Biologie Genetik Zusammenfassung

Alternativer Bildtext:

C5-Atom mit dem Phosphatrest → dient als Brücke zwischen den Zuckermolekülen die Desoxyribose über eine OH-Gruppe am C3-Atom bindet PhosphodiesterBindung an ein C5-Atom des Zuckers eines weiteren Nukleotids O C1-Atom des Zuckers bindet mit einer der vier Basen O Gegenüberliegende komplementäre Basen (Basenpaare) (A-G, C-G) binden über Wasserstoffbrückenbindung miteinander → (A-T mit 2, C-G mit 3) O Bindungen zwischen den Basen werden als kovalente Bindungen bezeichnet Strang aus mehreren Nukleotiden → Polynukleotidstrang 3`-Ende → Zucker an dessen C3-Atom keine Phosphatgruppe bindet 5`-Ende → Phosphat an welches kein Zucker mehr bindet Basen liegen im Verhältnis 1:1 vor CH₂₂ 2 O Op. O O O 13 PO3- ZH₂ 0 Op. NH 3 Replikation 1. Enzym Topoisomerase entw det die DNA 2. Helikase spaltet Doppeltstrang in zwei Einzelstränge (Wasserstoffbrückenbindungen werden getrennt) → ATP wird verbraucht 4. 3. Primase synthetisiert an 3`-Enden Primer (sind für Beginn der Replikation nötig → Startpunkt) DNA-Polymerase beginnt am Primer mit der Synthese komplementärer Basen a. Problem: DNA- Polymerase kann nur in Richtung (5` nach 3) → am antiparallelen Strang (3` zu 5) muss Synthese entgegengesetzte Richtung ablaufen b. Diskontinuierlich: einzelne Stücke der DNA werden einzeln synthetisiert → Okazaki-Fragmente → Ligase verbindet diese0 später zu einem durchgehenden Strang 5. RNase entfernt Primer → weitere DNA-Polymerase schließt Lücken H₂N A ZH₂ OH H₂N DNA-Polymerase (Pola) 3 Folge- sträng 5' 5° DNA-Ligase Okazaki-Fragments XIX 3' Leit- strang 4.2 Ablauf der Meiose: 1) Prophase I sich 2) Metaphase I Primase RNA-Primer DNA-Polymerase (Pol6) Helicase Einzelstrang- bindendes Protein 4 Meiose 4.1 Meiose -> Reduktionsteilung (Campbell S.176f.) Definition: Die Meiose ist die Form der Kern- und Zellteilung, die zur Bildung der Gameten/Keimzellen führt. Dabei entstehen aus einer diploiden Urkeimzelle, vier Tochterzellen mit haploiden Chromosomensatz, die nicht erbgleich sind. Durch die Meiose wird die artspezifische Chromosomenzahl bei der geschlechtlichen Fortpflanzung erhalten. for DNA kondensiert zu Chromosomen und die Homologen (Synapsis) lagern sich der Länge nach aneinander Es kommt zum Crossing-Over: Stückaustausch zwischen väterlichen und mütterlichen Chromosomen (große genetische Vielfalt Topoisomerase Homologen trennen sich wieder sind aber in einem Punkt trotzdem verbunden. So weist jedes Homologenpaar ein oder mehrere Chiasmata auf Centromerbewegung, Bildung des Spindelapperates und Zerfall der Zellkernhülle vollziehen Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebenen an Spindelapparat bildet sich an Zellpolen weiter aus und dockt an Chromosomen 3 3) Anaphase I Homologen Chromosomenpaare werden von Spindelfasern zu den Polen gezogen und die Schwesterchromatidenpaarung wird getrennt Dadurch, dass die Verteilung zufällig ist entsteht eine gewisse ,,genetische Variabilität 4) Telophase I und Cytokenese Jede Zellhälfte weist vollständigen haploiden Satz replizierter Chromosomen auf Jedes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden und ein oder beide Chromatiden enthalten Bereiche von Nichtschesterchromtiden-DNA (wegen Crossing-over) Kernhülle bildet sich um beide Chromosomensätze Beiden entstandenen Tochterzellen trennen sich in der Cytokenese voneinander (1n aus 2cc) Schwesterchromatiden bleiben verbunden Centrosom (mit einem Centriolenpaar) Schwester- Chiasmata chromatiden homologe Chromosomen Spindelapparat Fragmente der Zellkernhülle Die replizierten homologen Chromosomen (rot und blau) paaren sich und tauschen homologe Segmente aus; in diesem Beispiel ist n = 6. 7) Anaphase II Centromer (mit Kinetochor) Metaphasen- platte an die Kinetochore angeheftete Mikrotubuli Die Chromosomen ordnen sich zu homologen Paaren an. homologe Chromosomen trennen sich 5) Prophase II - In beiden entstandenen Zellen bilden sich erneut Spindelapparate 6) Metaphase II Die homologen Chromosomenpaare trennen sich voneinander. Die Chromosomen ordnen sich wieder in der Äquatorialebene an Schwesterchromatiden jedes Chromosoms nicht mehr genetisch identisch wegen CO 4 Teilungs- furche die einzelnen Chromatiden werden zu den Polen gezogen die voneinander getrennten Chromatiden wandern als eigenständige Chromosomen zum entgegengesetzten Pol des Spindelapparates 8) Telophase II und Cytokenese Es bilden sich zwei haploid Zellen: jedes Chromosom besteht weiterhin aus zwe Schwesterchromatiden. Zellkerne bilden sich, die Chromosomen beginnen zu dekondensieren → vier Tochterzellen mit haploiden Satz (nichtreplizierter) Chromosomen Im Verlauf einer weiteren Zellteilungsrunde trennen sich schließlich die Schwesterchromatiden; als Ergebnis bilden sich vier haploide Folgezellen, die nichtreplizierte Chromosomen enthalten. getrennte Schwesterchromatiden Bildung haploider Folgezellen Ergebnis: Oogenese (Eizellenbildung): Zwei inäquale Reifeteilungen => 1 plasmareiche Eizelle + 3 Polkörperchen Spermatogenese (Spermienbildung): Zwei äquale Reifeteilungen => 4 Spermienzellen 5 Vergleich Oogenese und Spermatogenese Oogenese Organ/Gonade (prim. Eierstöcke/Eileiter Geschlechtsorgan) Ausgangszellen (auch Oogenien Keimbahnzellen) Vermehrung Urkeimzellen Kernteilung Ergebnis Besonderheit Prinzip Dauer aus Mitose -> Oocyten (weniger) Meiose Spermatogenese Hoden Spermatogonien Mitose -> Spermatocyten (mehr) Meiose ➜diskontinuierlich Kernphasenwechsel (Reduktionsteilung 2n -> 1n) 1 plasmareiche Eizelle und 4 Spermien degenerierte Polkörperchen (äqual) (inäqual) ➜kontinuierlich 5 Bis zu den Wechseljahren (hormonell gesteuert), dann Jedes hormonelle Störung ,,Aufbauschung der Reserven" Qualität Ein Zyklus lebenslänglich" Spermium Lebensfähigkeit von 2 Tagen hat Quantität Ca. 2 Monate vom Spermatozyt zum Spermium 6 Rekombination 1) Interchromosomale Rekombination: Zufallsbedingte Verteilung ursprünglich mütterlicher und väterlicher Chromosomen der homologen Chromosomenpaare in der 1. Reifeteilung, wenn homologen Chromosomen von den Fasern des Spindelapparates an die Pole gezogen werden. Beim Menschen 2^23 (= 8388608) Kombinationsmöglichkeiten der Chromosomen. 2) Intrachromosomale Rekombination mittels Crossing-over: Chromosomen-Stückaustausch zwischen homologen väterlichen und mütterlichen Chromosomen während der 1. Reifeteilung. => Austausch von Chromosomenteilstücken zwischen Nicht-Schwester-Chromatiden. → Es katalysieren spezifische Enzyme (Rekombinasen) einen Bruch der jeweiligen DNA-Stränge, die dann wieder durch die DNA-Ligase,,über Kreuz" verknüpft werden. Warum kommt es zum Crossing-over? Der Austauschwert richtet sich auf die Lage der Gene. Es kommt auf die Zeit an, wie lange die Chromosomen in der Pro-Metaphase liegen -> Tetrade (bei 9 häufiger als bei ♂) Vorteile der Rekombination es erhöht sich die Anzahl der genetischen Typen von Geschlechtszellen evolutionärer Vorteil: genetische Variabilität erhöht sich bessere Anpassungsfähigkeit der Lebewesen einer Art -> die Fittesten (Fortpflanzungsvorteil) überleben Robuster gegen Mutationen 7 Mitose Prophase: Kernmembran und Nucleolus lösen sich auf. Die Zentriole wandern zu den Zellpolen. Metaphase: max. Kondensation, Anreihung in der Äquatorialebene Anaphase: die Chromatiden trennen sich und wandern zu den Polen der Zelle Telophase: Chromosomen werden entspiralisiert/entkondensiert -> verschwinden; Kernmembran und Nucleoli erscheinen Definition Mitose: Der Begriff Mitose beschreibt die ungeschlechtliche Zellteilung der Zelle. Dabei ist die Mitose in 7 verschiedene Phasen unterteilt, welche die Interphase, Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase und die Cytoki sind, wobei die Interphase nicht direkt Meiose gehört und die Cytokenese am Ende der Telophase stattfindet. Äquationsteilung: liegt vor, wenn bei einer Zellteilung (Cytokinese) genetisch gleiches Material auf die beiden Tochterzellen verteilt werden (bsp. Dafür ist die Mitose). G1-Phase: - Steigerung der Proteinsynthese für den Verteilungsapparat der Chromosomen Histone und nicht basische Proteine zur Umschließung der DNA werden gebildet -> Anstieg der RNA-Synthese Zentriolen teilen sich (1-12 Stunden) G2-Phase: - Übergang zur Mitose -> im Gewebe lösen sich Zellkontakte zu Nachbarzellen (Volumen Zunahme) (Dauer: 4 Std.) S-Phase: - Replikation der DNA -> Verdopplung des Erbmaterials Jedes Chromosom verfügt nun über zwei identisch aufgebaute Chromatiden (Dauer: 7-8 Std.) 7.1 Unterschied Meiose und Mitose Mitose (Äquationsteilung) Ort: in allen wachsenden Geweben Dauer: höchstens einige Stunden Eine Kernteilung Keine Paarung der homologen Chromosomen Dauer: einige Tage oder Wochen Zwei Kernteilungen (1. Und 2. Reifeteilung) Paarung der homologen Chromosomen in der Prophase I (Tetrade) Eventuell Überkreuzung von Chromatiden (Chiasmata) während (interchromosomale Rekombi.) der Paarung Nukleoli und Kernmembran zerfallen am Ende der Nukleoli und Kernmembran zerfallen am Ende der Prophase Prophase Keine Chiasmata (Überkreuzungsstellen) Keine Rekombination Zentrosomen bilden Spindelapparat aus Mikrotubuli zum Transport der Chromosomen bzw. Chromatiden Trennung der Chromatiden am Zentromer in der Anaphase Chromosomenanzahl bleibt konstant (→ zwei diploide Tochterzellen) Tochterzellen genetisch identisch Meiose (Reduktionsteilung) Ort: in den Keimdrüsen 6 Zentrosomen bilden Spindelapparat aus Mikrotubuli zum Transport der Chromosomen bzw. Chromatiden Trennung der Chromatiden am Zentromer in der Anaphase II Chromosomenanzahl wird reduziert (→ vier haploide Tochterzellen) Tochterzellen genetisch unterschiedlich Tochterzellen ähnlich groß → äquale Teilung 8 Stammzellen Sind noch nicht ausdifferenzierte/determinierte menschliche/tierische und pflanzliche Zelle, welche eine hohe Teilungsfähigkeit besitzen. Die generierten Tochterzellen haben selber wieder Stammzelleigenschaften. ● Embryonale Stammzellen: Aus Embryonen gewonnen Zygote totipotente Stammzellen (bis zum 8 Zellstadium Fähigkeit, einen vollständigen Organismus zu bilden) → Totipotent: entwickeln sich zu einem vollständigen Organismus; keine Determinierung Adulte Stammzellen: Cytoplasma Danach pluripotent im Morulastadium und Blastozyste (Embryoblast) → Pluripotent: es kann kein vollständiger Organismus entstehen, aber Ausdifferenzierung zu verschiedenen Zelltypen (teilweise determiniert; können auch adulte Stammzellen bilden Vier gleiche große Spermien oder eine Eizelle und in der Regel drei kleine Polkörperchen → inäqual Ausdifferenzierte multipotente Stammzellen → Multipotent: auf bestimmte Gewebetypen festgelegt Postembryonale Form -> fortgeschrittene Determinierung (Gehirn, Leber, Knochenmark) Können nur den Zelltyp des umgebenen Gewebes bilden (aufgrund von Zellkontakten) Unterliegt Alterungsprozess (mögl. Anhäufung von Mutationen) 8.1 Oogenese, Entstehung von embryonalen Stammzellen 1. Eizelle wird befruchtet -> Zygote 2. Zygote durchläuft Mitosen bis zum Morulastadium (32 Zellstadium). 3. Entstehung der Blastozyste. 4. Embryoblast: Zellen sind undifferenziert. Aus ihnen entsteht durch Vermehrung und weitreichende Differenzierung die vielen Zelltypen, die zur Bildung eines vollständigen Organismus erforderlich sind. 5. Blastozyste nistet sich in Gebärmutterschleimhaut ein. Ontogenese Erste Stadien der Embryonalentwicklung bis zur Einnistung zygote Mitose 2-Zell- Stadium Medienzentrum, weitzel IX Biologie, Landesabitur Hessen Morula- Stadium (32-zell. Studium) 7 Trophoblast Keimhöhle Embryoblast Blastocyste Blastocyste eingenistea in der Gebärmutter- schleimhaut 8.2 Keimbahn In einem sehr frühen Stadium der embryonalen Entwicklung (vermutlich 8-Zell-Stadium) differenzieren sich im Fötus 2 Zelllinien/-populationen heraus: Somazellen (Körperzellen) und die Keimbahnzellen. Diese führen zu den Gameten und bilden das materielle Bindeglied von Generation zu Generation (wenn Fortpflanzung geschieht). Darauf beruht die direkte Vererbung von Erbkrankheiten. Die Somazellen sterben mit dem Individuum ab, mögliche genetische Veränderungen werden nicht an die Nachkommen weitergegeben. 8.2.1 Stammzelltherapien biomedizinische Anwendung I) adulte Stammzellen Knochenmarkspende (bsp. Leukämie) (Blut(Zellen)-Stammzellen) → Typisierung wird gemacht, um zu schauen, ob Spender auf Patient ,,passt" 9 Immunkompatibilität Erzeugung eines ,,Retterkindes" (-> künstliche Befruchtung) iPS-Zellen -> induzierte pluripotente Stammzellen (genetisches Verfahren) → Reprogrammierung, wenn genetisch Veränderte Viren hinzugibt und die Zellen pluripotent werden Differenzierung wird von Differenzierungsfaktor gesteuert (bsp. Hormone) Risiko: Zellen könnten sich übermäßig teilen → Krebsentstehung II) embryonale Stammzellen aus Nabelschnurblut aus Abtreibung und Fehlgeburten/künstliche Befruchtungen Klonien: Zusammenschluss von Zellen (-> Klonen - alle sind erbgleich) Herstellung: Embryonen Schutzgesetz 1990 -> keine künstliche Produktion → Ausweg: iPS-Zellen oder therapeutisches Klonen Bioethik Vorgehen Beschreibung des Vorhabens Beschreibung der Handlungsoptionen Begründung der Handlungsoptionen Utilitäsprinzip Verhilft möglichst vielen zum Glück Konsequenzialistisches Prinzip Qualität der Handlung an Qualität der Konsequenz Deontologisches Prinzip Beurteilung der Handlung auf Grundlage der Menschenwürde Entscheidung abhängig vom Prinzip welches man wähl Reflexion des Begründungsprozess Folgen diskutieren 10 Mutationen 10.1.1 Chromosomenabberationen 1) Strukturelle Deletion (Stückverlust) bei Autosomen →Bsp. Katzenschreisyndrom (bei Chromosom 5) 8 Translokation (Übertragung eines Chromosomenstücks auf ein anderes, nicht homologes Chromosom) Inversion (herausgebrochene Chromosomenstücke werden wieder verkehrt eingesetzt) Duplikation (Verdopplung eines Chromosomenstücks Entwicklungsprobleme) 2) Numerische a) bei Autosomen -> phänotypische Krankheitsbilder → Down Syndrom (Trisomie 21) → Edward Syndrom (Trisomie 18) (oft letal oder sehr geringe Lebenserwartung) → Pätau Syndrom (Trisomie 13) (oft letal oder sehr geringe Lebenserwartung) b) numerische Chromosomenabberation bei Gonosomen Turner Syndrom -> einzig Lebensfähige Monosomie (Karyotyp 45, XO Monosomie) Klinefelter Syndrom (Karyotyp 47, XXY Trisomie) Triplo-X-Syndrom -> 2 Barr-Körperchen deaktiviert Diplo-Y-Syndrom (Karyotyp 47, XYY Trisomie) ➡ Cytogenetische Ursache : Nondisjunktion 10.2 Genmutation = Veränderung in einem einzelnen Gen angeborene Defekte und 10.2.1 Punktmutation 1. Substitution: ein Basenpaar der DNA wird gegen ein anderes ausgetauscht Auswirkungen: O Mutationen im nichtcodierten Bereich der DNA und Mutationen, die aufgrund des degenerierten genetischen Codes zur selben Aminosäure führen, haben keine Auswirkung (= stumme / neutrale Mutation) Mutationen, die zum Einbau einer falschen Aminosäure in das Protein führen (= Missense-Mutation), können gravierende Folgen haben, wenn z.B. die betroffene Aminosäure im aktiven Zentrum eines Enzyms von Bedeutung ist O O Mutationen, die zu einem Stopp-Codon führen, haben meist einen Funktionsverlust des Proteins zur Folge (= Nonsense-Mutation) 10.2.2 Leseratermutation 2. Insertion: Hinzufügen eines Nucleotids 9 3. Deletion: Entfernen eines Nucleotids Verschiebung des Leserasters Es werden andere Tripletts abgelesen und eine veränderte ASsequenz gebildet → Rastermutation verändertes Protein Folgt auf die Insertion eine Deletion, so wird die Wirkung der ersten Mutation kompensiert und Raster zeigt dann normale Abfolge 4. Inversion: kurze Basensequenz wird aus der DNA ausgeschnitten und in umgekehrter Reihenfolge an gleicher Stelle wieder eingebaut 10.3 Genommutation Veränderung an der Anzahl der Chromosomen Bsp.: Trisomie 21 (Down-Syndrom) (Chromosom 21 ist im Kern der mütterlichen Eizelle in dreifacher Form vorliegend) 11 Syndrome Definition: Syndrome sind komplexe Krankheitsbilder, bei denen spezifische Krankheitsmerkale (Symptome, körperliche und geistige) in einer typischen Kombination auftreten. Meist sind äußere und innere Fehlbildungen vorhanden; die Lebenserwartung ist oft vermindert. Außerdem kann die individuelle Ausprägung leicht variieren. 12 Nondisjunktion Beschreibt die während der ersten oder zweiten Reifeteilung der Meiose auftretende Nicht-Trennung eines homologen Chromosomenpaares (1. Reifeteilung a)) oder die Nicht-Trennung von Schwesterchromatiden (2. Reifeteilung b)) a) Möglichkeit für eine Befruchtung einer Eizelle mit Monosomie liegt bei 1:1 (2 Zellen mit einem Chromatid zu viel (n+1); zwei mit einem Chromatid zu wenig (n-1) b) 1:1:2 (1 Zelle mit Trisomie; 1 Zelle mit Monosomie und 2 normale Zellen) 13 DNA-Reparatur Durch beispielsweise starke Sonneneinstrahlung und Erreichen der Erdoberfläche von UV-B Strahlen (Aufgrund zunehmendem Abbau der UV-B absorbierenden Ozonschicht) treten vermehrt Thymin-Dimere zwischen benachbarten Basen eines DNA-Stranges auf → Verformung der DNA → DNA-Polymerase kann Dimer nicht passieren → Fehler bei der Replikation ⇒ Mutation 3 Typen von enzymatischen Reparatursystemen 1. Fotoreaktivierung Sie erfolgt durch DNA-Fotolyasen (Enzym, das durch sichtbares Licht aktiviert wird) Macht DNA-Veränderungen rückgängig → Thymin-Dimere werden wieder getrennt 2. Postreplikations-Reparatur → Korrektur von Fehlpaarungen, die während DNA-Replikation entstanden sind → Falsche Nucleotid befindet sich im Tochterstrang → Enzym kann zwischen Mutter- und Tochterstrang unterscheiden 3. Excisionsreparatur Endenuclease erkennt die Schadstelle (Bsp. Thymin-Dimer) in DNA Schneidet den betroffenen DNA-Strang vor und hinter Dimer ein und entfernt diese Stelle DNA-Polymerase füllt entstandene Lücke DNA-Ligase verknüpft das neusynthetisierte DNA-Stück mit repariertem DNA-Strang 10 14 Zellzyklus zell-Zell kontakt Auflösung Reperaturphase überprüft DNA Replikation 25 G₂ 46 40 min P S Beide sind dominant G₁ P (Phrophase) M (Metaphase) A (Anaphase) & (Zell teilung) T (Telophase) 15 Vererbung 15.1 Vererbungsregel nach Mendel Uniformitätsserie: Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die in einem Merkmal unterschiedlich, aber jeweils reinerbig sind, so sind die Nachkommen in der F1 in diesem Merkmal alle gleich/uniform. Stadium 6₁ +6₂ gap S• Synthesestadium. Spaltungsregel: Kreuzt man Individuen der F1 miteinander, so spalten sich die Nachkommen in der F2 in Bezug auf die Merkmale der Eltern. Genotyp: 1:2:1; Phänotyp: 1:3 Unabhängigkeitsregel: Werden zwei reinerbige Eltern gekreuzt, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, so werden die Erbanalgen frei Kombiniert und unabhängig voneinander vererbt. Intermediärer Erbgang: - alle Allele sind gleich ,,stark", also weder dominant oder rezessiv Kreuzt man Wunderblume rot x weiß → entsteht Mischung rosa Kodominanter Erbgang: es werden beide elterlichen Phänotypen angenommen Beide Allele werden übernommen und ausgeprägt Bsp. Blutgruppe: AA x BB AB AB AB AB => uniform heterozygot 11 15.2 Vererbungsformen Monogene Vererbung: Ausbildung eines Merkmals hängt nur von einem Gen ab (Blutgruppe) Polygene Vererbung: mehrere Gene sind an der Ausprägung eines Merkmals beteiligt (Augen- und Haarfarbe) Multifaktorielle Vererbung: genetische Merkmalsausprägung zusammen. 15.3 Genotypische Geschlechtsbestimmung Karyotypen Eltern Meiose ↳ Reduktionsteilung Keimzellen Gameten Kinder 2n 46,XY Vater Spermien heterogametisch 23,X 46,XY und umweltbedingte Faktoren wirken bei 2n 46,XX) Mutter Eizelle homogametisch (23,X) Oocyte(unbfr.) T^n Befruchtung der Elzelle ↳Rekombination 15.5 Vererbungstypen a) autosomal: rezessiv (bsp. Albinismus) (46,XX) 15.4 Wie wird das Geschlecht vererbt und festgelegt? Verschiedene Gonosomenkmobinationen: XX-XY oder XX-XO Zuteilung zu Geschlecht kann sich auch unterscheiden Genotypische Geschlechtsbestimmung Das Geschlecht wird durch die Kombinationen der Gonosomen festgelegt Der Gegensatz wäre die phänotypische-/modifikatorische Geschlechtsbestimmung durch Umweltfaktoren (bsp. Temperatur) Präformationshypothese: Im Spermium ist Fötus schon vorbestimmt. Mutter brütet aus! => Y-Chromosom sehr klein + geringe Masse -> beweglicher, somit schneller als X- Chromosom, jedoch verträgt das Y-Chromosom den pH-Wert im weiblichen Genitaltakt nicht, weshalb es dazu kommen kann, dass Y-Chromosomen schneller sterben dominant (Kleinwuchs (kann aber auch rezessiv sein) b) mitochondrial: extra nucleare Vererbung; nur über mütterliche Linie = maternal Kranke Mutter - kranke Kinder Gesunde Mutter - gesunde Kinder Kann nicht vom Vater vererbt werden 12 c) gonosomal: X-Chromosomal: X-Chromosomal rezzesiv / X-Chromosomal dominant Y-Chromosomal: paternal → kranker Vater - kranker Sohn 1. Typische Merkmale für eine Autosomal-rezessiv vererbte Krankheit Indizien: Verhältnis von Kranken zu Gesunden -> Gesunde überwiegen 2 kranke Eltern zeugen nur kranke Kinder Merkmal: überspringt eine Generation -> unbemerkte Weitergabe 2 gesunde Eltern zeugen ein krankes Kind Krankheit tritt häufig bei Verwandtschaftsehen auf Kein Geschlecht ist spezifisch betroffen, da autosomal Genotypische Beweise: Alle Kranken sind homozygot-rezessiv Gesunde sind homozygot oder heterozygot → ein Allel für die Krankheit bewirkt keine deutliche Ausprägung der Krankheitssymptome, da rezessiv Heterozygot gesunde Personen können Überträger sein (Konduktoren) 2. Merkmale für eine autosomal-dominant vererbte Krankheit Indizien: Es treten relativ viele, oft 50%, erkrankte Personen im Stammbaum auf (Zahlen der Personen nennen) In jeder Generation treten Merkmalsträger der Krankheit auf -> oft mit steigender Häufigkeit Oft ist nur ein Elternteil erkrankt und es treten kranke Kinder auf Krankheit trifft auch oft gehäuft mit Partnern bei Nichtverwandtschaftsehen auf Zwei gesunde Eltern zeigen nur gesunde Eltern Genotypische Beweise: Ein mutiertes Allel bewirkt schon die Ausbildung der Krankheit, d.h. Merkmalsträger sind häufig heterozygot Homozygot erkrankte sind meist nicht lebensfähig -> letal Heterozygote Merkmalsträger geben das Allel mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% an die Nachkommen weiter 3. Merkmale für eine X-Chromosomal-rezessiv vererbte Krankheit Männer sind in Bezug auf das Krankheitsmerkmal am meisten betroffen, weil die hemizygot- rezessiv sind, damit sich die Krankheit ausprägt Heterozygote Frauen, die phänotypisch gesund sind, können Konduktorinnen sein und das Allel für Kranke mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% auf ihre Söhne übertragen Eine homozygot-rezessive Mutter, die phänotypisch krank ist, kann nur kranke Söhne bekommen Gesunde Väter haben nur gesunde Töchter, da sie das dominante Allel für gesund mit dem X- Chromosom auf die Töchter übertragen 13 Kranke Väter können auch gesunde Töchter und Söhne bekommen, das hängt vom Genotyp der Mutter ab 4. Merkmale für eine X-Chromosomal-dominant vererbte Krankheit Eine homozygot-rezessive Mutter kann nur gesunde Söhne bekommen, weil die Mutter mit dem Übertragenen X-Chromosom das rezessive Allel für gesund auf die Söhne überträgt und der Vater gleichzeitig das genleere Y-Chromosom -> so kann sich das rezessive Allel im hemizygoten Zustand ausprägen Hemizygot kranke Väter können nur kranke Töchter bekommen, weil Väter nur das dominante Allel (für Rett-Syndrom) mit dem X-Chromosom auf das X-Chromosom der Tochter übertragen Hemizygot kranke Väter können entweder gesunde oder kranke Söhne bekommen, das hängt vom Genotyp der Mutter ab 5. Zweifaktoranalyse, Genkopplung und Crossing-over beim Menschen Zweifaktoranalyse: Untersuchung von zwei Merkmalen über mehrere Generationen eines Stammbaums; Möglichkeiten für die betrachteten Merkmale: ● Gene werden nicht gekoppelt vererbt Genkopplung auf Autosom oder X-Chromosom ● Genkopplung und Crossing-over Fall A: Allele einer Kopplungsgruppe (eines Chromosoms) gelangen zusammen in die Keimzellen Fall B: Allele einer Kopplungsgruppe werden im Zuge eines Crossing-overs gegen Allele des Nicht-Schwesterchromosoms ausgetauscht; Die betreffenden Allele gelangen getrennt in die Keimzelle Schlussfolgerung aus Fall B: Genkopplung kann (auch beim Menschen) durchbrochen werden. Eigentlich gekoppelte Erbanlagen können in der nächsten Generation als einzelne Allele auftreten 16 Aufbau einer Stammbaumanalyse ● Kurze Einleitung: Was stellt der Stammbaum dar -> ,,Familie mit der Krankheit X" Erklärung der Krankheit Phänotypisches Erscheinungsbild Angaben zur Häufigkeit Beschreibung des Stammbaums: Anzahl der Generationen und Ehen Wie viele Personen werden untersucht? Eingeheiratete bekannt oder unbekannt? Indizien der Vererbungstypen: werden Generationen übersprungen? Sind Verwandtschaftsehen von Bedeutung? Geschlechter gleichermaßen betroffen? Verhältnis von Gesunden zu Kranken Ableitung einer Hypothese (mit entsprechender Legende): Passende Legende erklären → Aus den genannten Indizien lässt sich folgende Arbeitshypothese ableiten, dass das Allel für die Krankheit X... (Vererbungstyp) vererbt wird. Überprüfung der Hypothese durch Ausschlussverfahren: 14 ● Genotypische Beweisführung (alle Beweise für den Vererbungstyp herausfinden) Alternative Vererbungsmöglichkeiten diskutieren → ALLE Widersprüche finden, die andere Vererbungstypen ausschließen Falls zwei Vererbungsmodo möglich, Abwägen aller Indizien und Beweise ,,ich schließe den X (Erbgang) aus, da..." ,,allen Personen lässt sich widerspruchsfrei ein Genotyp zuordnen" Deutung/Überprüfung der Arbeitshypothese 17 Pränatale Diagnostik 18 Epigenetik Entscheidet abhängig von äußeren Umständen, ob Gene stärker oder schwächer abgelesen werden → Genregulation Funktionsweise der Epigenetik Methylierung → Methylgruppen (Kohlenstoffatom und 3 Wasserstoffatomen) docken an den DNA → verhindern Ablesen nachfolgender Gensequenz → keine Translation →Gen ausgeschaltet ● Auswertungsergebnis zusammenfassend formulieren unter Bezug auf Punkt 4 ,,aufgrund der Indizien und der genotypischen Beweisführung kann man sagen, dass die ... Vererbung verifiziert und die ... (restlichen) Falsifiziert werden können, da ..." ,,Nach Überprüfung aller Erbgänge kann man sagen, dass ein Erbgang Verifiziert/Falsifiziert werden kann, da..." 19 PBS 19.1 Proteinbiosynthese bei Prokaryoten Der genetische Code ● Histon-Acetylierung: Histonkomplexe → Verpackung der DNA→Genexpression nur in Arbeitsform möglich →Acetylgruppen lockern DNA auf → Gene können abgelesen werden Ein Mensch hat unzählige Epigenome. Jeder Zelltyp enthält zwar die gleiche Gensequenz, aber andere Markierungen. Der genetische Code ist die in der Basensequenz der DANN verschlüsselt vorliegende Information zur Bildung einer Aminosäure. *** Eigenschaften: der genetische Code ist ein Triplett-Code, das heißt, jeweils drei Basen (Codon) enthalten die Information für eine spezifische Aminosäure der genetische Code ist degeneriert. So codiert zwar jedes Codon nur eine Aminosäure, aber viele Aminosäuren werden durch mehrere verschiedene Codons bestimmt. Der genetische Code ist kommafrei, das heißt, die Codons schließen lückenlos aneinander an Der genetische Code ist nicht überlappend. Eine Base ist immer nur Bestandteil eines Codons Der genetische Code ist prinzipiell universell. Bis auf wenige Ausnahmen nutzen alle Lebewesen denselben genetischen Code. Transkription 15 Die in der Basensequenz der DNA enthaltene Information zur Bildung eines Proteins wird zunächst in die Basensequenz einer mRNA umgeschrieben. Bei der mRNA handelt es sich um einzelsträngige Kopien kurzer DNA-Abschnitte. Die Transkription findet bei Prokaryoten im Cytoplasma statt. Benötigte Komponenten: DNA, Nucleosidtriphosphate der vier Basen, RNA-Polymerase. Ablauf: ● ● Bindung der RNA-Polymerase an einer spezifischen DNA-Sequenz (Promotor) Blasenartige Öffnung für DNA hinter der Promotor-Region. Die Doppelstränge der DNA liegen nun getrennt vor RNA-Synthese. Nur einer der beiden Stränge, die DNA-Matrize (= codogener Strang) wird abgelesen. Die RNA-Polymerase lagert hierzu komplementär zum codognenen Strang Nucleotide in 5'→ 3'-Richtung an. Dazu benötigt die RNA-Polymerase keinen Primer. Die neu gebildete RNA löst sich von der DNA, während die RNA-Polymerase weiterwandert und dabei immer neue Nucleotide an das 3'-Ende der mRNA anlagert Stopp der Synthese. Erreicht die RNA-Polymerase eine bestimmte DNA-Sequenz (Terminator), so löst sie sich vom codogenen Strang Translation Die in der mRNA vorliegende Information wird an den Ribosomen im Cytoplasma in die entsprechende Aminosäuresequenz umgesetzt. Die Vermittlung zwischen den Basensequenzen der mRNA und der Polypeptidsequenz erfolgt durch tRNA-Molekül. Im Unterschied zu anderen Nucleinsäurearten sind tRNAs kleine Moleküle aus rund 80 Nucleotiden. Eingebaut in die Ribosomen tritt eine dritte RNA-Art auf, die ribisomoale RNA (rRNA). Sie dient dem Erkennen und dem Binden der mRNA am Ribosom. Benötigte Komponenten: mRNA, tRNA, Aminosäure, Enzyme, Ribosomen. Ablauf: ● ● Initiation (Start): Ribosomen bestehen aus kleiner und großer Untereinheit mRNA lagert sich an die Ribosomenerkennungssequenz an (kleine Untereinheit) wandert dann in Richtung 3'-Ende der mRNA, bis sie auf Start-Codon (AUG) trifft Start-tRNA lagert sich komplementär mit ihrem Anticodon (UAC) an Abschließend kommt die große Untereinheit hinzu Elongation (Verlängerung): ▸ Zusammengesetzte Ribosom verfügt über drei tRNA-Bindestellen: O Am Eingang (A-Stelle) bindet die tRNA, die die Aminosäure anliefert O P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette O Über die E-Stelle verlassen die entladenen tRNAs das Ribosom Die Start-tRNA besetzt die P-Stelle der Ribosomen An Codon in der freien A-Stelle lagert sich nächste beladene tRNA an Aminosäure der Start-tRNA wird mit der Aminosäure der zweiten tRNA zu einem Dipeptid verknüpft Ribosom wandert ein Codon weiter; tRNA verlagert sich zusammen mit dem Dipeptid aus der A- in die P-Stelle ➤ Entladene Start-tRNA aus der P-Stelle wird in die E-Stelle verlagert ● Termination (Abbruch): Wenn eines der drei Stoppcodons erreicht wird, führt es zum Abbruch der Kettenverlängerung 16 19.2 Proteinbiosynthese bei Eukaryoten Die zentralen Abläufe der PBS stimmen bei Pro- und Eukaryoten überein → eukaryotische Zelle weist nur einige Besonderheiten auf! ● ● 20 Genregulation Zwei Gruppen von Enzymen: ● Für diese Codons existieren keine entsprechenden tRNA-Moleküle Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten, gebildete Polypeptid wird freigesetzt ● 20.1 Genregulation bei Prokaryoten Modell zur Genregulation bei E.coli Bakterien (Operon-Modell) → nach Jacob und Monod ● Mosaikartige Zusammensetzung der DNA: DNA besteht aus codierenden Abschnitten (Exons) und nicht codierenden Abschnitten (Introns) Beide werden in die vorläufige prä-mRNA transkribiert Reifung der mRNA (Prozessierung): Strukturgene: Sie erhalten die etische Information zur Bildung der Enzyme ● Regulatorgen: Dieses enthält die Information zur Bildung eines Repressor-Proteins. Repressor: Protein, das die Enzymsynthese unterbinden kann. Operator: DNA-Abschnitt, an den das Repressor-Protein reversibel bindet. ● Promotor: DNA-Abschnitt, an den die RNA-Polymerase bindet. Operon: Oberbegriff für den DNA-Abschnitt aus Promotor, Operator und Strukturgenen. Substratinduktion ● ► Umbau der prä-mRNA bis zur reifen mRNA ➤ Int übrig bleib verden herausgeschnitten (Spleißen); (zusammenhängend) ➤ 5'-Ende erhält cap-Sequenz, die Anlagerung an Ribosom erleichtert ▸ Ans 3'-Ende kommt Poly-A-Schwanz, der den schnellen Abbau der mRNA verhindert Translation (siehe oben Prokaryoten) findet im Cytoplasma und Transkription im Zellkern statt ● Konstruktive Enzyme: Werden ständig in der Zelle synthetisiert Adaptive Enzyme: Werden nur bei Bedarf in der Zelle synthetisiert → unterliegen einer Regulation der Enzymsynthese ● Prinzip: Abzubauende Substanz initiiert ihren eigenen Abbau. Anwendung: Vor allem bei aufbauenden Stoffwechselprozessen. Vorteil: Ökonomischer Umgang der Zelle mit Material und Energie, da Synthese nur dann erfolgt, wenn die Produkte benötigt werden Exons → Die Lactose einer katabolischen Stoffwechselreaktion löst als Effektor (Induktor) die Genexpression für die Synthese der für seinen Abbau der notwendigen Enzyme aus, indem das allosterische Enzym (der Repressor) inaktiv wird → Anschalten eines Gens durch das Substrat der Stoffwechselkette 17 DNA Regulatorgen DNA Repressor aktiv mRNA .... R mRNA Repressor inaktiv Promotor Operator P O blockiert die Schaltsequenz (Operator) P O Substrat Strukturgene S₁ $₂ Sa keine Transkription (keine Exprimierung der Strukturgene) S₁ S2 S3 + mRNA mRNA mRNA3 Enzym, Enzymą Enzyma 88 Effektor Abbau des Substrats Endprodukte Abbau des Zweifachzuckers Lactose bei E. coli (lac-Operon). Experiment zur Genregulation bei E.coli (Prozess abhängig davon, ob Lactose vorhanden ist oder nicht) Lactose nicht vorhanden der Regulator bildet mRNA bzw. aktiven Repressor (durch Regulatorgen I codiert) ativer Repressor bindet an Operator (aktive Hemmung zwischen Strukturgen und Promotor) RNA-Polymerase kann die Strukturgene nicht ablesen, da Operator blockiert ist wegen Repressor (→ RNA-Polymerase kann nicht an Promotor binden) Die abbauenden Enzyme für Lactose können nicht aufgebaut werden, / keine Enzymsynthese Lactose vorhanden der Regulator bildet mRNA bzw. aktiven Repressor → das allosterische Zentrum (durch Regulatorgen I codier Laktose (Effektor/Induktor) bindet reversibel an das allosterische Zentrum des Repressors (Schlüssel- Schloss-Prinzip greift nicht mehr) Repressor wird inaktiv, d.h. seine Struktur wird verändert; er passt nicht mehr an Operator (Strukturveränderung / Konformationsänderung) RNA-Polymerase kann die 3 Strukturgene ablesen, da Operator nicht blockiert dockt an Promotor Lactose - abbauende Enzyme werden gebildet (bsp. Galaktosidase) → Katabolismus (Abbau) Lactose wird abgebaut → Spaltung in Glucose und Galactose Wenn Lactosekonzentration sinkt, löst sich das Abbauprodukt der Lactose vom Repressor, sodass Repressor wieder aktiv wird 18 Endproduktrepression Prinzip: Endprodukt einer Synthesekette einer Synthesekette verhindert seine weitere Produktion aus den Ausgangsstoffen ● Anwendung: V.a. bei aufbauenden Stoffwechselprozessen Vorteil: Ökonomischer Umgang der Zelle mit Material und Energie, da die Genprodukte nur so lange gebildet werden, wie die Zelle die benötigt. Bsp.: Trp-Operon. Ist die Aminosäure Tryptophan (Trp) in genügender hoher Konzentration vorhanden, so wirkt Trp als Inhibitor der weiteren Trp-Produktion, indem es sich an den Repressor bindet und ihn aktiviert. → Das Endprodukt Tryptophan einer anabolischen Stoffwechselreaktion repremiert als Effektor (Coeffektor) die Genexpression für die Synthese der für seinen Abbau notwendigen Enzyme aus, indem das Substrat an das allosterische Zentrum des Repressors bindet und ihn somit aktiviert → Ausschalten eines Gens durch das Endprodukt DNA Repressor inaktiv DNA R mRNA Repressor aktiv R mRNA P Effektor O O der aktive Repressor blockiert den Operator S₂ S3 ↓ + mRNA₁ mRNA₂ mRNA3 Enzym, Enzym₂ Enzyma 8848849848 Ausgangsstoffe Zwischenprodukte Endprodukt P S₁ S₁ S₂ keine Transkription (keine Exprimierung der Strukturgene) S3 Synthese der Aminosäure Tryptophan bei E. coli (trp-Operon). 20.2 Genregulation bei Eukaryoten Translation und Transkription sind räumlich getrennt, sodass eine differenzierte Regulation der Genexpression möglich ist Beteiligung von Multiproteinkomlexen (Entstehen bei Bedarf und zerfallen in einzelne Proteine nach Regulation) bei Regulation bei der Transkription, beim Spleißen, beim RNA- Transport aus der Zelle oder bei Transkription Regulation auf Transkriptionsebene Promotorregion: > Erkennungsstelle für die RNA-Polymerase und bewirkt den Start der Transkription Es gibt in dieser Region eine Basensequenz, die reich an Thymin und Adenin ist (TATA- Box) Sollte es zu Mutationen der TATA-Box kommen wird die Promotorfunktion und dadurch die Transkriptionsrate deutlich herabgesenkt 19 Transkriptionsfaktoren: Dies sind die Regulatorproteine, die an die Promotorregion binden und der Anlagerung sowie Aktivierung der RNA-Polymerase dienen ● Enhancer und Silencer Es sind Kontrollsequenzen, die sich einige tausend Basenpaare vom Transkriptionsstart entfernt befinden Enhancer binden nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip Aktivatorproteine Durch Schleifenbildung der DNA wird der Kontankt zwischen ihnen und den Transkriptionsfaktoren am Promotor ermöglicht (so wird die Transkription simuliert) Silencer unterdrücken die Transkriptionsaktivität Regulation durch alternatives Spleißen Nach der Transkription kann eine Regulation der Genexpression erfolgen Es werden sowohl Introns und ein oder mehrere Exons aus der prä-mRNA herausgeschnitten Regulation durch epigenetische Mechanismen Genregulation kann auch über Veränderungen an den Chromosomen erfolgen Umweltfaktoren wirken auf das Chromatin und die DNA und verändern die Funktion und Aktivität von Genen Methylierung von Basen: Spezifische Methylgruppen (-CH3) binden an einzelne Cytosin-Basen Die Raumstruktur der DNA wird SO verändert und es können keine Transkriptionsfaktoren mehr binden → RNA-Polymerase ist blockiert und entsprechenden Gene sind abgeschaltet ▸ Methylierungsmuster von Genen werden bei Replikation an Tochterzellen weitergegeben Durch das Entfernen der Methylgruppen können Gene wieder aktiviert werden Histon-Modifikation (Chromatin Remodelling) Prinzip: Unterschiedlich dichte Packung der Nukleosomen durch chemische Veränderungen von Aminosäuren in den Histonen und durch die Bindung kleinerer Proteine an spezifische Histone Durch dicht gepackte Nucleosomen können sich Transkriptionsfaktoren nicht mehr anlagern →Gene werden nicht benötigt Wenn Nukleosomen locker hintereinander aufgereiht sind, können sich Transkriptionsfaktoren anlagern und Gene sind aktiv Metylierung von Histonproteinen eines bestimmten Gens, das für ein Protein codiert, das für die Nervenzellverknüpfung zuständig ist, bei gestressten Mäusen → keine Transkription des Gens ⇒ depressives Verhalten → Verabreichung von Antidepressiva → Aktivierung des Gens durch Acentylierung eines Histon proteins ⇒ Proteinbildung und Rückgang des depressiven Verhaltens RNA-Interferenz ► Aufgabe: gezieltes Verhindern der Translation von mRNA-Molekülen durch systematischen Abbau der mRNA im Zellplasma mithilfe von RNA-Protein-Komplexen ➤ Funktion: Regulation der Genexpression, Abwehr von Viren ➤ Ablauf: 20 Begriffe: ● ● ● ● ● ● ● ● Im Zellkern: Bildung von dsRNA (doppelsträngige RNA) aus miRNA- Abschnitten (MicorRNA) Im Zellplasma: Bindung der dsRNA an Dicer-Enzymkomlexe → Zerlegung in sehr kleine, doppelsträngige siRNA Übernahme der siRNA durch Argonauten-Proteine → nur einer der beiden Stränge (Leitstrang) bleibt am Protein gebunden Anlagerung des Risc (Argonauten-Protein + RNA + weiter Enzymkomplexe) nach siRNA-Vorgabe an spezifische komplementäre mRNA, die abgebaut werden soll Risc spaltet angelagerte mRNA in Nucleotide → keine Translation möglich miRNA: kurzer nicht für Proteinaufbau RNA-Moleküle die durch Transkription zelleigener DNA- Abschnitte gebildet werden (20-25 Nucleotide) Dicer: Enzymkomplexe, der prä-miRNA auf Größe von 20-25 N schneidet. Schneidet auch die dsRNA in Stücke PTGS: posttranskriptionelles Gen-Silencing: Regulation findet nach der Transkription statt RISC: Komplex aus einzelsträngiger miRNA und speziellen Proteinen (RNA-induzierter Stilllegungsprozess Initiiert Abbau der mRNA, die weitreichend komplementär ist →Geht unverbraucht aus dem Prozess dsRNA: Viren bilden doppelsträngige RNA-Moleküle (werden auch von Dicern zerschnitten) siRNA: beschnittene dsRNA, ist zellfremden Ursprungs (zum ausschalten zellfremder Gene) → RISC entsteht und wendet sich gegen Virus DNA RITS: siRNA + spezifisches Protein, wirkt wie epigenetischer Marker TGS: transkriptionelles Gen-Silencing 21 Genwirkketten Definition: Die Abfolge mehrerer voneinander abhängiger Stoffwechselreaktionen bzw. morphogenetische Prozesse, die von Produkten verschiedener Gene gesteuert werden. Bei einer Genwirkkette sind für die Herstellung eines Endproduktes mehrere verschiedene Reaktionsschritte, also auch mehrere Enzyme und Gene, die für die Enzyme codieren, notwendig. Zur Etablierung eines Biosyntheseweges oder Ausbildung eines Merkmals sind in der Regel viele hintereinandergeschaltete Stoffwechselreaktionen, die jeweils von Enzymen oder Multienzymkomplexen gesteuert werden, und/oder das Zusammenwirken einer Reihe von Strukturproteinen erforderlich. Mutationen: Bildung dieser Enzyme und Strukturproteine: Gene die Durchführung von Biosynthesewegen sowie die Ausprägung von Merkmalen verantwortlich sind 21 Entstandene Mutationen innerhalb einer Genwirkkette können diese an verschiedenen Stellen unterbrechen → verschiedene Stoffwechseldefekte. Beispiel 2: Phenylalanin-Stoffwechsel Phenylalanin Zusammenfassung: Gene steuern die Ausprägung von Merkmalen Mehrere Gene wirken dabei zusammen ● ● Enzym A (Phenylalanin- dehydroxylase) Gen A Tyrosin Gen B Enzym B Enzym C Gen C Defektes Gen B: Albinismus Melanin Homogentisinsäure COz + H,O Thyroxin Defektes Gen A: Phenylketonurie 22 Enzym D Gen D Defektes Gen D: Alkaptonurie Defektes Gen C: Hypothyreose 22 Vom Gen zum Genprodukt Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese: Gene bestimmen einen Phänotyp, indem sie die Bildung von Enzymen codieren. Die so gebildeten Enzyme katalysieren dann Reaktionen, die zum entsprechenden Phänotyp führen. Abonnieren Diese Hypothese besagt, dass ein Gen die Information für den Bau eines Enzyms trägt. Das Enzym katalysiert einen bestimmten Reaktionsschritt. Um aus einem Ausgangsstoff zu einem Produkt zu kommen, sind mehrere Reaktionsschritte notwendig. Für jeden dieser Schritte gibt es ein eigenes Enzym respektive Gen. Diese Reihe von Genen, deren Enzyme aufeinanderfolgende Syntheseschritte kontrollieren nennt man Genwirkkette. Fällt ein Gen aus, ist die Reaktionskette unterbrochen. Das bis dahin hergestellte Zwischenprodukt kann sich anreichern, wenn die Reaktionskette keine Verzweigungen aufweist oder es nicht ausgeschieden werden kann. 23 Steuerung des Zellzyklus bei normalen Zellen Wie wird der Zellzyklus bei normalen ("gesunden") zellen gesteuert? Wachstumsfaktor (aus Nachbarzelle) protoonkogene (Krebsvorläufer - Gene) codiert für Bsp.: Genprodukt: Ras - Protein Zellzyklus steuernde Gene (Rat sarcoma Protein) kleines membranständiges G-Protein Signaltransduktion Cintracellulare Signalette) Bildung eines Transkriptionsfalt ors lost aus, fördert (durch Bindung an Enhancer) Synthese von Proteinen, die zellteilung (Proliferation) bewirken Gegenspieler" regulieren 24.1 Kennzeichen von Krebszellen: (stimulierende oder hemmende Wirkung auf Zellteilung) 23 Tumorsupressorgen (p53) codiert für Genprodukt: p53 - Protein Transkriptionsfaktor: Wächter des Genoms" "Notbremse des Zellzyklus" Signalkette aktivierte spezifische Gene 24 Störung der Genregulation - Entstehung von Krebs → Zellen, die sich unkontrolliert vermehren; nehmen den Platz von gesunden Zellen ein → zerstören Gewebe und Organe und bilden Tochtergewülste (Metastasen) Synthese von Protein, die Zellteilung hemmen oder Zelltod einleiten Haben ursprüngliche Form und Funktion verloren Wachsen in gesundes Gewebe hinein und zerstören diese Wandern oft über Blut- und Lymphwege in andere Organe = Metastasen Verdrängen gesundes Gewebe und verschließen Gefäße sowie Organhohlräume ● Unkontrollierte Teilungsrate 24.2 Arten von krebskritischen Genen Protoonkogene Gene, deren Genprodukte (codierende Proteine) normales Zellwachstum &-teilung fördern Onkogene = mutierte, krebsverursachendes Protoonkogen -> überaktiviert ● Mutation durch: -> Folge: aus Protoonkogenen entstehen aktive Onkogene ->Proteine des Onkogens erzeugen Signale für eine übermäßige Zellteilung Tumorsupressorgene ● chemische Karzinogene energiereiche Strahlen Gene, welche Zellteilung hemmen viele codierte Proteine vom Tumorsupressorgen an Reparatur von DNA beteiligt -> verhindern Anhäufung von Mutationen im Genom, die gegebenenfalls Krebs auslösen bei Mutation: Proteine hemmen Zellteilung nicht mehr -> inaktiviert (DNA-Schäden werden nicht mehr repariert, Apoptose nicht eingeleitet → übermäßiges Zellwachstum) Protein p53 → wird vom Tumorsupressorgen codiert wichtiger Transkriptionsfaktor im Zellkern dieser Transkriptionsfaktor aktiviert ein Gen, dessen Genprodukt den Zellzyklus für DNA- Reparatur anhält ● Leitet bei Schaden 2 verschiedene Reaktionen ein: ● Viren Mutagen Nitrosamine Teerstoff Benzanthracen Benzpyren 24.3 Karzinogene Stoffe Hält Zellzyklus für DNA-Reparatur an Einleitung von Apoptose (Zelltot) bei zu gravierenden Schädigungen der DNA -> durch Mutation: o Zellzyklus nicht für Reparatur angehalten → keine DNA-Reparatur O keine Apoptose Vorkommen Beim Grillen von zu fettem oder gekokeltem Fleisch Zigarettenrauch Folgen für Erbgut Chemische Veränderung der DNA-Basen → neue Paarungseigenschaft → Basenpaare werden ausgetauscht Missense Mutation (Punktmutation) Wird auf ganze Zelllinie übertragen und nicht nur auf eine einzelne) Moleküle mit Ringsystemen schieben sich zwischen Basen der DNA und täuschen vor Basen zu sein 24 Folgen für Organismus Krebs auslösende Wirkung Wenn Schutzmaßnahmen versagen, dann ist Krebs die Folge → chemische Stoffe, die Krebs erregen: Karzinogene → somatische Mutation Radioaktive Strahlung, Röntgen Stoffe im Boden; C-14 in Lebewesen und Nahrung; Radon in der Luft; Röntgenuntersuchung → daran lagert sich bei Replikation beliebig andere Base DNA-Einzelstrang ist länger → Rastermutation 24.5 Krebstherapie → Non-sense-Mutation Ultraviolette Strahlung wird gut von DNA absorbiert → Basen werden durch ionisierende Wirkung verändert → Vernetzung von 2 Thyminmolekülen (keine Wasserstoffbrücken möglich) → keine Transkription und Replikation → Quervernetzung gegenüberliegender Basen 24.4 Krebs-Prophylaxe → Vorsorgeuntersuchung (Früherkennung ist wichtig) → Möglichst Kontakt zu kazinogene Mittel vermeiden →Gendiagnostik →Gensequenzierung → Selbstuntersuchung Chemische Reaktion mit DNA durch Radikalen → Schädigung der DNA Chromosomenmutationen (Deletion) → es entsteht Translokation Entfernung des Tumors operativ oder durch radioaktive Strahlung, wenn es örtlich begrenzt ist Wenn Metastasen vorliegen, dann werden nach Operation oder Strahlung Stoffe → Cytostatika eingesetzt, die die Zellteilung hemmen = Chemotherapie Beeinträchtigen auch die Teilungsaktivität gesunder Zellen (Bsp. Hemmung der Leukocytenbildung und daher starke Schwächung des Immunsystems) 25 Wirksame Dosis der hochtoxischen Medikamente liegt häufig knapp unter der Dosis, die Patient töten würde Medikamente, die auf molekularer Ebene zielgenau Krebszellen ausschalten + gesunde Zellen verschonen ➤ Anwendung oft in Kombination mit Chemotherapie Monoklonale Antikörper Therapie für bestimmte Brustkrebsarten Monoklonaler Antikörper Herceptin bindet anstelle des Wachstumsfaktors an Rezeptor auf der Zelloberfläche der Krebszelle Krebszelle kann kein Zellteilungssignal mehr geben, sodass übermäßige Zellteilung gehemmt wird Monoklonale Antikörper können mit Zellgift oder radioaktiv strahlende Elemente beladen werden → transportieren dann Ladung genau zu Krebszellen ⇒ Zerstörung Gesunde Zellen können damit nicht angegriffen werden, da sie nicht die spezifische Oberfläche, wie Tumorzelle besitzen Eingriff in die Signalübertragungskette zwischen Zelloberfläche und Zellkern durch Medikament 25 Gentechnologische Verfahren 25.1 Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) = Verfahren, um in vitro DNA-Stränge zu verdoppeln (künstliche Replikation); man braucht etwa 20 Zyklen, um genügend DNA für z. B. einen Vaterschaftstest zu haben 1. Denaturierung 2. Hybridisierung Kinsaen dienen als Nachrichtenübertragungsmittel, die andere Proteine durch Phosphorylierung auf Signalübertragungsweg aktivieren Bei bestimmter Leukämieform: Mutation in Kinase, sodass diese ständig aktiv ist auch ohne Wachstumsfaktoren 3. Polymerisation ➤ Medikament Glivec hemmt ständig aktive Kinase und blockiert Nachrichtenübermittlung im Zellkern Erwärmung der DNA auf 90-95°C WBB werden aufgelöst → Denaturierung ● ● Senkung der Temperatur auf 60°C Synthetische Anbindung von Oligonukleotide (15-30 Nucleotide) an die einzelsträngige DNA = Primer 25.2 Restriktionsenzyme Erwärmung des Ansatzes auf 70-75°C Taq-Polymerase (hitzestabile Polymerase) synthetisiert komplementären Strang am 3'-Ende der Primer Restriktionsendonuclease ● Enzym erkennt Erkennungssequenz auf der DNA durchtrennen → sticky ends → es bleiben einsträngige Bereiche über → sehr leicht mit komplementären DNA-Abschnitten paaren →über Ligasen zum Doppelstrang Enzyme, die ohne Überlappung den Doppelstrang schneiden→ blunt ends Anwendung: medizinische Diagnostik, Klonierung von Genen in Vektoren, Kartierung von DNA Restriktionsendonuclease, die bei der Sequenz CATCA versetzt schneidet. G A TC G G TCTAG C с G A TT A с A TCA с GAT T CTA A TAATG TAG ACAT sticky end TGTAGT 26 CAGAT с sticky end C TA G с C 25.3 Transgene Lebensmittel Allgemeines: Grüne Gentechnik ● Genetisch veränderte Pflanzen z.B. Mais, Baumwolle, Sojabohnen, Raps wird z.B. als Futtermittel (Tierproduktion) verwendet Genetische Modifikationen → Artengrenzen spielen keine Rolle Gene aus Bakterien oder Pilzen → in Pflanze übertragen → veränderte Eigenschaften ● ● ● Beispiele: →Anti-Matsch-Tomate: ● Pektinase: baut Pektin zwischen Zellen ab → Gewebe wird matschig Gen für Pektinase → deaktiviert das Gen, welches für Pektinase codiert →Golden Rice: Reis enthält kaum Vitamin A Gen für Codierung von Beta-Carotin (Vorstufe von Vitamin A) → Bildung von Vitamin A ● Höheren Gehalt an Beta-Carotin: goldene Farbe ● 25.4 Gelelektrophorese Auftrennung von Gemischen elektrisch geladener hochmolekularer Stoffe O Nukleinsäuren, Proteine, Fragmente ● DNA-Fäden durch Restriktionsenzyme in Bruchstücke mit verschiedenen Längen O Nach Denaturierung O Zur Sortierung in ein Gel (Agarosegel) gefüllt Elektrophoresekammer an eine elektrische Spannung angelegt O Einzelne Fragmente wandern durchs elektrische Ge Feste Agarose →netzähnliche Struktur mit gleichmäßigen molekularen Hohlräumen ("Molekularsieb") DNA ist negativ geladen O Wandert zum Pluspol (Anode) ● Trennung der Restriktionsfragmente O Nach elektrophoretischer Mobilität ■ Kleinere Moleküle → schneller O Fragmente ordnen sich mit der Zeit nach der Länge an ■ Größere Moleküle durch die Poren der Netzstruktur abgebremst ● Fragmente durch besondere Färbetechniken im Gel lokalisiert 27 Brorerore Gel Glasplatten Gemisch von Molekülen unterschiedlicher Größe Strom- Quelle Gelelektrophorese 3 30→→→→→→→ →→→→→→ unsichtbar längere Moleküle 25.5 DNA-Sequenzierung 25.5.1 Kettenabbruch-Methode Dient zu Bestimmung der Basenabfolge eines DNA-Strangs. kürzere Moleküle 4) Ende der Synthese: bei zufälligem Einbau eines Abbruchnucleotids (ddNTP) → es entstehen unzählige Kopien der DNA; DNA- Fragmente haben unterschiedliche Länge aufgrund des zufälligen Einbaus der ddNTPs 1) Zu analysierende Strang wird durch Hitze denaturiert (einzelsträngig gemacht) 2) Einzelsträngige DNA wird auf vier Reagenzgläser verteilt → in jedem Reagenzglas befinden sich alle 4 Desoxyribonucleosidtriphosphate, je eines der Didesoxyribonucleosidtriphosphate → sind fluoreszenzmakiert (ddATP, ddTTP, ddCTP, ddGTP) → dient für Abbruch, ein Primer und eine DNA-Polymerase 5) Gelelektophorese: Molekülstränge werden auf Gel aufgetragen (Verwendung eines Kapillargels statt Flachgel) 3 3011111 3000 10001I 3) Ablauf der PCR, welche vorhandene DNA vervielfältigt → Beginn der Synthese der neuen Stränge am 3'- Ende der Primer (durch DNA-Polymerase) Die kürzesten Molekülstränge wandern am schnellsten 6) Kapillare werden an Laser vorbeigeführt, das die Farbstoffe zur Fluoreszenz anregt 7) Da zu Beginn alle ddNTPs fluoreszenzmakiert waren, kann nun Aufgrund der Längenordnung die Basenabfolge abgelesen werden 28 gefärbtes, fertiges Gel FORUFFUDAURA DNA (Matrizenstrang) gott TITT DUTOTT kürzestes Fragment Wanderungs- richtung der Moleküle Laser letzte Base des längsten markierten Molekülstranges letzte Base des kürzesten markierten Molekülstranges ddA SOUTI markierte Molekülstränge A AAGCTGTT -C ddA ddG längster markierter Molekülstrang 77970029 ddT- kürzester markierter Molekülstrang MGAAGUTO 11111111|U Detektor ddc- STORATUTAT JUTORKOUTOFF bautorkoutOFF ddA- ddG-3 c- längstes Fragment 25.6 Genome Editing-CRISPR/Cas-System Genom-Editing: zielgerichtete Veränderung von DNA-Sequenzen in LW • Zielgerichtete Doppelstrangbrüche in DNA durch DNA-spaltende Enzyme ● Ausschalten von Genen oder einfügen an spezifischer, anderer Stelle ● Schnellere und exaktere Veränderung durch neue Verfahren CRISPR/Cas: Bestandteile: ● Bakterienenzym Cas: Bestandteil des Abwehrsystems-> zerlegt Virus DNA in kleine Bruchstücke CRISPR: Stück bakterieller DNA, an die Cas-Protein binden kann ● zerschneiden der DNA an bestimmter Stelle Vorgehen: ● ● Anbau einer kurzen, künstlichen RNA-Sequenz (komplementär zu DNA-Sequenz, die man schneiden möchte) an das CRISPR-Stück Zugabe des CRISPR/Cas zu DNA, die geschnitten werden soll -> Bindung mit komplementären Sequenz -> Cas Protein schneidet DNA an gewünschter Stelle => Einsetzen von 2x CRISPR-Cas für ausschnitt einer DNA-Sequenz => Zugabe von genetischem Material für Einbau der neuen, gewünschten DNA => verschließen der Schnittstellen durch Ligasen 29