von Cyanobakterien)
• Endosymbiontentheorie - Mitochondrien - Plastiden Mitochondrien verwandt mit α-Proteobakterien enthält DNA --> früher war eigene Zelle Alphaproteonbakterium ist dessen Vorfahren Plastiden verwandt mit Cyanobakterien
• Mitochondrien - Beweise dafür, dass es früher eigenständige Lebewesen waren --> innere & äußere Form änderbar--> Doppelmembransystem immer (innere & äußere) --> Beleg für Endosymbiontentheorie--> Vermehrung/Teilungsfähigkeit weiterhin vorhanden
• Teilung von Mitochondrien ähnlicher Teilungsvorgang wie Bakterien Querteilung --> dabei wird die mitochondriale DNA unter den Tochtermitochondrien gleich verteilt Prozess der Bildung neuer Mitochondrien bezeichnet man als mitochondriale Biogenese
• Organisation mitochondrialer Genome Lineare mtDNAs bei: Flagellaten, Protozoen, einigen Pilzen & dem Süßwasserpolypen Hydra Zirkuläre mtDNA --> bei Säugern  Form & Struktur bei von mtDNA bei Pflanzen umstritten --> viele nehmen ringförmige Struktur an
• DNA-Fluß zwischen verschiedenen genetischen Kompartimenten Nur noch eine geringe verbleibende Codierungskapazität der Organellen-DNA
• Was wird im mitochondrialen Genom kodiert? die rRNA für mitochondriale Ribosomen die tRNA-Moleküle für die mitochondriale Proteinbiosynthese Proteine, die Bestandteil mitochondrialer Enzymkomplexe sind
• Was bedeutet Genexpression bezeichnet wie der Genotyp einer Zelle als Phänotyp ausgeprägt wird die Biosynthese von Proteinen anhand der genetischen Information mitsamt allen dafür nötigen vorangehenden Prozessenz.B. Transkription von RNA
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• RNA-Editing Findet im Verlaug der Genexpression statt --> nach Transkription und vor Translation beschreibt Modifizierung einzelner Nukleinbasen der mRNA führt zur Vergrößerung der Diversität des Transkriptoms & höhren Proteinvielfalt
• Transfer mitochondrialer Gene in den Zellen Mitochondriun mtDNA -> Transcription, editing, splicing -> mRNA -> Translation -> Protein mRNA wird in anderen Schritt in den Kern integriert -> umgekehrte Transkription Kern mRNA -> umgekehrte Transkription, nukleare Integration -> DNA -> addition of promoter, terminator, targeting sequence etc. -> DNA in einzelne Stränge -> Transkription -> mRNA -> raus aus Kern -> Translation -> Vorprotein -> importierung ins Mitochondrium 
• Zytoplasmatisch-männliche Sterilität (CMS) Rekombination mtDNA kann zu neuen Leserahmen (Orfs) führen Phänotyp: männliche Sterilität --> Unfähigkeit funtionale Pollen zu bilden
• CMS in der Züchtung Kreuzung der Gründungslinien zu Produktion von Saatgut der Linie A Kreuzung mit Restorer-Linie zur Erzeugung von Hybridsaatgut Kommerzieller Anbau Hybrid: nicht mehr anbaubar viel zu große Varianz
• Fettsäurebiosynthese Prozess, der durch die Fettsäure-Synthase katalysiert wird Fettsäurekohlenstoffkette werden schrittweise aus C2-Einheiten (die von Malonylgruppen stammen, mit anschließender Decarboxylierung) aufgebaut Die Intermediate der Fettsäurebiosynthese sind Thioester des Acyl-Carrier-Proteins (ACP) und des Coenzyms A wie beim Fettsäureabbau Malonyl-CoA wird durch eine biotinabhängige Carboxylierung von Acetyl-CoA synthetisiert (Biotin)   acetyl CoA + Bicarbonat --> Malonyl-CoA
• Künstlich erzeugte CMS Sterilität -> durch Fettsäuren in Plastiden -> mit beta-ketothiolase -> es entsteht Acetoacetyl-CoA beta-ketothiolase verbrennt Acetyl-CoA -> keine Fettsäuren Bildung -> distorted Antheren  -> kollabierte Pollen --> männliche Sterilität
• Evolutionäre Entstehung des Mitochondriums und des Chloroplasten Präeukaryotische Zelle + Proteobakterium Eukaryotische Zelle mit Mitochondrium Eukaryotische Zelle mit Mitochondrium + Cyanobakterien Eukaryotische Zelle mit Mitochondrium und Chloroplast
• Differenzierung von Plastiden Plastideninitiale Amyloplast mit Stärke, Leukoplast mit Proteinkristall und Chromoplast mit Carotinoidkristalle werden gebildet Proplastide:- Licht: junger Chloroplast mit normaler Entwicklung - Dunkelheit: Etioplast --> keine Bildung von Chlorophyll --> + Licht: entwickelng sich zu Chloroplasten
• Import kern-codierter Proteine in die Plastiden Spezifisches Targeting (Plastiden oder Mitochondrien) Dual-Targeting (Plastiden und Mitochondrien) N-Terminale Transitpolypeptide, die organellen-spezifische Adressinformation enthalten
• Wie werden Plastiden vererbt? In der Regel ausschließlich maternal Ausnahmen- biparentale Vererbung (z.B. Oenothera, Pelargonium, Hypericum, Medicago)- paternale Vererbung: Kiwi
• Methoden des Gentransfers Agrobacterium tumefaciens (klassische Vorgehensweise --> nur das Kerngenom) • Einfach• Kostengünstig• Auf dikotyle Pflanzen beschränkt• Nur zur Transformation des Kerngenoms Biolistischer Transfer (genetische Info wird in Zelle geschossen) • Zell und Zellwand bleiben unbeschädigt• Anwendbar für Zellen jeder Lebensweise• Auch für Plastiden (und Mitochondrien)• Hohe Zahl transferierter Gene• Häufig instabile Expression• Nur Teile eines Gewebes werden transformiert Protoplastentransformation • Auf alle Pflanzen anwendbar• Regeneration aus Protoplasten ist extrem schwierig
• Plastidentransformation - Genkanone funktioniert wie Luftgewehr „Munition“: kleine Goldpartikel beschichtet mit DNA-Molekülen Goldpartikel durch hohen Druck beschleunigt --> dringen in das zu transformierende Pflanzengewebe ein neue DNA wird in die genomische DNA integriert 
• Homologe Rekombination Form der genetischen Rekombination, bei der Teile zwischen homologen DNA-Sequenzen ausgetauscht werden Flankierung: Parallele Annäherung zweier doppelsträngiger DNA-Moleküle, so dass die Bereiche ähnlicher (homologer) Nucleotidsequenzen auf gleicher Höhe liege--> dann homologe Rekombination Anlagerung Integration der DNA-Sequenz
• Plastidentransformation - Vor- und Nachteil Vorteil: Geringe Wahrscheinlichkeit der Ausbreitung des Transgens über den Pollen Nachteil: Transformation & Regeneration transplastomer Pflanzen ist technisch aufwändig
• Mögliche Anwendung der Plastidentransformation Multiple Genexpression Single Genexpression: plant traits, insects, pathogen and herbicide-resistance, drought tolerance Edible vaccines Biopharmaceuticals
• Molekulare Schritte des Plastiden-Engineerings Klonierung: Chloroplast Transformations Vektoren Gentransfer:- Selektion mit Antibiotika --> Regeneration: höhere Transformationwirksamkeit - Selektion mit Betaine Aldehyd --> Regeneration: geringere Transfo.wirksamkeit  Selektion: Hetero/Homoplasmatische Zellen
• DNS und Informationsfluss • Erbinformation die in DNS kodiert ist muss bei jeder Zellteilung exakt kopiert werden–> Replikation • Zentrales Dogma: Informationsfluß DNA -> RNA -> Protein, wird auch Genexpressiongenannt– Transkription– Translation
• One gene one enzyme théorie + Hypothesenerweiterung - Hypothese: Jedes Gen produziert ein Enzym was wiederum für einen Schritt in einer metabolischen Reaktion genutzt wird • Hypothese erweitert:– Enzyme aus mehreren Polypeptidketten– enzymatisch aktive RNA Moleküle– Strukturproteine und –RNAs– Peptidhormone– regulatorische Proteine ohne enzymatische Aktivität• Gene kodieren für Peptidketten oder für RNA Moleküle
• Der genetische Code Wie viele Basen kodieren für eine Aminosäure?– 4 Basen kommen in der DNS vor: A, G, C, T– 20 Aminosäuren kommen in Proteinen vor– 1 Position kann für 4 verschiedene Aminosäuren kodieren: 41– 2 Positionen für 16 Aminosäuren: 42– 3 Positionen für 64 Aminosäuren: 43
• Genetischer Code – nicht überlappende: Basentripletts = Codons– kommalos– eindeutig: jedes Codon genau eine Aminosäure– degeneriert: mehrere Codons kodieren die gleiche Aminosäure– universell– Start/Stopcodons

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