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Molekulargenetik

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 DIE DNA
-Aufbau-
Die DNA ist aus Nukleotiden aufgebaut:
Phosphatgruppe
Zucker (Desoxy-
ribose)
Primarstruktur:
= unterste Strukturebene ein

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-Die DNA (Aufbau, Replikation, Analyse) -Proteinbiosynthese + Vergleich Eukaryonten und Prokaryonten -Genregulation -Genmutationen

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DIE DNA -Aufbau- Die DNA ist aus Nukleotiden aufgebaut: Phosphatgruppe Zucker (Desoxy- ribose) Primarstruktur: = unterste Strukturebene eines Biopolymers (Abfolge der Grundbausteine) > Kette von Nukleotiden, die sich nur in der organischen Base unterscheiden = Polynukleotidstrang > Enden eines PNS nie identisch → Polarität 5'--> 3' („Richtung der Kette) > Zucker und Phosphatrest kommen abwechselnd vor > Abfolge der organischen Basen ist unterschiedlich und variabel = Adenin - Thymin Cytosin - Guanin Sekundärstruktur: relative Anordnung der monomeren Bausteine von Biopolymeren > DNA liegt als Doppelstrang vor, Schwesterstränge werden durch die Aufeinander folge von Zucker-Phosphat gebildet > zwischen den Basen der Nukleotide von den beiden Strängen bilden sich wasserstoff brücken, 5' die die Basen paare und somit Schwesterstränge miteinander verbinden > komplementare Basenpaarung: Wasserstoffbrücken können sich nur zwischen DNA Deoxyribo Nucleic Acid bzw. DNS: Desoxyribon Nuclein Säure • organische Base (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) bilden. -Aufbau- DIE RNA Tertiarstruktur: raumlicher Aufbau > der Doppelstrang der DNA ist um eine gemeine Achse gewunden →Doppel helix > nach 10 Basenpaaren ist eine vollständige Schraubenwindung umlaufen Antiparallelität, gegenläufige Polaritāt Ribonukleinsäure 3 3' > meist viel kürzer als DNA > liegt als Einzelstrang vor, kann jedoch durch Rückfaltung und H-Brücken abschnittsweise als Doppelstrang erscheinen > Ribose statt Desoxyribose > Base Thymin durch Uracil ersetzt Funktionsformen: > rRNA (ribosomale): Matrize für Proteinbiosynthese > tRNA (transport): Bestandteil der Ribosomen > mRNA (messenger): Aminosäure transport zu Ribosomen A B A T G D 08.01.2021 A)M 3' 3'. REPLIKATION 3¹ 5 X Folgestrang 5° X Leitstrang DNA-Polymerase Okazaki- Fragment Nukleotide = der DNA- اس RNA Primer TH Semikonservativer Mechanismus: Doppelstrang teilt sich reißverschlussartig in zwei Hälften,...

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die jeweils mit Nukleotiden zu zwei Doppelsträngen ergänzt werden →die Hälfte (semi") der Ausgangs-DNA bleibt erhalten („, konserviert") > Beweis von Meselson und Stahl جا Helikase Ablauf: 1) Entspiralisieren und Öffnen des DNA Doppelstrangs > Enzym Helicase entspiralisiert die Doppelhelix und trennt die beiden Stränge unter Verwendung von ATP Replikationsgabel > Proteine lagern sich an die getrennten Abschnitte an → verhindern die erneute Bindung Ergänzen des Einzelstrangs mit dem 5'- Ende > DNA-Polymerase kann Nukleotide nur in 5'>3' Richtung verknüpfen → DNA Neusynthese am zweiten Einzelstrang (5'-Ende) diskontinuierlich > DNA-Polymerase muss von der Replikationsgabel weg verknüpfen Eukaryoten > DNA dichter mit Proteinen verpackt muss erst aufgelockert werden komplexere Genome ↳ erfordert mehr Replikations ursprünge > langsamer (5-100 Nukleotide pro sek) > Primase an Polymerase & gebunden XXXXX 2) Ergänzen des Einzelstrangs mit dem 3'-Ende > Enzym Primase synthetisiert einen sogenannten Primer am DNA-Einzelstrang → Startsequenz > Anbau von Nukleotiden durch DNA-Polymerase in 5'+3' Richtung (kontinuierliche Replikation) > Genome aus linearen DNA-Molekülen es entstehen nur kurze Stücke neu synthetisierter DNA → Okazaki Fragmente > Lücken zwischen den Fragmenten werden von der DNA-Ligase zu einem durchgehenden Strang verbunden Vergleich Eukaryoten und Prokaryoten am Ende Telomere (Sequenzwiederhol- ungen) zum Schutz vor Erbmaterial- verlust Notwendigkeit: > lebende, funktionierende Zelle braucht komplette Erbinformation DNA muss verdoppelt werden > aus Ein-Chromatid Chromosomen werden Zwei-Chromatid- Chromosomen gebildet = Replikation Prinzip: > Komplementarität der Basen → zweite Hälfte ergänzt sich > Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren lassen sich leicht nach Reißverschlussprinzip trennen جا Prokaryoten Replikationsfehler: Häufigkeit: 1zu 107 Nukleotide >durch Einwirkungen von außen Bindungen anfällig für spontane Veränderungen Ź DNA-Polymerase hat Korrekturlesefunktion → bei Einbau eines falschen Moleküls dient sie als Exonuclease → Trennung des Nucleotids > nachträgliche Fehler werden durch Reparatur- enzyme beseitigt > Genome in kleiner, zirkulärer Form nur ein Replikationsursprung > schneller (1000 Nukleotide pro Sekunde) > definierter DNA-Abschnitt, der das Ende der DNA-Verdopplung einläutet ANALYSE der DNA PCR-Polymerase-Kettenreaktion > Verfahren zur beliebigen Replikation von DNA-Stücken außerhalb einer Zelle, ausgehend von einem einzelnen intakten DNA-Molekül > die Vorgänge sind der natürlichen Replikation sehr ähnlich 1) Trennen-Denaturierung der DNA (Erhitzen) 2) Koppeln = Annealing (Anlagerung der Primer) 3) Elongation Strang verlängerung >möglich durch Entdeckung und Verwendung der hitzebeständigen Tag-Polymerase aus dem thermophilen Archaebakterium Termus aquaticus > Thermocyler steuern die Versuchsbedingungen Nukleotid 3) 5' automatisch Primer IH 3' 3' 1) 5' 3' 3' 3' 2) I[ 5 5₁ 3' 5' Gelelektrophorese dient der Auftrennung von Makromolekülen bzw. unterschiedlich großen Bruchstücken von Proteinen oder Nukleinsäuren > Grundlage: Moleküle wandern, entsprechend ihrer Größe und Ladung in einem elektr. Feld, gerichtet und unterschiedlich schnell DNA-Sequenzierung > dient der Bestimmung der Nucleotidabfolge Bsp: Kettenabbruchmethode: > DNA wird durch Denaturierung in Einzelstränge gespalten nach Sanger > die einzelstrangige DNA wird auf vier Ansätze verteilt > der Einzelstrang wird mit einem radioaktiv markierten Primer hybridisiert > in jedem Ansatz befinden sich neben DNA und Polymerase die vier Nukleotide + jeweils ein Abbruch-Nukleotid Abbruch Nukleotide verhindem das Anfügen eines nächsten Nukleotids = die DNA-Synthese bricht ab PROTEINBIOSYNTHESE Gen (Basensequenz) Protein (Aminosäure-sequenz) umsetzung der Basensequenz der DNA in die AS-Sequenz eines Proteins erfolgt in den Ribosomen des Zellplasmas > die DNA befindet sich im Zellkern → die Information muss den Zellkern verlassen Transkription im Zellkem GEN mRNA Translation im Zellplasma PROTEIN Transportmolekül: m-RNA Transkription: = Übertragung der genetischen Information der DNA auf RNA-Information 1) Öffnung des DNA-Doppelstrangs durch RNA-Polymerase (löst wasserstoffbrücken auf) 2) Anlagerung komplementarer RNA-Nukleotide an die freien Basen des codogenen Stranges der DNA (3→ 5) mit Adenin paart sich uracil statt Thymin 3) wenn RNA-Polymerase Stoppstelle (Terminator) am Ende des Gens erreicht, löst sie sich von DNA und gibt m-RNA frei. (4) Praperation und Auswandern der mRNA aus dem Kern durch die Kernporen ins Cytoplasma) gilt nur bei Eukaryonten AUG- Startcodon = Translation Übersetzung der RNA-Information in die Aminosauresequenz eines Polypeptids 1) Ribosom heftet sich an 5'-Ende der mRNA an (startcodon AUG oder GUG) und wandert in 5'→3' Richtung über die mRNA 2) An die Basentripletts (Codons) lagern sich tRNA Moleküle mit dem entsprechenden Anticodon (komplementäres Basentriplett in der tRNA Struktur) an →→ jede tRNA hat eine dazu passende Aminosäure gebunden 5) An das neue im Ribosom liegende Codon, wird passende +RNA angelagert usw. bis Stoppcodon (zB UAA) erreicht ist 6) Fertige Polypeptidkette (Protein) wird freigesetzt, Ribosom löst sich 7) Im Cytoplasma kommt es zur, Neubeladung" der tRNA Moleküle mit spezifischen Aminosäuren Der genetische Code: = Regeln aufgrund derer die DNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird > bestimmte Abfolge von drei Basen kodiert für eine bestimmte Aminosäure → 2.B AGG = Argon > universal und gilt für alle Lebewesen > Code ist eindeutig →→ Codon codiert stets nur eine einzige Aminosäure > Code ist degeneriert →→Fast alle Aminosäuren werden von mehreren Tripletts codiert UAA, UAG, UGA = Stopcodons 3) wenn im Inneren eines Ribosoms (A und P Stelle) zwei +RNAs mit ihren Anticodons andie Codons angelagert sind, werden die transportierten Aminosäuren durch eine Peptidbindung verbunden 4) Ribosom rutscht um ein Codon in 3'-Richtung weiter. Dem 5'Ende nähere tRNA gibt ihre Aminosäure ab und wird freigesetzt start Met de Arg Thr Replication Gin 3₁ His Ain Ser A Pro AGUCAG Arg A C U AG G CU C Val GU RNA Leu UGA UGA SCHOUCHOSUNCUENTRO stop Ala A stop G U Asp 156010 shutterstock.com 339833039 PROTEIN Glu Ser Gly Leu Eukaryonten Mosaikgene enthalten Exons und Introns. Exons codierende DNA Segmente Introns nichtcodierende DNA Segmente > Transkription im Kern, Translation im Cytoplasma = > Translation beginnt nach Abschluss der Transkription > prā- mRNA wird durch Spleißen, Capping und Anheften des Polyschwanzes Prozessiert > DNA enthält Stūtzproteine (Histone) > 80S Ribosomen bestehen aus 605 und 40s Untereinheiten DNA Bestimmte Gene werden bei Bedarf an- oder abgeschaltet Spleißen: Introns werden aus der prā- mRNA herausgeschnitten Regulatorgen Exons werden zu einer zusammenhängenden mRNA verknüpft Capping: Cap Struktur (am N7-Atom methylierter 7-Guanylrest) an 5'-Ende geheftet Anheften eines Poly (A)-Schwanz (Sequenz von bis zu 250 Adeninnukleotiden) am 3¹-Ende GENREGULATION Genprodukt: Repressorprotein Prokaryonten > Gene enthalten nur codierende Sequenzen Promotor > Transkription und Translation im Cytoplasma > Translation beginnt bevor Transkription beendet ist > mRNA wird ohne Modifizierung translatiert Startstelle für RNA-Polymerase > DNA enthält keine Histone > 705 Ribosomen bestehen aus 505 und 30s Untereinheiten Operon Operator Strukturgene = proteincodierende Gene Enzymproteine als Genprodukte Bindestelle für das Repressorprotein Genregulation durch Substratinduktion: >Repressorprotein wird durch ein Substrat (Induktor) inaktiviert → löst Transkription entsprechender Strukturgene aus > Induktion = Anschalten eines Gens durch die Anwesenheit eines Effektors > Bsp: Laktoseabbau durch E.coli Genregulation durch Endprodukthemmung: > Repressorprotein wird durch das Endprodukt aktiviert → Blockierung der Transkription > Repression = Abschalten eines Gens durch Anwesenheit eines Effektors

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die jeweils mit Nukleotiden zu zwei Doppelsträngen ergänzt werden →die Hälfte (semi") der Ausgangs-DNA bleibt erhalten („, konserviert") > Beweis von Meselson und Stahl جا Helikase Ablauf: 1) Entspiralisieren und Öffnen des DNA Doppelstrangs > Enzym Helicase entspiralisiert die Doppelhelix und trennt die beiden Stränge unter Verwendung von ATP Replikationsgabel > Proteine lagern sich an die getrennten Abschnitte an → verhindern die erneute Bindung Ergänzen des Einzelstrangs mit dem 5'- Ende > DNA-Polymerase kann Nukleotide nur in 5'>3' Richtung verknüpfen → DNA Neusynthese am zweiten Einzelstrang (5'-Ende) diskontinuierlich > DNA-Polymerase muss von der Replikationsgabel weg verknüpfen Eukaryoten > DNA dichter mit Proteinen verpackt muss erst aufgelockert werden komplexere Genome ↳ erfordert mehr Replikations ursprünge > langsamer (5-100 Nukleotide pro sek) > Primase an Polymerase & gebunden XXXXX 2) Ergänzen des Einzelstrangs mit dem 3'-Ende > Enzym Primase synthetisiert einen sogenannten Primer am DNA-Einzelstrang → Startsequenz > Anbau von Nukleotiden durch DNA-Polymerase in 5'+3' Richtung (kontinuierliche Replikation) > Genome aus linearen DNA-Molekülen es entstehen nur kurze Stücke neu synthetisierter DNA → Okazaki Fragmente > Lücken zwischen den Fragmenten werden von der DNA-Ligase zu einem durchgehenden Strang verbunden Vergleich Eukaryoten und Prokaryoten am Ende Telomere (Sequenzwiederhol- ungen) zum Schutz vor Erbmaterial- verlust Notwendigkeit: > lebende, funktionierende Zelle braucht komplette Erbinformation DNA muss verdoppelt werden > aus Ein-Chromatid Chromosomen werden Zwei-Chromatid- Chromosomen gebildet = Replikation Prinzip: > Komplementarität der Basen → zweite Hälfte ergänzt sich > Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren lassen sich leicht nach Reißverschlussprinzip trennen جا Prokaryoten Replikationsfehler: Häufigkeit: 1zu 107 Nukleotide >durch Einwirkungen von außen Bindungen anfällig für spontane Veränderungen Ź DNA-Polymerase hat Korrekturlesefunktion → bei Einbau eines falschen Moleküls dient sie als Exonuclease → Trennung des Nucleotids > nachträgliche Fehler werden durch Reparatur- enzyme beseitigt > Genome in kleiner, zirkulärer Form nur ein Replikationsursprung > schneller (1000 Nukleotide pro Sekunde) > definierter DNA-Abschnitt, der das Ende der DNA-Verdopplung einläutet ANALYSE der DNA PCR-Polymerase-Kettenreaktion > Verfahren zur beliebigen Replikation von DNA-Stücken außerhalb einer Zelle, ausgehend von einem einzelnen intakten DNA-Molekül > die Vorgänge sind der natürlichen Replikation sehr ähnlich 1) Trennen-Denaturierung der DNA (Erhitzen) 2) Koppeln = Annealing (Anlagerung der Primer) 3) Elongation Strang verlängerung >möglich durch Entdeckung und Verwendung der hitzebeständigen Tag-Polymerase aus dem thermophilen Archaebakterium Termus aquaticus > Thermocyler steuern die Versuchsbedingungen Nukleotid 3) 5' automatisch Primer IH 3' 3' 1) 5' 3' 3' 3' 2) I[ 5 5₁ 3' 5' Gelelektrophorese dient der Auftrennung von Makromolekülen bzw. unterschiedlich großen Bruchstücken von Proteinen oder Nukleinsäuren > Grundlage: Moleküle wandern, entsprechend ihrer Größe und Ladung in einem elektr. Feld, gerichtet und unterschiedlich schnell DNA-Sequenzierung > dient der Bestimmung der Nucleotidabfolge Bsp: Kettenabbruchmethode: > DNA wird durch Denaturierung in Einzelstränge gespalten nach Sanger > die einzelstrangige DNA wird auf vier Ansätze verteilt > der Einzelstrang wird mit einem radioaktiv markierten Primer hybridisiert > in jedem Ansatz befinden sich neben DNA und Polymerase die vier Nukleotide + jeweils ein Abbruch-Nukleotid Abbruch Nukleotide verhindem das Anfügen eines nächsten Nukleotids = die DNA-Synthese bricht ab PROTEINBIOSYNTHESE Gen (Basensequenz) Protein (Aminosäure-sequenz) umsetzung der Basensequenz der DNA in die AS-Sequenz eines Proteins erfolgt in den Ribosomen des Zellplasmas > die DNA befindet sich im Zellkern → die Information muss den Zellkern verlassen Transkription im Zellkem GEN mRNA Translation im Zellplasma PROTEIN Transportmolekül: m-RNA Transkription: = Übertragung der genetischen Information der DNA auf RNA-Information 1) Öffnung des DNA-Doppelstrangs durch RNA-Polymerase (löst wasserstoffbrücken auf) 2) Anlagerung komplementarer RNA-Nukleotide an die freien Basen des codogenen Stranges der DNA (3→ 5) mit Adenin paart sich uracil statt Thymin 3) wenn RNA-Polymerase Stoppstelle (Terminator) am Ende des Gens erreicht, löst sie sich von DNA und gibt m-RNA frei. (4) Praperation und Auswandern der mRNA aus dem Kern durch die Kernporen ins Cytoplasma) gilt nur bei Eukaryonten AUG- Startcodon = Translation Übersetzung der RNA-Information in die Aminosauresequenz eines Polypeptids 1) Ribosom heftet sich an 5'-Ende der mRNA an (startcodon AUG oder GUG) und wandert in 5'→3' Richtung über die mRNA 2) An die Basentripletts (Codons) lagern sich tRNA Moleküle mit dem entsprechenden Anticodon (komplementäres Basentriplett in der tRNA Struktur) an →→ jede tRNA hat eine dazu passende Aminosäure gebunden 5) An das neue im Ribosom liegende Codon, wird passende +RNA angelagert usw. bis Stoppcodon (zB UAA) erreicht ist 6) Fertige Polypeptidkette (Protein) wird freigesetzt, Ribosom löst sich 7) Im Cytoplasma kommt es zur, Neubeladung" der tRNA Moleküle mit spezifischen Aminosäuren Der genetische Code: = Regeln aufgrund derer die DNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird > bestimmte Abfolge von drei Basen kodiert für eine bestimmte Aminosäure → 2.B AGG = Argon > universal und gilt für alle Lebewesen > Code ist eindeutig →→ Codon codiert stets nur eine einzige Aminosäure > Code ist degeneriert →→Fast alle Aminosäuren werden von mehreren Tripletts codiert UAA, UAG, UGA = Stopcodons 3) wenn im Inneren eines Ribosoms (A und P Stelle) zwei +RNAs mit ihren Anticodons andie Codons angelagert sind, werden die transportierten Aminosäuren durch eine Peptidbindung verbunden 4) Ribosom rutscht um ein Codon in 3'-Richtung weiter. Dem 5'Ende nähere tRNA gibt ihre Aminosäure ab und wird freigesetzt start Met de Arg Thr Replication Gin 3₁ His Ain Ser A Pro AGUCAG Arg A C U AG G CU C Val GU RNA Leu UGA UGA SCHOUCHOSUNCUENTRO stop Ala A stop G U Asp 156010 shutterstock.com 339833039 PROTEIN Glu Ser Gly Leu Eukaryonten Mosaikgene enthalten Exons und Introns. Exons codierende DNA Segmente Introns nichtcodierende DNA Segmente > Transkription im Kern, Translation im Cytoplasma = > Translation beginnt nach Abschluss der Transkription > prā- mRNA wird durch Spleißen, Capping und Anheften des Polyschwanzes Prozessiert > DNA enthält Stūtzproteine (Histone) > 80S Ribosomen bestehen aus 605 und 40s Untereinheiten DNA Bestimmte Gene werden bei Bedarf an- oder abgeschaltet Spleißen: Introns werden aus der prā- mRNA herausgeschnitten Regulatorgen Exons werden zu einer zusammenhängenden mRNA verknüpft Capping: Cap Struktur (am N7-Atom methylierter 7-Guanylrest) an 5'-Ende geheftet Anheften eines Poly (A)-Schwanz (Sequenz von bis zu 250 Adeninnukleotiden) am 3¹-Ende GENREGULATION Genprodukt: Repressorprotein Prokaryonten > Gene enthalten nur codierende Sequenzen Promotor > Transkription und Translation im Cytoplasma > Translation beginnt bevor Transkription beendet ist > mRNA wird ohne Modifizierung translatiert Startstelle für RNA-Polymerase > DNA enthält keine Histone > 705 Ribosomen bestehen aus 505 und 30s Untereinheiten Operon Operator Strukturgene = proteincodierende Gene Enzymproteine als Genprodukte Bindestelle für das Repressorprotein Genregulation durch Substratinduktion: >Repressorprotein wird durch ein Substrat (Induktor) inaktiviert → löst Transkription entsprechender Strukturgene aus > Induktion = Anschalten eines Gens durch die Anwesenheit eines Effektors > Bsp: Laktoseabbau durch E.coli Genregulation durch Endprodukthemmung: > Repressorprotein wird durch das Endprodukt aktiviert → Blockierung der Transkription > Repression = Abschalten eines Gens durch Anwesenheit eines Effektors