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Genetik
Q1.1 Von der DNA zum Protein
Aufbau und Replikation der DNA: Watson – Crick – Modell (Schema), Nukleotide,
semikonservative Replikation, kontinuierliche Replikation (Schema)
- Avery und Griffith: Grundlegend für das Verständnis der späteren Molekularbiologie sind die Experimente von Griffith und Avery. Hier erforschen die Forscher erstmalig den Zusammenhang zwischen DNA und Vererbung.
- Griffith:
- Da man durch Hitze nicht verhindert, dass der schädliche Faktor auflebende R- Bakterien übertragen wird: Transformation
- Worauf die Übertragung basiert blieb zunächst unklar
Versuchsobjekt: Streptococcus pneumoniae Die von Frederick Griffith ausgewählten Streptokokken kommen natürlicherweise in zwei Formen vor. - Smooth (S): löst Krankheit aus und Bakterien sind durch spezielle Schleimkapsel geschützt und daher für das Immunsystem des infizierten Tiers nicht erkennbar - Rough (R): nicht krankheitserregend - Griffith behandelte Mäuse mit beiden Streptokokken -Stämmen. Dabei führte er vor dem eigentlichen Experiment folgende Kontrollen durch
- 1944 gelang Avery, den Stoff zu identifizieren: Avery hat mit seinen Versuchen nachgewiesen, dass Nucleinsäuren für die Übertragung der Erbinformation verantwortlich sind und nicht Proteine.
- Aufbau der DNA durch Watson – Crick: DNA = Desoxyribonucleinsäure Zwei ähnelnde Stränge schraubenförmig bzw. helical umeinanderwindende Doppelhelix = DNA o Stränge sind gegenläufig: 5´ Ende = Phosphatrest, 3´ Ende = OH – Gruppe Bausteine der DNA sind die Nucleotide o Nucleotide = Verbindung aus einer Base, Desoxyribose und einer Phosphatgruppe Desoxyribose und Phosphatreste bilden der Zucker – Phosphat – Rückrad Es gibt 4 verschiedene Basen, die C – Atome und N -Atome enthalten o Pyrimidinphasen: Thymin und Cytosin o Purinbasen: Adenin und Guanin Adeninpaar mit Thymin sind komplementär und besitzen 2 Wasserstoffbrücken Cytosinpaar mit Guanin sind komplementär und besitzen 3 Wasserstoffbrücken Basen zeigen ins Innere der Helix DNA besteht aus 2 Gegenläufigen, d.h. antiparallel orientierte Stränge
Jede neue Doppelhelix besteht nun zu einer Hälfte aus einem elterlichen Matrizenstrang, zu anderen Hälfte aus einem neuen synthetisierten Strang = Semikonservativ Warum semikonservativ?
- Nachweis durch Meselson – Stahl – Experiment Während der Replikation kommt es zu einer Vervielfältigung des Erbguts. Zu Beginn der 50'er Jahre war jedoch noch unklar, nach welchem Prinzip die Replikation abläuft. In der Biologie wurden drei mögliche Modelle kontrovers diskutiert:
- Die konservative Replikation: Die ursprüngliche DNA bleibt in ihrer Form erhalten. Es werden zwei neue Einzelstränge synthetisiert, die zusammen einen Doppelstrang bilden.
- Die semikonservative Replikation: Zu jeweils einem Mutterstrang wird ein neuer Tochterstrang synthetisiert. Damit bleibt die DNA zur Hälfte erhalten und die andere Hälfte wird neu gebildet.
- Die disperse Replikation: Die Tochtermoleküle bestehen aus einer abwechselnden Mischung von alten und neu synthetisieren Strängen.
- Experiment: Sie gaben Bakterien E. coli auf ein Nährmedium, dass das Stickstoffisotop 15N enthielt Nach einer Weile überführten sie die Bakterien auf ein Nährmedium mit dem Stickstoffisotop 14N. Sie extrahierten die DNA der Nachfolgegeneration und zentrifugierten das Erbgut Das Ergebnis (eine Bande) lag genau zwischen den Dichtegradienten von 14N und 15N, was die konservative Replikation ausschloss. Denn sonst hätte das zentrifugierte Erbgut sich auf die Dichtegradienten 14N und 15N aufteilen müssen Damit kamen nur noch die semikonservative oder die disperse Replikation in Betracht. Der Versuch wurde um noch eine weitere Filialgeneration weitergeführt (F2). Ergebnis: zwei verschieden schwere Banden bestehend aus einer leichten 14N Bande und einer schwereren 14N+15N Bande. Disperse Replikation war damit ebenso ausgeschlossen, denn in diesem Fall hätte sich nur eine Bande bilden dürfen (durch den immer wieder gleichmäßigen Einbau von 14N und 15N)
- mRNA
- Struktur Es handelt sich um eine einzelsträngige RNA-Kopie kurzer DNA-Abschnitte, die als Matrize für die Proteinsynthese benutzt werden Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil
- Funktion transportiert die Information der DNA zu den Ribosomen, dort werden sie in ein Protein übersetzt Auf ihr liegen Erkennungssequenzen für die Ribosomen, damit sie wissen, wo die Translation beginnen soll (gilt für Pro- und Eukaryoten) - Translation: Bei der Translation wird die (reife) mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Translation findet an den Ribosomen im Zytosol (Pro- und Eukaryoten) oder dem rauen endoplasmatischen Retikulum statt (nur Eukaryoten).
- Ribosomen: = vor allem aus Ribonukleinsäuren und Protein bestehendes, für den Eiweißaufbau wichtiges, submikroskopisch kleines Körnchen Ribosomen sind notwendige Elemente für die Proteinbiosynthese Ribosomen gehören zu den Zellorganellen und bestehen aus einer kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit. Diese liegen im inaktiven Zustand getrennt vor und setzen sich erst zusammen, wenn eine mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird Ribosomen besitzen drei nebeneinander liegende Bindungsstellen (A-, P- und E- Stelle) für die sogenannte transfer-RNA (tRNA)
- Ribosom startet ab einen gewissen Startcodon (AUG) a. Treffen Ribosom Ober- und Untereinheit auf eine mRNA mit dem Startcodon AUG, so lagern sie sich aneinander und die Translation beginnt.
- Ribosom setzt das Codon (Basentriplett) das ihm von der tRNA gelieferte gegenteilige Codon ein (Anti-Codon)
- Jedes Codon wird für eine Aminosäure übersetzt, es bildet sich langsam eine Aminosäurenkette, welche am Ende der Translation für den Proteinaufbau verwendet wird
- Die Translation endet nur dann, wenn sie auf ein Stopp-Codon codiert → (UAA/UGA/UAG) Merke: Die Translation läuft von 5' nach 3' ab!
- Eigenschaften des genetischen Codes 1. Triplett Code (d.h. 3 Basen = 1 Aminosäure) 2. Eindeutig: Jedem Triplett ist eine bestimmte Aminosäure zugeordnet 3. Kommafrei: Die Codons schließen nahtlos aneinander 4. Nicht überlappend: Eine Base ist immer nur Bestandteil eines Codes 5. Radant: Eine Aminosäure kann von verschiedenen Tripletts codiert werden
Bakterien sind Prokaryoten und besitzen deshalb auch keinen Zellkern. Die DNA liegt frei im Cytoplasma
- Bakterienchromosom:
Das Bakterienchromosom ist ein in sich geschlossenes und bis zu 1,5mm langes
DNA-Molekül.
Da Bakterien keinen Zellkern besitzen, schwimmt ihre DNA frei im Cytoplasma der
Bakterienzelle...
- Cytoplasma
Zum Cytoplasma gehört einerseits das Zytosol, also die Flüssigkeiten innerhalb der
Zelle, und andererseits alle dort ansässigen Zellorganellen (Bakterienchromosom, Plasmide, Ribosomen usw.)
- Flagellum:
fadenartige und in sich gewundene Proteinfäden aus Flagellen zur Fortbewegung
der Bakterienzelle
. Unter ATP-Verbrauch funktionieren die Flagellen ähnlich wie ein rotierender
Propeller...
- Glykokalyx:
umhüllender Film aus Polysacchariden (auch als Schleimhülle bekannt), der die
Bakterienzelle vor Austrocknung und feindlichen Bakterien schützt.
- Mesosom:
Einstülpungen an der Zellmembran
Der dadurch entstandene Raum kann von der Bakterienzelle für spezielle
Stoffwechselvorgänge genutzt werden.
- Pili:
Mit den Pili (Singular = Pilus) können Bakterienzellen sich an andere Zellen oder
Nahrung festheften.
- Plasmamembran:
Die Plasmamembran oder auch Zellmembran, begrenzt die Zelle nach außen hin.
Wegen ihrer Semipermeabilität (durchlässig, jedoch nur für bestimmte Moleküle)
kann ein Stoffaustausch zwischen Außen- und Innenraum der Bakterienzelle trotzdem ablaufen.
- Plasmid:
kleine, selbstreplizierende, rundförmige DNA-Moleküle mit zusätzlichen genetischen
Informationen
Verglichen mit dem Bakterienchromosom befinden sich auf den Plasmiden meistens
keine direkt überlebenswichtigen Erbinformationen, sondern Resistenzgene, die erst unter gewissen Umständen für die Bakterienzelle wichtig werden
- Ribosomen:
bestehen aus einem Komplex von RNA (Ribonukleinsäure) und Proteinen.
An den Ribosomen wird mit der Translation ein wichtiger Teilschritt der
Proteinbiosynthese vollzogen, bei dem die mRNA zu Aminosäureketten translatiert wird.
- Zellwand:
umhüllender Schutz aus Peptidoglycanen (Murein).
Funktion: hält sie die Form der Zelle aufrecht und zum anderen schützt sie die Zelle
vor äußeren Einflüssen
- Vermehrung von Bakterien: Bakterien vermehren sich durch Zellteilung (Mitose). Dabei werden alle Organellen verdoppelt und das Bakterium teilt sich in eine identische Tochterzelle Der Prozess kann einige Minuten, Stunden oder Tage dauern Mitose siehe Grundlage E – Phase
- Bei einer Bakterienpopulation lassen sich beim Wachstum drei verschiedene Phasen unterscheiden:
- Verwendung in Experimenten: Bakterien weisen für molekulargenetische Untersuchungen eine Reihe von Vorteilen auf: Unabhängig, eigenständig Einfach zu erhalten Gut zu Beobachten – Praktikabilität Schnelle Vermehrung (manche benötigen für Teilung nur 20 Minuten) Kommen fast überall vor Einfache Struktur DNA liegt frei vor Sie sind haploid: genetische Veränderungen wirken sich unmittelbar aus Reaktion auf unterschiedliche Faktoren (Bsp.: Hitze, pH-Wert) Verfügen über Plasmide - Die lag-Phase beginnt, sobald die Bakterien in die Nährlösung eingebracht werden. Die Bakterien müssen zunächst Vorbedingungen für den Stoffwechsel schaffen. - In der exponentiellen Phase steigt die Anzahl der Bakterien steil an. - Mit der Abnahme der Nährstoffe und der Ausnutzung des Raums stellt sich die stationäre Phase ein. Die erreichte Anzahl der Bakterien verändert sich nicht mehr, da sie Zahl der nachwachsenden und absterbenden Bakterien sich die Waage hält. - Sind die Nährstoffe langsam aufgebraucht, tritt die Absterbephase ein
- Endproduktrepression: try – Operon – Modell
- Aufbau von Stoffen wird reguliert
- Hergestellter Repressor im Normalzustand inaktiv
- Strukturgenen sorgen für Herstellung von Tryptophan
- Ab gewisser Konzentration lagert sich das Trp an den Repressor
- Repressor wird dadurch aktiviert und dockt an das Operon des Gens → Gen wird ausgeschaltet, Trp-Produktion stoppt
- Die Endproduktrepression ist folglich ein Vorgang, bei der das Produkt seine eigene Synthese stoppt (Prinzip der negativen Rückkopplung)
Genmutationen (Substitution, Deletion, Insertion, Duplikation)
Eine Genmutation liegt vor, wenn in der DNA nur eine Base verändert ( Punktmutation ), entfernt oder hinzugefügt (mögliche Rastermutation) wird. Sie ist die häufigste und wichtigste Art der Mutationen und tritt zufällig auf. Sie wird entweder durch eine fehlerhafte Replikation der DNA ausgelöst, oder ein Mutagen verursacht einen Basenaustausch im Erbgut. Meist entstehen Mutationen mit rezessiver Wirkung. Die Genmutation kann ohne Auswirkungen für den Träger, nachteilig, manchmal tödlich (letal) oder auch vorteilhaft sein.
- Man unterscheidet folgende Genmutationstypen: Punktmutation durch Substitution Deletionsmutation durch Deletion Insertionsmutation durch Insertion Duplikationsmutation durch Duplikation
- Substitution / Punktmutation: = Austausch einer Base (kann auch komplementäres Basenpaar sein) auf der DNA
- Folge wenn, Nichterkennung von Anfang und Ende Es entsteht eine andere Aminosäure
Mutation ist im Intron (= Abschnitt eines Gens, der keine für die Erzeugung von
Proteinen nötige Information enthält) in der Erkennungsstelle für snRNP´s
- Keine Folge, wenn 3. Base eines Tripletts verändert wird
- Verschiedene Formen von Punktmutation:
- Stille Mutation: Funktion des Proteins wird nicht verändert, durch Radantität des Codes
- Misense – Mutation: Veränderung eines Tripletts -> andere Aminosäure im Protein
- Nonsense – Mutation: Base wird verändert -> auf mRNA entsteht STOPP – Codon = verfrühter Kettenabbruch, Genprodukt zu kurz
Genetischer Fingerabdruck: Funktion von Restriktionsenzymen, PCR und
Gelelektrophorese
GENTECHNIK = Verfahren zur gezielten Veränderung des Genoms einer Zelle durch Übertragung oder Entfernung definierter DNA – Abschnitte
- Restriktionsenzyme: Die zentralen Werkzeuge der Genetik sind Restriktionsenzyme: Sie spalten den DNA – Doppelstrang im Inneren und wirken wie biochemische Scheren Sie sind hochspezifisch, d.h., sie schneiden nur an bestimmten Stellen o Die Erkennungssequenz ist in sich spiegelbildlich o Dabei entspricht die Basenabfolge des einen DNA – Strangs der Sequenz des komplementären Stranges in umgekehrter Richtung (Palindrom) Sie schneiden – je nach Typ – den DNA – Strang glatt oder aber versetzt durch o Versetzt: an den Schnittstellen ragt jeweils ein kurzes Stück Einzelstrang DNA heraus Haben die Tendenz, sich wieder zusammenzulagern Klebrige Enden = sticky ends) Werden verwendet bei Gentransfer mit Hilfe von Vektoren:
- DNA aus Spenderorganismus schneiden mit Hilfe Restriktionsenzyme
- Auch der Vektor, der ein DNA – Überträger ist, wird mit dem gleichen Enzym geschnitten (auf Plasmid sind Resistenzgene) Man erhält: offenen Plasmidring mit 2 „Sticky ends“
- DNA – Stück setzt sich an den Vektor Automatisch bei bestimmter Temperatur
- DNA – Ligase verbindet die Sequenzen Es entsteht: ein stabiler, doppelsträngiger Plasmid
- Einbringen in den Empfängerorganismus Es entsteht: Bakterie / Zelle mit rekombinierter DNA, Chromosom und das Plasmid mit Fremder DNA
- Selektion und Vermehrung dieser Zelle
- Die PCR = Polymerase – Chain – Reaction
- Ziel: o Kleine bestimmte DNA – Stücke millionenfach zu vervielfachen (= eine Replikation nur künstlich)
- Notwendige Bestandteile: o DNA – Matrize (= Vorlage), d.h. ein zu vervielfachendes DNA – Stück o 2 Primer: künstlich hergestellt mit 15 – 20 Nucleotide, die komplementär zu den Enden des zu vervielfachenden DNA – Abschnitts sind o 4 DNA-Bausteine (Nucleotide) o Hitzebeständige Polymerase: Taq – Polymerase
- Ablauf der PCR:
- Denaturierung: Gemisch auf 90 – 100 Grad erhitzen Wasserstoffbrücken werden zerstört Trennung des DNA -Doppelstrangs in 2 Einzelstränge
- Hybridisierung: Abkühlen auf 50 – 60 Grad Primer lagern sich an die Einzelstränge an Verhindern gleichzeitig, dass die Stränge wieder zusammengehen
- Polymerisation: Jeder DNA – Matrizenstrang wird durch DNA – Polymerase synthetisiert D.h. die Polymerase schließt die entstandenen Lücken mit komplementären Basen) DNA-Probe wurde verdoppelt: Ausgangsmaterial steht für neuen Zyklus zur Verfügung Est nach dem 2. Zyklus entstehen DNA – Stücke der gewünschten Länge, durch Primer Ansatz
Q1.3 Humangenetik
Erbgänge monohybrid, autosomal, gonosomal, dominant – rezessiv einschließlich
Analyse von Stammbäumen
(siehe Ausführung E- Phase Grundlagen)
Pränatale Diagnostik (Prinzip) und verantwortungsbewusste Beratung an einem
Beispiel
- Mit Hilfe der PD können Krankheiten des Kindes bereits im Mutterleiberkannt und manchmal auch behandelt werden
- Umfasst vorgeburtliche Untersuchungen
- Zusätzlich zu den üblichen Unterschall Untersuchungen
- Nur bei genetischen Fehlbildungen
- Wird nur bei bestimmten Indikatoren durchgeführt, z.B.: man hat ein Kind, was erkrankt ist, Vorgeschichte, hohes Alter, …
- Ziele: Medizinischer Verlauf der Krankheit erkennen und mögliche Behandlungsmethoden Mit Risiko umgehen zu können Entscheidungen treffen Vorbereitung auf ein Behindertes Kind
- Behandlungsmöglichkeiten:
