Abb. 66: Fettsäuren

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Fettsäuren sind Kohlenwasserstoffketten mit einer Säuregruppe (COOH) am Ende: Ein Kohlenstoffatom stellt mit einem Arm den Kontakt zur Kette her, hält mit zwei weiteren Bindungsstellen ein Sauerstoffatom (O) fest und mit der vierten eine Hydroxylgruppe (OH). Die Gestalt und damit die Eigenschaften hängen von Zahl und Anordnung der Doppelbindungen ab. Haben alle Kohlenstoffatome der Kette neben den beiden Nachbar-Kohlenstoffen zwei Wasserstoffatome gebunden, ist die Fettsäure ist gesättigt (nämlich mit Wasserstoff) und verläuft gestreckt. Bei weniger Wasserstoffatomen ist sie ungesättigt. Da freie Bindungsstellen
ihrer chemischen Natur zuwiderlaufen, bilden benachbarte Kohlenstoffatome dann Doppelbindungen (DB). Sie sorgen für einen Knick in der Kette. Während sich gestättigte Fettsäuren gerne dicht zusammenlagern, halten ungesättigte Fettsäuren deswegen mehr Abstand.

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Abb. 65: Polarität

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Polarität: An einer einfachen Atombindung sind stets zwei Elektronen beteiligt, eines von jedem Atom. Manche Atome wie hier links der Sauerstoff sind »elektronegativ«: Sie ziehen das bindende Elektronenpaar an und sind daher leicht negativ geladen, während ihr Bindungspartner (hier ein Wasserstoffatom) leicht positiv wird. Eine Hydroxylgruppe (OH) ist also polar. Hielte das Sauerstoffatom an seiner anderen Hand ebenfalls ein Wasserstoffatom, so hätten wir ein Wassermolekül (H2O) vor uns, das ebenfalls polar ist: Die Seite, an der die beiden Wasserstoffatome stehen, ist positiver als die Sauerstoff-Seite. Polare Moleküle sind hydrophil: Sie vertragen sich gut mit dem ebenfalls polaren Wasser; die negative Seite des einen Stoffes lagert sich an die positive des anderen an. Halten dagegen zwei Wasserstoffatome  Händchen (H2), bleibt das Elektronenpaar genau in der Mitte zwischen ihnen; das Molekül ist unpolar. Auch reine Kohlenwasserstoffe sind unpolar. Solche unpolaren Stoffe stoßen Wasser ab; sie sind hydrophob. Stoffe mit einem polaren und einem unpolaren Teil, zum Beispiel Alkohole, sind gute Lösungsmittel, da sie beide Welten – die hydrophile und die hydrophobe – verbinden.

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Abb. 64: Strukturformeln in der Biochemie

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Strukturformeln in der Biochemie: In den meisten Darstellungen größerer organischer Verbindungen werden die Buchstaben C (Kohlenstoffatome, hier vier) und H (Wasserstoffatome, hier zehn) der Einfachheit halber weggelassen. Denn Kohlenstoff bildet das
Grundgerüst aller organischen Stoffe, und jede der vier Bindungsstellen eines Kohlenstoffatoms, die nicht von einem anderen Atom belegt wird, ist mit Wasserstoff besetzt. In der unteren Darstellung, die als Skelettformel bezeichnet wird, denke man sich also an jedem
Knick und beiden Enden je ein Kohlenstoffatom.

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Abb. 63: Epigenetische Veränderung der Histone

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Auch die Histone aus den Nukleosomen, um die die DNA gewickelt ist, können epigenetisch modifiziert werden: durch Phosphorylierung (P) der Aminosäuren Serin (S) oder Tyrosin (T), durch Methylierung (Me) der Aminosäuren Lysin (K) oder Arginin (R) sowie durch Acetylierung (Ac) oder Ubiquitinierung (Ub) von Lysin (K). Phosphoryliertes Serin und acetyliertes Lysin sind auch als Strukturformeln dargestellt. Bei einer Phosphorylierung wird eine Phosphatgruppe angehängt, wie wir sie schon aus den vorigen Abbildungen kennen. Eine Acetylierung fördert die Ablesung des DNA-Abschnitts, der um das Nukleosom gewunden ist. Die meisten modifizierbaren Aminosäuren liegen in den »Schwänzen« der Histone, den sogenannten N-Termini. Der N-Terminus des Histons H3 ist am längsten und enthält die meisten epigenetisch modifizierbaren Aminosäuren.

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Abb. 62: Der Grundbaustein der DNA

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Das DNA-Nukleotid Desoxycytidinphosphat (links) ist die Entsprechung zum RNA-Nukleotid aus der vorigen Abbildung. Seine Base Cytosin (C) kann von einem Enzymen methyliert werden. Dabei wird ein Wasserstoffatom an einem der Kohlenstoffatome des Rings durch eine Methylgruppe (CH3) ersetzt (Mitte). Das Enzym methyliert allerdings nur Cytosin in Nukleotiden, an die sich ein Nukleotid mit der Base Guanin (G) anschließt (rechts, CpG; das p steht für die Phosphatgruppe zwischen den beiden Nukleosiden). Durch diese Methylierung wird das entsprechende Gen schwer ablesbar.

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Abb. 61: Der Grundbaustein der RNA

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Ein RNA-Baustein oder RNA-Nukleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer Nukleobase, genau wie bei der DNA. Der Zucker heißt Ribose. Er hat unten rechts
eine weitere Hydroxylgruppe (OH), wo die Desoxyribose aus der DNA nur ein Wasserstoffatom hat. Die Kombination aus Zucker und Nukleobase heißt Nukleosid; mit der Phosphatgruppe
wird daraus ein Nukleotid.

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Abb. 60: Geordnete Kondensation

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Geordnete Kondensation: In ihrer kompakten Transportform während der Zellkernteilung ist die DNA um den Faktor 50.000 komprimiert. Die Chromosomen sind dann etwa 700-mal dicker als eine Doppelhelix. Die von DNA umwundenen Nukleosomen lagern sich dicht zusammen,
und dieses Chromatin bildet Schlaufen erster und zweiter Ordnung.

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Abb. 59: Chromosomen sind meist fadenförmig

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X-förmige Darstellungen von Chromosomen haben einen hohen Wiedererkennungswert, aber
eigentlich ist diese stark kondensierte Transportform die Ausnahme: In jedem Zellteilungszyklus, der beim Menschen ungefähr 19,5 Stunden dauert, entfallen etwa 18,5 Stunden auf die Interphase, in der die Chromosomen fädig sind.

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Abb. 58: Der Zellteilungszyklus

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Der Zellteilungszyklus beginnt mit der Prophase (bei 1 Uhr) und läuft über die Metaphase (3 Uhr) und die Anaphase (7 Uhr) zur Telophase (8 Uhr). In diesen Phasen ist die Kernhülle aufgelöst, damit die Tochterchromosomen auseinandergezogen werden können. Das besorgen die sogenannten Spindeln. Anschließend schnürt sich die Zelle durch, und beide Tochterzellen bauen wieder Kernhüllen auf (9 Uhr). In der langen Zeit zwischen zwei Zell- und Zellkernteilungen, der Interphase (12 Uhr, Sternchen), liegen die Chromosomen nicht in ihrer kompakten Transportform vor, sondern als dünne Schnüre, die den Kern ausfüllen.

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Abb. 57: DNA-Replikationsgabel

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An einer sogenannten Replikationsgabel entstehen aus einem DNA-Doppelstrang zwei, die genau dieselben Erbinformationen enthalten: Die Abfolge der Puzzleteile – Nukleotide genannt – bleibt gleich. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Base (s. o.). An der Verdopplung sind zahlreiche Enzyme beteiligt: Die Topoisomerase (T) windet die Doppelhelix auseinander, damit der Doppelstrang zugänglich wird. Die Helikase (H) mach aus dem Doppelstrang zwei Einzelstränge. Die Polymerasen (P) ergänzen jedes Nukleotid um das passende Gegenstück. Dabei wachsen beide neuen Einzelstränge in 5′-zu-3′-Richtung: in Richtung der Puzzleteil-Pfeile. Die Gabelung verschiebt sich allmählich nach links. Der obere der beiden neuen DNA-Stränge wächst einfach in dieselbe Richtung. Der untere neue Strang muss von links nach rechts wachsen, also notgedrungen stückchenweise. Dazu stellt die Primase
(PR) in bestimmten Abständen sogenannte Primer bereit, an denen jeweils ein neues Fragment beginnt. Wenn ein Fragment an den vorhergehenden Primer stößt, werden die Stücke verbunden. Weiter rechts (nicht im Bild) winden sich die beiden neuen Doppelstränge wieder zu Doppelhelices.

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