Bachelorarbeit (B.Sc. Biologie 20192) - Cheatsheet

DNA-Replikation und -Reparaturmechanismen

Definition:

Prozesse, die zur Verdopplung der DNA und zur Korrektur von DNA-Schäden dienen.

Details:

• DNA-Replikation: Semikonservativ, in drei Phasen (Initiation, Elongation, Termination).
• Enzyme: DNA-Polymerase, Helikase, Primase, Ligase.
• Reparaturmechanismen: Basenexzisionsreparatur (BER), Nukleotidexzisionsreparatur (NER), Fehlpaarungsreparatur (MMR).
• Schlüsselenzyme: DNA-Glykosylase (BER), UvrABC-Exinuklease (NER), MutS/MutL (MMR).
• Schritte der Reparatur: Erkennung des Schadens, Entfernung des beschädigten Segments, DNA-Synthese der fehlenden Sequenz, Ligation.

Signaltransduktionswege (z. B. MAP-Kinase-Weg)

Definition:

Signaltransduktionswege: Kaskaden biochemischer Ereignisse, die Zellantworten auf externe Signale übermitteln. MAP-Kinase-Weg: Durchführung der Signalübertragung, Regulierung von Zellproliferation, Differenzierung und Überleben.

Details:

• Signale: Wachstumsfaktoren, Hormone, Cytokine
• Rezeptoren: Tyrosin-Kinase-Rezeptoren (RTKs)
• Kaskade: RAS -> RAF -> MEK -> ERK
• ERK gelangt in den Zellkern, reguliert Transkription
• Negatives Feedback, Aktivierung durch Phosphorylierung
• Mutationen im RAS/RAF häufig bei Krebserkrankungen
• Wichtige Anwendungen: Krebsforschung, Arzneimittelentwicklung

CRISPR-Cas System und seine Anwendungen

Definition:

CRISPR-Cas-System ist ein adaptives Immunsystem von Bakterien, das für DNA-Fragmentschnitt an spezifischen Stellen eingesetzt wird.

Details:

• Besteht aus zwei Hauptkomponenten: CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) und Cas (CRISPR-assozierte Proteine).
• Cas9-Protein: Enzym, das DNA schneidet, geführt durch eine RNA-Sequenz (crRNA und tracrRNA oder sgRNA).
• Spezifität durch Leit-RNA (guide RNA) bestimmt.
• Anwendungen:
• Gentechnik: gezielte Gen-Knockouts oder Gen-Insertionen.
• Medizin: Potenzial für Gentherapie gegen genetische Krankheiten.
• Landwirtschaft: Entwicklung von Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften.
• Forschung: Werkzeug zur Untersuchung von Genfunktionen.
• Ethische und regulatorische Fragen beachten.

Enzymatische Kinetik und Mechanismen

Definition:

Enzymatische Kinetik: Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Substratkonzentration und anderen Faktoren. Enzymmechanismen: Wie Enzyme biochemische Reaktionen katalysieren und die spezifischen Schritte des Katalyseprozesses.

Details:

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max} \times [S]}}{{K_{m} + [S]}} \] wobei \[ V_{max} \] maximale Geschwindigkeit und \[ K_{m} \] Michaelis-Konstante ist.
• Lineweaver-Burk-Diagramm: Doppelt-reziprokes Plots; \[ \frac{1}{v} = \frac{K_{m}}{V_{max} \cdot [S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitoren: Kompetitiv, nicht-kompetitiv und unkompetitiv.
• Mechanismen: Induced Fit, Lock and Key.
• Units: Katalytische Effizienz (\[ \frac{k_{cat}}{K_{m}} \]), Turnover Number \( k_{cat} \), Spezifität.

Massenspektrometrie und ihre Anwendung in der Bioanalytik

Definition:

Technik zur Bestimmung der Masse von Molekülen und ihrer Struktur, häufig für Proteine, Peptide und Metaboliten in biologischen Proben verwendet.

Details:

• Grundprinzip: Ionisierung, Trennung nach Masse-zu-Ladung-Verhältnis (\textit{m/z}), Detektion.
• Ionisierungstechniken: ESI (Elektrospray-Ionisation), MALDI (Matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation).
• Spezifität und Empfindlichkeit: Hohe Sensitivität, spezifische Detektion von Biomolekülen.
• Anwendungen: Proteomik (Identifikation und Quantifizierung von Proteinen), Metabolomik (Analyse von Metaboliten), Lipidomik, Identifizierung von post-translationalen Modifikationen.
• Quantitative und qualitative Analysen: Bestimmung der Menge und Identität von Analyten.
• Kopplungstechniken: LC-MS (Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie), GC-MS (Gaschromatographie-Massenspektrometrie).

Python für bioinformatische Datenanalyse

Definition:

Verwendung von Python zur Analyse und Verarbeitung biologischer Daten.

Details:

• Beliebte Bibliotheken: Biopython, Pandas, NumPy, Matplotlib, SciPy
• Typische Aufgaben: Sequenzanalyse, Datenvisualisierung, statistische Auswertungen
• Skriptsprachen bieten Flexibilität und Effizienz bei der Bewältigung komplexer bioinformatischer Probleme
• Häufig verwendete Datenformate: FASTA, CSV, BAM, VCF
• Integration von Python-Skripten in Pipelines und Workflows für reproduzierbare Forschung
• Beispiele für Funktionen: Sequenzalignment, Genomassemblierung, Phylogenetische Analysen

Epigenetische Mechanismen der Genregulation

Definition:

Epigenetische Mechanismen regulieren die Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz.

Details:

• DNA-Methylierung: Hinzufügen einer Methylgruppe an Cytosinbasen.
• Histon-Modifikation: Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung der Histonproteine.
• Chromatin-Remodeling: Veränderung der Chromatinstruktur zur Genzugänglichkeit.
• Nicht-kodierende RNAs: miRNA, siRNA, lncRNA regulieren Genexpressionsniveaus.
• Epigenetische Vererbung: Weitergabe epigenetischer Markierungen an Tochterzellen.

Interzelluläre Kommunikation und deren molekulare Grundlagen

Definition:

Interzelluläre Kommunikation ermöglicht den Austausch von Informationen zwischen Zellen und ist entscheidend für die Regulation von Organfunktionen und die Aufrechterhaltung der Homöostase.

Details:

• Signalmoleküle: Hormone, Neurotransmitter, Cytokine
• Signalübertragung: Autokrin, Parakrin, Endokrin, Juxtakrin
• Rezeptoren: Membranrezeptoren (GPCRs, RTKs), intrazelluläre Rezeptoren
• Signalweg: Ligand-Rezeptor-Bindung → Konformationsänderung → Signaltransduktion → Zellantwort
• Second Messenger: cAMP, Ca²⁺, IP₃
• Modulation: Feedback-Mechanismen, Crosstalk zwischen Signalwegen
• Beispielhafte Signalwege: MAPK-Weg, PI3K-Akt-Weg