Genetik allgemein

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der Peptid- bindungen eine neue Anordnung im Raum ein. Dadurch entstehen innerhalb derselben Polypeptidketten die Sekundärstrukturen: a-Helices und 3-Faltblattstrukturen. Es gibt jedoch auch Bereiche, die keine geordneten Strukturen ausbilden. TERTIÄRSTRUKTUR: Vielfältige Wechselbeziehungen bilden sich innerhalb der Sekundärstruktur aus. Die Polypeptidkette wird durch lonenbindungen (zwischen positiv und negativ geladenen Resten), Wasserstoffbrücken (zwischen polaren Resten) und Van-der-Waals-Kräften (zwischen den Seitenketten unpolarer Aminosäuren) räumlich stabilisiert. So entsteht die Tertiärstruktur, in welcher das Protein nun biologische Aktivität zeigen kann. Denatuierung - das Protein verliert durch eine Temperaturerhöhung seine Raumstruktur und somit auch seine biologische Funktion, da dieser Prozess irreversibel (nicht rückgängig machbar) ist. QUARTÄRSTRUKTUR: Eine Quartärstruktur existiert nur dann, wenn sich mehrere Polypeptidketten als Untereinheiten zum Protein zusammenlagern. Dies geschieht durch die gleichen Bindungsarten wie bei der Tertiärstruktur. Innerhalb einer Quartärstruktur arbeiten die Untereinheiten oft zusammen, wodurch das Protein ganz neue Wirkungen entfaltet. DNA 0000 Transkription mRNA FUNKTION DER PROTEIN-BIO-SYNTHESE Bei der Proteinbiosynthese wird der komplette genetische Code einer Aminosäurenkette übersetzt und in eine dreidimensionale Struktur umgewandelt. Dieser Prozess wird vom Erbgut des Zellkerns gesteuert. Die Proteinbiosynthese ist lebenswichtig, denn Proteine beeinflussen nahezu alle Vorgänge im menschlichen Körper. Protein Aminosäuren y Translation 00⁰0 3- Faltblattstrukturen 120 a-Helices 3-Faltblattstruktur a-Helices mehrere Polypeptidketten GENREGULATION BEI EUKARYOTEN wichtig: Eukaryoten besitzen einen Zellkern → Transkription und Translation sind sowohl räumlich als auch zeitlich getrennt ACETYLIERUNG: vor der Transkription - DNA muss für die Transkription "lesbar" gemacht werden, um ein Gen zu aktivieren -Bindung von Acetylgruppen an Histone → Auflockerung des Chromatins und somit Lesbarkeit der DNA DEACETYLIERUNG: vor der Transkription - Entfernung der Acetylgruppen von Histonen → Verdichtung des Chromatins Cytosin-Base NH₂ METHYLIERUNG: vor der Transkription - Methylgruppen werden an Cytosin-Basen gehängt - bestimmte Proteine können an DNA gehängt werden →Verdichtung des Chromatins (RNA-Polymerase blockiert) + Methylgruppe H₂C N allgemeine Lockerung der Chromatinstruktur Methyltransferase hängt Methylgruppen an Cytosinbasen DNA (CH₂ Transkriptionsfaktoren Proteine können an Methylgruppen binden RNA-Polymerase Kontrollsequenz Protein Promotor G CH₂ Protein) Förderung der Transkription C G TRANSKRIPTIONSFAKTOREN: während der Transkription Transkriptionsfaktoren = regulatorische Proteine sind für die Aktivierung bzw. Inaktivierung eines Gens zuständig - binden am Promotor, also dem Starkpunkt des Gens, damit die RNA Polymerase starten kann - weitere kurze DNA Sequenzen, an denen die regulatorischen Proteine binden können sind auf der Kontrollsequenz: Kontrollsequenz: - Abschnitt der DNA der kontrolliert, ob das Gen häufig oder eher seltener transkribiert wird Hemmung der Transkription STOP →>> Hemmung der Transkription STOP DNA allgemeine Transkriptionsfaktoren. Aktivator RNA-Polymerase DNA prä-mRNA Kontrollsequenz ENHANCER: - Kontrollsequenz, die das Gen aktiv werden lässt. Transkriptionsrate wird gesteigert - Enhancer benötigt weitere Transkriptionsfaktoren: Aktivatorproteine bzw. Aktivatoren sind für Regulierung zuständig Enhancer SILENCER: -Kontrollsequenz, die Genaktivität reduziert bzw. deaktiviert. Transkriptionsrate wird unterdrückt Silencer benötigt weitere Transkriptionsfaktoren: Repressorproteine bzw. Repressoren mRNA 1 wichtig: - die Transkriptionsfaktoren der Kontrollsequenz und die des Promotors müssen in direkten Kontakt treten mRNA 2 - durch Verschlingungen der DNA wird dieser Kontakt hergestellt, damit die Regulationsproteine (Enhancer/Silencer) an die Startregion mit deren Transkriptionsfaktoren binden können Transkription wird entweder unterstützt oder unterdrückt (durch Steigerung/Unterdrückung der Transkriptionsrate) - aus dem Zusammenspiel mehrerer Enhancer und Silencer ergibt sich die Transkriptionsrate des Gens PROZESSIERUNG: nach der Transkription, vor der Translation - alternatives Spleißen: verschiedene Proteine werden von einem Gen codiert mRNA 3 Silencer Exon Repressor Promotor Intron Exon Intron Schleife Exon Exon Intron Intron Exon 10 LU¶1¶¶1 UULUU 1111 O Protein 1 Protein 2 →Protein 3 EPIGENETIK Defintion: Die Epigenetik ist ein Fachgebiet der Biologie, das sich damit beschäftigt, welche Faktoren die Aktivität eines Gens beeinflussen. Das heißt, dass die Genregulation nicht nur genetisch bedingt ist, sondern auch von äußeren Faktoren, wie z.B. der Nahrung beeinflusst werden kann. BEISPIEL: BIENENKÖNIGIN > Bienen sind genetisch identische Organismen > Unterschied: große langlebige Bienenkönigin und Arbeiterinnen > Königin legt zeitlebens nur Eier und sondert Pheromone ab → Zusammenhalt des Bienenstocks > Futter während des Larvenstadiums entscheidet über die Phänotypbildung Bienenlarvel ab dem dritten Stadium nur noch Pollen und Honig Arbeiterin während der gesamten Entwicklung mit Gelee Royale gefüttert Gelee Royale ist ein sehr fett- und eiweißreiches Sekret, welches aus den Kopf drüsen der Ammenbienen stammt. Königin > Gene werden im Verlauf der Entwicklung chronologisch an- und abgeschaltet > je nach Entwicklungsstadium: nur ein bestimmter Teil der Gene transkribiert, während andere stillgelegt sind > neben genetisch festgelegter Genregulation: zusätzliche Beeinflussung durch die Ernährung bei Bienen > das Futter löst ein unterschiedliches Methylierungsmuster der Königinnen aus mehrere Gene werden abgelesen und sie verfügt über eine Vielzahl an Fähigkeiten im Vergleich zu Arbeiterinnen (Fortpflanzung: einzige Biene, die Eier legt) > etwa 550 Gene sind bei Königinnen anders methyliert > bei Arbeiterinnen sind vergleichsweise viele Gene methyliert KREBSGENETIK Krebs ist die umgangssprachliche Sammelbeziehung für jede bösartige Neubildung von Gewebe wie zum Beispiel Tumor, Wucherung oder Geschwulst, die durch unkontrolliertes Wachstum und zerstörendes Eindringen in umliegendes Gewebe gekennzeichnet ist. Krebszellen sind für den Verlust ihrer ursprünglichen Form und Funktion und das Hineinwachsen in gesundes Gewebe bekannt. Sie verdrängen und zerstören dieses Gewebe und verschließen Gefäße, sowie Organhohlräume. Oft endet diese Erkrankung tödlich. > unkontrollierte Teilung von Körperzellen und keine Differenzierung dieser → es entstehen Zellhaufen (Tumor, Geschwür) > Zellhaufen verdrängt gutes Gewebe und kann einwachsen > einzelne Zellen können sich durch den Blut- und Lypmhstrom ausbreiten bzw. streuen →gestreute, niedergelassene Zellen mit fortsetzenden unkontrolliertem Zellwachstum nennt man Metastasen > Metastasen sind Zellen die in Geweben (durch Ausbreitung) zu Tochtergeschwüren wachsen BEGÜNSTIGUNG VON KREBSERKRANKUNGEN DURCH UMWELTEINFLÜSSE (MUTAGENE): > chemikalien > Tabakrauch >ionisierende Strahlen > Viren (Gebärmutterhalskrebs) →→Karzinogene krebserregende Stoffe THERAPIEN/BEHANDLUNGEN: > chirurgisches Entfernen des Tumors (zentrale Behandlung) > Chemotherapie; Strahlentherapie FEHLGESCHLAGENE PROZESSE IM ZELLZYKLUS: > Krebszellen häufen sich neben mikroskopisch sichtbaren Chromosomenmutationen und Genmutationen > bei Krebszellen →→feine Abstimmung von Zellteilung, Zelldifferenzierung, Zellwachstum und Zelltod außer Kraft gesetzt ÜBERWACHUNG DES ZELLZYKLUS (NORMALERWEISE): > Proto-Onkogen: für Anregung des Zellzyklus zuständig →fördern die Zellteilung > Tumor suppressorgen für Hemmung des Zellzyklus zuständig →wachstumsregulierende Gene MUTATIONEN: > DNA Schäden können Mutationen in Proto-Onkogen und Tumor suppressorgen bewirken → können ihre ursprüngliche Funktion nicht mehr erfüllen > Zellteilung und Zelltod werden nicht mehr richtig kontrolliert und geraten aus dem Gleichgewicht > Risiko bei Proto-Onkogenen: sie können so mutieren, dass die Zellteilung noch stärker angeregt wird > Risiko bei Tumorsuppressorgen: sie können so mutieren, dass sie die Zellteilung nicht mehr unterdrücken können gerät aus dem Gleichgewicht →Zellen erfüllen nicht mehr ihre ursprünglichen Aufgaben → einziges Ziel: Überleben und Vermehren →→→→Tumor entsteht und breitet sich aus, wenn sich der Körper nicht mehr wehren kann RAS PROTO ONKOGEN > Genprodukte des Proto-Onkogens fördern die Zellteilung > Ras-Proto Onkogen codiert das Ras-Protein > Ras-Protein codiert das mutierte Ras-Protein wachstumfördernde Signalmoleküle TAMA Cytoplasma Signalmolekül kontrolliert normalerweise Zellkern obwohl kein Signal Signalverstärkung ohne Signal u. außen kontrollieren und unterdrücken Zellteilung wenn nötig inaktiver Transkriptions- faktor DNA Nachbarzelle Ras Zellmembran mutiertes Ras-Protein fördert Signalverstärkung unkontrolliert Gen Mutiertes Ras-Protein steigert Zellteilung unkontrolliert Protein fördert Zellteilung→ Tumorbildung aktiver Transkriptions- faktor (Enhancer) m-RNA ABLAUF MIT UND OHNE MUTATON: OHNE MUTATION 1 wachstumsfördernde Signalmoleküle docken an den Repressor leitet Ras Protein weiter 2 Ras Protein als zentrales Glied verschiedener Transduktionswege (Prozess: Zellen reagieren auf äußere Reize →→ Umwandlung zum Signal Signal ins Zellinnere weiterleiten → über Signalketten zum zellulären Effekt führen Weiterleitung des Signals ins Zellinnere) 14 Signal gibt dem Protein bescheid, dass dieses dann an den inaktiven Transkriptionsfaktor andockt ...die Zellteilung kontrolliert fördern 5 Protein löst sich vom Transkriptionsfaktor und wartet auf das nächste Signal Transkriptionsfaktor und Protein docken an das Gen, sodass die RNA Polymerase Proteine exprimieren kann, welche dann.... Rezeptor Cytoplasma -Signalmolekül Zellkern TUMORSUPPRESSORGEN > Genprodukte des Tumorsuppressorgen hemmen die Zellteilung MIT MUTATION 1 wachstumsfördernde Signalmoleküle docken nicht an den Repressor →leitet kein Signal weiter 2 mutiertes Ras Protein ist kein zentrales Glied verschiedener Transduktionswege mehr Moleküle der hemmenden Signal verstärkung mutierter inaktiver Transkriptionsfaktor p53 wird nicht aktiviert DNA mutiertes Ras Protein fördert Signalverstärkung unkontrolliert →Signalverstärkung ohne Signalmoleküle ->> wachstumhemmende Signalmoleküle Transkriptionsfaktor (wird zum Ablesen des Tumor- suppressorgen benötigt) p53 Signal (aber sehr verstärkt) gibt dem Protein bescheid, dass dieses dann an den inaktiven Transkriptionsfaktor andockt ....die Zellteilung unkontrolliert steigern (Zellwachstum) 5 Durch die Signalverstärkung bleibt das Protein am Transkriptionsfaktor fast ständig dran, sodass die Polymerase ständig das Gen ablesen kann xxxxxxxxx Tumorsupressor-Gen Nachbarzelle Membranproteine übertragen die Signale Tumorsupressor- Protein fehlt →Tumorbildung Tumorsupressor-Protein Mutierter p53 hemmt die Tumorsuppressor-Produktion →→ Zellwachstum ABLAUF MIT UND OHNE MUTATION: > Mutation des Gens, welches für den Transkriptionsfaktor p53 codiert, welcher zum Ablesen des Tumor suppressorgens essenziell ist OHNE MUTATION 2 Wachstumshemmende Signalmoleküle docken an den Rezeptor Dieser gibt das Signal an die Membranproteine weiter 3 Membranproteine leiten das Signal ins Zelinnere Moleküle der hemmenden Signalverstärkung werden losgeschickt Moleküle der hemmenden Signalverstärkung... ...docken an den p53 Transkriptionsfaktor an → Aktivierung 5 p53 dockt an das Tumorsupressorgen MIT MUTATION 6 Tumorsuppressorgen wird abgelesen →es entstehen Tumor suppressorproteine (Genprodukte, welche Zellteilung hemmen) 7 Tumor suppressorprotein hemmt Zellteilung ...docken nicht an den mutierten p53 Trans- kriptionsfaktor an -> inaktive p53 wird nicht aktiviert 5 kein Andocken von p53 an das Tumor suppr-Gen keine Exprimierung →Tumorsuppressor Protein fehlt keine Hemmung → Zellwachstum POLYMERASE-KETTENREAKTION (PCR) > die genetische Information eines Menschen ist in der DNA-Sequenz gespeichert > in bestimmten Sequenz-Abschnitten befinden sich die "Baupläne" für Proteine →Gen > innerhalb der Gene befinden sich Exons (codierende DNA-Abschnitte, die Informationen enthalten) und Introns (nicht codierende DNA-Abschnitte, die keine Informationen enthalten) → variieren bei Menschen sehr stark SHORT-TANDEM-REPEATS (STR): > Bereiche in den Introns eines Gens mit sehr kurzen Sequenz-Abschnitten, die vielfach wiederholt werden > die Anzahl der Wiederholungen und damit auch die Länge dieser Abschnitte variiert sehr stark → charakteristische Merkmale jedes Menschen > Da die Sequenzen der STR aus Introns, also nicht codierenden DNA Abschnitten bestehen, sind sie nicht Teil des "genetischen Bauplans" und verursachen so durch die Veränderungen in diesen Bereichen keine erkennbaren Folgen. → besitzen eine hohe Mutationsrate und unterliegen nicht der Selektion GENETISCHER FINGERABDRUCK: > ein DNA-Muster, das eine Person eindeutig charakterisiert > deshalb auch "DNA Typisierung" genannt > durch die Analyse mehrerer STR-Systeme, kann für jede Person ein solcher genetischer Fingerabdruck erstellt werden → dies ist zum Beispiel hilfreich bei der Überführung eines Täters oder der Bestätigung einer Vaterschaft POLYMERASE-KETTENREAKTION: Mit der PCR-Methode lassen sich schon geringste Mengen an DNA in kurzer Zeit identisch vervielfältigen. Für die Durchführung einer PCR benötigt man: > die zu vervielfältigende DNA > Nucleotide (Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin) > eine hitzebeständige DNA-Polymerase (hierfür eignet sich die Taq-Polymerase) welche die Synthese von DNA im > Reaktionsansatz der PCR ermöglicht > zwei Primer (kurze, einzelsträngige DNA-Stücke) die den zu untersuchenden Sequenzbereich begrenzen → die PCR wird in einem sogenannten "Thermocycler" durchgeführt, ein Heizblock der drei Temperaturstufen in Zyklen bis zu 30 Mal durchläuft → jeder PCR-Zyklus läuft immer in den gleichen drei Schritten ab DENATUIERUNG: > die DNA-Probe wird auf 95° Celsius erhitzt > bei dieser Temperatur werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Nucleotiden getrennt (Doppelstrang wird in Einzelstränge aufgespalten) HYBRIDISIERUNG (ANLAGERUNG DER PRIMER): > die Temperatur wird wieder auf ca. 50° C heruntergefahren (Probe abgekühlt) > komplementäre Nucleotidketten (Primer) lagern sich jeweils am 3'-Ende der Wiederholungssequenzen der Einzelstränge an > sie bilden die Ansatzstellen für die DNA-Polymerase 3' 5' PCR-ZYKLUS BEGINNT VON VORN: > Taq-Polymerase löst sich durch Erhöhung der Temperatur wieder ab > neue DNA-Doppelstränge trennen sich wieder voneinander 1984-8-8-418 ↓ UUWWWUUWUWUUসামস 5' MMMMMMMM 3' 3 POLYMERISIERUNG (SYNTHESE DES DNA-DOPPELSTRANGS): > die Probe wird erneut erhitzt und die Temperatur beträgt 72° Celsius > mithilfe der Taq-Polymerase werden die komplementären Nucleotide ausgehend vom 3'-Ende des Primers angelagert →Verknüpfung kontinuierlicher Strang IW MM 5' MMMMMMMÍ 3' 5', M MA THHH ← THE RESTRIKTIONSENZYME > Grundwerkzeug in der Gentechnik > zerschneiden die DNA von außen >als Enzyme von Bakterien zuständig für die Abwehr von Viren zerschneiden eindringende Fremd-DNA von Viren > jede der bisher gefundenen DNA-Scheren ist nach dem jeweiligen Bakterium benannt, bei dem sie gefunden wurde >schneiden immer an ganz spezifischer Basensequenz →> "Erkennungssequenz" (weist oft eine bestimmte Symmetrie auf) PALINDROME: > Die Basensequenz des einen DNA-Stranges entspricht an der Schnittstelle von links nach rechts gelesen derselben Abfolge der Basen, wie sie bei dem anderen Strang in umgekehrter Richtung vorliegt BLUNT ENDS (GLATTE ENDEN): > Enzym schneidet die DNA so, dass eine bestimmte Symmetrie aufgewiesen wird Erkennungssequenz 5' ¹3' STICKY ENDS (KLEBRIGE ENDEN): > Enzym schneidet versetzt 3' 5' 3' '5' → eher verwendet um Gene "auszuschalten", da es schwierig ist sie wieder zu verbinden 5' "Banden" erkennbar durch farbstoffgekoppelte Primer 3' Probentaschen mit PCR-Produkten Agarose-Gel in Pufferlösung Erkennungssequenz 3' 3' elektrisches Feld WWW 5' 3' 5' →→→ Einzelstränge sind komplementär zueinander und können sich wegen der Basenpaarung wieder zusammenfinden 5' GELELEKTROPHORESE > Trennungs- bzw. Elektrophoreseverfahren, bei dem Gel als Trägermedium genutzt wird > die Gelelektrophorese bietet eine Möglichkeit, mehrere DNA-Proben miteinander zu vergleichen (z.B. Vaterschaftstest) > Gemische von beispielsweise DNA, RNA oder Proteinen werden aufgetrennt →→→ Ziel ist es, die vervielfältigten DNA-Abschnitte sichtbar zu machen und deren Länge zu analysieren AUFBAU: Kathode (-) 3' Anode (+) 3' 5' 3' AGAROSE-GEL: > ist relativ großporig > gut geeignet für die Auftrennung von DNA und größeren Proteinmolekülen POLYACRYLAMID GEL: > ist eher kleinporig > für die Auftrennung von kleineren Proteinmolekülen verwendet →Gele wirken wie ein Sieb ALLGEMEIN: > DNA trägt eine negative elektrische Ladung und wandert unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in Richtung des positiven Pols →→ Anode > die DNA-Moleküle müssen durch die Öffnungen der Poren des Gels wandern, um die positive Elektrode zu erreichen > dabei ist die Länge entscheidend →→→ je kürzer die in der PCR vervielfältigte Wiederholungssequenz, desto schneller bewegt sich das jeweilige DNA-Stück durch das Gel ABLAUF DER GELELEKTROPHORESE: Zu untersuchende DNA- Abschnitte werden mithilfe der PCR-Methode vervielfältigt DNA-Fragmente wandern je nach Länge und Ladung unterschiedlich weit. (je kürzer, desto schneller) Die Länge der STR wird mithilfe der Allel-Leiter bestimmt PCR-Produkte werden in die Probentaschen des Agarose-Gels übertragen Die zurückgelegte Strecke nach einer Zeit bestimmt die Länge der jeweiligen Fragmente - 11/12 • 7/12 -9/11 7/9 Mithilfe von Elektroden wird ein elektrisches Feld erzeugt Auftrennung der DNA- Fragmente entsprechend ihrer Länge > bei unterschiedlichen Fragmentlängen von Mutter und Vater, gibt es genau vier mögliche Kombinationen für die Länge der STR der Kinder z.B. sind die Fragmentlängen der Mutter 9/12 bzw. des Vaters 7/11 gegeben daraus lassen sich diese vier Möglichkeiten schließen: Die DNA-Fragmente können nun untersucht und mit DNA-Fragmenten anderer Menschen verglichen werden, um z.B. einen Täter zu identifizieren oder einen Vaterschaftstest auszuwerten. BEISPIEL NACHWEIS EINER VATERSCHAFT: > die Untersuchung einer Wiederholungssequenz liefert bei einem Menschen zwei Banden > denn diese kommt auf zwei homologen Chromosomen vor eins stammt von der Mutter, das andere vom Vater > angenommen, die DNA Analyse eines Kindes weist Banden auf, die weder von der Mutter, noch vom potenziellen Vater stammen → eine Vaterschaft kann definitiv ausgeschlossen werden > umgekehrt kann eine Vaterschaft nicht anhand einer einzelnen Wiederholungssequenz nicht mit Sicherheit nachgewiesen werden → dafür muss ein solcher Test mit mehreren unterschiedlichen STR Systemen durchgeführt werden > die unterschiedlichen Banden werden mit dem Computer als ein Spektrum der STRS aufgetragen > ihre Länge wird mithilfe des Allel Leiter Spektrums analysiert BEISPIEL TATORTUNTERSUCHUNG: > die sichergestellten DNA Spuren werden mit der DNA Probe des Opfers und denen der tatverdächtigen Personen verglichen > stimmen die Muster der untersuchten Wiederholungssequenzen überein, →große Wahrscheinlichkeit, dass es sich um die gesuchte Person handelt 14 13 12 11 10 13 9 Negativ geladene DNA wandert entlang der Feldlinien in Richtung des positiven Pols (Anode) 8 7 6 Unter UV-Licht sind die DNA-Stücke nun als "Banden" mit bloßem Auge erkennbar 5 4 3 2 Mutter Vater Kind Kind 2 Kind 3 Kind 4 9/12 7/11 11/12 7/12 9/11 7/9 Mutter Kind Vater 9/12 5/12 7/11 Opfer Spur TV1 TV 2 TV 3