Bio LK Abi Genetik

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der DNA in der S-Phase des Zellzyklus • Replikation erfolgt semikonservativ, d. h. dass nach der Aufspaltung der Doppelhelix an jedem Strang ein neuer komplementärer Strang entsteht Ablauf der Replikation: • das Enzym Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix • Helicase spaltet den entspiralisierten Doppelstrang zu zwei Einzelsträngen, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen auflöst (unter ATP-Verbrauch) • an die Einzelstränge binden sich Proteine, um ein Wiederzusammenlagern der Basen zu verhindern • die Primase synthetisiert an den 3-Enden sogenannte Primer, die als Startpunkt der eigentlichen Replikation dienen • die Einzelstränge dienen nun als Matrizen für die Erstellung neuer Stränge . • Replikation am Vorwärtsstrang (3 ->5´-Strang) durch die DNA- Polymerase erfolgt kontinuierlich, es wird ein neuer Strang 5->3 synthetisiert (Leitstrang) Verdopplung des Rückwärtsstrangs (5->3-Strang): -DNA-Polymerase kann nur in 3->5-Richtung synthetisieren, weshalb der Rückwärtsstrang eine Schlaufe bildet - so kann die DNA- Polymerase in 3-5-Richtung arbeiten . - Rückwärtsstrang wird also stückweise/diskontinuierlich (mit jeweils neuen Primern) verdoppelt -> Okazaki-Fragmente" - Primer-Nukleotide werden gegen DNA-Nukleotide ausgetauscht - Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente Prience ONA- 3' Folge- strang DNA-Polymerase (Pola), ONG-Polymit Leitstrang 5' Skai-Themen Hellkase Topeisa merase 5' Leit- strang DNA-Ligase Okazaki-Fragment- 3' → Rak H DNA-Polymerase (Pol6) DNA- Primase RNA-Primer Leitstrang Mellkase Helicase Topoisa DNA- Polymerase (Fin die Lücken) DNA- 5 Leitstrans Die DNA Polymerase ver angert den Leitstrang kontinuierlich und den Folgestrang stückwelse Okazaki-Fragment Anto XX 5' -Folgestrang Matrize Topoisomerase ↑ Primosom Primosom Polymerase-III-Holoenzym ATCG Ligase (verknüpft alle okogok-Trgate th Polymerase-III-Holoenzym DNA- Lestrang Helicase Primer 5'1 Helicase - Primer Weit Am Leitstrang und am Folgestrang erzeugt di Primase RNA-Primer. Übersicht: Fortschreiten der R Topoiss trase PROTEINBIOSYNTHESE Proteine • sind aufgebaut aus 20 verschiedenen (proteinogenen) Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind •jede AS besitzt eine Carboxyl- und eine Aminogruppe, an denen durch Abspaltung von H20 eine Petidbindung entstehen kann • die AS werden (anhand ihrer spezifischen Seitenketten in 4 Klassen eingeteilt: Primärstruktur: - Aneinanderreihung von AS zu einer Aminosäurekette/Polypeptidkette Sekundärstruktur: - von einer 2-dimensionalen Kette zu 3-dimensionaler Struktur Tertiärstruktur: - weitere Auffaltung der Sekundärstruktur Quartärstruktur: - mehrere Tertiärstrukturen fügen sich zusammen Ablauf der Proteinbiosynthese Gen Transkription, m-RNA inger-RAJ Am codogenen Strang Vorwärtsstrang DNA-Abschnitt Im Zellkern Transkription: DNA -> Prä-mRNA Ort: Zellkern Translation Polypeptid/ Wirkung Protein Im Cytoplasma Ablauf: • Phase I (Start): RNA-Polymerase bindet an die Promotorregion des abzulesenden Gens H₂N Aminogruppe NH₂ (R) Rest Merkmal 3 x-Helix • Phase 2 (Verlängerung): RNA-Polymerase öffnet die DNA-Helix und lagert das erste Nukleotid an, weitere Nukleotide werden am 3-Ende des vorherigen Nukleotids angeknüpft -> Anlagerung der Nukleotide: Carboxylgruppe COOH ein Basentriplett codiert für eine Aminosäure (=Codon) weil es nur 4 verschiedene Basen gibt, die aber für 20 AS codieren - wenn nur | Base = IAS 4 AS, wenn 3 Basen 1 AS=4=64 • Phase 3 (Ende): RNA-Polymerase erreicht die Terminatorregion und löst sich von der DNA => eine einzelsträngige (Prä-)RNA ist entstanden H-Alam 3 B-Helix DNA 2000 Ribosom Val (V) Arg (R) Transkription Ala (A) Ser (S) U Lys (K) Asn (N) Cytoplasma unpolar Alanin (Ala) Glycin (Gly) Leucin (Leu) Isoleucin (Iso) Methionin (Met) Phenylalanin (Phe) Prolin (Pro) Tryptophan (Trp) Valin (Val) Asp (D) Procyte Transkription Translation Glu (E) 0000 C UG G 4956 Thr (T) Protein polar Asparagin (Asn) Cystein (Cys) Glutamin (Gln) Serin (Ser) Threonin (Thr) Tyrosin (Tyr) Gly (G) (F) UGA DNA (1) RNA Phe Leu (L) OUCACUCAGUCAGUCHOSGE AGU FUGA Protein GU A C C Arg (R) GA sauer Asparaginsäure (Asp) Glutaminsäure (Glu) с Ser (S) DNA Kernhüte His Gin (H) (Q) pra-mRNA XOOK RNA-Polymerase mRNA 3. Cytoplasma basisch Arginin (Arg) Histidin (His) Lysin (Lys) Zellkern Pro (P) Cys (C) Kempore Translation + Leu (L) . Transkription Prozessierung Trp (W) Es paaren A mit U und G mit C Protein OC Start Stop Prozessierung (nur bei Eukaryoten) Prä-mRNA > mRNA Ort: Zellkern der Eukaryoten Ablauf: • zuerst ist bei der Transkription die prä-mRNA entstanden -> enthält Abschnitte, die keine genetische Information enthalten (Introns) • Vorgang (heraustrennen der Introns, Exons zusammenfügen) heißt Spleißen • alternatives Spleißen = aus prä-mRNAs können Abschnitte entfernt und bausteinartig unterschiedlich zusammengesetzt werden -> aus gleicher prä-mRNA werden verschiedene mRNA -> ein DNA- Abschnitt kann verschiedene Proteine codieren • Spleißen geschieht durch einen großen Enzymkomplex, das Spleibosom →→ 5- und 3-Ende der mRNA werden durch angeheftete Nukleotidsequenzen stabilisiert (diese codieren nicht für AS) ->3-Ende = poly-A-Schwanz (200 Adeninmoleküle), 5-Ende = Kappe aus methyliertem Guanin (für Kontakt zur kleinen Untereinheit d. Ribosoms) Translation Übersetzung der mRNA in eine Aminosäuresequenz Ort: Cytoplasma Ablauf: • 1. Schritt: - die große und kleine Untereinheit eines Ribosoms treten am Starcodon (AUG) der mRNA zusammen 2. Schritt: - das Ribosom wird um ein Basentriplett auf der mRNA -> 3) versetzt Translationsrichtung (5 -die A-Stelle wird neu besetzt und so geht es weiter, bis ein Stoppcodon kommt -synthetisierte AS-Kette wird freigesetzt Strukturmodell der tRNA - an die P-Stelle des Ribosoms lagert sich die zum Startcodon passende tRNA an. Diese ist mit einer AS beladen - an die A-Stelle lagert sich eine weitere beladene tRNA an, die beiden AS werden verknüpft - tRNA an E-Stelle freigesetzt Ribonucleinsäure (RNA) Symbol für tRNA -Wasserstoff- brückenbindung Bindungsstelle für Aminosäure Anticodon <- die tRNA hat eine Erkennungsstelle für das mRNA-Codon (Anticodon) und eine Bindungsstelle für die dazugehörige AS Die tRNA wird enzymatisch mit einer AS passend zum Anticodon beladen -> ONA INDUISINDIKDINDINDADIMPINANDI nothing in biology ohm makes oh se except in the light etcetc of blablablao evolution Translation mRNA Ich veram Spleißen - aus den verknüpften Exons der eukaryotischen Prä- mRNA geht die reife mRNA hervor www. mRNA 1 nothing in biology makes sense except in the light of evolution mRNA 2 nothing in biology makes sense except in the light Start RNA freigesetzte tRNA mRNA 3 nothing in biology makes evolution der A O START nothing in biology makes sense except in the light of evolution Alternatives Spleißen verschiedene mRNAs können aus der gleichen prä-mRNA entstehen freigesetzte mRNA ATP Aminoacyl-tRNA-Synthetase des Ribosoms ATP-Stelle THEDROSIUS DOHANSEY Nothing in biology makes sense een in the light of evolution. (Nichts in der Biologie ergibt einen Sinn, außer im Lichte der Evolution) Aminosäure-Stelle Met tRNA Spezifische Enzyme beladen das tRNA-Molekül mit der passenden Aminosäure. e Proteine, codiert inzigen Gen ADP Aminosäure Met -ob 619 09 Protein 3 freigesetztes Polypeptid -beladene tRNA Jede der 20 Aminosäu- ren hat ihren eigenen Typ von tRNA. GENETISCHER = „Übersetzungsvorschrift", eine Aminosäuresequenz umgewandelt wird der genetische Code ist ein... Triplettcode: -immer 3 Basen bilden eine Informationseinheit und codieren für eine Aminosäure - damit ergeben sich 64 verschiedene Codons, 61 codieren für AS CODE nach der die Basensequenz in -3 Stoppcodons: UAA, UAG, UGA - AUG als Startcodon + steht für AS Methionin Beispiel für die Weitergabe des genetischen Codes während der Genexpression: 5... ATG ACT TCT AAC GTA TCG... 3' DNA (nicht codogen) DNA (codogen) mRNA (Codon) 3... TAC TGA AGA TTG CAT AGC...5¹ 5... AUG ACU UCU AAC GUA UCG... 3' UAC UGA AGA UUG CAU AGC -(f)Met Thr - Ser - Asn-Val - Ser tRNA (Anticodon) Peptid (Aminosäuren) DNA- UND RNA-VIREN Bau der Viren: • können ganz verschiedene Formen annehmen: stäbchenförmig, kugelförmig, aber auch komplizierte Formen Merkmale: • besitzen DNA/RNA, von Proteinhülle (Capsid) umgeben -> Viren mit RNA z. B. Retroviren (können nach erfolgter Infektion mithilfe des Enzyms Reverse Transkriptase RNA zu DNA umschreiben • kein eigener Stoffwechsel, bei Vermehrung auf einen Wirt angewiesen -> nutzen Syntheseapparat des Wirts, um Virenbestandteile zu bilden, Wirtszelle geht dabei zugrunde • enge Wirtsspezifität Lysogener Zyklus: • es kann vorkommen, dass das Virus nach der Injektion in das Wirtschromosom integriert wird und als Prophage weiterexistiert -> virale DNA wird mitrepliziert, Replikation des Wirtsgenoms, Freisetzung des Virus-Genoms Dio, my mor Proteine Fetthülle Dazu ist der genetische Code... eindeutig: ein bestimmtes Basentriplett codiert immer eindeutig für eine AS • durch ein bestimmtes Signal (z. B. Wärmeschock) kann die DNA des Prophagen ausgeschnitten werden -> der Prophage wechselt in den lytischen Zyklus über RNA • Komma- und überlappungsfrei: die Tripletts werden ohne Trennzeichen, also durchgehend abgelesen Capsid • degeneriert: da es 61 codierende Tripletts, aber nur 20 proteinogene AS gibt, existieren für viele AS mehrere Tripletts • universell: fast alle Organismen nutzen den gleichen Code mit den gleichen Tripletts und AS Glykoprotein Val () Arg (R) Ala (A) Ser (S) Lys (K) (N) Schwanz rohn Glu Asp (E) TOUCHOU U G RNA A Thr FUOPCUGACUGAC UG DNA Gly (G) hohler Stift Schwanzfiber GU Basisplatte GU A C Capsid AGUCHOUC с (1) Ser (5) Arg (R) G C CLO- (9) Vermehrung: Lytischer Zyklus Bsp: Infektion von E-Coli Zellen durch Phage T Adsorptionsphase: Virus dockt nach Schlüssel-Schloss- Prinzip an Rezeptoren in der Zellwand der Bakterie an • Injektionsphase: virale Erbinformation gelangt in Zelle, Phagenhülle bleibt zurück His (H) • Latenzphase: virale Erbinformation übernimmt den Stoffwechsel der Wirtszelle, Phagenbausteine werden aufgebaut • Reifungsphase: die Phagenteile lagern sich zu fertigen Phagen zusammen • Freisetzungsphase: durch Wirkung des Enzyms Lysozym wird die Zellwand abgebaut, Bakterienzelle platzt und gibt etwa 200 infektiöse Phagen frei (Phage; befält nur Bakterien) Kopf Freisetzung Tyr M Cys (C) 3 Zusammenbau der Viren GTrp (W) Integration in Wirtsgenom Pro Leu (L) Start Stop lytischer Zyklus Tod der Wirtszelle, neue Viren Freisetzung des Virus-Genoms Andocken und Eindringen des Virus 1 Replikation des Wirtsgenoms lysogener Zyklus Zellteilung GENETISCHER = „Übersetzungsvorschrift", eine Aminosäuresequenz umgewandelt wird der genetische Code ist ein... Triplettcode: -immer 3 Basen bilden eine Informationseinheit und codieren für eine Aminosäure - damit ergeben sich 64 verschiedene Codons, 61 codieren für AS Beispiel für die Weitergabe des genetischen Codes während der Genexpression: Membran mit Q -3 Stoppcodons: UAA, UAG, UGA - AUG als Startcodon + steht für AS Methionin DNA (nicht codogen) DNA (codogen) mRNA (Codon) tRNA (Anticodon) Peptid (Aminosäuren) U DNA- UND RNA-VIREN Bau der Viren: • können ganz verschiedene Formen annehmen: stäbchenförmig, kugelförmig, aber auch komplizierte Formen Merkmale: - bestehen nicht aus Zellen - können sich nur in Zellen vermehren - klein genug, um bakteriendichte Filter zu durchdringen - nutzen Syntheseapparat eines Wirts, um sich zu vermehren m m • VAVRIN Vigelang des We Relation IRINRIK VRINE KIKIRIK CODE nach der die Basensequenz in (RNA oder DNA) Proteine Fetthüle RNA 5... ATG ACT TCT AAC GTA 3... TAC TGA AGA TTG CAT 5... AUG ACU UCU AAC GUA UAC UGA AGA UUG CAU AGC -(f)Met Thr - Ser - Asn-Val - Ser Na Viran bu sponan en und Freisetzung Werbe produci Zusammenbau der Viren Integration in Wirtsgenom TCG... 3' AGC... 5 UCG... 3' lytischer Zyklus Freisetzung des Virus-Genoms Tod der Wirtszelle, neue Viren roh Replikation des Wirtsgenoms lysogener Zyklus Schwanzfiber Andocken und Eindringen des Virus 1 Zellteilung RNA Capsid Dazu ist der genetische Code... eindeutig: ein bestimmtes Basentriplett codiert immer eindeutig für eine AS Capsid • Komma- und überlappungsfrei: die Tripletts werden ohne Trennzeichen, also durchgehend abgelesen • degeneriert: da es 61 codierende Tripletts, aber nur 20 proteinogene AS gibt, existieren für viele AS mehrere Tripletts • universell: fast alle Organismen nutzen den gleichen Code mit den gleichen Tripletts und AS Glykoprotein Val M Arg (R) Ala (A) . Ser (S) Lys (K) Glu Asp (E) (N) TOUCAOU U G A Gly (G) Thr AGU GU FCUOPCUGACUGAC UG GU A C (1) AGUCHON с 3º Ser (5) (R) G כ ט C (9) His (H) Tyr M Cys (C) Pro (P) Trp (W)3 Leu (L) Start Stop Vermehrung: Lytischer Zyklus Bsp: Infektion von E-Coli Zellen durch Phage T . • Adsorptionsphase: Virus dockt nach Schlüssel- Schloss-Prinzip an Rezeptoren in der Zellwand der Bakterie an • Injektionsphase: virale Erbinformation gelangt in Zelle, Phagenhülle bleibt zurück oder Virushülle und Zellmembran verschmelzen Latenzphase: virale Erbinformation übernimmt den Stoffwechsel der Wirtszelle, nutzen die DNA-Polymerase des Wirts, DNA vervielfältigt und abgelesen, Phagenbausteine werden aufgebaut . • Reifungsphase: die gebauten Virusproteine/Phagenteile lagern sich zu fertigen Phagen zusammen • Freisetzungsphase: durch Wirkung des Enzyms Lysozym wird die Zellwand abgebaut, Bakterienzelle platzt und gibt etwa 200 infektiöse Phagen frei Lysogener Zyklus: • es kann vorkommen, dass das Virus nach der Injektion in das Wirtschromosom integriert wird und als Prophage weiterexistiert -> virale DNA wird mitrepliziert, Replikation des Wirtsgenoms, Freisetzung des Virus-Genoms • durch ein bestimmtes Signal ( z. B. Wärmeschock) kann die DNA des Prophagen ausgeschnitten werden -> der Prophage wechselt in den lytischen Zyklus über aus GENREGULATION (Am Beispiel des Operonmodell, auch Jacob-Monod-Modell) Das Operonmodell: • erklärt, ob und wann die Enzyme für einen Stoffwechselweg synthetisiert werden . • bei Prokaryoten: Transkription+ Translation räumlich und zeitlich nicht BEI PROKARYOTEN getrennt • Gene in Funktionseinheiten organisiert, denn Gene eines Stoffwechselwegs werden gemeinsam reguliert + abgelesen • Operon = Promotor, Operator und Strukturgene • Promotor = Bindungsstelle für RNA-Polymerase . • Operator = ,An-Aus-Schalter für Aktivität der Strukturgene, . entscheidet, ob Transkription startet/stoppt • Strukturgene = codieren für eine Enzymkette, die ein Substrat in ein Endprodukt überführt • Regulatorgen = codiert für mRNA des Repressors Substratinduktion: (abbauender Stoffwechsel) (Bsp: lac-Operon, Substrat = Lactose) -> Substrat inaktiviert Repressor Keine Lactose im Nährboden • keine Enzyme zum Abbau von Lactose notwendig →> Produktion muss abgestellt werden • Regulatorgen wird aktiviert, stellt Repressor her • Repressor bindet an Operator Operator blockiert RNA-Polymerase => keine Proteinbiosynthese . Regulatorgen Promotor Operator inaktiver Repressor Lactose im Nährboden • Enzyme zum Abbau benötigt Repressor muss blockiert werden, Lactose bindet an Repressor, verändert Struktur/Konformität des Repressors -> Repressor kann so nicht an Operator binden • RNA-Polymerase nicht mehr blockiert, dockt an Promotor an => Proteinbiosynthese startet, Lactose kann abgebaut werden Substrat (Vorstufe) Operon (hier speziell das Trp-Operon) Strukturgene aus Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4 Enzym 5 -aktiver Repressor Das Endprodukt aktiviert den Repressor: Endproduktrepression Translation Regulatorgen xxxxxxx mRNA ∞ Transkription Ablauf: • Regulatorgen (in der Nähe des Operon) schickt Repressor los", wenn er gebraucht wird • Repressor bindet an Operator • Operator blockiert Promotor -> RNA- . Polymerase kann nicht arbeiten -> keine Transkription Repressor Endprodukt (Tryptophan) RNA-Polymerase Aktiver Repressor blockiert die Transkription. xxxxxxxxxx000000000000000XXXXXXX Das Substrat inaktiviert den Repressor: Substratinduktion 00 inaktiver Repressor- Gen Promotor Operator Genregulation Kontrolle Geraktivität mehr oder (Transkriptionsrate) weniger Protein Operon (hier speziell das Lac-Operon) Strukturgene 0000000000000000000 Substrat (Lactose) ∞ aktiver Repressor 000000000000000000000000 Repressor lagert sich an Operator an Enzym 1 Enzym 2 Stoffwechselweg Stoffwechselweg 100000000000000000000000000mehr an Operator • Synthese geht weiter Translation Enzym 3 Transkription Endproduktrepression: (aufbauender Stoffwechsel): (Bsp: Trp (Tryptophan) -> Endprodukt aktiviert den Repressor Noch nicht genug Tryptophan da: Endprodukt (Glucose + Galactose) • Trp wird durch Enzyme hergestellt, zu Beginn unbegrenzt • wenn Konzentration hoch genug wird Repressor aktiviert Trp bindet an Repressor, wird dadurch aktiv • Proteinbiosynthese von Trp blockiert • Trp wird weiterverarbeitet, Trp-Konzentration sinkt wieder nicht t genug Trp, um an Rezeptor zu binden Repressor wieder öfter in inaktiver Form, bindet nicht GENREGULATION BEI EUKARYOTEN Epigenetik (Regulation durch chemische Gruppen auf der DNA) • Aktivität d. Polymerase beeinflusst durch Verpackungszustand d. Chromatins + über Methylierungsmuster auf Cytosinbasen der DNA Acetyl- und Phosphatgruppen an den Histonen führen zur Auflockerung d. Chromatinstruktuur (wegen ihres Platzbedarfs) -> DNA ist für Polymerase besser zugänglich, Gene stärker exprimiert • DNA-Methylierung senkt Aktivität d. Polymerase, da diese als Hindernisse für das Enzym beim Transkribieren d. Gens fungieren • Transkriptionsfaktoren • Transkription beginnt erst, wenn Transkriptionsfaktoren gebunden sind • TATA-Box (Basensequenz des Promotors) = Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren • Bindung von regulatorischen DNA-Abschnitten (Enhancer, . Silencer) an an Regulationssequenzen weit entfernt vom Promotor -> beschleunigen/verlangsamen die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor • RNA-Prozessierung -> alternatives Spleißen • Abbau der RNA auf dem Weg zum Ribosom • Translation an mehreren Ribosomen • Posttranslationale Modifikation • Polypeptide können durch Anheften von Zuckerketten/Phosphatgruppen aktiviert/inaktiviert werden • Abbau des Proteins durch ein Proteasom • molekularer Schredderer" OPPH BAKTERIEN Bau von Bakterien • gehören zu den Prokaryoten • benötigen meist nur wenige Nährstoffe • nur ein einziges ringförmiges Chromosom, haploid -> Mutationen wirken sich sofort aus, werden nicht durch ein zweites Allel überdeckt • besitzen oft extrachromosomale DNA (Plasmide) • (fadenförmige) Pili zur Kontaktaufnahme => • die Spender-DNA wird also teilweise in das Chromosom der F-Zelle eingebaut genetische Eigenschaften werden also ausgetauscht Vermehrung von Bakterien = durch Zellteilung Transkription Austausch von Genmaterial • zwei Bakterien treten über den Sex-Pilus in Kontakt, bilden eine Plasmabrücke -> Austausch des Genmaterials (Konjugation) • F*-Zellen = Spenderzellen, besitzen ein bestimmtes Plasmid (Fertalitäts- oder F -Faktor), F-Zellen = Empfängerzellen DNA Zellkern DNA PROTOTOM 2 Kontrolle bei der Transkription Prä-mRNA mRNA 5 Kontrolle durch Sta- bilität der mRNA Cytoplasma inaktive mRNA Zellkern aktives Chromatin inaktives Chromatin 1 schwächer schwächer 1 stumm- geschaltetes. Gen stärker Methyl- 0 0 gruppe Plasmid Kernpore Zytoplasma Nucleoid (DNA) Chromatin- Remodeling aktives/ inaktives Protein 3 Kontrolle durch Prozessierung Ribosomen 4 Kontrolle durch Transport posttranslationale Kontrolle der Proteinaktivität 6 Kontrolle der Translation Histon- DNA chemische Gruppe stärker O aktives RNA-Poly- merase 8 Protein- abbau Acetylgruppe (-COCH) Phosphatgruppe (-PO) Methylgruppe (-CH₂) Speichergranula stärker 3 W aktives Chromatin -mRNA RNA Poly merase schwächer inaktives Chromatin Zellmembran Zellwand Schleimhülle Geißel angewandte Genetik - Gentechnik • Gentechnik spielt eine große Rolle in der Medizin, Landwirtschaft, Lebensmitteltechnologie etc. Grundschritte: • Isolation von menschlicher DNA und einem Plasmid . • Rekombination: Einbau des Gens in das Plasmid • Gentransfer: Übertragung des Plasmids mit dem eingebauten menschlichen Fremdgen" in ein Bakterium • Selektion der erfolgreichen Bakterien Zellvermehrung R tex . nicht mehr resistent gegen amp. weil amp durch Einsetzen des Fremdgens zerstört Plasmid abab C Fremdgen beinhaltet be Ori Plasmid mit Fremdgen Bakterium mit Plasmid und Fremdgen A Selektionsschnitt: Nährboden mit Tetracyclin zur Selektion der Bakterien auf A colgroone Kolani mit Plasmid 2. Selekhaneschritt Nahrboden mit Ampicillin eur Selektion der Bakterien mit Fremdgen mit Samistempel übertragen Gentransfer in eine Bakterienkultur Bakterium mit Plasmid ohne Fremdgen Selektion & ampⓇ Plasmid ohne Brendgen Vergleich de Muster Kolonien mit Plasmid- ohne Fremdgen texⓇ Boulderium ohne Plasmid -gewin Schite Kolanie mt rekambinantem Plasmid Ubertragen der Kolonien mit benem Samistempel L-kolonie fehit Resistenz verloren gegangen Kolonie die wir suchen Bakterien +Plasmide ohne Amp. Resistenz die, die wir haben wollen" PCR-METHODE • Polymerase Chain Reaction -> wird verwendet, um im Labor in kurzer Zeit DNA zu vervielfältigen (z. B. für Täteridentifizierung bei zu wenig DNA) Denaturierung: • Doppelstrang-DNA wird auf über 90 Grad erhitzt -> H-Brücken zerstört, DNA in Einzelstränge geteilt Hybridisierung: • Abkühlung auf ca. 55 Grad 2 Primer (künstlich hergestellt, meist ca. 20 Nukleotide lang) lagern sich an die komplementären Sequenzen der DNA- Einzelstränge Amplifikation/Elongation: • taq-Polymerase setzt an Primer an, synthetisiert von 3 -Ende des Primers den komplementären DNA-Strang (taq-Polymerase sehr hitzebeständig • erneutes Erhitzen auf ca. 95 Grad, neuer PCR-Zyklus beginnt -> exponentieller Anstieg der Kopienzahl Isolation: • für die Isolation von DNA nutzt man Restriktionsezyme • die Restriktionsenzyme schneiden die DNA an spezifischen Erkennungssequenzen (meist 4-6 Basenpaare) -> Palindrome (Sequenzen lesen sich in 5-3 und 3->5 gleich • Schnitt erfolgt in beiden Strängen versetzt - „sticky ends“ -> gibt man fremde DNA hinzu, verbindet sie sich durch die sticky ends Schnitt auch gerade möglich - blunt ends", eher selten Rekombination: . • Paarung der sticky ends, Verknüpfung mittels Ligase -> entstanden ist ein rekombinantes Plasmid, Gentaxi"/Vektor Gentransfer: -> Zellwände zuvor durch CaCl-Lösung durchlässig gemacht -> Bakterien nehmen (durch Hitzeschock) Plasmide auf • rekombinante Plasmide - Gentaxis - Vektoren Selektion: • welche Bakterie hat ein rekombinantes Plasmid aufgenommen? →> Plasmid hat zwei Resistenzgene (tet", amp") 1. Schritt: wurde überhaupt ein Plasmid aufgenommen? - Bakterien werden auf Nährboden übertragen, der tet enthält - alle Bakterien, die kein Plasmid aufgenommen haben, werden abgetötet 2. Schritt: wurde das Fremdgen in das Plasmid eingebaut? - Bakterien werden mit einem Samtstempel auf einen Nährboden gebracht, der amp enthält (Replikaplattierung) -Vergleich der Koloniemuster GENETISCHER FINGERABDRUCK • Analyse von nichtcodierenden DNA-Abschnitten (variieren von Mensch zu Mensch • Mikrosatelliten (STRs; ,,short tandem repeats"), 2-5 Nukleotide lang, z. B. GAC GAC GAC • 9 verschiedene STRs schaut man an, werden durch PCR und Gelelektrophorese aufgetrennt GELELEKTROPHORESE • unterschiedlich lange DNA-Fragmente trennen sich ihrer Größe nach in einem elektrischen Feld • DNA-Stücke laufen aufgrund ihrer negativen Ladung vom Minuspol zum Pluspol, dünne Gelplatte als Trennsubstanz, Gel wirkt wie ein Sieb • kurze DNA-Stücke laufen schneller hindurch als lange, Bestimmung der Länge der DNA-Stücke durch DNA-Größenmarker (vergleichbare DNA- Abschnitte, von denen die Länge bekannt ist • Einfärbung der DNA durch Fluoreszensfarbstoffe · Anzahl d. STRs durch Gelelektrophorese erkennbar 200 ↑ ↑ E klassische Genetik - Mendelsche Regeln BEGRIFFE DER GENETIK Genom alle Gene eines Organismus Gen - Erbanlage, die zur Ausprägung eines Merkmals führt Allele verschiedene/alternative Formen eines Gens, z. B. Blaue/braune Augen (Unterschiede der Nukleotidsequenz) a-rezessives Merkmal, prägt sich phänotypisch nur homozygot aus A-dominantes Merkmaö, prägt sich phänotypisch bereits heterozyot aus Phänotyp - äußere Erscheinungsform eines Organismus Genotyp-die Allelkombination Kombinationsquadrat - Tabelle mit allen möglichen Allelkombinaitonen Intermediärer Erbgang - keines der beiden Allele dominant = unvollständige Dominanz -> Pähnotyp liegt zwischen den Eltern. Z. B. RR (rot) x WW (weiß) -> RW (rosa) homozygot - reinerbig, Genotyp mit zwei gleichen Allelen, 2. B. AA heterozygot - mischerbig, Genotyp mit zwei verschiedenen Allelen, z. B. Aa Kreuzung - daraus entstandene Nachkommen nennt man Mischlinge, Bastarde, Hybride; Reproduktion zweier erblich verschiedener Individuen Parentalgeneration - Elterngeneration Filialgeneration - Tochtergeneration (F1,F2,...) monohybrider Erbgang - Kreuzung, bei der nur ein Merkmal untersucht wird dihybrider Erbgang - Kreuzung, bei der zwei unterschiedliche Merkmale untersucht werden MENDELSCHE REGELN Monohybrider dominant-rezessiver Erbgang: 1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel): Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration Fl untereinander gleich. 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel): Kreuzt man die Indivi Zahlenverhältnis 3:1 auf. untereinander, so spaltet s die F2-Generation im Dihybrider dominant-rezessiver Erbgang: 3. Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel, Neukombinationsregel): Kreuzt man die Individuen einer Art, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, werden die Anlagen getrennt und unabhängig voneinander vererbt. Parentalgene- ration P Keimzellen 1. Filialge- neration F, (Uniformität) Keimzellen 2. Filialge- neration F (Spaltung) G G G₂ Gg G 8 ठा G (GG) 8 GR G Parental- generation P Keimzellen 1. Filialge- neration F (Uniformität) Keimzellen 2. Filialgenera- tion F₂ (Spaltung und Neukombi- nation im Verhältinis 9:3:3:1) GR Abb. 4.9: Kombinationsquadrat eines mono- hybriden dominant-rezessiven Erbganges GR Gr gR gr GR GR B G GR g 8 Gr GR Gr gr Ger Ggrr: Abb. 4.10: Kombinationsquadrat eines dihybriden dominant-rezessiven Erbganges STAMMBAUMANALYSE Ziel: Anhand von phänotypischen Merkmalen auf genotypische Anlagen schließen, um den Vererbungsmechanismus zu bestimmen. => 2 Entscheidungen müssen getroffen werden: •1) wird das Merkmal (z b Erbkrankheit) dominant oder rezessiv vererbt? 2) wird das Merkmal autosomal oder gonosomal (auf den Geschlechtschromosomen) vererbt? • ein Merkmal wird rezessiv vererbt, wenn auch der Ehe von phänotypisch gesunden Eltern ein krankes Kind hervorgeht. • hat in einem rezessiven Erbgang ein phänotypisch gesunder Vater phänotypisch kranke Töchter, so wird das Merkmal autosomal vererbt. • ein Merkmal wird dominant vererbt, wenn zwei phänotypisch kranke Eltern ein phänotypisch gesundes Kind haben. • hat in einem dominanten Erbgang ein kranker Vater gesunde Töchter, so ist dies ein Beweis für die Autosomalität sind in einem rezessiven Erbgang alle Söhne einer Merkmalsträgerin erkrankt, so deutet dies auf Gonosomalität hin. . Töchter können nur erkranken, wenn auch der Vater Merkmalsträger ist. • Heterozygote Merkmalsträgerinnen nennt man Konduktorinnen anders sieht es bei gonosomal dominanten Erbgängen aus: hier sind alle Töchter eines merkmalstragenden Mannes selbst Merkmalsträger, alle Söhne jedoch merkmalsfrei . . • im Gegensatz zu autosomalen Erbkrankheiten, bei denen das Merkmal bei beiden Geschlechtern statistisch gesehen etwa gleich häufig auftritt, tritt das Merkmal bei X- chromosomaler Vererbung bei Männern deutlich häufiger auf als bei Frauen Aa 8 Aq Aa 8″ 7 Aa 0.0 AY qq 8 aa 7 Aa aa 오 aq T 오 AA aa Aa 2 Aa dominanter Erogang aa 82 + 오 Aa Aa rezessiver Grogong autosomal autosomal Tochter können nur erkranken, wenn Valer auch Merkmalsträger I aa Weitere Indizien für die verschiedenen Vererbungsmechanismen Dominante Erbgänge: häufiges Auftreten des Merkmals, meist in jeder Generation Rezessive Erbgänge: Merkmal trifft relativ selten auf, werden Generationen übersprungen (also wenn das Merkmal erst in der übernächsten Generation auftritt) dann ist dies ein eindeutiger Beweis für Rezessivität Autosomal Erbgänge: zwischen dem Auftreten des Merkmals und dem jeweiligen Geschlecht besteht kein Zusammenhang, Merkmal tritt statistisch gesehen gleich häufig bei Männern und Frauen auf Gonosomale Erbgänge: das untersuchte Merkmal tritt gehäuft oder ausschließlich im männlichen Geschlecht auf (da kein Ausgleich durch zweites X-Chromosom) Zytogenetik - Chromosomen und Vererbung Chromosomen Speicher- und Verwaltungsort der genetischen Informationen = • befinden sich im Zellkern • kondensiert das undifferenziert erscheinende Chromatin (z. B. Bei der Zellteilung), erscheinen die Chromosomen -> Chromosomen als Transport- und Verpackungsform Aufbau • zwei Hälften, die (Schwester-)Chromatiden • diese sind am Centromer verbunden • jedes Chromatid enthält einen durchgängigen DNA-Strang, der um Histon-Proteine gewunden ist • Einheit aus Histon und gewickelter DNA = Nukleosom • Nukleosomen bilden Chromatinfäden • in den Keimzellen liegen einfache, haploide Chromosomensätze vor • es gibt auch Organismen mit mehrfachen Chromosomensätzen (Polyploidie) p-Arm Der Chromosomensatz • Anzahl der Chromosomen in einer Zelle ist arttypisch -> Mensch hat 46 Chromosomen, Mais z. B. 20 • 46 Chromosomen = diploider Chromosomensatz (2n), jedes Chromosom (bis auf Gonosomen beim Mann) in doppelter Ausführung • die Paare sind homologe Chromosomen, eins stammt von der Mutter und eins vom Vater q-Arm • Autosomen jeweils in doppelter Ausführung, Conosomen nur bei der Fraus doppelt (Frau - XX, Mann = XY) -> Mann in Bezug auf Gene auf dem X-Chromosom hemizygot (= nur in einfacher Ausführung) -> Auswirkung auf Vererbung dieser Gene Chromosom SPRENS ▬▬▬ Beispiele für chromosomengebundene Vererbung von Krankheiten Autosomal-dominante Vererbung -Centromer Chromatid achportaltueringer deixalp-P13717 Gene ( ) X 1 H Autosomal-rezessive Vererbung • Phenylketonurie (PKU) . • Merkmalsträger in jedem Fall homozygot, Krankheit überspringt eine Generation X-Chromosomal-rezessive Vererbung • Bluterkrankheit (Hämophilie) • heterozygote Frauen sind nur Konduktorinnen, Krankheit tritt nicht auf -> rezessiv • Männer erkranken, wenn sie das rezessive Allel der Mutter erben, da kein Ausgleich durch zweites X-Chromosom N Aa L2 5 Aa 1 Chiamatinfaden 33 aa X₂X₂ HOS 202 0² +0 AA H Aa 15 AA oder Aa aa Möglicher Stammbaum einer autosomal-dominanten Vererbung (z. B. Brachydaktylie) s 6 • Brachydaktylie (Kurzfingrigkeit) • tritt unabhängig vom Geschlecht auf + betrifft auch heterozygote Individuen • wäre es rezessiv vererbt, könnte ein erkranktes Elternpaar (8,9) kein gesundes Kind (16) haben • wäre es geschlechtsgebunden dominant vererbt, könnte ein erkrankter Vater (8) keine gesunde Tochter (16) haben, da diese auf jeden Fall ein X-Chromosom vom Vater bekommt 1 Aa X,Y XAXA XAX₂ 3 5(0 (6) X₂Y Proteingerst AA X₁X₂ 6● 8 Möglicher Stammbaum einer autosomal-rezessiven Vererbung (z. B. PKU) ONS Doppels Mann O● Frau XAX, O Gonosomen Nues gesund krank X₂X₂ H Mann ○● Frau Aa X,Y XAY 8 7 gesund krank 11 12 O X₂Y XAX, Möglicher Stammbaum einer gonosomal-rezessiven Vererbung (z. B. Hämophilie) Mann Frau Konduktorin Mutationen Mutationen sind teilweise vererbbare - Veränderungen des Erbmaterials • Spontanmutationen = zufällig auftretende Fehler, meist bei der Replikation • Induzierte Mutationen = durch auslösende Faktoren, sog. Mutagene - kurzwellige, energiereiche Strahlung, z. B. UV, Röntgen -salpetrige Säure - Umwandlung von Cytosin in Uracil -ABOARD GENMUTATIONEN Punktmutationen: • Stumme Mutation - Basenaustausch - zwar andere Base, es wird dennoch die gleiche Aminosäure eingebaut -> keine Auswirkungen auf Genprodukt • Missense-Mutation - Basenaustausch - Folge: Übersetzung in eine andere Aminosäure -> Protein verändert, wirkt ganz anders im Körper • Nonsense-Mutation - Base wird ausgetauscht, codiert nun jedoch fälschlicherweise für ein Stopp-Codon - Abbrechen der Translation -> Protein bleibt unvollständig, meist nicht funktionsfähig Leserastermutationen: - Einschub einer Base Deletion nach Doppelbruch →> ganzes Triplett-Leseraster wird gestört • Deletion - Verlust einer (oder mehrerer) Base •PHORROEMI • Insertion • AHORROMEPOOME! Deletion nach Einzelbruch reziproke Translokation Inversion Duplikation L ABCDEFG CD ABCDEFG EFG ABCDEFG HIJKLMNO ABCDEFG ABCDEFG Telomer CDE -²¾ÔÃÃÔ¾¾¾ÔÔ- ફિનિધિની કારની CD ·AMO POMEMOOMBAR ABEFG Centromer ABCD ABLMNO HIJKCDEFG ABEDCFG ABCDCDEFG Bei zwei Chromosomenbrüchen geht ein Mittelstück verloren und die Enden der verbleibenden Stücke verkleben. Zerbricht ein Chromosom in zwei Teile, enthält nur eines das Centro- mer und kann bei der Kernteilung verteilt werden. Beiden Teilen fehlt ein Telomer, sodass sie leicht mit anderen Chromosomen verkleben. Chromosomenbruchstücke werden zwischen nicht homologen Chromo- somen ausgetauscht. Ein Chromosomenabschnitt wird nach einem Doppelbruch umgedreht wieder eingebaut. Ein Chromosomenabschnitt liegt zweifach vor, er kann aus dem homologen Chromosom stammen oder durch fehlerhafte Replikation entstanden sein. GENOMMUTATIONEN • Veränderung in der Zahl der Chromosomen • kann eine zahlenmäßige Veränderung von einzelnen Chromosomen oder von ganzen Chromosomensätzen sein Grundlage: Nondisjunction während der Meiose • Polyploidie: Vervielfachung des Chromomsomensatzes • Autopolyploidie: Zellkern enthält mehr als zwei komplette arteigene Chromosomensätze (AA) - entsteht bei Mehrfachbefruchtung/diploiden Keimzellen • Allopolyploidie: verschiedene Chromosomensätze nebeneinander im Zellkern (A und B) - entsteht durch Hybridisierung (Keimzellen verschiedener Arten verschmelzen, nur bei naher Verwandtschaft der Arten) . Monosomie: nur ein homologes Chromosom • Trisomie: drei homologe Chromosomen - Fehler bei Meiose CHROMOSOMENMUTATIONEN • Abweichungen vom Chromosomenbau - Auswirkungen sehr unterschiedlich Deletion: • Ausfall eines Chromosomenabschnitts am Ende/Mitte des Chromosoms • Deletionsstück verloren/in andere Chromosomen eingebaut -> Auswirkungen auf Zelle verheerend Translokation: • Verschiebung eines Chromosomenabschnitts -> neue Position kann Aktivität bestimmter Gene ändern • Verschiebung - innerhalb eines Chromosoms - Stückaustausch zwischen nicht-homologen Chromosomen (reziproke Translokation) (nicht crossing-over!) Inversion: • Umkehrung eines Chromosomenabschnitts (Anzahl Gene gleich, Reihenfolge aber anders) Duplication: • Verdopplung eines Abschnitts -> keine Gene fehlen (kann unauffällig bleiben) mögliche Mutationen in den doppelten Stücken, Wiederholung mehrfach -> Genfamilien, Spielraum für Evolution Evolutionsaspekt: • wie wirkt sich die Krankheit/Mutation auf den Phänotyp aus? →> z. B. Trisomie 21 wie zeigt sich dieser Phänotyp in der Evolution? 2. B. Birkenspanner werden durch Industrialisierung schwarz statt weiß, um sich besser tarnen zu können? Krebs Was ist Krebs? spontan auftretende/durch äußere Einflüsse induzierte Mutationen -> Tumore • Zellteilung wird durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Gene reguliert => > Störung im System -> evtl. unkontrollierte Zellteilungen . PROTO-ONKOGENE • codieren für Proteine, die die Zellteilung anregen • Aktivität über Signalketten gesteuert, an deren Ende ein Transkriptionsfaktor steht, der das Ablesen der Gene erlaubt • im Normalfall zerstören sich Zellen, deren DNA stark beschädigt ist, selbst (Apoptose) • geschädigte Zellen werden vom Immunsystem erkannt + vernichtet => funktionieren diese Mechanismen nicht mehr, kommt es zu einem Tumor (bösartige Tumore - Karzinome) => häufig Mutagene mit karzinogener Wirkung die Ursache für irreversible Schädigung der DNA • Mutation in Signalkette (z. B. Mutation des Ras- Gens/Mutation im Proto-Onkogen selbst) -> unkontrollierte Zellteilung => Tumor => das Proto-Onkogen ist nun ein Onkogen (Proto-Onkogene dominant gegenüber Tumor- Suppressor-Genen stimulierender Wachstumsfaktor- kein äußeres Signal- Rezeptor kein inneres Signal- verändertes Ras Protein er zeugt von sich aus Signale Cytoplasma Tumor- bildung Zellmembran Moleküle einer fördernden Signalkette- Transkriptions- faktor DNA Protein, das die Zell- teilung fördert, wird dennoch gebildet O Die Folgen: • benigne (gutartige) und maligne (bösartige) Tumore • Krebszellen teilen sich ungehemmt, differenzieren sich nicht mehr, keine Funktion mehr für den Körper • Karzinome verdrängen gesundes Gewebe und schädigen es (durch Verbrauch von Energie + Nährstoffen), oft auch gut durch Blutbahnen versorgt . von Karzinomen können sich einzelne Zellen ablösen und Tochtertumore (Metastasen) bilden -> Ausbreitung durch Lymphe + Blut • gutartige Tumore verdrängen nur das Gewebe und wachsen weitaus langsamer TUMOR-SUPPRESSOR-GENE • codieren für Proteine, die die Zellteilung hemmen • Aktivität auch über Signalketten gesteuert, an deren Ende ein Transkriptionsfaktor (p53) steht, der das Ablesen der Gene stoppt • Mutation in Signalkette (z. B. Transkriptionsfaktor p53)/ Mutation im Tumor-Suppressor-Gen selbst => keine Produktion der zellteilungshemmenden Proteine => Tumor • p53 - Wächter des Genoms" O O Zellkern gesundes Gewebe Was schädigt die DNA? • Strahlung, Chemikalien, manche Viren • Vererbung möglich →> Prädisposition bestimmter Krebsarten in manchen Familien B • vorgeschädigte Zellen können weiter mutieren-> Krebsanfälligkeit steigt im Alter genetisch Mutation veränderte- Zelle -Moleküle einer hemmenden Signalkette -verändertes P53-Protein wirkt nicht mehr als Transkriptionsfaktor und aktiviert keine Gene mehr. Protein für Hemmung der Zellteilung fehlt Tumor- bildung • Krebs entsteht durch mindestens 2 Mutationen - diese können erblich bedingt sein, durch Strahlung oder einfach zufällig entstehen übermäßige Zellteilung -wachstums- hemmender Faktor -Rezeptor gutartiger weitere (benigner) Mutationen Tumor bösartiger (maligner) Tumor