Abitur Zusammenfassung Stoff Q11 Bayern

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Blutgruppen 2.33 Der Rhesusfaktor 2.34 Pränatal Diagnostik 2.35 Gentechnik 2.35.1 Definition 2.35.2 Grüne Gentechnik 2.35.3 Rote Gentechnik 2.35.4 weiße Gentechnik 2.35.5 Werkzeuge des Genetikers 2.35.6 Beschriftung eines Bakteriums 2.35.7 Einsetzung von Fremd DNA 2.36 Selektion mit Markergene 2.37 Konjugation 2.38 Virengenetik 2.39 Genetic Engineering 2.40 cDNA und cDNA-Bibliothek 2.41 Gelelektrophorese 2.42 PCR (Polymerase Chain Reaction) 2.43 Übung: Gentechnik 2.44 DNA-Hybridisierung Biologie Q11 1 2 2 2 3 3 4 4 5 46 46 46 46 46 46 47 47 48 49 50 52 54 4 55 55 56 41 42 42 42 43 43 44 44 45 54 3 @diedamitlernzetteln 1.1 Organisation und Funktion der Zelle kein Zellkern sind einzellige Bakterien haben einen Zellkern alle anderen Lebewesen können einzellig oder mehrzellig sein • Grundwissen: 5 Reiche: Pflanzen, Tiere, Pilze, Bakterien, einzellige Eukarioten Prokariotische Zelle 1.2 Bau und Funktion der Zellorganellen Chloroplast: Ribosome: Zellkern: Mitochondrien: • Ort der Fotosynthese: Licht 6H₂0 +6C0₂ Chiaro • haben doppelte Zellmembran Biologie • Kraftwerke der Zellen • Ort der Zellatmung 0₂ + C6H12O6 • haben eine doppelte Zellmembran 1.3 Endosymbiontentheorie Eukariotische Zelle • Eukarioten sind mit prokaryotischen Organismen eine Symbiose eingegangen • der Prokaryot wurde durch Endocytose aufgenommen und dadurch zum Endosymbionten 602 + C6H₁₂O6 • Bestandteil der Proteinbiosynthese Übersetzung mRNA in eine Aminosäurensequenz 6CO₂ + 6H₂0 • enthält die Erbinformationn (DNA) gebündelt als Chromosomen • Steuer- und Regelinformationen in der Zelle Proteo- Ur-Amöbe ballesium 好好 Ur-Mitochondrium Q11 4 @diedamitlernzetteln 1.4 Aufbau der Biomembran • Eine Biomembran ist eine Trennschicht, die ein Zellkompartiment umgibt oder als Zellmembran den Innenraum einer Zelle vom Außenraum abgrenzt. Innerhalb der Zelle trennen unterschiedlich aufgebaute Biomembranen das Innere von Organellen oder Vakuolen vom Cytoplasma. • Ein Beispiel für diese unterschiedlichen Bedingungen sind die Lysosomen, bei denen die Enzyme ein saureres Milieu als im Rest der Zelle benötigen. Manche Zellbestandteile haben sogar eine doppelte Biomembran. Dies ist beispielsweise beim Zellkern und bei den Mitochondrien der Fall. 1.5 Enzyme ● ● Kompartimentierung: Eine der wichtigsten Aufgaben Biomembran besteht in der Kompartimentierung, also in der Abgrenzung. Durch die Kompartimentierung können Teilbereiche in der Zelle gebildet werden. So sind zum Beispiel alle Zellorganellen wie z. B. Mitochondrien von einer Biomembran umgeben. In den einzelnen Teilen können dabei stark unterschiedliche Bedingungen herrschen. • Diese unterschiedlichen Bedingungen beziehen sich z. B. auf unterschiedliche pH-Werte, Ionen- oder Gaskonzentrationen, Botenstoffe oder Nukleinsäuren zwischen den Kompartimenten Kohlen- hydrate Biologie hydrophil /lipophob H ungesättigt hydrophob /lipophil extrazelluläre Flüssigkeit Cytoplasma gesättigt Glykolipid Glykoprotein Protein mit Pore z.&. Cholin Glycero- phospholipide phospholipide Sphingo- Abb. 2: Aufbau einer Biomembran integrales Protein periphere Proteine Q11 Proteine; bei zu großer Temperatur: denaturieren (Bsp.: gekochtes Ei) Katalysatoren: senkt Aktivierungsenergie, beschleunigt die Reaktion, wird nicht verbraucht • hemmen (aktives Zentrum/ alosterisches Zentrum) Lipid- doppel- schicht- 5 @diedamitlernzetteln • erhitzen (RGT- Regel¹), Temperatur ist relevant • Ph-Wert / Milieu (Enzyme im Magen Vs Darm) Kompartimierung: beschreibt die Einteilung einer eukaryotischen Zelle durch Biomembranen in getrennte Reaktionsräume, die es der Zelle ermöglichen, verschiedene Aufgabe zur selben Zeit auszuführen Nomenklatur: Enzymnamen enden auf -ase, wenn es sich nicht um mehrere Enzyme in einem System handelt. (Beispiel: Hydrolas) • Q11 ● Enzymname soll erklärend sein, also die Reaktion, die das Enzym katalysiert, beschreiben (Beispiel: Cholinesterase: ein Enzym, das die Estergruppe im Cholin- Molekül hydrolysiert) Einige Enzyme tragen Trivialnamen, die nicht erkennen lassen, dass es sich bei der genannten Substanz um Enzyme handelt. Da die Namen traditionell eine breite Verwendung fanden, wurden sie teilweise beibehalten (Beispiele: die Verdauungsenzyme Trypsin und Pepsin des Menschen). Enzymklasse: • Enzyme werden entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion in sechs Enzymklassen eingeteilt: o Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren. o Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen. o Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten. o Lyasen, auch Synthasen genannt, die die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP. o Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen. o Ligasen oder Synthetasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Lyasen nur unter ATP-Spaltung enzymatisch wirksam sind. 1.6 Enzymhemmung Bei der Enzymhemmung (auch Enzyminhibition) wird eine Enzymreaktion durch einen Hemmstoff (Inhibitor) gehemmt. Das bedeutet, dass sich ein Inhibitor an das Enzym bindet und das Enzym damit sozusagen ausschaltet. Das Enzym kann dann das Substrat entweder 1 Die RGT Regel besagt allgemein, dass die Reaktionsgeschwindigkeit durch eine erhöhte Temperatur um einen gewissen Faktor gesteigert werden kann. Du nennst die RGT Regel deshalb Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur Regel. Als allgemeiner Richtwert gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 °C bzw. 10 K steigert die Reaktionsgeschwindigkeit um einen Faktor 2-4, läuft also zwei- bis viermal so schnell ab. Der Faktor heißt Q10-Wert. Deshalb kannst du die RGT Regel auch als Q10-Regel bezeichnen Biologie @diedamitlernzetteln nur noch sehr langsam oder gar nicht mehr zum Produkt umsetzen. An welche Stelle der Inhibitor bindet, hängt von der Art der Hemmung ab. Du unterscheidest zwischen der irreversiblen (nicht umkehrbaren) Enzymhemmung und der reversiblen (umkehrbaren) Enzymhemmung. Die reversible Enzymhemmung wird in kompetitive Hemmung, nicht kompetitive (bzw. allosterische) Hemmung. Bsp: Maltose Substrat- umsetzung Enzym I Biologie allosterisches Zentrum Substrat keine Substrat- umsetzung kompetitiver Hemmstoff Enzym II verhindert Hormone keine Substrat- umsetzung Enzym I Substrat allosterischer Hemmstoff Q11 1.6.1 Kompetitive Hemmung • der Hemmstoff ist setzt sich an das Enzym und verhindert dadurch die Substratumsetzunng • Bei der kompetitiven Hemmung ist es wichtig, zu beachten, dass ein Enzym oft von verschiedenen, unterschiedlichen Substraten gebunden werden kann, die strukturell ähnlich aufgebaut sind. 1.6.2 allosterische Hemmung • Hemmstoff dockt an das allosterische Zentrum und das Substrat kann dann nicht mehr andocken. Substrat Produktion wird gestoppt oder gehemmt. 7 @diedamitlernzetteln 1.7 Überblick zur Zellatmung • Das Molekül Adenosintriphosphat bzw. ATP ist der Energieträger der Zelle2 • Definition: Zucker wird mit Sauerstoff oxidiert um Energie zu gewinnen ● ● Gesamtbilanz: 1.9 Der Citratcyklus Glucose las 1.8 Glykolyse • Ort der Glykolyse ist das Zellplasma3 der C6-Körper der Glucose wird in zwei C3-Körper4, das Pyrovat, zerlegt • findet in der Matrix der Mitochondrien statt die C3-Körper (Pyrovat) aus der Glycolyse werden oxidiert decarboxyliert ATP Energiegewinn von zwei ATP Molekülen pro Glucose Molekül Bildung von 2 [NADH+H+]-Moleküle pro Glucose Molekül der Energiegewinn beträgt 2 Moleküle GTP (ATP) pro Glucose-Molekül • es werden 8 Moleküle [NADH+H+] und FADH2 Moleküle pro Glucose- Molekül gebildet Zellplasma 2 Brenztraubensäure (2 Pyrovat) Biologie Sauerstoff C6H1206+2ADP+2P+2NAP+ → 2 CH3COCOOH + 2ATP + 2 [NADH+H+] -O-H C-0 H-C-H Brenztraubensäure НО-я Glykolyse 0-C-COOH H₂C-COOH Oxalessigsäure NADH+H NAD H HO-C-COOH H₂C-COOH Äpfelsäure HC-COOH COOH-CH Fumarsäure Außeremembran -Innere Membran FADH+H Coenzym A NAD FAD Gesamtbilanz: 2 CH3COCOOH + 8 NAP+ + 2 FAD + 2 GDP + 2P + 6 H2O → 6 CO2 + 8 [NADH+H+] + 2 FADH2 + 2 GTP 2 ADP: Adenosindiphosphat 3Glucose wird in Glucose-6-Phosphat umgewandelt damit dies nicht aus der Zelle kommt 4 Kohlenstoff Atome im Pyrovat CH3COCOOH H₂O- Atmungslette LATP L Wasser zyklus O-COA H-C-H Acetyl-CoA H₂C-COOH H₂C-COOH CO₂ oxidative Decarboxylierung, NADH+H Bernsteinsäure Wohlen- Stoffdioxid Mitrochondrium Zellplasma Intermembranrasm (wird immer nur dazu gegeben Matrix Coenzym A H₂C-COOH HO-C-COOH H₂C-COOH Citronensäure Q11 H₂C-COOH HC-COOH HO-C-COOH H Isocitronensäure NADNADH+H H₂C-COOH H₂C O-C-COOH a-ketoglutarsäure NADH-H 8 @diedamitlernzetteln 1.10 Atmungskette (Endoxidation) Gesamtbilanz: 10 [NADH+H+] + 2 FADH₂ + 34 ADP + 34 P +6 02 → 10 NAD++ FAD + 34 ATP + 12 H₂O Inter- membran- raum Innere Mitochondrien- membran Matrix Biologie NADH+H* Mobile Protein S FADH₂ NAD+ Um diesen Prozess autrecht zu erhalten wird Savesstoff benötigt. III FAD HT H+ III Cytochrom c Mobile Protein ·Strulator 4H*20* -241₂0 0₂ +2e=20² H* ADP+P Q11 V ATP-Synthase = ATP wird Hergestellt ATP 9 @diedamitlernzetteln 1.11 Der Stoffwechsel der Zellatmung im Überblick Stoffwechselabschnitt: Verdaing .Glykolyse.... Oxidative. Decarboxylierung ..Cytratzyklus........ SANDINLARDANES Atmungskette..... 1.12 Gärung ♡♡♡ 10 NADHIH Kohlenhydrate Biologie 2 NADH 0₂ 2 NADH 6 H₂O Glucose 2 Pyrovat C₂ 2 Acetyl-CoA qC₂ F NADH 2FADH₂ 2 CO₂ (60₂) чсог 12 H₂O 2. ATP 2. ATP ..Zellplasma..... ....Matrix 34. ATP Zellbereich: ...Matrix. ...Innere Metro..... chondrien Membrev Versuch: Kultivier man Hefezellen unter aeroben Bedingungen in einem Medium, dass Glucose enthält, stellt sich nach einiger Zeit eine bestimmte Brenztraubensäure- Konzentration ein. Fügt man nun [NADH+H+] im Überschuss zu, ändert sich die Konzentration, wie in Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus ist in den Zellen Ethanal nachweisbar. 1. Brenztraubensäure Konzentration steigt 2. Brenztraubensäure wird zwar nachproduziert aber auch abgebaut (steigt nich mehr) 3. Der Vorgang von Brenztraubensäure zu Endoxidation kann nicht mehr stattfinden, da das Enzym BTS-Dehydrogenase gehemmt wird 4. Gärung setzte ein, Enzym (Protein) BTS- Decarbylase [Protein muss hergestellt werden, Proteinbiosynthese] 5. Brenztraubensäure wird abgebaut zu Ethanal 6. Die Konzentration des Ethanal steigt Konzentration Zugabe von NADH+H+ Q11 Brenztraubensäure Ethanal (Acetaldehyd) 10 Minuten Abb. 2: Konzentrationsverhältnisse im Versuchsansatz Bezug zum Körper: der Vorgang passiert bei Überanstrengung wenn wir nicht genug Sauerstoff aufnehmen können und somit ,,übersäuern" wir Zeit 10 @diedamitlernzetteln 1.13 Arten von Gärung • die alkoholische Gärung, bei der durch Hefen Kohlenhydrate in Ethanol (Alkohol) und Kohlendioxid umgewandelt werden. Die alkoholische Gärung ist der wesentliche Prozess bei der Herstellung aller alkoholischen Getränke und dem Backen von Brot / Hefegebäck. • die Milchsäuregärung, bei der Zucker in Milchsäure verstoffwechselt wird. Milchsäuregärung findet zum Beispiel bei der Herstellung von Joghurt, Sauerkraut, Rohwurstreifung oder Silage statt. Darüber hinaus finden sich noch verschiedene weitere Arten von Gärungen: • die Propionsäuregärung (z. bei der Herstellung von Emmentaler) • die Methangärung • die Ameisensäuregärung ● die Buttersäuregärung 1.14 Exkursion zum Licht → Licht ist eine elektromagnetische Strahlung bzw. Welle → Diese Wellen haben auch Teilcheneigenschaften (Welle-Teilchen-Dualismus) (Photonen genannt) → Licht kann mit einem Prisma in ein elektromagnetisches Spektrum zerlegt werden (vgl. Regenbogen) Wellenlänge: Lambda = C/f C: Ausbreitungsgeschwindigkeit f: Frequenz → Je kürzer die Welle, desto mehr Energie und umgekehrt → Für den Menschen der sichtbare Bereich liegt zwischen ca. 400nm (violett) und ca. 780um (rot) 1.15 Das Laubblatt Sonnenblatt Biologie Cubicula obere Epidermis Palisadengewebe Schwammgewebe untere Epidermis Q11 Cuticula Spaltöffnung Schattenblatt gjUjULJ! 11 @diedamitlernzetteln 1.16 Fotosynthese • Pflanzen nehmen aus der Erde Mineralstoffe und Wasser auf • Pflanzen produzieren Sauerstoff • nehmen aus der Luft Kohlenstoffdioxid auf Zwischenbilanz Lichtabhängige Reaktion: 12 H₂O + 12 NADP++ 18 ADP+18 P→6 02 + 12 [NADPH+H+] + 18 ATP Zwischenbilanz Lichtunabhängige Reaktion: 6 CO2 +6 H₂O + ( 12 NADPH+H+) + 18 ATP → C6H1206+ 12 NADP+ + 18 ADP+18 P+ 12 H₂0 Gesamtgleichung: 6 CO2+6 H₂O → Licht Energie und Chlorophyll →C6H1206+6 02 1.17 Die Primärreaktion der Fotosynthese Stroma pH 8 Thylakoid- membran A pH Licht 2h-v pH 5 saures Milieu, Protonendonatoren H* #* Thylakoidinnenraum Licht Biologie PS II kommt als erstes 2 e 2 H H₂O ¹/2 0₂ +2 H Chloroplast PQ PQH₂ Lichtreaktionen (но) 2 (H₁) konnen über Membranprolaine PS I transp. werden - Contenergie gibt 0₂ Cytbo/f Photosystem II Elektronentransportkette Photosystem! PC Edulte Licht h.v NADP ADP +P₁ Produkte PSI kommt als zweites M SATP ZN NADPHIR RuBP NADP+ NADPH + H FdFAD Calvin-Zyklus 3-Phosphoglycerat G3P Stärke (Speicherstof Saccharose (Export) 2 Fachzucher auc Glucose & Fructose ADP H H* ATP ATP-Synthase konzentrationsgefälle, Reaktionsausgleich Lichtreaktionen: • laufen in den Thylakoidmembranen ab wandeln Lichtenergie in chemische Energie von ATP- und NADPH-Mole- külen um • H₂O wird oxidiert und O, wird in die Atmosphäre entlassen Q11 Reaktionen des Calvin-Zyklus: laufen im Stroma ab • verbrauchen ATP und NADPH zur Über- führung von CO, in Triosephosphat (G3P) • führen ADP, anorganisches Phosphat und NADP+ für die Lichtreaktionen zurück 12 @diedamitlernzetteln 1.18 Chloroplasten - Orte der Fotosynthese 1. äußere Biomembran 2. Intermembranraum 3. innere Biomembran 4. Storma 5. Thylakoidlumen 6. Thylakoidmembran 7. Granum 8. Thylakoid 9. Stärkekörner 10. Ribosomen 11. DNA 1.19 Calvin-Zyklus Ribulose- 1,5-bis- phosphat 6 C₂ Rückbildung des ceptors Biologie Cytoplasma A Kohlenstoffdioxid 3-Phospho- glycerat 12 Reduktion 10 C, Glycerin- aldehyd- 3-phosphat Glucose Stroma ADP 3. Regeneration ATP- Ribulose-1,5- bisphosphat Fructose-1,6-bisphosphat Glucose CO₂ 1. Carboxylierung 3-Phosphoglycerat ✓ 2. Reduktion ADP und Q11 ATP und [NADPH+H*] 10 (11) 13 @diedamitlernzetteln 1.20 Lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese: Das Z-Schema Energie Veranschaulicht die Energie Gehalte während der Reaktion H₂O Fotolyse 2 (H des Wassers H₂O Zugabe 1/20₂ DCMU Biologie 20 401) Lichtreaktion II 2H+ 1/2 0₂ DCPI Pred All Abb. 1 freiwillig) P 680 Fotosystem II Plastochinon 2e zyklischer Foto- phospho- ADP rylierung ATP a) keine b) nur DCMU c) DCMU+DCPIP red (Eugenommen) d) DCPIPox (Eletronen | abgegeben P™ Cytochrom b pigmente h-v ATP hann mehr ATP gewonnen werden & mehr Protonen gepunt ADP+ P 0₂ 1,5 0,0 0,0 Transport -um Glucose her su stellen (Calvin Zyklus) 1,8 membran protein Redoxsysteme line Cytochrom f Plastocyanin Chl Chl P 700 Fotosystem I Lichtreaktion I Frühe Modellvorstellung für die lichtabhängige Reaktion (Chl= Chloroplast) A₁ 3,4 0,3 Licht NADPH+H* 3,2 2e Ferredoxin erhaltene Reaktionsprodukte (umol) 2 e Flavoprotein NADPH + H* h.v 8022 Redoxsysteme NADPH + H+ NADP+ ATP NADP+ Reduktion 2,4 A 0,2 ..um Glucose her zu stellen (Calvin Zyklus) 3.4 0,5 0,7 Abb. 2 Das Experiment: Die Chloroplasten wurden mit ADP und ℗ und NADP+ inkubiert und 15 min bei 25 °C belichtet. Anschließend wurde die Menge der entstandenen Reaktionsprodukte bestimmt. Bei allen Versuchen ist Licht erforderlich; eine direkte Reaktion im Dunkeln zwischen DCPIP und NADP+ oder Wasser findet nicht statt. von NADP+ Q11 14 @diedamitlernzetteln 1.21 Chlorophyll Strukturformel des Chlorophyll-Moleküls: CH₂ CH H₂C-CI H₂C C-N CH Biologie CH₂ HCH, HỆ- Cao CH₂ COO-CH₂ C-C₂H₂ E Mela 9 C-CH3 0 H 1. Anregungszustand Grundzustand CH 3 CH3 CH3 CH3 Abb. 1: Strukturformel von Chlorophyll a und b Je nach Art des Chlorophylls sind an den Grundkörper verschiedene Seitenketten angehängt. So ist beispielsweise Chlorophyll a (1) und Chlorophyll b (2). Strukturell sind die Chlorophylle mit den Hämen verwandt, welche als Bestandteil des Blutfarbstoffs (Hämoglobin), des Myoglobins und der Cytochrome auftreten, als Zentralion jedoch nicht Magnesium, sondern Eisen enthalten. Chlorophylle sind gut löslich in Ethanol und Aceton sowie in ähnlichen Lösungsmitteln. Absorption Energie für die Fotosynthese von Rotlicht Reaktion) (fotochemische Chlorophylle sind Chelat- Komplexe genannte Licht Die Elektronen im Chlorophyll-Molekül werden durch elektromagnetische Strahlung angeregt und auf ein höheres Energieniveau gebracht. Molekularstrukturen, bestehend aus einem derivatisierten Porphyrin- Ring und Mg2+ als Zentralion. Im Unterschied zum Porphyrin enthält das Grundgerüst Chlorophylle der einen weiteren, fünften Ring an Ring III (Nummerierung nach Fischer). 2. Anregungszustand Wärmeenergie 1. Anregungszustand Energie für die Absorption Fotosynthese von (fotochemische Blaulicht Reaktion) Grundzustand Q11 Abb. 2: Anregungszustände der Elektronen 15 @diedamitlernzetteln 2.1 Chromosomen und DNA • 2 Meter DNA komprimiert als Chromosom in einen kleinen Zellkern • Histone: Strukturproteine, die um die DNA aufgewickelt sind Haploid5 bezeichnet dabei einen einfachen Chromosomensatz, während diploid einen doppelten Chromosomensatz beschreibt. Die Körperzellen des Menschen sind diploid, die Keimzellen dagegen sind haploid • DNA: Desoxyribonukleinsäure 2.1.1 Karyogramm: • Menschen haben 23 Chromosomenpaare • 22 autosomale Chromosomenpaare (Autosome, keine Geschlechtschromosomen) • 1 gonosomales Chromosomenpaare (Gonosomen, Geschlechtschromosom) • Mann: XY, Frau: XX geordnet ergeben diese ein Karyogramm 2. 1.2 Aufbau von Chromosomen: 1. Einer der beiden Chromatiden. Ein Chromatid besteht aus einem DNA-Doppelstrang und den zugehörigen Chromatin-Proteinen. 2. Centromer, die Stelle, an dem die beiden Chromatiden zusammenhängen 3. Kurzer Arm (p-Arm) 4. Langer Arm (q-Arm) 5. Telomer (gr. téhoc télos „Ende“ und μépoc méros ,,Teil") Enden der Chromosomen 5 Quelle: https://studyflix.de/biologie/haploid-und-diploid-2625 Biologie Zelle 0.2 - 20μm Nucleus Basenpaar Histone Q11 Chromosom Chromatiden Telomer Centromer Telomer Nukleosomen: DNA mit Histonen Abb. 2: Karyogramm eines Mannes DNA- Doppelstrang i k ) k k l r 16 @diedamitlernzetteln 2.2 Aufbau und Struktur der DNA • die DNA ist antiparalell aufgebaut, dh. die Stränge verlaufen entgegengesetzt (5'→3°, 3°→5′) 2.2.1 Nukleotide: • aus einem Phosphatrest, [Desoxy]ribose (Zucker) und einem basischen Bestandteil zusammengesetzte Verbindung Tymin und Adenin • Guanin und Cytosin glycosidische Bindung HOCH₂ H Nukleosid (Bsp.) NH₂ H 3 Biologie OH 0 H- H 2₁ H H Adenosin H A 2.2.2 Wasserstoffbrückenbindungen Wasserstoffbrückenbindungen entstehen zwischen Molekülen, in denen Wasserstoffatome an besonders stark elektronegative Atome (z. B. Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff) gebunden sind. Die Atombindung zwischen stark elektronegativen Atomen und Wasserstoffatomen ist in hohem Maße polarisiert, da das Fluor-, das Sauerstoff- und das Stickstoffatom bindende Elektronenpaare besonders stark anziehen. Thymian und Adenin (AT, 2 Bindungen) • Guanin und Cytosin (GC, 3 Bindungen) 0=7-2 OH HO P. Phospat 5' Phosphor- Esterbindung O=P-0 0=P-O Nukleotid (Bsp.) Base 5' 0–CH, H Abb. 3: Chemischer Aufbau der DNA und räumliche Struktur der Doppelhelix. H₂C Zucker H OH Thymin -N- N-H.. Guanin N= H H H 2₁ H Adenosinmonophosphat (AMP) N-H. H NH₂ ••H-N N Adenin EN Cytosin Wasserstoff- brückenbindung H Q11 CH₂ O=P-0 O CH₂₂ 0-P-0 5' Abb. 4: Wasserstoffbrückenbindungen bei den Basenpaarungen Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin. 17 @diedamitlernzetteln 2.3 Der Versuch von Meselson und Stahl konservatives Modell ● Ausgangsgeneration 1.Folgegeneration 2. Folgegeneration semi-konservatives Modell Ausgangsgeneration 1. Folgegeneration {{ 2. Folgegeneration 88 88 Biologie • sie nutzten 2 Isotope des Stickstoffs, einen schweren und einen Leichten (N14, N15) Bakterien wurden auf einem schweren Stickstoff gezüchtet, so dass sie diesen Stickstoff mit aufnehmen Erklärung: In die gesamte DNA wurde N15 eingebaut • Erklärung: Jede DNA besteht aus einer "alten" N15-Hälfte und einer "neuen" N14 Hälfte • Anschließend wurden diese Bakterien dann auf einen N14 Nährboden gesetzt • Nach 20min, nach der ersten DNA Replikation wurden die Bakterien abgetötet und in einer Dichtegradientenzentrifugation getrennt • Nach der ersten Zentrifugerirung kamen die Bakterien ca. mittig zwischen N14 und N15 heraus • Somit wurde das konservative Model ausgeschlossen • Nach weiteren 20min kam eine Leichte und eine mittelschwere Schicht Damit wurde das Semikonservative Model bewiesen Erklärung: Die eine Hälfte der DNA-Moleküle ist gemischt, die andere Hälfte besteht nur aus N14 DNA weil wieder N14 Hälften angelagert wurden. Ausgangsgeneration dispersives Modell 1. Folgegeneration Ausgangsgeneration 2. Folgegeneration 1. Folgegeneration 38 2. Folgegeneration 3. Folgegeneration OD HEID ID 14N 15N 14N 15N Q11 14N xx =:8888 R Erklärung: Nur die beiden N15 Hälften werden wieder gemischte DNA Moleküle. Das ist ein viertel, drei Viertel bestehen nur aus "neuer" DNA "BERE BERE 18 @diedamitlernzetteln 2.4 Replikation der DNA peoff: €5000 C Gen Transkription mRNA DNA RNA 6 Aminosäure 4 & 0 Biologie - LO 9000 1: Helicase 2: Topoisomerase 3: RNA Primase 1. Topoisomerase: entwindet die Doppelhelix 2. Helicase: öffnet die Doppelhelix und trennt die Wasserstoffbrückenbindungen 3. RNA-Primase: synthetisiert den Primer 4: Primer 5: DNA-Polymerase 6: RNase H 7: Leitstrang 8: Folgestrang 9: Ligase 4. DNA-Polymerase: fügt am 3' Ende Komplementäre Nukleotide an 5. Ligase: verknüpft die Okazaki Fragmente 6. RNase H: entfernt den RNA-Primer 10: Okazaki-Fragmente 11: Nucleotidtriphospha 12: Diphosphat 13: kontinuierlich 14: diskontinuierlich 2.5 Der Weg vom Gen zum Merkmal • bei der Ausprägung eines Merkmals wirken in der Regel die Gene und die Umwelt • manche Merkmale werden nur durch die Gene bestimmt Transkription: Umschreibung Translation: Übersetzung Gen: DNA mit Informationen für z.B. melaninbildende Enzyme mRNA: Messenger RNA: Nukleotidsequenz, die die Information über die AS-Abfolge des Enzyms enthält Enzym: Protein, mit einer bestimmten AS6-Sequenz Q11 Translation → Proteine (Enzyme) -Stoffwechsel z.B. Melanin (Hautfarbstoff) Aminosäuren 19 @diedamitlernzetteln 2.6 Die Struktur der Proteine • die Primaärstruktur ist die Abfolge der Aminosäuren • die Sekundärstruktur ist Alpha Helix oder Betta Faltblatt Quartärstruktur: mehrere Tertiärstrukturen die Zusammenhängen ● Ausgehend von den Grundbausteinen, den Aminosäuren, unterscheidet man verschiedene Strukturebenen der Proteine, die am Beispiel des Insulins dargestellt sind. Aminogruppe Aminogruppe Amy uppe H H N-C H H₂N* R₁ Glycin (Gly, G) Abb. 1 CẤT CÁNH COO™ TNH C NH-C Aminosäuren OH H -C-C H Abb. 2 Peptidbindung x-Heilix/B-Faltblatt -C-NH-C-CⓇ NH Biologie NH-C + H₂O H N-C- H-C-H OH H-C-HI Abb. 4 Sekundärstruktur Glutaminsäure (Glu, E) НО FO H H N-C- Säure- gruppe R₂ O OH ooc NHỚ H O N-C- HH-C-H OH Insulin-Monomer OOC H-C-H H-C-H H-C-H H-N-H Lysin (Lys, K) Abb. 5 Tertiärstruktur NH3 A-Ke Bäure- Abb. 3 B-Kette gruppe 1 2 3 NH 19 4 OH H-C-C-HS! HH-C-H H Valin (Val, V) Säure- gruppe 5 6 7 8 9 10 18 17 16 15 14 13 Abb. 6 Aminogruppe H H N-C H-C-H 11 2 OH Quartärstruktur Tyrosin (Tyr, Y) 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Insulin-Speicherform Primärstruktur (Ausschnitt aus Insulinmolekül, Aminosäuren im Einbuchstaben-Code) B-Kette OH Q11 воос Wassesstoff br.b. Ion ww. Säure- gruppe 20 @diedamitlernzetteln 2.7 Proteinbiosynthese 2.7.1 Transkription: Start Dovec Verlängerung Die RNA-Polymerase bindet an die DNA in einer Region, die man als Promotor bezeichnet. Ende Promotor $10000000000 5' $0000000000 000000000 5' Biologie mRNA codogener Strang Transkriptionsrichtung Neue RNA-Nucleotide wer- den an das 3'-Ende der wachsenden RNA geknüpft. wwwwww Spesso Transkription 000000000000 RNA-Nucleotide A, U, C, G XXX000 00000000000; Die RNA-Polymerase überdeckt ca. 50 Nucleotide, danach löst sich der RNA-Strang und die DNA spiralisiert sich wieder. $00000000000000000000000000000; Terminator OOOOXX • Promoter: Die RNA-Polymerase bindet an die DNA in einer Region, die man als Promotor bezeichnet codogener DNA-Strang Erreicht die RNA-Polymerase die Terminatorregion, löst sie sich von der DNA-Matrize und die komplementäre RNA wird frei. • RNA Polymerease liest von 5° nach 3° einen kurzen Abschnitt der DNA des Codogenen Strang an: Initiation • mRNA wird kontinuierlich verlängert: Elongation • Die RNA-Polymerase überdeckt ca. 50 Nucleotide, danach löst sich der RNA-Strang und die DNA spiralisiert sich wieder. komplementárer mRNA • Ende: Terminator-Region: Termination (Erreicht die RNA-Polymerase die Terminatorregion, löst sie sich von der DNA-Matrize und die komplementäre RNA wird komplementärer DNA-Strang frei) • mRNA komplementärerer Strand zur DNA (Ribose, kein Tymin dafür Uracil, einsträngig, kürzer) 1111113′ RNA-Polymerase Q11 Es paaren A mit U und G mit C. 3 Transkriptionsrichtung -RNA-Nucleotide 21 @diedamitlernzetteln 1. mRNA wird aus Zellkern in Cytoplasma transportiert 2. Startcodon: Startkomplex (Initiation) aus Start-tRNA mit Anticodon (UAG) zu Start- Triplett (AUG) 3. tRNA transportiert komplementäre Aminosäure 4. Ribosom verbindet beide Codons von 5° zu 3° → Aminosäurekette bildet sich 5. Durch Aminosäurekette bzw. Polypeptit entsteht Protein Biologie 100000000 mRNA 5 START Transkription Translation Start-tRNA freigesetzte tRNA 5 @ START START START Met Met LAC GOC freigesetzte mRNA GGC IN T Met STOPP Pro Pro Met Untereinheiten, des Ribosoms His Met STOPP STOPP STOPP STOPP freigesetztes Polypeptid Q11 22 @diedamitlernzetteln 2.8 Prozessierung nur bei Eukarioten • bei Eukarioten gibt es einen weiteren Schritt bei der Proteinbiosynthese → die Prozessierung • die Transkription findet im Zellkern statt → es wird eine prä-mRNA gebildet • unter der RNA-Prozessierung werden verschiedene Vorgänge zusammengefasst: Caping: anhängen einer ,,Kappe" an das 5'- Ende der mRNA → Schutz vor abbauenden Enzymen Polyaenylierung: anhängen eines Poly(A)-Schwanz an dem 3°- Ende der mRNA →→ Schutz vor abbauenden Enzymen Splicing: spleißen der prä-mRNA in Introns und Extro →nicht codierende Introns werden herausgeschnitten DNA Prä-mRNA Biologie boo ooo ooda nothing in biology ähm makes Öhm sense except in the light etcetec of blablabla evolution Q11 --------//--- nothing in biology makes sense except in the light of evolution 23 @diedamitlernzetteln 2.9 Die Proteinbiosynthese im Überblick Transkription DNA RNA- Polymerase 5' Extron RNA- Transkript Prozessierung Biologie Prä-mRNA Intron mRNA ribosomale Unter- einheiten 3₁ 5' Bewegungs- richtung Kernporen Aminocyl tRNA- Synthese Erkennungsregionen- für die tRNA Lesrichtung Met Aminosäure Aminosäure- Aktivierung tRNA 1 Codon Eukarioten Ribosom Polypeptid Q11 Translation GUT AGGCAACCHAGGGU Anticodon 5' 24 @diedamitlernzetteln 2.10 Genregulation ,,alle" Zellen in unserem Körper verfügen über identisches Erbmaterial aber nicht jede Zelle sind die gleichen Abschnitte wichtig → die Genexpression ist also von Zelle zu Zelle unterschiedlich aus an an aus 5' 0000000000 000000000 aktiver Repressor 3′ mRNA Regulatorgen Promotor Operator RNA-Polymerase ROOOOO inaktiver Repressor Biologie inaktiver Repressor- -Repressor Repressor: vermittelt zwischen RNA-Polymerase und DNA Das Substrat inaktiviert den Repressor: Substratinduktion wird die Ganze Zeit produziert →→ falls viel aufgenommen wird, wird die Produktion geblockt. Sinkt die Konzentration wieder so beginnt die Produktion wieder Substrat (Lactose) Operon (hier speziell das Lac-Operon) Strukturgene Substrat (Vorstufe) Aktiver Repressor blockiert die Transkription. 5' 5' Enzym 1 Enzym 2 Strukturgene: Herstellung von Enzymen Stoffwechselweg xxxxxxxxx Operon (hier speziell das Trp-Operon) Strukturgene Stoffwechselweg Regulatorgen Promotor Operator 1000000000000000000000 200xx Enzym 3 Translation Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4 Enzym 5 Das Endprodukt aktiviert den Repressor: Endproduktrepression 0XXX Transkription Translation Q11 Endprodukt (Glucose + Galactose) Transkription 00000000000000000000000 XXXXXX aktiver Repressor Endprodukt (Tryptophan) 25 @diedamitlernzetteln • Substartinduktion: Bei der Substratinduktion wird die Polymerase zu Beginn durch einen aktiven Repressor blockiert und die Gene werden nicht abgelesen. Dieser Repressor wurde zuvor durch das Regulatorgen gebildet. Gelangt ein Substrat in die Umgebung passiert folgendes: Das Substrat bindet an den aktiven Repressor Endproduktrepression: Die Endproduktrepression ist eine Form der Genregulation bei Bakterien. Das Endprodukt einer Reaktionskette sorgt dafür, dass die Enzyme, die für seine Synthese gebraucht werden, in der Proteinbiosynthese nicht mehr gebildet werden. Dabei kann ein inaktiver Repressor durch das Endprodukt in seine aktive Form übergeführt werden. Dieser Repressor sorgt dann dafür, dass die RNA-Polymerase die Transkription nicht mehr durchführen kann. ● • Essenziell: kann der Körper nicht selber herstellen, muss also über Nahrung aufgenommen werden (8 Aminosäuren) 2.11 Genmutationen • Genmutation: Veränderungen an Genen, die zufällig an beliebigen Stellen der Gene bzw. Chromosomen entstehen Stumme- Mutation (silent mutation) Missense- Mutation Kettenabbruch- Mutation Deletion: Leserater- mutation Insertion : Leseraster- mutation AMGAAGMM MAAH A A Stopp Biologie mRNA Protein Met Gly AMAAAAMM MAAMMAA Met Lys Phe Gly Lys Stopp AMAR Met Lys Met Lys Phe Ser AMAMA AMMMAAHMAA Phe AMA Met Stopp IMMÃQYMÂÂ MOONMÂÂ….. Leu Ala ના વિવિધ વિ Ursache Eine Base wurde durch eine andere ersetzt. (Punktmutation) Eine Base wurde durch eine andere ersetzt. (Punktmutation) Eine Base wurde durch eine andere ersetzt Q11 Es wurde eine Base entfernt Es wurde eine Base eingefügt Wirkung kein großer Unterschied, da die selbe Aminosäure entsteht Es wurde eine falsche Aminosäure gebildet erhebliche Auswirking, aktives Zentrum kann funktionslos werden Es wurde frühzeitig ein Stopp Codon gebildet und die Kette bricht ab => meist funktionsloses Protein • Mutationen können durch Lesefehler der DNA- bzw. RNA-Polymerase entstehen (Mutationsrate: 10-5 - 10-9 pro Gen) Das Leseraster verschiebt sich und es werden falsche Aminosäuren gebildet, oder die Kette bricht ab =>Schwerwiegende Auswirkungen 26 @diedamitlernzetteln • Umwelteinflüsse: Strahlung (Röntgen, ionisierende Strahlung, UV-Strahlung) oder Chemikalien (Nitrosamine, polycyclische aromatische KW) • Basensubstitutionsmutationen: Punktmutationen, Austausch von Nucleotiden der DNA (Missense-Mutation oder Stille- Mutation), zufällig entstandenes Stopp-Codon: Translationsabbruch (Kettenabbruch-Mutation; nonsense-) • Leserastermutationen: Einfügen (Insertion) oder Entfernen (Deletion) von Basen bzw. Genabschnitten verschiebt sich das Leseraster (Leserastermutation; frameshift-) Folge: Translation bricht meist ab, da Stopp-Codone vorzeitig entstehen, Polypeptide mit völlig falscher Aminosäuresequenz können entstehen. 2.12 Der Zellzyklus • Vor der Replikation besitzen unsere Körperzellen Ein-Chromatid-Chromosomen, danach Zwei-Chromatid-Chromosomen. ● Wachstums und Arbeitsphase 2 (→→ Proteinbiosynthese) G₂ S Biologie Replikation (DNA- Verdopplung) Mitose mit anschließender Zellteilung M G₁ G₁, S und G₂ Bezeichnung: Interphase (Zwischenphase) G von gap (Lücke, Abstand), S von Synthese G₁-Phase, postmitotische Phase: - Anschluss an die Mitose beginnt die Zelle wieder zu wachsen - Zellbestandteile (Zytoplasma, Zellorganellen) werden ergänzt - ca. 8 Std. (Mensch) - Chromosomen haben nur ein Chromatid Einfacher Chromosomensatz Wachstums und Arbeitsphase 1 (→→Proteinbiosynthese) Q11 Go 27 @diedamitlernzetteln S-Phase, Synthesephase: -Replikation der DNA - Chromosom hat zwei Chromatiden - ca. 6 Std. G₂-Phase: ER wird eingeschmolzen, die Zelle bereitet sich auf die Mitose vor - in Geweben lösen sich die Zellkontakte zu den Nachbarzellen, die Zelle rundet sich ab und vergrößert sich durch Flüssigkeitsaufnahme - es werden verstärkt RNA-Moleküle und zellteilungsspezifische Proteine synthetisiert - ca. 4,5 Std. M-Phase, Mitosephase: Teilung der Chromosomen, des Zellkerns (Karyokinese: Kernteilung) und der Zelle (Zytokinese: Zellteilung) - ca. 1 Std. - an die Mitose schließt sich die Zellteilung Go-Phase, Ruhephase: ausgereifte (ausdifferenzierte), nicht mehr teilungsfähige Zellen, die eine bestimmte Aufgabe innerhalb des Organismus wahrnehmen, verbleiben in der G1-Phase, die dann als GO-Phase bezeichnet wird → Nervenzellen, Muskelzellen oder Erythrozyten 2.13 Karyogramme 12 16 18 Biologie 13 1 19 Vater 14 8 20 15 A 21 10 16 # 22 11 17 8 Y (L 12 13 & Mutter 8 14 20 15 6 21 16 3 22 Q11 17 Y X 28 @diedamitlernzetteln Vater Einfacher (haploider) Chromosomensatz; alle Ein-Chromatid- Chromosomen sind in Bau und Größe unterschiedlich, Spermium, entstanden durch Meiose • Doppelter (diploider) Chromosomensatz; je zwei Ein- Chromatid-Chromosomen sind in Bau und Größe gleich, entstanden durch das Verschmelzen von Eizelle und Spermium • Erbinformationen müssen verdoppelt werden, damit sich die Zelle dann teilen kann (Replikation) • Doppelter (diploider) Chromosomensatz; je zwei Zwei- Chromatid-Chromosomen sind in Bau und Größe gleich, Ein-Chromatid- Chromosome werden durch Replikation vor der Mitose verdoppelt Interphase: Zellkern mit Chromatingerüst, Kernmembran und Kernkörperchen deutlich sichtbar Prophase: Chromatingerüst verdichtet sich zu Chromosomen, Kernmembran und Kernkörperchen lösen sich auf, der Spindelapparat wird sichtbar Biologie 12 Einfacher (haploider) Chromosomensatz; alle Ein-Chromatid- Chromosomen Chromosomen sind in Bau und Größe unterschiedlich, Eizelle, entstanden durch Meiose (XXX ime DESFORD 13 14 88888 19 13 15 14 20 Mutter ich XX 15 16 putze 21 10 16 10 17 22 5 11 17 2.14 Mitose • Def.: Kern- und Zellteilung von Körperzellen. Es entstehen zwei identische Tochterzellen. X 11 18 Q11 12 29 @diedamitlernzetteln Metaphase: Spindelapparat wandert zu den beiden Zell-Polen, aus zwei Chromatiden bestehende Chromosomen lagern sich in Äquatorialebene der Zelle an Anaphase: Spindelfasern setzen an den Zentrometern an und ziehen die beiden Chromatiden zu den entgegengesetzten Polen der Zelle Telophase: Die Chromatiden entspiralisieren sich, die Spindelfasern verschwinden, Kernmembran und Kernkörperchen bilden sich neu. Als letztes teilt sich die Zelle 2.15 Meiose Interphase (1) XK xx COD BOD Prophase II Biologie Prophase I Metaphase II 1. Reifeteilung = Reduktionsteilung Metaphase I Anaphase II 2. Reifeteilung = Äquationsteilung mein Anaphase I Auto täglich X *K Telophase II *K Telophase I Q11 Interphase (II) Ergebnis der Meiose: Es entstehen 4 Zellen mit unterschiedlichen Erbanlagen. In jeder Zelle liegen Chromatiden vor; der Chromosomensatz wurde halbiert. 30 @diedamitlernzetteln 2.16 Die Bildung von Eizellen und Spermien Spermatogenese: XX XX Oogense: XX XX oder Tetrade Reduktionsteilung XX XX XX 1 2 oder Reduktionsteilung Biologie oder Xx oder oder BE Centromer XX Xx xX Aquationsteilung Bei der Reduktionsteilung werden die homologen Chromosomen zufällig aufgeteilt. Bsp: oder *** oder Äquationsteilung. Xx Xx Xx Xx 4 naploide Spermien Es gibt für dieses Bsp: 23 = 8 Möglichkeiten Diese Neuverteilung des Erbmaterials der Eltern nennt man Rekombination. Bei den 23 Chromosomenpaare des Menschen 223 = 8.388.608 Möglichkeiten Zusätzlich können während der Prophase der Meiose einzelne Bruchstücke der homologen Chromosomen ausgetauscht werden → Crossing over Chiasma * Q11 A reife Eizelle mit 3 Polkörperchen Rekombinierte Homologe 31 @diedamitlernzetteln 2.17 Vorteil geschlechtlicher Fortpflanzung • Eltern: Zwei Gene mit Infos über: - Fellfarbe - Haarlänge • Genkombinationen: - Fell dunkel, Haare kurz - Fell hell, Haare lang → bei der Bildung der Keimzellen werden die Gene durchmischt: Rekombination der Gene = Variabilität → zusätzlich kommt es bei der Bildung der Keimzellen zum Crossing-over = Variabilität → bei d. Befruchtung stehen viele Spermienzellen zur Verfügung → zufällige Befruchtung = Variabilität Nachkommen: Fellfarbe: Haarlänge: dunkel lang dunkel kurz Biologie hell lang Welchen Vorteil hat also die geschlechtliche Fortpflanzung? warmes Klima hell kurz Q11 kaltes Klima Folge: Im Kampf ums Dasein (struggle for life) besitzen die am besten angepassten Nachkommen die größten Überlebenschancen und pflanzen sich häufiger fort (survival of the fittest) → Auslese durch die Natur = Selektion → bestimmte Gen-Kombinationen setzen öfter durch und werden daher häufiger vererbt → Evolution(!) 32 @diedamitlernzetteln 2.18 Chromoso menanomalien • weicht die Chromosomenzahl einer Zelle ab, so Spricht man von numerischer Chromosomenanomalie → Trisomie 21, Turner, Klinefelter • bei der Meiose zum zufälligen nicht-trennen der homologen Chromosomen kommen • als Folge entstehen haploide Geschlechtszellen mit 24 bzw. 22 Chromosomen - beide Möglichkeiten nennt man Nondisjunction Ge- schlechts- zellen XO TURNER-Frau (15 000) normaler IQ klein, steril OY unbekannt OYY unbekannt 2n = 4 n=2 Metaphase 1 Urkeimzelle Biologie XX normale Frau (42,2 Mio) XY normaler Mann (40,3 Mio) XYY XX XXX XXX Poly-X-Frauen (42 000) verminderter IQ, fertil, Kinder mit drei Gonosomen XXY XXXY XXYY Diplo-Y-Männer XXXX KLINEFELTER-Männer (68 000) verminderter IQ, steril, groß, lange Arme und Beine XXXYY Anaphase 1 (40 000) verminderter bis normaler IQ, fertil, groß, impulsiveres Verhalten (umstritten) Pd Anaphase 2 tc (()) 7 D >> K BA Trisomie 21 (Down-Syndrom) Turner-Syndrom W Klinefelter-Syndrom ill n+1 ** 1 n-1 58 n+1 1 BE n-1 Keimzelltypen Q11 3 = Trisomie 8 = Mono- somie 33 @diedamitlernzetteln 2.19 Klassische Genetik • beschäftigt sich mit der Weitergabe genetischer Informationen von einer Generation zur nächsten 2.19.1 Erbliche Merkmale: • werden von Generation zu Generation weitergegeben Mendel wählte für seine Kreuzungsexperimente Pflanzen, die sich in einem wesentlichen Merkmal unterscheiden → monohybride Kreuzung 2.19.2 Phänotyp Erscheinungsbild eines Organismus Merkmalsausprägung des Genotyps 2.19.3 Allele: • Unterschiedliche Varianten eines Gens • Können dominant sein: ist auch in einfacher Gendosis voll im Phänotyp eingeprägt ► überdeckt rezessive Allele ▸ Großbuchstabe (Bsp.: A, B, R,...). Können rezessiv sein: ► ist nur in doppelter Gendosis im Phänotyp sichtbar ► Kleinbuchstabe (Bsp.: a, b, r,...) 2.19.4 Genotyp: • Gesamtheit der Gene • Erbbild eines Organismus • Allel- Kombinationen: ►reinerbig = homozygot: AA, aa ▸mischerbig = heterozygot: Aa, Bb Q11 Biologie 34 @diedamitlernzetteln 2. 20 Die dominant-rezessiven Erbgänge P= Parentalgeneration (Elterngeneration) F1, F2 usw.: Filialgeneration (Tochtergeneration) (gelb) AA (A) (A) aa grün Phänotyp Genotyp keimzellen Phänotyp: (gelb) • Genotyp: Aa Aa • Keimzellen: @ Aa • Genotypenverteilung (Kombinationsquadrat) Phänotyp: 1× AA 2x Aa P Biologie 2.20.1 Mendelscher Regel (Uniformitätsregel): kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, dann sind die Individuen der F₁- Generation in diesem Merkmal untereinander gleich → (uniform) Kreuzungsschema für die F₁-Tochtergeneration: Herleitung der 2. Mendelschen Regel Mendel zeigte bei weiteren Kreuzungsversuchen mit der F₁-Tochtergeneration, dass bestimmte Zahlenverhältnisse zu erwarten sind. Die Keimzellen der F₁-Generation enthalten bei eine monohybriden Erbgang immer nur das Allel A oder a. Daher ist nach den Regeln der Wahrscheinlichkeit ein Genotyp von 1: 2: 1 (AA, Aa, aa) zu erwarten. Mendel kreuzte 258 Pflanzen und erhielt 8023 Samen. Davon waren 6022 gelb und 2001 grün. 1xaa (A) (a) (A) AA @ Aa @ @ A Aa Aa A Aa Aa Aa aa kombinations- quadrat Phänotyp F₂ f₂ Q11 2.20.2 Mendelsche Spaltungsregel: Kreuzt man die Hybriden der F₁ -Generation untereinander, dann treten in der F2-Generation die Merkmale beider Eltern im Zahlenverhältnis 3:1 wieder auf (,,die F2 -Generation spaltet auf") 35 @diedamitlernzetteln Bateson und die mendelschen Regeln, ein dihybrider Erbgang BATESON gehörte mit zu den Wiederentdeckern der mendelschen Regeln. Unter anderem stellte er dar, wie sie zur Züchtung neuer Sorten genutzt wurden. Eine rot blühende reinerbige Varietät (Sorte) wurde mit einer einer "Wohlriechenden Wicke" wurde mit einer cremefarbenen reinerbigen gekreuzt. Als genetisch bedingtes Merkmal fand man in den Kronblättern der roten Blüten roten Zellsaft und farblose Chromoplasten, in denen der cremefarbenen Blüten farblosen Zellsaft und cremefarbene Chromoplasten. In der F₁-Generation traten nur Blüten mit rotem Zellsaft und farblosen Chromoplasten auf. Die Kreuzung von Exemplaren der F₁-Generation untereinander ergab folgende Resultate: • A: roter Zellsaft a: farbloser Zellsaft • B: farblose Chromoplasten b: cremefarbige Chromoplasten F2 Zellsaft Chromoplasten Farblos Zahlenverhältnis F2 AB Ab aB ab P F₁ Rot Biologie Phänolyp Genotyp Keimzellen Phänotyp Genotyp Keimzellen AABB AABb AaBB AaBb 9 AB Rot Cremefarbig AA BB AB AaB AB A AABb AAbb AaBb 3 Aabb AB aB Ab Farblos Farblos Reinerbig AaBB X AaBb aaBB aaBb 3 aB a Farblos Cremefarbig aa AaBb Aabb Aa B AB A aB a aaBb 1 aabb Q11 a ab 36 @diedamitlernzetteln 2.21 Intermediärer Erbgang Bsp: Kreuzung der rezessiven reinerbigen roten Wunderblume mit der rezessiven reinerbigen weißen Wunderblume. rote Blüten P F₁ P FA 2.20.3 Mendelsche Regeln (Unabhängigkeit/Neukombinationsregel): Jedes einzelne Allelenpaar wird nach der Regel vererbt. Die Allele verschiedener Gene sind dabei in den Keimzellen frei miteinander kombinierbar. RFA weiße Blüten 2.22 Genkopplung A: braune Körperfarbe, a: schwarze Körperfarbe B: lange Flügel, b: kurze Flügel RF₂ X rw-rosa Blüten Biologie ww Normal AABB AB "1 x aabb Phänotyp der heterozygoten F₁- Pflanzen liegt zwischen den beiden Merkmalen. (ab) AaBb uniform 1 Phänotyp AaBb x aabb (AB) ab Abab) x (ab) AB | aB | Ab | ab ab AaBb aaBb Aabb aabb 4 Phänotypen Genkopplung AA |66|× |88| BB Ⓡ (8) A uniform 1 Phänotyp |60|×|00| X e e A 11 2 Phänotypen Q11 a P F₁ RFA RF2 Gekoppelte Gene: die Gene (Allele) liegen auf dem gleichen Chromosom. Für gekoppelt Gene gilt die 3. Mendelsche Regel nicht. Für die 3. Regel müssen die Gene auf verschiedenen Chromosomen liegen. 37 @diedamitlernzetteln 2.23 Genkarte Bsp: Chromosom von Drosophila Die Zahlenwerte sind die Morgan - Einheiten (ME). Diese geben die Crossing -over Wahrscheinlichkeit in Prozent an - für die Synthese von Melanin sind mehrere Gene zuständig → die dominanten Allele fördern die Farbstoffbildung → summieren sich in ihrer Wirkung auf (additive Polygenie) 2.24 Additive Polygenie Bsp.: Hautfarbe des Menschen - die Hautfarbe kommt durch Melanin Einlagerungen in der Haut zustande - schützt vor UV-Strahlung 2.25 Modifikation - umweltbedingte Änderungen des Phänotyps → braun werden im Urlaub 2.26 Genaustausch (Kopplungsbruch) Biologie P Keimzellen (Gameten) Rückkreuzung RF₁ Crossing over Keimzellen (Gameten) RF₂ Â |A| X A000 X 40.75% 9,25 % a (8) @88 |||||| 9,25 % bb & aa bb 40,75 % Po 13 braune Körper 31 rote Augen centromer doppelt rezessives Männchen 48 schwarze körper 75 normale Flügel A= Brauner Körper a = Schwarzer Körper B = Lange Flügel b = Kurze Flügel Q11 38 @diedamitlernzetteln 2. 27 Human Genetik 2.27.1. Symbole: Frau: O Mann: O Paar: O Geschwister: Verwandtenehe: Merkmalsträger: 2.28 Stammbaum einer Familie mit Brachydaktylie ein autosomal - dominanter Erbgang Beim Menschen ist die Erblichkeit eines Merkmals dann zu vermuten, wenn es familiär auftritt. Als eine der ersten Anomalien, die vererbt wird, wurde die Kurzfingrigkeit (Brachydaktylie) untersucht. Die Betroffenen zeigen eine Reihe von Skelettanomalien, darunter verkürzte Finger. Die untersuchte Familie zeigte in fünf Generationen die Krankheit. Unter den Kindern von Personen mit dieser Anomalie waren insgesamt 35 normalfingrige und 36 kurzfingrige, also ein fast perfektes 1: 1 Verhältnis. Außerdem wurde festgestellt, dass alle Kinder und Enkel von normalfingrigen Personen normale Finger hatten. In der Familie vom Mann 4 ist niemals Brachydaktylie aufgetreten. Aa 3 aa aa Biologie Aa 12 aa 5 aa 13 aa 1 aa 6 aa 14 Verändert man den Stammbaum zu zwei reinerbigen Eltern, so ist der Erbgang zwingend dominant Aa Kritik am Begriff Erbkrankheit: es werden nur Gene/Allele vererbt und keine Krankheiten Aa 7 (aa 8 Aa Abb. 1: Stammbaum einer Familie mit Brachydaktilie (Ausschnitt) Ad aa 9 • dominanter (wenn ein Merkmal in jeder Generation auftaucht, Anzahl der Betroffenen etwa 50/50 und Nachkommen merkmalsfreier Nachkommen sind merkmalsfrei) und Autosomaler Erbgang Q11 10 AA 39 @diedamitlernzetteln 2.29 Stammbaum einer Familie mit Phenylketonurie ein - autosomal rezessiver Erbgang Phenylketonurie (PKU) ist die häufigste angeborene Stoffwechselstörung. Sie wird mit einer Inzidenz7 von etwa 1:8.000 Neugeborenen vererbt. Die PKU beruht auf einer Veränderung eines Gens (12q22 bis 12q24, GeneID 50538), welches die Phenylalaninhydroxylase codiert. Es sind inzwischen über 400 verschiedene Mutationen dieses Gens bekannt. Betroffene Patienten können die Aminosäure Phenylalanin nicht abbauen, wodurch diese sich im Körper anreichert und Phenylpyruvat, Phenylacetat oder Phenyllactat entsteht, was unbehandelt zu einer schweren geistigen Entwicklungsstörung mit einer Epilepsie führt. Bestimmte Stoffwechselprodukte, die Phenylketone, die mit dem Urin ausgeschieden werden, waren für die Erkrankung namensgebend. Die Erkrankung kann durch eine einfache Reihenuntersuchung schon bei Neugeborenen erkannt werden (z.B. Guthrie-Test). Eine rechtzeitig begonnene eiweißarme Diät kann die vorgenannten Symptome verhindern und sollte idealerweise lebenslang durchgeführt werden. • muss rezessiv sein, da die Eltern die Krankheit nicht haben aber das Kind muss autosomal sein, weil die Eltern beide gesund sind, da eine kranke Tochter raus kommen, kann es nicht auf dem x Chromosom liegen • Die Folge Generation bekommt die Krankheit wahrscheinlicher, da die Eltern verwandt sind (AA Abb.1: Stammbaum einer Familie mit Phenylketonurie Ao Biologie Aa Aa AA/Aa ao Aa Ao Aa aa مه Ao Abb. 2: Störung des Phenylalanin- Stoffwechsels Nahrungseiweiß - Gen Enzym A Gen Enzym B OH O Thyroxin (T) CH₂ HC - NH, COOH Phenylalanin CH₂ Gen HC-NH, COOH Phenylketonurie HO OH CH₂ HC - NH, COOH Tyrosin OH CH₂ COOH Homogentisinsäure Enzym C CO, + H,O Kretinismus CH₂ C=0 COOH Phenylpyruvat OH CH₂ CH₂ NH₂ Dopamin Q11 OH Gen Enzym D weiße haut/haare + rote Augen Dopachinon Melanin Albinismus Alkaptonurie 7 Die Inzidenz (von lat.: incidere vorfallen") ist eine epidemiologische Maßzahl und damit Fachausdruck aus der medizinischen Statistik. Sie gibt die Anzahl der Neuerkrankungen an einer bestimmten Krankheit an. 8 Bezeichnung der Gensequenz. Nachzulesen bei ,,ncbi“ 40 @diedamitlernzetteln 2.30 Die Bluterkrankheit ein genosomaler-rezessiver Erbgang Phänotyp der Hämophilie Aº • Häufigkeit: 1:10.000 • Ursache: Defizienz10 des Blutgerinnungs-Faktor-VIII Im Familienstammbaum des europäischen Hochadels taucht ausgehend von Königin Viktoria von England (* 24. Mai 1819 im Kensington Palace, London; † 22. Januar 1901 in Osborne House, Isle of Wight) die Bluterkrankheit auf. Durch politische Heiraten breitete sie sich über die Königshäuser Preußens, Russlands du Spaniens aus. Ausschnitt des Stammbaums: X-chromosomal-rezessiv Kaiser Friedr. III. Heinrich v.Preussen Prinz Albert von Sachsen-Coburg-Gotha Yaxa engl. Königshaus Biologie XAXa Alice Waldemar Heinrich Xay Ludwig v. Hessen Irene v. Hessen Alexandra Zar ХаХа Alexander v. Frederick v. Hessen Nikolaus II Teck-Athlone JOOD XAY Queen Victoria Zarewitsch Ruprecht Alexei XAXA Helene v. Waldeck XAXa Konduktorin (Überträgerin) Alfonso v. Spanien Abb. 2: Stammbaum des europäischen Hochadels hat den Defekt selbst nicht Xay Verwandtenehe O Leopold Heinrich v. Duke of Albany Battenberg Alice Alfons XIII. Vict. Eugenie Leopold v. Spanien v. Battenberg Q11 Merkmalsträger • Merkmal liegt auf dem x Chromosom, Frauen sind Träger und die Männer werden krank • rezessiver Erbgang, da die Frauen nur übertragen Gonzalo Beatrice Moritz 9 Bluterkrankheit: ist ein Gendefekt, bei der die Blutgerinnung gestört ist. Das Blut aus Wunden gerinnt nicht oder nur langsam. Häufig kommt es auch zu spontanen Blutungen, die ohne sichtbare Wunden auftreten. Hämophilie tritt hauptsächlich bei Männern auf. Betroffene Personen werden umgangssprachlich auch als Bluter bezeichnet. 10 Mangelhaftigkeit 11 *Viktoria war von 1837 bis 1901 Königin des Vereinigten Königreichs von Großbritannien und Irland sowie ab 1876 die erste britische Monarchin, die den Titel ,,Kaiserin von Indien" trug. Mit dem Tod Victorias endete die Regentschaft des Hauses Hannover auf dem britischen Thron, mit ihrem Sohn König Eduard VII. begann die Herrschaft des Hauses Sachsen-Coburg und Gotha, das seit 1917 im Vereinigten Königreich Haus Windsor genannt wird. 41 @diedamitlernzetteln 2.31 Hilfen zur Stammbaumanalyse 2.31.1 Charakteristika des autosomal-dominanten Erbgangs Geschlechtsunabhängig • Merkmalsausprägung: homozygot oder heterozygot • Stammbaum: häufig in allen Generationen . Nachkommen merkmalsfreier Personen sind merkmalsfrei • Familie eines Merkmalsträgers: ▸ Eltern: mindestens ein Elternteil ist betroffen ‣ Geschwister: häufig betroffen ► Kinder: statistisch zwischen 50% und 100% betroffen Bsp: Brachydaktylie 2.31.2 Charakteristika des autosomal-rezessiven Erbgangs › Geschlechtsunabhängig • Merkmalsausprägung: nur bei Homozygoten • Stammbaum: nur die wenigen Homozygoten sind krank • Nachkommen merkmalsfreier Personen können Merkmalsträger sein • Familie eines Homozygoten: > Eltern: phänotypisch unauffällig →→ beide Allelträge ▷ Geschwister: meist phänotypisch unauffällig > Kinder: immer phänotypisch unauffällig → (bei gesunden Partnern) alle Allelträger Verwandtenehe: bei seltenen Genen Förderung homozygoter Manifestation → erhöhtes . Risiko Bsp: Phenylketonurie Biologie Q11 42 @diedamitlernzetteln 2.31.3 Charakteristika des X-chromosomal-dominanten Erbganges • Seltener Vererbungsmodus Geschlechtsgebunden • Merkmalsausprägung: bei Männern und Frauen (Männer oft schwerer krank) • Stammbaum: ähnlich wie beim autosomal-dominanten Erbgang, jedoch sind die Söhne kranker Väter gesund! ►Vater krank: alle Töchter krank, alle Söhne gesund ►Mutter krank: 50% der Kinder krank Verwandtenehe: Kein erhöhtes Risiko! Bsp.: Ret- Syndrom ● 2.31.4 Charakteristika des X-chromosomal-rezessiven Erbgangs Geschlechtsgebunden • Merkmalsausprägung: fast nur Männer erkrankt • Stammbaum: Männer erkrankt ► Vater krank: alle Söhne gesund, alle Töchter Konduktorinnen ►Mutter Konduktorin: 50% der Söhne krank, 50% der Töchter Konduktorinnen ▸ Verwandtenehe: Gefahr der Kombination phänotypisch Kranker mit Konduktorin Bsp: Blutkrankheit (Hämophilie) Y-chromosomale Erbgang: Q11 Das merkmalsbedingende Gen liegt auf dem Y-Chromosom. Bei diesem Erbgang erfolgt die Merkmalsausprägung nur bei Männern, wodurch ein merkmalstragender Mann auch nur merkmalstragende Söhne haben kann. Es sind beim Menschen, im Gegensatz zu den X- chromosomalen Erbgängen, keine Erbkrankheiten bekannt. Bisher ist nur die männliche Geschlechtsdetermination als Y-chromosomales Merkmal mit Sicherheit nachgewiesen. Bis in das 21. Jahrhundert hinein ging man davon aus, dass ein starker Haarwuchs (Hypertrichose) im äußeren Gehörgang Y-chromosomal vererbt wird. Dieser Erbgang wird allerdings mittlerweile angezweifelt. (Stand: 01.05.2023) Biologie 43 @diedamitlernzetteln 2.32 Blutgruppen Es gibt vier verschiedenen Blutgruppen: A, B, AB, 0 - die Blutgruppe ergibt sich durch Abwehrstoffe auf den Erythrocyten, den Anitgenen - damit keine Fremdkörper (Krankheitserreger, andere Erythrocyten...) sich im Körper vermehren können, gibt es Antikörper Blutgruppe Antigene A B AB 0 2.33 Der Rhesusfaktor 1. Schwangerschaft Rotes Blutkörperchen- Antigen D A B AB keine 1. Kind Rh-positiv O Fruchtblase • Kodominaz: beide dominanten Allele wirken im heterozygoten Zustand gleich stark auf den Phänotyp ein. Es ist keine homogene Mischform, wie beim intermediären Erbgang. Mutter Rh-negativ Bei der Blutgruppenbestimmung wird auch das Vorhandensein des Antigens D mit untersucht. Dieses Antigen wurde 1940 zuerst bei Rhesusaffen entdeckt, weshalb man auch vom Rhesusfaktor spricht. Etwa 83% der deutschen Bevölkerung sind Rhesus-positiv (Rh+), sie besitzen also das Antigen D¹2 auf der Oberfläche der Erythrozyten. Da der Rhesusfaktor dominant vererbt wird, haben diese Menschen den Genotyp DD oder Dd. Ihr Blut enthält normalerweise keine Antikörper Anti-D. Die Bildung solcher Antikörper wird erst ausgelöst, wenn Rhesus-negatives (rh-) mit Rh+-Blut in Verbindung kommt. (Mutter bekommt dann Antikörper gespritzt), nur bei Mutter Rh negativ und Kind Rh positiv Geburtsvorgang Antikörperbildung Plazenta Antikörper B Antikörper- Antigen- Reaktion A 2. Kind Rh-positiv Antikörper gegen Antigen D- Fruchtblase keine AB 2. Schwangerschaft O Q11 Mutter Rh-negativ Plazenta @diedamitlernzetteln 2.34 Pränatal Diagnostik Die pränatale Diagnostik (lat. prä, vor; natus, Geburt) dient zur Erkennung von genetisch bedingten Krankheiten und Fehlbildungen, sowie von Chromosomenanomalien beim Fetus ¹3. Es werden invasive (lat. invadere, eindringen) und nicht invasive Methoden unterschieden. Eine der wichtigsten nicht invasiven Methoden ist die Ultraschalluntersuchung. Durch die Untersuchung können Wachstum, sowie mögliche Fehlbildungen des Fetus beobachtet werden. Das Verfahren birgt kein bekanntes Risiko für die Mutter oder den Fetus. Ab der 14. Schwangerschaftswoche (SSW) kann man im Blut der Mutter das a-Fetoprotein nachweisen. Eine hohe Konzentration deutet auf ein verstärktes Risiko, für Wirbelsäulenerkrankungen hin (z.B. Spina bifida). Das Risiko für Mutter und Fetus ist sehr gering, allerdings ist die Interpretation der Ergebnisse sehr schwierig und ungenau. Erheblich genauer sind die invasiven Methoden, zu denen die Fruchtwasserpunktion oder Amniozentese gehört. Es werden aus dem Fruchtwasser lebende abgestoßene fetale Zellen entnommen. Bei einer Chorionzottenbiopsie¹4 wird fetales Gewebe von der Plazenta abgesaugt. Bei beiden Methoden kann eine zuverlässige Chromosomenanalyse durchgeführt werden. Sollten immer noch Unklarheiten bleiben, kann zu einem späten Zeitpunkt eine Nabelschnurpunktion durchgeführt werden. Plazenta unkultivierte Zellen Geschlechts- diagnostik Fruchtwasser- punktion 14.-18. SSW Fehlgeburtenrate ca. 1 % 10% Biologie • Alpha- Fetoprotein Stoffwechsel 8 Zellkultur Chromosomenanalyse (Dauer: ca. 14 Tage) Stoffwechseldiagnostik • DNA-Diagnostik Geschlechts- diagnostik Chorionzotten- punktion 9.-12. SSW Fehlgeburtenrate ca. 2 % durch Direktpräparation, 24 h Kultur oder Langzeitkultur Chorionzotten unkultivierte Zellen diagnostik Chromosomenanalyse Geschlechts (Dauer: ca. 1 Tag) Stoffwechseldiagnostik DNA-Diagnostik Q11 Nabelschnur- punktion ab 19. SSW Fehlgeburtenrate ca. 1 % oº Zellkultur Chromosomenanalyse (Dauer: ca. 7 Tage) Stoffwechseldiagnostik DNA-Diagnostik 13 Fötus oder Fetus (von lateinisch fetus, ,,Brut, Nachkommenschaft", Mehrzahl Föten; der Begriff Feten ist wegen seiner Doppelbedeutung unüblich). 14 Das Chorion (altgriechisch xóptov Haut, Leder, Nachgeburt'; auch Serosa genannt) ist die äußere der beiden Fruchthüllen des Fetus der ,,hoheren" Landwirbeltiere (Amniota). Der vom Chorion umschlossene Raum wird auch als Chorion- oder Fruchthöhle bezeichnet. 45 @diedamitlernzetteln 2.35 Gentechnik 2.35.1 Definition Als Gentechnik bezeichnet man jene Methoden und Verfahren der Biotechnologie, mit deren Hilfe Gene von einem Lebewesen auf ein anderes übertragen werden. 2.35.2 Grüne Gentechnik = Gentechnik der Pflanzen; es entstehen genveränderte (transgene) Pflanzen (Bsp: Mais) 2.35.3 Rote Gentechnik = Gentechnik bei Menschen und Tier; es entstehen Tiere mit gewünschten Eigenschaften Beispiel: Nutztiere (Lachse) 2.35.4 weiße Gentechnik = Gentechnik mit Hilfe von Mikroorganismen (Bakterien) 2.35.5 Werkzeuge des Genetikers Restriktionsenzyme (,,genetische Schere") → schneidet die DNA an einer spezifischen Basensequenz Bsp: EcoR1 Bsp: Haell GATTC...........G ATTC...... sticky ends Biologie ..CTAAG.. .GGCC. ..CCGG.. CTAA G..... (,,klebrige Enden) ..GG CC...... blunt ends ....CC GG..... (,,glatte Enden") Ligase (,,genetischer Kleber") → verbindet DNA-Fragmente zu einem durchgehenden Strang Vektor C ,,Gentaxi" → z.B. ein Plasmid, das dazu dient Fremd-DNA in eine Zelle einzuschließen Q11 46 @diedamitlernzetteln 2.35.6 Beschriftung eines Bakteriums 1. Pilus 2. Reservestoffe 3. Mureinzellwand 4. Zellmembran 5. Plasmid 6. 70S-Ribosomen 7. Bakterienchromosom (DNA-Ring) 8. Mesosom (Membraneinstülpung) 9. Bakteriengeißel 2.35.7 Einsetzung von Fremd DNA Ap Pst 1 Restriktions- endonuclease Ap (wird zerschnitten) Te' (funktionsfähig) Ap Biologie Fremd-DNA Ligase- Td- E.coli- Petrischale mit Tetracyclin Vermehrung und Übertragung 00 Überstempeln opos CaCl₂ (macht Zellwand durchlässig für Plasmide) Bakterien-DNA- O Petrischale mit Ampicillin Q11 1. Pst 1 Restriktionsenonuclease schneidet an einer bestimmten Stelle des Plasmid heraus (das Plasmid ist Ampicillin resistent) 2. Apr Strang wird herausgeschnitten 3. Fremd DNA wird in Plasmid eingesetzt und durch Ligase verschlossen 4. Anschließend wird das plasmid in ein E-Coli bakterium eingesetzt 5. Anschließend werden die Bakterien auf eine Petri Schale mit Tetracylin gestetz um zu prüfen ob das einsetzten des Plasmid erfolgreich war 6. Danach werden die Bakterie auf eine Petrischale mit Ampicillin übertragen, sofern die Bakterien nicht sichtbar werden heißt es, dass die Fremd DNA aufgenommen wurde 47 @diedamitlernzetteln 2.36 Selektion mit Markergene Die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle ist etwa 1,80 m lang. Eine Base auf einem DNA- Strang hat theoretisch einen Informationsgehalt von 2 bit, da sie 22 = 4 Zustände (A/T/ G/C) annehmen kann. Mit etwa 3 Milliarden Basenpaaren hätte das Genom des Menschen demnach einen maximal möglichen Informationsgehalt von 6 Milliarden bit oder 750 MB. Auf der Grundlage der Shannonschen Informationstheorie ergibt sich jedoch ein Informationsgehalt von maximal 50 MB, und der tatsächliche Informationsgehalt liegt noch deutlich darunter, da große Teile der DNA zufällige Sequenzen aufweisen und daher praktisch keine Information enthalten. Damit man erfolgreich und gezielt Gene austauschen bzw. verändern benötigt man Markergene, die ein Auffinden der gesuchten Sequenz ermöglichen. Als Marker (deutsch ,,Markierung“, auch Markergen oder molekularer Marker genannt) bezeichnet man in der Molekularbiologie z. B. eindeutig identifizierbare, kurze DNA-Abschnitte, deren Ort im Genom bekannt ist, z. B. SNP (Single Nucleotide Polymorphisms). Man kann aber auch Markergene gentechnisch einbauen. Diese Reportergene werden so gewählt, dass man ihre Anwesenheit in einem Organismus leicht erkennen kann. Zum Beispiel werden Gene für fluoreszente Proteine oder Reporterenzyme zusammen mit anderen, nicht so leicht erkennbaren Genen, einem Mikroorganismus hinzugefügt. Diejenigen seiner Nachkommen, die die Gensequenz geerbt haben, erkennt man dann beispielsweise daran, dass sie fluoreszieren. Bei ihnen ist also die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass sie auch diejenigen Gene geerbt haben, die neben dem Markergen in der hinzugefügten Gensequenz sitzen. Um Gene in Bakterien zu transferieren, werden häufig Plasmide, wie das Plasmid pBR322, verwendet. p = Plasmid B und R = Namen der Entwickler (Bolivar und Rodriguez) 322 = Fortlaufende Nummerierung Pstl 2007 Biologie amp ori HindIII EcoRI EcoRV 4350029 185 pBR322 4361 bp 2295 Q11 tet Ndel BamHI y Sall amp-Gen: Ampicillinresistenz (Ap¹) -tet-Gen: Tetracyclinresistenz (Ter) ori-Region (origin of replication): Ort an dem die DNA-Polymerase mit der Replikation beginnt bp Basenpaare - - Pstl, EcoRI, HindIII...: Exakte 1000 Schnittstellen der Restri enzyme 4361 bp sind ca. 1 yte Informationen Die Übertragung von Antibiotikaresistenzen auf Bakterien birgt ein nicht unerhebliches Risiko für die Menschen, da die Resistenzen von Bakterien zu Bakterien weitergegeben werden können. Die Versuche von Tatum und Lederberg zeigen wie dies funktioniert. 48 @diedamitlernzetteln 2.37 Konjugation Konjugation bezeichnet in der Mikrobiologie die Übertragung von Teilen des Genoms von einer Spenderzelle (Donor) auf eine Empfängerzelle (Rezipient) durch direkten Zellkontakt. Bsp.: Versuche von TATUM und LEDERBERG (1946): Bereits kurz nach der klinischen Einführung des Penicillins im Jahre 1942 beobachtete man bei einigen Bakterienstämmen Resistenzerscheinungen, die sich schlagartig ausbreiteten, so dass Mutationsereignisse einzelner Bakterien als alleinige Ursache nicht in Frage kamen. Diesem Phänomen gingen die Amerikaner TATUM und LEDERBERG nach. Sie arbeiteten mit zwei Mangelmutanten von E.coli. Stamm A konnte die Aminosäuren Phenylalanin (phe-) und Cystein (cys-), Stamm B dagegen die Aminosäuren Threonin (thr-) und Leucin (leu-) nicht synthetisieren. Beide Doppelmutanten wuchsen nur auf Nährböden mit entsprechendem Aminosäurezusatz. Die untenstehende Abbildung gibt die Versuchsergebnisse wieder. phe™ thr+ Das was man nicht selber herstellen kann muss man aus der Nahrung beziehen Stamm A Biologie cys™ leu* keine Kolonien Gemisch phe+ thr Waschen und Ausplattieren von ca. 108 Zellen auf Minimalnährböden ohne phe, cys, thr, leu Kolonien leu, thrt, phe, cys* Stamm B cyst leu™ keine Kolonien Beschreibung der Versuchsergebnisse: - Stamm A und B können nicht auf dem Minimalnährboden wachsen - ein Gemisch aus beiden bildet eine Kolonie Q11 Interpretation der Versuchsergebnisse: - Stamm A und B müssen Informationenausgetauscht haben - die es ihnen ermöglich die Mangelsituation zu beheben 49 @diedamitlernzetteln 2.38 Virengenetik • Viren sind infektiöse organische Strukturen, die sich als Virionen außerhalb von Zellen (extrazellulär) durch Übertragung verbreiten, aber als Viren nur innerhalb einer geeigneten Wirtszelle (intrazellulär) vermehren können. Sie selbst bestehen nicht aus einer Zelle. Alle Viren enthalten das Programm (einige Viren auch weitere Hilfskomponenten) zu ihrer Vermehrung und Ausbreitung, besitzen aber weder eine eigenständige Replikation noch einen eigenen Stoffwechsel und sind deshalb auf den Stoffwechsel einer Wirtszelle angewiesen. T4-Phage • Viren zerstören die Zellen & Bakterien machen uns durch die Stoffwechsel Überbleibsel krank Weitere Infos zu den Phagen: - Phage (Bakteriophage): Gruppe von Viren, die auf Bakterien spezialisiert sind Prophagen: Phagen-DNA, die in das Genom von Bakterien eingebaut wurden Temperente Phagen: • bauen sich eine Zeit lang in das Bakteriengenom ein o die Phagen- Gene werden nicht abgelesen • teilt sich das Bakterium, so werden die Phagen-Gene einfach mit dupliziert • die Phagen-Gene können aber auch wieder aktiviert werden, so dass der Phage sich wieder aktiv vermehrt Bei beiden Kurven ist die Anzahl gegen die Zeit aufgetragen. Die Vermehrungskurve der Bakterien zeigt einen permanenten Anstiegt mit exponentiellem Verlauf. Demgegenüber verläuft die Ver rung der Viren spr und ist immer wieder von Plateaus ohne erkennbare Erhöhung der Virenzahl unterbrochen. Biologie Exponentielle durch die Zellteilung Kopf DNA Vieren verdoppeln sich Schwanz 1. Vermehrungskurven von Viren Nach der Infektion ihres Wirtes zeigen die Vermehrungskurven von Bakterien (A) und Viren (B) einen charakteristischen Verlauf Q11 Schwanz- fäden Spikes 50 wuoor @diedamitlernzetteln 2. Lytischer und lysogener Zyklus eines Bakteriophagen 2 (Lambda): Phagen-DNA- lytischer Zyklus -Bakterien- Chromosom Biologie zirkularisierte Phagen-DNA UV-Licht Vieren befallen die Zellen,, lysogener Zyklus Prophage 1. Infektion der Wirtszelle 2. Zirkularisierung der Phagen-DNA, 3. Synthese neuer Phagen-DNA und -Hüllproteine, Zusammenbau neuer Phagenartikel 4. Lyse der Wirtszelle, Freisetzung neuer Phagenartikel, Infektion weiterer Zellen 5. Integration der Phagen-DNA als Prophage in das bakterielle Genom 6. Replikation des Prophagen mit jeder Zellteilung, Bildung eines Bakterienklons mit Prophagen 7. Auslösen des lytischen Zyklus durch UV- Licht, Ausscheiden des Prophagen aus dem Bakterienchromosom Q11 Nach der Injektion der Phagen-DNA in die Wirtszelle kommt es meist zur Synthese neuer viraler DNA und Hüllproteine, was zur Lyse der Zelle und der Freisetzung neuer Phagenartikel führt (lytischer Zyklus). Die Phagen-DNA kann aber auch in das bakterielle Chromosom integriert werden (lysogener Zyklus). Der entstandene Prophage wird dann mit jeder Zellteilung repliziert, so dass alle Tochterzellen die lambda-DNA als Prophagen in ihrem Genom tragen. Auf einen äußeren Reiz hin kann der Prophage aber jederzeit den lytischen Zyklus einleiten. 51 @diedamitlernzetteln 2.39 Genetic Engineering Als Gentechnik bezeichnet man Methoden und Verfahren der Biotechnologie, die auf den Kenntnissen der Molekularbiologie und Genetik aufbauen und gezielte Eingriffe in das Erbgut (Genom) und damit in die biochemischen Steuerungsvorgänge von Lebewesen bzw. viraler Genome ermöglichen. Als Produkt entsteht zunächst rekombinante DNA, mit der wiederum gentechnisch veränderte Organismen (GVO) hergestellt werden können. Der Begriff Gentechnik umfasst die Veränderung und Neuzusammensetzung von DNA- Sequenzen in vitro (z. B. im Reagenzglas) oder in vivo (in lebenden Organismen). Dazu gehört auch das gezielte Einbringen von DNA in lebende Organismen. Bsp. für Genetic Engineering: Glyphosat-resistente Tabakpflanzen Glyphosat ist ein Herbizid, das alle Pflanzen abtötet. Es weist allerdings einige ökologisch günstige Eigenschaften auf: Es wirkt nur auf Pflanzen und auch auf Bakterien tödlich, für alle anderen Organismenarten ist es nach bisheriger Kenntnis weitgehend unschädlich. Das Herbizid wird im Boden schnell abgebaut. Einen entscheidenden Nachteil hat Glyphosat jedoch: Es unterscheidet nicht zwischen den landwirtschaftlich genutzten Pflanzen und den auf den Kulturflächen nicht erwünschten Wildpflanzen. Gentechniker haben ein Gen namens EPSPS aus Petunien isoliert und in einen geeigneten Vektor (Plasmid) eingeschleust. Dieses Konstrukt wurde anschließend in das Bakterium Escherichia coli eingeschleust, um dessen Funktion am einfachen Modell zu untersuchen (Abb. 1). Die Wissenschaftler haben es dann geschafft, mithilfe des Vektors das Gen EPSPS in das Genom der Chloroplaste von Tabakpflanzen einzufügen (Abb. 2). Aus Gewebe der behandelten Tabakblätter wurden durch vegetative Vermehrung vollständige Tabakpflanzen herangezogen. Die Blätter dieser Pflanzen zeigten keine Empfindlichkeit nach Benetzung mit Wasser, das Glyphosat enthielt. Kontrollpflanzen, die mit dem Vektor ohne das EPSPS-Gen behandelt wurden und unbehandelte Wildtyppflanzen entfärbten sich nach Behandlung mit Glyphosat und starben nach rund sieben Tagen ab. Biologie orf512 JLBT rbcL Thylakoide JsB LSC EPSPS-Gen Chloroplasten-DNA (Nicotiana tabacum) (155 844 BP) -SSC JSA Zellwand Cytoplasma Chloroplast -Mitochondrium Zellkern Kernmembran Q11 Vakuole Chloroplast Chloroplasten- DNA aus Tabakpflanzen Abb. 2 Chloroplasten-DNA von Blättern der Tabakpflanze mit eingefügtem EPSPS-Gen 52 @diedamitlernzetteln Bakterien- wachstum (Zellzahl) Pflanze ist nur resistent wenn sie das Resistenzgen hat 0 1 2 Biologie 3 4 5 6 7 Zeit (h) 8 E. coli mit Plasmid, 10 mmol Glyphosat E. coli mit Plasmid, 40 mmol Glyphosat E. coli mit Plasmid ohne Resitenzgen, 10 mmol Glyphosat ---E. coli ohne Plasmid, Wildstamm, 10 mmol Glyphosat Abb. 1 Glyphosat-Resistenz im Versuch. Q11 zu Abb. 1: Bakterien ohne Resistenzgen wachsen bei Anwesenheit von 10 mM Glyphosat nicht; Bakterien mit dem Resistenzgen wachsen bei 10 mM und 40 mM Glyphosat, bei 40 mM ist das Wachstum im Vergleich zum Ansatz mit 10 mM gehemmt (Konzentrationsabhängigkeit des Glyphosat-Effekts). Da sich die bei Anwesenheit von Glyphosat wachsenden Bakterien von den nicht wachsenden Bakterien im Besitz des Resistenzgens EPSPS unterscheiden, ist dieses als Resistenzgen anzusprechen. Welche Ergebnisse hätten die Wissenschaftler im Glyphosat- Empfindlichkeitstest erzielt, wenn sie Pflanzen mit Glyphosat behandelt hätten, die aus dem Samen der Pflanzen gezogen worden sind, deren Laubblätter mit dem Vektor behandelt worden waren? Da das Resistenzgen in Zellen von Tabakblättern der Tabakpflanze eingebaut wurde, Blüten und damit Samen aber aus anderen pflanzlichen Geweben als Laubblättern gebildet werden, besitzen die aus den Samen dieser Pflanzen gewonnenen Pflanzen keine Resistenz gegenüber Glyphosat. In jeder grünen Zelle der Tabakpflanze befinden sich 5 000 bis 10 000 Kopien des Chloroplasten-Genoms. Warum ist es von Vorteil, dass das EPSPS-Gen in das Genom der Chloroplasten eingefügt wurde? Geht man davon aus, dass die überwiegende Mehrzahl dieser Chloroplasten- DNA-Moleküle ein Resistenzgen aufnehmen, ist auch damit zu rechnen, dass die Zahl der Genprodukte (Resistenzprotein) entsprechend hoch ist. 53 @diedamitlernzetteln 2.40 cDNA und cDNA-Bibliothek Die cDNA (englisch complementary DNA, deutsch komplementäre DNS) ist eine DNA, die mittels des Enzyms Reverse Transkriptase aus RNA (wie mRNA und ncRNA¹5) synthetisiert wird. Anwendung findet die cDNA in der Molekularbiologie, Transkriptomanalyse sowie in der medizinischen Diagnostik. Eine cDNA- Bibliothek, auch cDNA- Bank, ist eine Sammlung von vielen cDNAs, die aus der mRNA einer bestimmten Zelle oder eines Gewebes isoliert und umgeschrieben wurde und repräsentiert im Idealfall die Gesamtheit aller 5' exprimierten Gene, das Transkriptom, der untersuchten Probe. Eine solche cDNA- Bank kann dann z. B. für Screening- Verfahren genutzt werden. Ein typisches Screening-Verfahren von cDNA Banken ist die Kolonie-Hybridisierung-Screening- Technik, bei der radioaktive DNA-Proben eingesetzt werden. Ziel ist beispielsweise eine bestimmte cDNA aus einem noch unerforschten Organismus zu isolieren oder Genfamilien zu entdecken. 3' 2.41 Gelelektrophorese Die Agarose-Gelelektrophorese ist eine biochemische und molekularbiologische Methode, in der Nukleinsäure-Stränge (RNA oder DNA) durch eine Gelelektrophorese nach ihrer Größe getrennt werden, um ihre Größe und Masse durch Vergleich mit DNA-Strängen bekannter Größe zu bestimmen. Gel Glasplatten Biologie 3' Strom- Quelle Primer 5' 5' 3' Gemisch von Molekülen unterschiedlicher Größe eukaryotische Zellen DNA- Polymerase araroror unsichtbar mRNA-Isolierung mRNA mRNA-cDNA-Hybrid Gelelektrophorese cDNA-Einzelstrang ↑ cDNA-Doppelstrang längere Moleküle Reserve Trans- kriptase kürzere Moleküle wwww gefärbtes, fertiges Gel Q11 5' RNase verdaut mRNA 5' 3' Spur 1: DNA-Längenstandard Spur 2: DNA vom Tatort Spur 3-7: Verdächtige + Die Moleküle müssen geladen sein, da sie sich sonst im elektrischen Feld nicht bewegen würden. 15 Nichtcodierende Ribonukleinsäure (englisch non-coding RNA, ncRNA) ist eine zusammenfassende Bezeichnung für Ribonukleinsäuren, die nicht wie die mRNA in Proteine übersetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel rRNAs, tRNAS, kleine RNAs (miRNAs, siRNAs, piRNAs, snRNAs, snoRNAs), IncRNAs, Antisense- RNAs, Riboswitches und Ribozyme. Nichtcodierende Ribonukleinsäure macht bei Eukaryoten den größten Teil der durch Transkription gebildeten RNA aus, beim Menschen z. B. 98 %. Sie hat vielfältige Funktionen in der Zelle. 54 @diedamitlernzetteln 2.42 PCR (Polymerase Chain Reaction) Um die cDNA, DNA von einem Tatort oder sonstige DNA zu vervielfältigen nutzt man die Polymerase-Ketten-Reaktion. PCR-Ansatz interessierender DNA-Abschnitt 5' HH DNA-Primer / „Schmelzen", Denaturierung bei 94 °C 5' 3′ Nucleotid Der Primer bestimmt nur den Anfangspunkt. Daher sind die ersten DNA-Kopien oft länger als der interessierende Abschnitt. 2.43 Übung: Gentechnik Bakterienzelle mit Plasmid Biologie O Reportergen PCR-Zyklus DNA b Hybridisierung bei 50-60 °C 5' prä- mRNA 5' +mw 3' Restriktion und Ligation der DNA Exon Intron Exon Intron Exon reife mRNA cDNA (ohne Introns) T Ein Plasmid mit einem Reportergen (z. B. für Antibiotikaresistenz) und einer Schnittstelle für das Restriktionsenzym (hier glatter Schnitt) dient als Genfähre. Bei den weiteren PCR-Zyklen entstehen schließlich Kopien, die genauso lang sind wie der interessierende DNA-Abschnitt. Transkription 5' www Spleißen Verlängerung bei 68-72 °C reverse Transkription DNA-Kopien mittels PCR 3' Ligase Übertragung auf Bakterienzelle ab menschliche Zelle mit Spender-DNA z. B. für Insulin CUS Die cDNA des gewünschten Gens aus der Spenderart wird hergestellt, verviel- fältigt und in das Plasmid transferiert. Nach etwa 35 Zyklen liegen genügend Kopien des interessierenden DNA- Abschnitts für eine weitere Analyse vor. Q11 transgene Bakterien, z. B. mit dem Gen für menschliches Insulin Sie werden weiter ver- mehrt und bilden das ge- wünschte Genprodukt. Bakterienkolonie ab Bakterienkultur Kulturmedium mit Antibiotikum Der Gentransfer gelingt nur bei einigen Bakterienzellen, nur diese zeigen Anti- biotikaresistenz und wachsen. 55 @diedamitlernzetteln 2.44 DNA-Hybridisierung Die Hybridisierungstechnik dient zum Nachweis der strukturellen Verwandtschaft von Nukleinsäuren wie auch zur Isolierung spezifischer Nukleinsäuresequenzen aus einem Gemisch. Je besser die aneinanderbindenden DNA-Stränge einander ergänzen, d. h. je höher der Anteil an korrekten komplementären Basenpaarungen in dem DNA-Hybrid ist, desto höher ist die für die Trennung in Einzelstränge benötigte Temperatur (Schmelztemperatur), weil sich aufgrund der besseren Basenpaarung mehr Wasserstoffbrücken ausgebildet haben, als bei einem Hybrid mit einem geringeren Anteil an korrekten Basenpaarungen. So lässt sich an der für die Trennung der hybridisierten DNA-Stränge nötigen Temperatur abschätzen, wie ähnlich die komplementären Nucleotidsequenzen der beiden DNA-Stränge sind. Hierbei gilt die Faustregel, dass eine Abweichung von 1 K (Temperatureinheit Kelvin) etwa 1,3 % ungepaarter Basen entspricht. Den Tieren (z. B. Fuchs, Wolf, Hund) werden DNA-Proben entnommen. Biologie DNA-Probe Einzelstrang-DNA Kontroll-DNA Durch Erhitzen trennt sich die DNA-Doppel- helix in Einzelstränge. ************ www. ‒‒‒‒‒‒‒‒ Hybrid-DNA INKNINN Bei Zugabe von Kontroll- DNA paaren die Einzel- stränge mehr oder minder gut und bilden Hybrid-DNA. freigesetzte DNA-Einzelstränge (%) 100 Schmelzverhalten der Hybrid-DNA 80 60 40 20 Q11 geringe Übereinstimmung 60 70 -hohe Übereinstimmung vollkommene Übereinstimmung 80 90 100 Temperatur (°C) Wird die Hybrid-DNA wieder erhitzt, trennt sie sich besonders leicht in Einzelstränge, wenn es nur wenige passende Basen gibt, also bei ge- ringer Übereinstimmung bzw. Verwandtschaft. 56