Genetik

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von der Mutter weitergegeben (da: Mitochondrien nur in Eizellen Frau, Bei Männern im Schwanz des Spermiums --> geht nicht in die Eizelle) Mischling, Nachkomme erbverschiedener Eltern Allel liegt auf beiden Chromosomen vor (Mutter und Vater) Das Allel liegt nur auf einem der beiden Chromosomen vor. Auf dem anderen Chromosom liegt ein anderes Allel des Gens vor. hemizygot Monohybrider Erbgang Dihybrider Erbgang Trihybrider Erbgang Die Mendelschen Regeln Mitose Meiose Genkopplung, gekoppelter Erbgang Crossing-over Chiasma Kopplungsbruch Polygenie (Polygene Vererbung) komplementäre Polygenie additive Polygenie Polyphänie Letalfaktoren Innerartliche Variabilität Mutation missense nonsense stumme Genommutation (auch: numerische Chromosomenaberration) Aneuploidie Polyploidie Das Allel kann kein Schwesterallel haben, da es kein Schwesterchromosomen besitzt. Wie zum Beispiel die X- und Y- Chromosomen beim Mann. Anzahl zu beobachtenden Merkmalen 2 Merkmale werden beobachtet 3 Merkmale werden beobachtet Vererbungsregeln nach Georg Mendl 1. Uniformitätsregel 2. Spaltungsregel 3. Neukombinationsregel Zellteilung, haploider Satz mit 2CC ⇒ 2 haploide Sätze mit 1CC Geschlechtszellen entstehen (22 Autosomen, 1 Gonosom (X/Y) → diploider Satz mit 2CC → 2 haploide Sätze mit 2CC → 4 haploide Sätze mit 1CC Gene liegen auf gleichem Chromosomen --> eingeschränkte Rekombination Austausch von Chromatidenabschnitten bei der Meiose (dadurch: Rekombination gekoppelter Allele) Überkreuzungspunkte zweier Chromatiden homologer Chromosomen während eines Crossing-overs Durchbrechung der gekoppelten Vererbung von Genen einer Kopplungsgruppe Mehrere Gene bestimmen ein Merkmal/eine Merkmalsausprägung. Komplementäre Polygenie: Mehrere Gene sind erforderlich, damit ein Merkmal ausgeprägt wird. Additive Polygenie: Mehrere Gene addieren ihre Wirkung auf ein Merkmal. Beispiel: Hautfarbe Kernaussage: Ein Gen beeinflusst mehrere Merkmale. Beispiel: auch Phenylketonurie, da die beteiligte Genwirkkette sich auf mehrere Merkmale auswirkt. Allel eines Genes, das in homozygoter Form tödlich wirkt, bevor das betroffene Individuum geschlechtsreif ist Variabilität des genetischen Materials hervorgerufen und in der Ausprägung unterschiedlicher Eigenschaften (z. B. unterschiedliche Fellfärbung) sichtbar. sprunghafte Veränderung der Erbinformation Änderung AS in einer AS-Sequenz in ähnliche AS (--> Verbesserung/Verschlechterung Funktion) Abbruch/Fehler bei Translation durch z. B.: Codon --> Stopcodon (Funktionsverlust) Mutation im redundanten Bereich (Introns) (--> keine Auswirkung) Veränderung der Chromosomenanzahl Veränderung eines oder weniger Chromosomen kompletter Chromosomensatz vervielfältigt strukturelle Chr.aberration/ -mutation Punktmutation Deletion / Defizienz Translokation Inversion Base wird gelöscht Base am falschen Ort Base eingefügt Haploid Diploid Duplikation Polyploidie Monosomie Trisomie Non-Disjunction (auch: Nondisjunktion) Karyogramm Transkription Translation Codon Anticodon Genpool Gendrift m-RNA t-RNA Mutagen Nucleus Semikonservative Replikation RNA Proteinbiosynthese Epigenetische Vererbung Methylierung ..., Acetylierung der DNA Rückkreuzung PCR Wildtyp Euchromatin Heterochromatin Autosomen Gonosomen Konduktoren Base verdoppelt einfacher Chromosomensatz (in Meiose wichtig) doppelter Chromosomensatz x3< Chromosomensatz Chromosomen ist bei einem diploiden Chromosomensatz nur 1x vorhanden Chromosomen ist bei einem diploidem Chromosomensatz 3x vorhanden Fehler bei der Mitose/Meiose → zwei Schwesterchromatiden oder homologe Chromosomen können sich nicht korrekt trennen Karyotyp (Gesamtheit der Chromosomen einer Zelle) in geordneter Darstellung (diploider Satz) DNA wird in mRNA umgeschrieben mRNA wird in ein Protein umgewandelt 3 Nukleotide der RNA --> 1 Protein passende Basenpaare zu einem Codon Gesamtheit der Gene einer Population Veränderung der Allelfrequenz in einem Genpool einer Population durch ein Zufallsereignis, zum Beispiel eine Naturkatastrophe, Vulkanausbrüche, Plattentektonik oder eine spezifische Krankheit messenger RNA, für Proteinbiosynthese transfer RNA, für Translation Faktoren die eine Mutation hervorrufen können (biologisch, chemisch meist aus Umwelt) Zellkern in dem sich die Erbinformationen befinden bei der Replikation: 1 DNA-Strang --> 2 DNA-Stränge (jeweils 1 Strang synthetisiert) Ribonukleinsäure DNA wird übersetzt in Protein Zellen mit demselben Genom können völlig verschiedene Identitäten annehmen --> wie sie gebraucht werden; Änderung der Genfunktion; Genregulation durch gencodeunabhängige Prozesse eukaryotische Genregulation; Geninformationen werden zugänglich/unzugänglich gemacht zur Überprüfung der Reinerbigkeit Polymerase-chain-reaction: Verdopplung der DNA zur Analyse Urtyp; normale, häufige, nicht-mutierte Form eines Gens; dominant Arbeitsform eins Chromosoms; dekondensiert, locker aufgewickelte Chromosomen; kondensiert; für Meiose & Mitose Körperchromosomen; Haploider Zustand: 22; Diploider Zustand: 44 Geschlechtschromosomen; X/Y oder X/X; Haploider Zustand: 1 (nur in Keimzellen); Diploider Zustand: 2 Ein Überträger, der aber selbst das Merkmal nicht ausgeprägt hat. Mitose und Meiose Interphase G1-Phase = Wachstumsphase: Ein-Chromatid-Chromosomen als entspiralisierte DNA-Moleküke S-Phase = Verdopplung der DANN: Ein-Chromatid-Chromosomen werden zu Zwei-Chromatid-Chromosomen G2-Phase = weiteres Wachstum der Zelle: Vorbereitung für die Mitose und Zellteilung Mitose Prophase: Chromosomen (Zwei-Chromatid-Chromosomen) werden sichtbar, weil Chromatin kondensiert (Heterochromatin), Kernhülle & Kernkörperchen lösen sich auf, Spindelapparat bildet Spindelfasern Metaphase: Spindelfasern binden an Zentromeren der Chromosomen, Chromosomen werden in Äquatorialebene ausgerichtet Anaphase: Chromosomen getrennt in Ein-Chromatid-Chromosomen, Von Spindelfasern zu Spindelpolen gezogen Telophase: Spindelapperat wird abgebaut, Kernhülle & Kernkörperchen bilden sich, Chromosomen entspiralisieren (Euchromatin) Cytokinese: Zellplasma durch Zellmembran getrennt, Jede Zelle besitzt nun vollständigen diploiden Satz aus Ein- Chromatid-Chromosomen 88 ↑ DNA Replikation 1 Meiose Ablauf: Mutterzelle durchläuft zwei Reifeteilungen, Erste Reifeteilung: Reduktionsteilung > Chromosomensatz wird reduziert, Zweite Reifeteilung: mitotische Teilung > ähnlicher Ablauf wie bei der Mitose Erste Reifeteilung-Reduktionsteilung Chromatiden-Chromosoms B Prophase I: Homologe Chromosomen lagern sich nebeneinander ab (Paarung), Spiralisierung > vier Chromatide eines Chromosomenpaares sichtbar →Rekombinationsmöglichkeiten: intrachromosomale Rekombination = Stückaustausch durch Crossing-Over innerhalb eines homologen Chromosomenpaares Metaphase I: Chromosomen paarweise durch Spindelfasern in Äquatorialebene ausgerichtet Anaphase I: Chromosomenpaare werden getrennt und an die Pole gezogen → Rekombinationsmöglichkeit: interchromosomale Rekombination = zufällige Verteilung der Chromosomen, Mischung der Erbinformationen Telophase I: Teilung der Zellen, Mann: zwei gleich große Zellen, Frau: eine große und eine kleine Zelle (durch ungleiche Verteilung des Plasmas) Zweite Reifeteilung-mitotische Teilung: Ähnlich dem Verlauf der Mitose, Teilung der Chromatiden eines Zwei- (2 XXXX Mitose Ma zwei diploide Zellen (18) 6 XV Xo ۱۷/ 1^1 A 8 心 Proteinbiosynthese Transkription: DNA → Prä-mRNA Initiation: RNA-Polymerase katalysiert Transkription: bindet Promoter an spezielle DNA-Sequenz (kennzeichnet den Beginn) Elongation: codogener DNA-Strang wird ab Promoter in 3' -> 5' Richtung transkribiert, dabei wird die DNA immer durch Helicase entwunden und durch die RNA-Polymerase aufgetrennt auf einer Strecke von 20 Nucleotidpaaren, RNA-Nucleotide lagern sich passend an die freien Basen an, RNA-Polymerase verknüpft sie zu einem RNA-Strang Termination: wird Terminatorsequenz erreicht, endet die Transkription, RNA-Polymerase löst sich und prä-mRNA (wird in 5' -> 3' Richtung gelesen) wird freigesetzt Translation: mRNA + tRNA → Polypeptidkette Initiation: ribosomale Untereinheiten bilden sich, fMet-tRNA an P-Stelle, große ribosomale Untereinheit lagert sich an, mRNA zur ribosomalen Untereinheit, Start bei Startcodon AUG Elongation: tRNA bindet sich an A-Stelle (Codon-Anticodon-Paarung), dabei: 2GTP2GDP + E, Polypeptidkette von tRNA an P-Stelle auf die tRNA an A- Stelle übertragen (Peptidyltransfer), tRNA bei P wandert zur E-Stelle und verlässt das Ribosom, tRNA bei A wandert zur P-Stelle, dabei: 2GTP → 2GDP + E, Bewegung der mRNA in 5'-Richtung um ein Triplett, Ribosom in 3'- Richtung um 1 Triplett, Wiederholung der Schritte → Polypeptidkette Termination: für UAG, UAA und UGA gibt es keine passenden Aminoacetyl- tRNAs, sobald eines dieser Tripletts an die A-Stelle kommt wird die Translation beendet, dabei: 2GTP2GDP + E, fertige Polypeptidkette wird abgespalten, mRNA löst sich auf und das Ribosom zerfällt Primär- struktur Splicen: Prä-mRNA → mRNA Introns werden aus dem Prä-mRNA Strang entfernt, Exons bleiben erhalten und werden wieder zusammengeknüpft, gespleißte mRNA wird durch Kernpore ins Cytoplasma freigesetzt 59883344 Aminosäure- abfolge Sekundär- struktur a-Helix Tertiär- struktur Polypeptid- kette Quartär- struktur interagierende Untereinheiten Ala Lys G Translation COOPC Transkription 044 lleu DNA TOUCAGUCAGUCAGU A GU GU A C C UG GACUGAC Ribosom (rRNA/Protein-Komplex) Phe Leu MATE mRNA Arg UG C Zytoplasma Protein Ser C A Cys G Trp SCOTO Nucleus Pro Leu mRNA Mat -3 Zellmembran ECC Start > Start (selten) Stopp LAS Die Mendelsche Regeln 1. Uniformitätsregel: Autosomale Vererbung P1 Generation: reinerbige Individuen (homozygot), Unterschied in einem Merkmal --> F1 Generation: alle gleich (uniform, heterozygot) A A a a A a 2. Spaltungsregel: F1 Generation untereinander kreuzen (heterozygot) --> F2 Generation: bestimmtes Zahlenverhältnis (dominant rezessiv: 3:1, intermediär: 1:2:1 Dominant-rezessiv: zygomorph: radiär: 3:1 (denn 3 Mal Merkmal ausgeprägt) A r W F₁ F₂ Keimzellen F₁ Aa AB Aa aB Intermediär: rot:rosa:weiß: 1:2:1 ab AA Aa r rr rw AABB AB AaBb AB AABB Aa AABB Aa aABB aAbB a Aa aa 3. Unabhängigkeit/Neukombinationsregel: Reinerbige Individuen, die sich in 2+ Merkmalen (reinerbig) unterscheiden (Di- oder Polyhybrid) W rw WW Keimzellen AaBb Keimzellen F₁ o aB AaBB Ab AABb AAbb aABb AaBb aAbb AabB aaBB aabB aabb ab AaBb ab AaBb Aabb aaBb 100% rosa aabb W W r rw rw r rw rw --> F1 Generation und untereinander kreuzen --> F2 Generation: Merkmalsaufspaltung (9:3:3:1) Funktioniert nur, wenn Merkmal A auf Chromosom 1 und Merkmal B auf Chromosom 2 liegt Wenn auf einem Chromosom: z.B. immer nur gelb + rund (wie Paket) --> gekoppelter Erbgang Genregulation Eukaryoten Umstrukturierung Acetylierung: Acetylgruppe bindet sich an Histone und lockern die Histonkomplexe mit der aufgewickelten DNA auf, sodass die Geninformation abgelesen werden kann Deacetylierung: gegenläufiger Prozess, Entfernen der Acetylgruppen führt zum Zusammenrücken der Histonkomplexe und Konservierung, wodurch die Geninformation nicht mehr abgelesen werden kann Methylierung: Durch die Methylierung von Cytosinbasen in einem Genabschnitt wird eine Inaktivierung des gesamten Genes bewirkt, es lagern sich durch die Methylierung inaktivierte Proteine an die Cytosinbase Transkriptionskontrolle Enhancer- oder Silencerregionen: stimulieren oder hemmen Transkription, dazu binden sich Regulatorproteine an den Promotorbereich und bewirken mit Bindung von Aktivatoren eine Schleifenbildung der DNA, RNA-Polymerase wird freigesetzt und kann nun Strukturgene ablesen Genamplifikation: Genabschnitte können bei Bedarf vervielfältigt werden, wodurch die Syntheserate des herzustellenden Proteins deutlich steigt Alternatives Spleißen durch unterschiedliche Prozessierungsvorgänge werden nicht nur Introns beim Spleißen entfernt, sondern auch unterschiedliche Exons, sodass am Ende eine mRNA entsteht, die in der Zusammensetzung der Exons variiert, es können so aus einem gen unterschiedliche Proteine synthetisiert werden RNA-Interferenz - Teile eines RNA-Doppelstrangs werden in siRNA (small interfering) oder miRNA (micro) umgewandelt und ins Cytoplasma geschleust - siRNA und Dicer treffen sich und siRNA wird zerkleinert in kleine RNA-Doppelstrang- Fragmente (etwa 21 Nukleotide) - einzelne davon binden sich an Argonautenprotein und werden in Leit- und Folgestrang aufgeteilt, der Folgestrang wird abgebaut - Leitstrang, Argonautenprotein und weitere angelagerte Proteine bilden den RISC (RNA-induzierten- Stummschaltungs-Komplex) - RISC bindet sich durch das siRNA Leitstrang Fragment an einen passenden mRNA Teil im Cytoplasma /-miRNA hat Seed-Region die für mehrere mRNA-Sequenzen passt - Argonautenprotein katalysiert Spaltung der mRNA → keine Translation mehr möglich → Stummschaltung dieses Genabschnittes Vererbung Kreis: Frau Quadrat: Mann ausgefüllt: erkrankt Punkt: Konduktor Autosomal dominant: AA AA Xxx Aa Aq O-OOO O aa Aa aa aa X-Gonosomal dominant: Y-Gonosomal: xy Aa xy aa □-8 -¹8 aa XX Xx Aa Xx XP aa xY aa OT XX дододто xY OTO OTO Aa XX Autosomal rezessiv: AA 100000000 XY x9 Aa X-Gonosomal rezessiv: AA TO aa Aa XX Aq XY Aa XP Aq O Q aa Mitochondrial/Maternal: Tochterzelle hat meist Mitochondrien der Mutter ➜nur Weitergabe auf mütterlicher Seite möglich, denn Mitochondrien des Vaters im Schwanz des Spermiums, welcher bei Verschmelzung Eizelle-Spermium meist abgetrennt und nicht in die Zygote hinein geht XX DNA-Analyse Restriktionsverdau: Sollen DNAs miteinander verglichen werden, so muss zunächst das einzigartige Charakteristikum der Basenverteilung in der DNA dargestellt werden. Hierzu wird ein Restriktionsenzym einer DNA-Probe zugegeben. Das Restriktionsenzym zerschneidet DNA an einer bestimmten Stelle. Der Basencode des Restriktionsenzyms kann dabei synthetisch und beliebig hergestellt werden. Als Folge dieses Prozesses entstehen für jeden Menschen einzigartige Schnittmuster unterschiedlich langer DNA- Fragmente, die durch die Gelelektrophorese dargestellt werden können. So können beispielsweise DANN-Spuren an einem Tatort den Pool der Verdächtigen bis auf den Täter reduzieren. PCR (Polymerase chain reaction): Möglichkeit der Vervielfältigung der DNA Ähnelt Replikation Dient DNA-Analyse (20-30 PCR Zyklen für eine ausreichende Menge für DNA-Analyse) Mit Thermocycler Gerät ● ● ● Ablauf: 1. DNA isolieren 2.in einem Gefäß mit künstlich hergestellten Primern aus 15 bis 30 Nucleotiden (komplementär zu den Enden des zu vervielfältigendem DNA-Strang (muss bekannt sein) + gegenläufig orientiertes Primer Paar (beide Stränge gleichzeitig synthetisiert) 3.Zyklen (exponentiell) --> Denaturierung: Erhitzung auf 90-100°C --> DNA wird aufgebrochen und die Wasserstoffbrückenbindungen schmelzen auf --> 2 Einzelstränge --> Hybridisierung: Abkühlung auf 50°C --> Primer lagern sich komplementär an --> rahmen zu vervielfältigenden Abschnitt ein --> Polymerisation: Erhitzung auf 72°C --> Taq-Polymerase (hitzestabil, isoliert aus thermophilem Bakterium Thermus aquaticus) synthetisiert den komplementären Strang vom 3' Ende aus 4.Wiederholung der Zyklen (20-30 Mal) --> ausreichende Menge für DNA-Analyse Gelelektrophorese: Ein Agarose-Gel dient als Medium, die Proben aufzunehmen und durch ein elektrisches Feld wandern zu lassen. Dabei wandern kleine Moleküle aufgrund des geringeren Widerstandes schneller durch das Gel, als große Moleküle. So haben wir nach ca. einer Stunde eine Verteilung der Fragmente in unterschiedliche Größen. Wissenschaftliche Aussagefähigkeit einer Gelelektrophorese: Die Ergebnisse müssen wissenschaftlich nachverfolgbar und replizierbar sein Ein Valides Ergebnis erhält man, in dem man im Versuchsdesign den Fall für den Erfolg oder das Scheitern mit aufführt. Positivkontrolle: Hier wird aufgezeigt, wie eine Bandenstruktur aussieht, wenn auf jeden Fall die DNA im Restriktionsverdau zerschnitten wird. Negativkontrolle: Hier wird gezeigt, wie es aussieht, wenn nicht anderes, außer Wasser und DNA-Probe ohne Restriktionsverdau enthalten ist. → Hierdurch kann man abschätzen, ob die eigentliche Probe mit dem gewollten Restriktionsverdau auch tatsächlich funktioniert.