GENETIK

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bei Zellen mit eingestellter Teilungsaktivität DNA und RNA: Phosphorsäurerest Zucker organische Basen NH₂ O OH -P-O -NH₂ H₂N O OH A DNA kleinster Baustein von Nukleinsäuren: Nukleotid -> Einheit aus Zuckermolekül, Phosphorsäurerest und Base OH OH vorhanden Desoxyribose Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G), Cytosin (C) RNA vorhanden Ribose Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G), Cytosin (C) 3 5'-Ende: Phosphorsäurerest 3'-Ende: Zucker (OH) Basensequenz: codiert die genetische Information, je nach Leserichtung ergibt sich eine andere Erbinformation Bau des DNA- und des RNA-Moleküls: DNA: RNA: 3 Replikation: -> Verdopplung der DNA; an jedem der Nukleotidstränge entsteht ein neuer Strang Ablauf: 5 zwei Nukleotidstränge; verlaufen in die gegenläufige Richtung -> Antiparallelität Stränge bilden Doppelhelix komplementäre Basenpaarung: Adenin+Thymin; Guanin+Cytosin > sind durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden DNA-Polymerase OXURNA Okazaki- Fragment Nukleotide 5' einzelsträngig in unterschiedlichen Formen zu finden z.B. mRNA, tRNA, rRNA 3′ Folgestrang DNA Replikation Leitstrang LRNA Primer Helikase Entspiralisierung des Doppelstrangs -> Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen durch die Helikase 4 DXXX Wiederverbindung der DNA-Stränge werden durch Enzyme verhindert DNA-Polymerase synthetisiert, beginnend bei kurzen RNA-Stücken (Primern), zu den Einzelsträngen komplementäre neue Stränge aus freien Nukleotiden am Leitstrang (3'-Ende am Anfang) wird kontinuierlich synthetisiert 3' -> 5'- Ende am Folgestrang werden immer neue RNA-Primer angesetzt -> neu synthetisierter Strang besteht erst nur aus Einzelstücken (Okazaki-Fragmente) -> werden durch Enzyme mit Nukleotiden ausgetauscht Ligase verbindet die Fragmente miteinander 3' 5' genetischer Code: Eigenschaften: Val Gen: Abschnitt der DNA, der die Information für die Synthese einer Proteins oder einer bestimmten RNA enthält. Code-Sonne: Arg kommafrei -> keine Überlappungen universell -> bei allen Lebewesen gleich kollinear überlappungsfrei eindeutig degeneriert -> mehr als ein Basentriplett codiert die gleiche Aminosäure Triplettcode Ser Ablauf: Ala Lys Asn Glu Asp C TOUCHGUCAGUCAGUCROUGTO AGU C G Die Code-Sonne Gly Thr Phe Leu G U A C POUDAGUGACUGACUGACU UG lleu Ser Arg כ ט Gin His Tyr Pro Cys Tip 3 Leu Start Stop Proteinbiosynthese: erfolgt in zwei Schritten: Transkription -> Translation Transkription: Außen (3¹) Leserichtung: von innen (5') nach die Basensequenz eines Gens wird in messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben bei Eukaryoten im Zellkern; bei Prokaryoten im Zellplasma 5 RNA-Polymerase legt an der Promotor-Region an -> entwindet und öffnet den Doppelstrang Ablesen des codogenen Strangs (Matrizenstrang) vom 3' zum 5'-Ende freie RNA-Nukleotide lagern sich nach der Komplementaritäsregel an die Basen des codogenen Strangs an (MERKE: U paart sich mit A) Ergebnis: Ein mRNA-Einzelstrang; bei Eukaryoten die prä-mRNA Spleißen: Ablauf: Antisense strand RNA polymerase CTGÁCGGÁTCAGCCGCẢÄG GGÄÄTTGGCGACATÁÅ GACUGCCUAGUCGGCGUU RNA Transcript GACTGCCTAGTCGGCGTTCGCCTTAACCGCTGTATT nur bei Eukaryoten bevor die prä-mRNA den Zellkern als reife mRNA verlässt, wird sie dem Spleißen unterzogen Sense Strand Am 3'-Ende wird ein Poly-A-Schwanz als Abbauschutz angebaut am 5'-Ende wird eine Kappe aus methyliertem Guanin als Abbauschuty aufgesetzt die nicht codierten Bereiche (Introns) werden herausgeschnitten, die codierten Bereiche (Exons) bleiben übrig und werden miteinander verbunden entladene tRNA Translation: -> die Basentripletts der entstandenen mRNA wird mit der tRNA (transfer-RNA) und den Ribosomen in eine Abfolge von Aminosäuren eines Proteins übersetzt. Bau der tRNA: Anticodon Startcodon kurzer RNA-Strang: einige Bereiche haben komplementäre Basenpaare -> sehen aus wie Schleifen Mittlere Schleife -> Anticodon -> Bindung an komplementäre mRNA-Tripletts möglich am 3'-Ende -> Bindungsstelle für die spezifische Aminosäure wachsende Polypeptidkette E-Stelle P-Stelle A-Stelle beladene tRNA mRNA Ribosom Wanderungsrichtung des Ribosoms 6 Ablauf der Translation: Initiation: kleine und große Untereinheit des Ribosoms fügen sich zu einem großem zusammen mRNA-Molekül lagert sich mit dem Start-Codon (AUG) an die kleine Untereinheit an Elongation: nacheinander lagern sich zwei tRNA-Moleküle an, welche mit Aminosäuren beladen sind, mit ihren Anti-Codons an das Ribosom an Aminosäuren verbinden sich -> Peptidbindung -> Weiterrücken zum nächsten Codon (in Triplettschritten) Bindung zwischen dem ersten tRNA-Molekül und Aminosäure löst sich -> gebildete Aminosäurekette wird vom nachrückenden tRNA-Molekül gehalten -> aminosäurefreies tRNA-Molekül wird aus dem Ribosom freigesetzt -> wird im Zellplasma wieder mit spezifischer Aminosäure beladen Termination: Ribosom gelangt an ein Stopp-Codon -> keine weitere Anlagerung von tRNA-Molekülen möglich -> Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten die Aminosäurekette nimmt durch die Aminosäure festgelegte Sekundär- und Tertiärstruktur ein Vergleich der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten: Codierung der DNA Transkription Promotor Translation Ablauf der beiden Teilschritten Bearbeitung der mRNA (Reifung) Existenzdauer der mRNA Ribosomen Geschwindigkeit Prokaryoten es gibt nur codogone Bereiche im Zellplasma ein Promotor für mehrere Strukturgene im Zellplasma am gleichen Ort; Beginn der Translation vor Ende der Transkription keine Eukaryoten es existieren nicht-codogene Bereiche im Zellkern ein Promotor für jedes Gen 70S-Ribosomen Faktor 1 -> einfacher, kein Zellkern im Zellplasma räumlich getrennt, zeitlich nacheinander Anfügen von Kappe + Poly-A-Schwanz; Spleißen kurzlebig, meist kürzer als 2 langlebig Minuten 7 80S-Ribosomen Faktor 10 -> unwichtige Stellen, schwieriger Mutationen: Definition: Spontane oder induzierte, ungerichtete und unter Umständen vererbbare qualitative und/oder quantitative Veränderung des genetischen Materials. Sie sind die Grundlage genetischer Vielfalt. somatische Mutation: Mutationen in Körperzellen -> werden nicht vererbt generative Mutation: Mutationen in Ei- und Spermienzellen -> können vererbt werden Mutagene: energiereiche, sehr kurzwellige ("harte") Strahlung Bsp.: UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, radioaktive Strahlung mutagene Substanzen Bsp.: Pflanzengifte, Teerstoffe, Schwermetallsalze Temperaturschocks, manche Viren Formen und Folgen von Mutationen: Genommutationen: Veränderung in der Anzahl der Chromosomen Euploidie: Verminderung (Haploidie) oder Vermehrung (Polyploidie) der vorhandenen Chromosomensätze Aneuploidie: Verminderung oder Erhöhung der artspezifischen Chromosomenzahl eines Organismus und ein Chromosom oder um mehrere Chromosomen Chromosomenmutationen: Veränderungen in der Struktur eines oder mehrerer Chromosomen Deletion: Chromosomenstückverlust 8 Ringchromosombildung: Verlust der Endstücke eines Chromosoms bei gleichzeitiger Verwachsung des Restchromosoms Inversion: Umkehr eines Chromosomenteilstücks um 180° innerhalb eines Chromosoms Translokation: Verlagerung der Chromosomenabschnitte an nicht-homologe Chromosomen Duplikation: Verdopplung einer Chromosomenregion Genmutationen: Veränderungen, Einschübe oder Verluste einzelner weniger Basen der DNA innerhalb eines Gens Punktmutation: Austausch einer Base durch eine andere Einbau einer falschen Aminosäure Einbau einer richtigen Aminosäure aufgrund der Degeneration des genetischen Codes Rastermutation: Einfügen oder Verlust einer Base Verschiebung eines Triplettrasters -> schwerwiegende Auswirkungen Regulation von Stoffwechselvorgängen bei Bakterien und Eukaryoten: es gibt zwei Gruppen von Enzymen: konstitutive Enzyme: werden ständig in der Zelle synthetisiert adaptive Enzyme: werden nur bei Bedarf synthetisiert -> unterlegen der Regulation der Enzymsynthese Genregulation bei Bakterien: Regulation nach dem Operon-Modell -> an E. coli-Bakterien erforscht Operator: DNA-Bereich, an dem der aktive Repressor binden kann Promotor: Bindungsort für die RNA-Polymerase Strukturebene: Gemeinsamer Regulation unterliegende Gene Operon: Funktionseinheit aus Promotor, Operator und Strukturgenen Genregulation durch Substrat-Induktion: Prinzip: Abzubauende Substanz initiiert ihren eigenen Abbau Anwendung: hauptsächlich bei abbauenden Stoffwechselprozessen Vorteil: Ökonomischer Umgang der Zelle mit Material und Energie, da Synthese nur dann erfolgt, wenn die Produkte benötigt werden. Operon A: B: Repressor aktiv mRNA mRNA Repressor aktiv RNA-Polymerase O Substrat = DNA = Regulator = Promotor = Operator keine Enzyme Operon Abbau von Substrat Strukturgene Strukturgene mRNA Translation SGa SGb SGC SGD SGe Enzyme 9 Genregulation durch Endprodukt-Repression: Prinzip: Endprodukt einer Synthesekette verhindert seine weitere Produktion aus den Ausgangsstoffen Anwendung: hauptsächlich bei aufbauenden Stoffwechselprozessen Vorteil: Ökonomischer Umgang der Zelle mit Material und Energie, da die Genprodukte nur so lange gebildet werden, wie die Zelle sie benötigt Operon A: mRNA Repressor inaktiv B: mRNA RNA-Polymerase Strukturgene Endprodukt Endprodukt Repressor aktiv = DNA = Regulator = Promotor = Operator 10 spalten Operon RNA-Polymerase Strukturgene mRNA Translation Enzyme SGA SGb SGC SGD SGe keine Enzyme Vergleich beider Modelle: Regulatoren Effektor Substrat-Induktion produziert aktiven Repressor inaktiviert den Repressor Endprodukt-Repression produziert inaktiven Repressor aktiviert den Repressor 1.2 Angewandte Genetik Gentechnik: Werkzeuge: Restriktionsenzyme: auch "genetische Scheren" genannt; schneiden die DNA an bestimmten Basenabfolgen DNA-Ligasen: "Klebstoff" zur Verknüpfung von DNA-Fragmenten DNA-Polymerase: Seite 4 Reverse Transkriptasen: macht RNA zu DNA Vektoren: Vektoren werden auch „Genfähren" genannt. In der Gentechnik dienen meist Viren oder Plasmide aus Bakterien als Vektoren, um fremde Erbinformation in Zellen zu transportieren. Dafür wird zunächst das gewünschte Gen (Zielgen) und das Markergen in den Vektor eingebaut und dann in das Zielgenom übertragen. Methoden: Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Ziel: Vermehrung der DNA in kurzer Zeit Materialien: Doppelstrang-DNA, hitzebeständige DNA-Polymerase, DNA-Nukleotide, Primer Ablauf: Denaturierung: Erwärmen (über 90°C ); trennt die DNA-Einzelstränge Hybridisierung: Anlagerung der Primer am 3'-Ende; bei 50-60°C Amplifikation: die Polymerase synthetisiert den fehlenden Strang, angefangen bei den Primern am 3'-Ende, an die Einzelstränge Elektrophorese: Ziel: Trennung von Gemischen unterschiedlicher Moleküle einer Lösung in einem elektrischen Feld Ablauf: 11 kleine Teile werden mit einem Farbstoff gefärbt und in ein Geldfeld gelegt die negativ geladenen Teilchen laufen zur Anode (positiver Pol)/ die positiv geladenen Teilchen laufen zur Kathode (negativer Pol) die kleinen, leichten Teilchen wandern am schnellsten und auch am weitesten; durch die Poren und Eigenschaften im Geld sammeln sich Teilchen mit den gleichen Eigenschaften an den gleichen Stellen an -> es entsteht ein Bandenmuster DNA-Sequenzierung: Ziel: Analyse von DNA-Fragmenten zur Ermittlung der Basensequenz Ablauf: im Reaktionssatz sind "normale" Nukleotide (dNTPs) und mit Farbstoff markierte Nukleotide (ddNTPs), welche an keine Base mehr binden kann, vorhanden es entstehen unterschiedlich lange, terminal markierte DNA-Stänge Genetischer Fingerabdruck: Ziel: Personen identifizieren durch den Vergleich mehrerer verschiedener DNA-Abschnitte ohne genetische Information Ablauf: wird mit der Gelelektrophorese geordnet und in einem Laser-Floureszenz-DNA-Sequenzer untersucht (ordnet den Fluoreszenzfarben Basen zu und ermittelt so die Basensequenz) Eier- stock Meiose: Aufgabe: Reduktion der Chromosomenzahl und Durchmischung sowie Neukombination (Rekombination) des genetischen Materials Ablauf: Hoden DNA-Isolierung: man isoliert die DNA des Täters und des mutmaßlichen Täters DNA-Vervielfältigung durch PCR (siehe Seite 11) man bildet DNA-Restriktionsfragmente mit dem gleichen Restriktionsenzym Auftrennung der Fragmente mittels Gelelektrophorese Vergleich des Bandmuster beider Proben ->identisch? Su 2n/4C C Prophase I Metaphase I Anaphase I Telophase ! Prophase II 1n/2C Metaphase II Anaphase II Ein-Chromatid-Chromosomen Ergebnis: Haploide Geschlechtszellen Oogenese: 1 plasmareiche Eizelle + drei Polkörperchen Spermatogenese: vier Spermienzellen Polkör perchen 1. Reifeteilung: Prophase 1-> Metaphase 1-> Anaphase 1-> Telophase1 => Reduktion der Chromosomenzahl -> zwei haploide Zellen bei der Prophase 1 gibt es die Möglichkeit für Crossing-Over 2. Reifeteilung: Prophase 2-> Metaphase 2-> Anaphase 2-> Telophase 2 => Teilung der haploiden Zellkerne -> vier haploide Zellen mit Telophase II 1 Eizelle 12 Keim- 1n/1C zellen 4 Spermien Befruchtung: weibliche Eizelle und männliche Spermienzelle verschmelzen -> Zygote, in der haploide Gametenkerne (2x1n) verschmelzen -> diploider Zygotenkern (2n) Rekombination: -> Neukombination von Genen Interchromosomale Rekombination: zufallsbedingte Verteilung während der ersten Reifeteilung von ursprünglich mütterlicher und väterlicher Chromosomen der homologen Chromosomenpaare Intrachromosomale Rekombination mittels Crossing Over: während der ersten Reifeteilung werden Chromosomen-Stücke ausgetauscht (von Vater und Mutter) -> Austausch von Chromosomenteilstücken zwischen nicht-Schwester-Chromatiden Rekombination durch Befruchtung: es ist zufällig, welche Eizelle von welchem Spermium befruchtet wird Stammbaumanalyse und Erbgänge in der humangenetischen Betrachtung: Homozygot: AA/aa Heterozygot: Aa/aA es gibt verschiedene Vererbungsmodi: autosomal oder gonosomal und dominante oder rezessive Vererbung: Autosomal-dominante Vererbung: autosomal: das defekte Allel liegt auf dem Autosom dominant: Merkmalsträger sind AA und Aa, da der Defekt auf dem A liegt; aa ist merkmalsfrei Begründungen: aa Autosomal-rezessive Vererbung: aa autosomal: das defekte Allel liegt auf dem Autosom rezessiv: Merkmalsträger sind aa, da der das defekte Allel auf dem a liegt und sich nicht gegen das "gesunde" A durchsetzt; Merkmalsfrei: AA/Aa/aA (!Können aber Überträger/Konduktoren sein!) Begründungen: 1 Aa || ||| Aa Merkmal tritt in jeder Generation auf -> dominant der durchschnittliche ANteil von weiblichen und männlichen Merkmalsträgern ist ungefähr gleich -> autosomal Besonderheiten: wenn das Kind zweier Merkmalsträger kein Merkmalsträger ist, haben die Eltern den Genotyp Aa IV Aa Aa Aa aa AA Aa männliche Personen ohne Merkmal weibliche Personen ohne Merkmal Merkmalsträger AA/Aa Aa Aa AA aa Aa Merkmal tritt meist nicht in jeder Generation auf -> rezessiv 13 Aa Aa aa aa der durchschnittliche ANteil von weiblichen und männlichen Merkmalsträgern ist ungefähr gleich -> autosomal Besonderheiten: wenn das Kind zweier merkmalsfreier Kinder Merkmalsträger ist, muss es den Genotyp aa haben; die Eltern müssen zwangsläufig den heterozygote Merkmalsträger sein (Aa) und sind Konduktoren Gonosomal-rezessive Vererbung: gonosomal: das defekte Allel liegt auf dem X-Chromosom (Geschlechtschromosom); Y-Chromosom ist hierbei zu vernachlässigen) XAY X₂Y XAXA X₂Y OXAXA XAXA XAY ХАХА XAXa X₂Y 14 rezessiv: Merkmalsträger sind: XX (weiblich) und XY (männlich), das defekte Allel liegt auf dem X, das Y-Chromosom ist rezessiv gegenüber jedem X-Chromosom; Merkmalsfrei sind: XX/XX/XY Begründung: Xaxa männliche Personen ohne Merkmal weibliche Personen ohne Merkmal Merkmalsträger Merkmal tritt meist nicht in jeder Generation auf -> rezessiv Anteil der männlichen Merkmalsträger ist meist deutlich höher als der der Frauen Besonderheiten: Männer können niemals nur Konduktoren sein, weil sie hemizygot sind Töchter merkmalstragender Väter sind zumindest immer Konduktorinnen die Söhne merkmalstragender Väter und homozygoter merkmalsfreier Frauen sind immer gesund