Q1 Genetik

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Steuerung der Genaktivität Steuerung der Genaktivität in verschiedenen Entwicklungsphasen und Lebewesen (Prinzip) Homeobox-Gene Evolutionsaspekt: epigenetische Modifikation (Prinzip, DNA-Methylierung) Krebs: unkontrollierte Zellteilung, Tumor, Metastase Telomere und Zellalterung Aufbau & Replikation der DNA: Watson-Crick-Modell (Schema), Nukleotide, semonservative Replikation, kontinuierliche & diskontinuierliche Replikation' (Schema) DNA - Doppelhelix, da über Basenpaare zwei gegenläufige Nucleotidstränge zu einem Doppelstrang verbunden sind - Modell wurde von Watson & Crick konstruiert - die Stränge werden durch abwechselnde Zucker & Phosphatmoleküle gebildet - umrahmenden Bänder an der Seite = Zucker-Phosphat-Rückgrat = Kombination aus allem = Nucleotide - Bestandteil Nucleotid: Base, Zucker, Phosphat - sprossen dieser stränge bestehen aus Basenpaaren Purinbase: Adenin & Guanin - Pyrimidinbase : Cytosin & Thymin - Adenin + Thymin = 2 Wasserstoffbrücken - Guanin + Cytosin = 3 Wasserstoffbrücken - komplementäre Basen stehen sich gegenüber - Reihenfolge der Basen / Basensequenz, verschlüsselt die Erbinformation - beide stränge laufen in entgegengesetzte Richtungen = antiparallel - dem 5'-Ende steht ein 3´-Ende gegenüber & andersrum genauso - am 3'- Ende des Zucker wird immer das nächste Nucleotid angeknüpft 8 Komplementäre Basen stehen sich gegenüber Nucleotid = Zucker, Base, Phosphat Adenin + Thymin 2-Wasserstoffbrücken Cytosin + Guanin 3-Wasserstoffbrücken 9 Stränge verlaufen antiparallel 5 Purinbase (Adenin, Guanin) 10 Reihenfolge d. Basen verschlüsselt RNA DNA Pyrimidinbase (Cytosin, Thymin) 3' 5' 3' 5' 11 5' Ende steht ein 3' Ende gegenüber Nitrogenous bases: Adenine Thymine Guanine Cytosine Base pair Sugar- phosphate backbone Doppelhelix 3 Basenpaare 2 Watson & Crick Aufbau & Replikation der DNA: Watson-Crick-Modell (Schema), Nukleotide, semikonservatiuve Replikation, kontinuierliche & diskontinuierliche Replikation (Schema) semikonservative Repliaktion - Enzym Topoisomerase entwindet DNA-Doppelhelix - Helicase spaltet enspiralisierten Doppelstrang der DNA zu 2 Einzelsträngen = indem Wasserstoffbrückenbindungen der gegenüberliegenden Basenpaare unter ATP-Vebruch aufgelöst werden - Primase synthetisiert an 3'-Enden Primer - nötig für Beginn der eigentliche Replikation / dient als Startpunkt - am 3'-Ende des Primer beginnt die DNA-Polymerase mit der Synthese von komplementären Basen, wodurch ein neuer DNA-Doppelstrange entsteht = die DNA-Polymerase kann nur von 5'nach 3'ablaufen = am antiparallel Strang (3-5') muss die Synthese in entgegengesetzter Richtung ablaufen = funktioniert nur wenn immer wieder neue Primer gesetzt werden, denn dadurch entstehen zwischen den Primern, einzelne synthetisierte Stücke der DNA = Okazaki-Fragmente -RNase H entfernt die RNA Primer aus der DNA & eine weiter DNA Polymerase schließt die entstandenen Lücken mit komplementären Basen - das Enzym Ligase verknüpft den diskontinuierlich-gebildeten Strang durch Esterbindungen Enzyme (Polymerase, Primase, Ligase, Helicase) Spielerin eine wichtige Rolle bei der Verdopplung der DNA = Ergebnis = zwei identische DNA Stränge = DNA-Polymerase (Pola) 3' Folge- strang 5' K DNA-Ligase 5' Okazaki-Fragment XX Leit- strang 3' Primase RNA-Primer DNA-Polymerase (Pol6) Helicase Einzelstrang- bindendes Protein lor] 5' Topoisomerase deserichtung konservative: ursprüngliche DNA bleibt in ihrer Form erhalten, es werden 2 neue Einzelstränge synthetisiert, die zusammen einen Doppelstrang bilden semikonservative: zu jeweils einem Mutterstrang wird ein neuer Tochterstrang synthetisiert, damit bleibt die DNA zur Hälfte erhalten und die andere Hälfte wird neu gebildet disperse: die Tochtermoleküle bestehen aus einer abwechselnden Mischung von alten und neu synthetisierten Strängen kontinuierliche / diskontinuierliche Replikation Folgestrang: diskontinuierliche Synthetisierung, da die Stränge antiparallel sind = Polymerase muss immer wieder neu ansetzen Leitstrang: kontinuierliche Synthetisierung, da dieser von 5'nach 3'verläuft = Polymerase setzt einmal an & synthetisiert kompletten Abschnitt Ablauf & Ort der Proteinbiosynthese : Transkription, Struktur & Funktion von mRNA, Translation bei Prokaryoten, Ribosom, ERNA, genetische Code, Code-Sonne Transkription - DNA = Bauplan für Proteine - Proteinbiosynthese : 2 Schritte = Transkription & Translation - DNA: 2 Stränge = lange kette von Nukleotiden, Phosphat, Desoxyribose, Base (Adenin,Thymin, Guanin, Cytosin, Urcail) - von einem Gen auf der DNA wird eine Kopie gemacht, die dann aus dem Zellkern raus transportiert wird - DNA befindet sich bei Eukaryoten im Zellkern, Proteinbiosynthese findet aber an den Ribosomen außerhalb des Zellkerns statt, also muss die Information der DNA nach draußen gelangen = Transkription - um eine Kopie machen zu können, muss die DNA entwunden werden, das ist die Aufgabe des Enzyms RNA-Polymerase das Enzym macht während der Transkription so ziemlich alles - löst die Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch die Stränge voneinander getrennt werden - Kopie-Vorlage (1 Strang) codogene Strang/Antisense-Strang - codiert für mRNA / mRNA komplementär zu DNA - Transkription beginnt am 3'- Ende und hört am 5'-Ende auf - Kopie die bei der Transkription entsteht = RNA/RNS/mRNA/mRNS - mRNA Strang fast wie DNA, nur anstatt Desoxyribose = Ribose - das Enzym RNA-Polymerase wandert am Antisense-Strang entlang, liest Nukleotide darauf ab, setzt ihnen ein anderes Nukleotid gegenüber - RNA-Polymerase fügt die Nukleotide nur zusammen - anderer DNA-Strang = sense-Strang 5'-3' = 5' Promoter-Start-Signal 3 Terminator-Stop-Signal vor & hinter dem Gen damit die RNA-Polymerase weiß, von wo bis wo sie die DNA kopieren soll - feste Nukleotidsequenzen - die dort liegenden Nukleotide werden nicht auf DNA kopiert - sobald die RNA komplett zusammengefügt wurde lösen sich sie und die RNA-Polymerase von der DNA - daraufhin wickelt sich die DNA wieder zusammen Struktur & Funktion von mRNA - messenger RNA - spielen bei der Produktion von Eiweißen (Proteine) im Körper eine zentrale Rolle - Baupläne dieser Proteine sind im Erbgut (DNA im Zellkern) gespeichert - dort werden sie in mRNA ungeschrieben Basenfolge / Sequenz Adenin/Uracil A+T e+g Thymin/Adenin Cytosin/Guanin Guanin/Cytosin - wenn die mRNA mit dem Bauplan für ein Protein gebildet, verlässt diese den Zellkern - außerhalb des Zellkerns lesen die Ribosomen diesen Bauplan ab und stellen das entsprechende Protein her - Ribosomen können die Informationen aber nur während einer begrenzten Zeit ablesen Ablauf & Ort der Proteinbiosynthese: Transkription, Struktur & Funktion von mRNA, Translation bei Prokaryoten, Ribosom, ERNA, genetische Code, Code-Sonne Translation - mRNA wird in Aminosäuresequenz übersetzt - man braucht Ribosomen - kleine / große Untereinheit - Ribosom nimmt die mRNA zwischen seine 2 Einheiten und wandert dann von 5'-3'an der mRNA entlang - Ribosom besitzt 3 Stellen, an der es die mRNA liest -Eingang, A-Stelle, P-Stelle, E-Stelle - eine Stelle wird immer von 3 Basen besetzt = Triplet/Codon steht für eine von 20 Aminosäuren Initiation - Translation wird durch das Startcodon AUG eingeleitet (5`) - da kommt die tRNA ins Spiel, hat 3 Schleifen (Kleeblatt) - in der mittleren Schleife befindet sich ein Anticodon, das bindet an die bestimmten Triplets der mRNA im Ribosom - auf der anderen Seite besitzt die tRNA eine Aminosäure-Anheftestelle, da sitzt die spezifische Aminosäure dran, für die das jeweilige Triplet steht - an ein Triplet / Codon der mRNA bindet also die passende, spezifische tRNA mit ihrem Anticodon Elongation - A-Stelle: bindet eine tRNA die, die Aminosäure anliefert - P-Stelle: sitzt die tRNA mit einer wachsenden Kette von Aminosäuren Polypeptidkette - E-Stelle: verlassen die tRNA 's das Ribosom wieder, ohne die Aminosäure, denn diese wurde bereits abgegeben die neue Aminosäure an der tRNA in - Polypeptidkette wird A-Stelle übertragen - wachsende Polypeptidkette hängt nicht direkt am Ribosomen, sondern an tRNA und zwar nach jeder neu hinzugefügten Aminsoäure an der jeweils Neuen = Termination - dann wandert das Ribosom ein Triplet weiter und die alte tRNA aus der P-Stelle ist jetzt in der E-Stelle und kann rausgeschmissen werden - nun kann eine neue mit ihrer Aminosäure in die A-Stelle - dieser Vorgang verläuft so oft, bis das Ribosom das Signal bekommt aufzuhören -Stopp-Codon = UAG, UGA, UAA (3¹) das Ribosom verfällt dann in seine Untereinheiten und entlässt die Polypeptidkette Ablauf & Ort der Proteinbiosynthese : Transkription, Struktur & Funktion von mRNA, Translation bei Prokaryoten, Ribosom, ERNA, genetische Code, Code-Sonne Ribosom - dort wird die mRNA in Polypeptide übersetzt (Proteine) - besteht aus rRNA und ribosomalen Proteinen - wird aus einer großen und einer kleinen Untereinheit gebildet tRNA Kleeblattstruktur D- Schleife Aminosäure- oder Akzeptor Arm Anticodon- Schleife Anbindungsstelle Aminosäure Schleife zusätzlicher Arm oder variable Schleife kleine Untereinheit -Anticodonschleife" enthält ein Anticodon der genetische Code - verschlüsselt die DNA in Basen Sequenzen zur Bildung einer Aminosäure der Code ist immer ein Triplett-Code (3 Basenpaare) = auch Codon genannt - enthält Informationen für eine Aminosäure tRNA - eine Ribonukleinsäure aus 75-95 Nucleotiden - sind schleifenförmig angeordnet - genetische code ist degeneriert = ein spezielles Codon is nur einer Aminosäure zugeschrieben -ABER eine Aminosäure kann durch verschiedene Codon gebildet werden - ist kommafrei. Schließt lückenlos auf - nicht overlapped - universell = fast alle Lebewesen besitzen denselben genetischen Code Codesonne - mit ihrer Hilfe kann man einem Basentriplett eine Aminosäure zuordnen - wird vin innen nach außen gelesen Startcodon : AUG Stopcodon : UAA, UAG, UGA Arg His C Gin G C Ser Phe G Leu Leu -oplok G Cys A C U Aminosäuren AGUCAGUCAGUCAGUCAG. CA Arp Pro Stop neu synthetisiertes Protein U große Unter- einheit G Tyr Lys Asn/ CA UG Stop G PORCUGACUGACUGACUGACCO ACU Ala mRNA Arg Ser U ให C G A tRNA O Val le Start Met »ဂရ lle POCO POCOLOCADO Thr Gly Glu Asp 4 Strukturebenen der Proteine (Schema) Primärstruktur - einfache Kette aus Aminosäuren - wird durch Peptidbindungen erreicht -Aminosäuresequenz = Abfolge der Aminosäuren - Sequenz, Anzahl der Aminosäuren, verschiedene Eigenschaften charakterisieren das Protein Sekundärstruktur - durch Wasserstoffbrückenbindungen erreicht - H-Brücken formen Kette, sodass alpha-Helix-Struktur / beta-Faltblattstruktur entsteht - welche von beiden entsteht bestimmt die Aminosäuresequenz Tertiärstruktur - spezifische räumliche Struktur, aus der die Eigenschaften /Aufgaben hervorgehen - ab dieser Struktur ist das Protein funktionsfähig -Bindungen zwischen den Resten - H-Brücken -Ionen-Bindungen bzw. - Wechselwirkungen - Disulfidbrücken - Hydrophobe Ww & VdW-Kräfte Quartiärstruktur - Zusammenhäufung /-Lagerung der Tertiärstruktur - Untereinheiten können in Wechselwirkung treten (nicht bei jedem Protein) -Bindungen / Wechselwirkungen siehe Tertiärstruktur Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur Proteinbiosynthese bei Eukaryoten: Processing - mRNA wird in Protein übersetzt - bei Eukaryoten gibt es einen Zwischenschritt = RNA-Prozessierung (1) CAPPING - mRNA bekommt Kappe - modifiziertes Guanin-Nukleotid - immer am 5'-Ende der mRNA befestigt = - Schutz vor Abbau = Zeichen für Proteinbiosynthese - so weiß die Zelle was zu tun ist (2) POLYADENYLIERUNG - mRNA bekommt Poly-A-Schwanz - Adenin-Nukloetidkette wird an mRNA angehängt = Schutz vor Abbau, verkürzt sich nach Zeit reguliert Lebensdauer = (3) EDITING - einzelne oder mehrere Basen an der mRNA werden verändert = codiert für andere Aminosäuren = vergrößert Proteinvielfalt (4) SPLICING - bestimmte Abschnitte der mRNA werden entfernt - das sind Teile eines Gens die nicht in Proteine übersetzt werden können - werden transkribiert und auf mRNA übertragen, aber nehmen nicht an Translation teil = diese Abschnitte nennt man Introns - werden beim Splicing entfernt übrig bleiben die Extrons - werden zusammengefügt & in Proteine übersetzt = = nach diesen 4 Schritten wurde aus der unreifen / primären mRNA eine reife mRNA, die in ein Protein übersetzt werden kann Schematischer Ablauf der RNA-Prozessierung DNA Transkription prä-mRNA Prozessierung Spleißen mRNA 3' XXX 5' Kappe ‚S XXIXOXOXOX Introns Exons 3' Poly-A-Schwanz Bau & Vermehrung von DNA- & RNA-Viren (Prinzip) Bau & Vermehrung von DNA & RNA-Viren - Viren sind wichtige Krankheitserreger - stäbchenförmig / kugelförmig - besitzen entweder DNA/RNA, welche von einem Capsid umhüllt sind - doppelsträngiger DNA oder einzelsträngiger RNA Strang - zur RNA gehören Retroviren, welche mit dem Enzym reverse Transkriptase sogar RNA zu DNA umwandeln kann - kein eigener Stoffwechsel - sind bei Vermehrung auf einen Wirt angewiesen (Wirt stirbt meistens) - meist Krankheitserreger - Viren sind wirtsspezifisch, also befallen einige Viren nur bestimmte Bakterien - diese nennt man Bakteriophagen - Phagen Aufbau Bakteriophage Kopf Schwanzscheide (kontraktil) Basalplatte Spikes Schwanzfasern Kragen Schwanz -RNA -Capsid 180 nm- 1 Tabakmosaik- Virus 300 nm Bau & Vermehrung von DNA- & RNA-Viren (Prinzip) Befall der Wirtszelle Lytischer Zyklus 1. Adorptionsphase: Virus dockt mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Rezeptoren der Bakterien an 2. Injektionsphase : virale Erbinformation gelangt in das Bakterium. Die Hülle der Phagen bleibt zurück 3. Latenzphase : virale Erbinformatiom übernimmt den Stoffwechsel. Das Bakterium wird zum Virus umgebaut und mit Phagen Bausteinen, wie Hüllenproteine, Phagen-DNA oder Schwanzfäden ausgestattet 4. Riefungsphase: die getrennten Phagenteile lagern sich selbstorganisiert zu einem Phagen an 5. Freisetzungsphase : das Enzym Lysozym löst die Zellwand auf und die Zelle platzt = 200 neue Phagen werden freigesetzt - sind in der Lage wieder Bakterien zu infizieren = bei diesem Vorgang wird die Wirtszelle zerstört oder „lysiert", daher lytischer Zyklus Lysogener Zyklus - virus kann nach der Injenktion in ein Bakterium, in das Wirtschromosom, integrieren und als Prophage weiterexistieren - wenn sich die Bakterienzelle teilt, wird die Erbinformation des Virus mit übertragen - durch ein Signal, wie ein taemperaturschock kann die virus DNA aus dem Bakterium Chromosom herausgelangen und vollendet die Wirtsübernahme mit dem lyrischen Zyklus Anlagerung Freisetzung Injektion lytischer Zyklus Reifungsphase Latenzphase Produktionsphase Vermehrungsphase des Prophagen lysogener Zyklus Integration der Phagen-DNA in das Bakterienchromosom (Prophage) Bau & Vermehrung von Bakterien (Schema) Bau von Bakterien - Bakterien sind Prokaryoten, kein Zellkern, er schwimmt im Cytoplasma - teilen sich sehr schnell - Bakterien besitzen ein einziges ringförmiges Chromosom = haploid einige Bakterien besitzen extrachromosomale DNA in Form von Plasmiden, welche in bestimmten Fällen für eine Antibiotikaresistenzs sorgen können - Bakterien besitzen auf ihrer Oberfläche Pilien - Vermehren sich durch Zellteilung = exponentielle / asexuelle Vermehrung Gute Bakterien menthalistisch = z.B. Erhalt der Darmflora Zellwand Kapsel Zellmembran Chromosom Schema Bakterium Schlechte Bakterien pathogen Kranheitserreger / Krankheiten, wie Syphilis, Tuberkulose, Pest, Lepra Zellplasma Plasmid Pili Geißel Rekombination der Bakterien - gewohnte Zellteilung = Replikation - Transformation = Bakterien nehmen frei DNA ständig auf & können Gene austauschen -Konjugation = einseitiger Genaustausch von Sender auf Empfänger - Voraussetzung dafür ist, dass die Spenderzelle einen Fertilitätsfaktor (F+) besitzt - Empfänger braucht diesen nicht, also F- - treffen nun zwei dieser bestimmten Bakterien aufeinander so entsteht eine Plasmabrücke - es gibt nun eine direkte Verbindung zwischen Sender & Empfänger - dieser Gasaustausch ist aktiv & findet ständig in einer Bakterienpopulation statt Regulation der Genaktivität : Operonmodell / Jacob-Monod-Modell (Schema) am Beispiel des Lac-Operons Operon-Modell - grundlegendes Modell für den Mechanismus nach dem Zellen Gene stilllegen oder aktivieren können - 1961 von Francois Jacob & Jaques Monod - sie übertrugen Bakterien in ein Medium, welches Lucose statt Glucose enthielt - stellten fest, dass Bakterien die Teilung einstellten - konnten Milchzucker nicht verwerten - nach einigen Stunden begannen sie sich zu vermehren - Gene für Lactoseabbau waren vorhanden, wurden aber erst aktiviert, nachdem Lactose statt Glucose im Nährmedium vorhanden war - die Gene für Lactose-Abbau müssen von einem gemeinsamen Steuerungselement kontrolliert werden, welches durch Lactose aktiviert wird - Operon = Einheit aus Steuerungselementen & Strukturgenen (Gene, die Enzyme codieren) - Promotor bindet RNA-Polymerase, um mit Erstellen der mRNA zu beginnen - zwischen Promotor & Genen liegt Operator - Repressor bindet und kann die Transkription verhindern - Repressor (Protein) wird von Regulatorgen außerhalb des Operons codiert - aktive Form bindet an DNA-Sequenz des Operators - verhindert RNA-Polymerase vom Promotor aus - Transkription kann beginnen - Repressor = empfängt das Signal zum An-/Abschalten der Gene des Operons - in Form eines Effektors / Moleküls, dass die Aktiviät des Repressors kontrolliert Aktivierung eines Operons durch Effektor = Enzyminduktion (lac) Inaktivierung eines Operons durch Effektor = Enzymrepression (trp) Regulatorgen mRNA aktiver Repressor Beispiel des Lac-Operons - Effektor Lactose-Molekül Promotor RNA- Polymerase fy Operon Die Transkription findet statt und die Enzyme der Strukturgene werden synthetisiert Laktose inaktiviert den Repressor Operator Strukturgene Regulatorgen Promotor Operator Strukturgene - bindet an Repressor, ändert Struktur und trennt sich vom Operator - RNA-Polymerase kann nun mit Transkription der Strukturgene beginnen - ausreichend mRNA erstellt? Und an Ribosomen genügend Enzyme synthetisiert, dann kann das Bakterium mit dem Abbau von Lactose beginnen Operon Genmutationen (Substitution, Deletion, Insertion, Duplikation) Definition Eine Genmutation ist eine Veränderung des Erbguts in nur einem Gen. Hat sie schädliche Auswirkungen auf den Organismus, wird sie auch als Gendefekt bezeichnet Substitution - Basen sind ausgetauscht Insertion - Basen sind eingefügt Deletion - Basen fehlen / werden herausgeschnitten Duplikation - Basen sind verdoppelt Inversion B с Deletion A D C D E A B B B с + X B D DE E Duplikation A B Transposition A C Fehlsinnmutation : wenn ein Buchtsabe verändert wird und die Aminosäure auch räumliche Struktur kann verändert werden B A B Insertion B C D B BA X C D B Rastermutation : wenn einzelne Baseball ausfallen, verschiebt sich Leseraster DNA-Tripletts codieren dann für eine andere Aminosäure Unsinnmutation: wenn Stoppcodon, weil es zum vorzeitigen Abbruch der Translation kommt Punktmutation : wenn ein Buchstabe gegen einen anderen ausgetauscht wird D B CDE Č D с с D E neutrale / stille Mutation: wenn ein Buchstabe verändert wird, aber die Aminosäure gleich bleibt Evolutionsaspekt: Auswirkungen von Genmutationen mit Folgen auf den Ebenen Phänotyp, Organismus, sowie für die Variabilität in Populationen, Antibiotikaresistenzs Auswirkungen auf der Ebene Phänotyp Äußeres Erscheinungsbild = Phänotyp - manche Mutationen wirken sich auf die Struktur und Funktion von Proteinen aus - damit wird das äußere Erscheinungsbild / Phänotyp des betroffenen Organismus beeinflusst Auswirkungen auf der Ebene Organismus Organismus Genotyp - Keimzellen sind betroffen - Schädigung des Genträgers / Genotyps liegt vor - diese wird an Nachkommen weitergegeben Auswirkungen für die Variabilität in Populationen - Mutationen sorgen für Artenvielfalt und mehr Variabilität und ist damit einer der wichtigsten Evolutionsfaktoren - Mutationen zählen zu den Evolutionsfaktoren - führt zu mehr genetischer Vielfalt Antibiotikaresistenz = am Beispiel von Penicillin - hemmt ein bakterielles Enzym, welches für den Aufbau der bakteriellen Zellwand benötigt wird = bei weiterer Teilung der Bakterienzelle wird die Zellwand instabil - Bakterium stirbt ab - Bakterienzellwände sind aus Murein aufgebaut, Penicillin blockiert das aktive Zentrum dieses Enzyms und verhindert somit die Fertigstellung der Zellwand = wirkt nur auf wachsende Bakterien, denn sonst ist die Zellwand schon vollständig ausgebildet - Penicillin wirkt nicht mehr : - Bakterien resistent gegen beta-Lactam-Antibiotika, wenn sie beta-Lactamase bilden = Wirkung des Penicillins kann deaktiviert werden, indem die beta-Lactamase an das beta-Lactam-Antibiotika bindet unwirksam (Gen zur Bildung von beta-Lactamase besitzt nur wenige Bakterienzellen) - jeder Einsatz von Antibiotika fördert die Bildung von Resistenzen = empfindliche Bakterien werden abgetötet, die resistenten überleben und vermehren sich weiter = Antibiotikaresistente Erreger treten oft dort auf, wo viel Antibiotika eingesetzt wird ( Kliniken /Landwirtschaft) - Penicillin wirkt nicht gegen menschliche Zellen: - besitzen über der Zellmembran noch eine zusätzliche äußerliche Membran = Angriff ist somit unmöglich, das es in die Ausbildung der darunter liegenden Peptidoglycanschicht eingreifen muss Multiresistenzkeime - Bakterien, welche resistent (widerstandsfähig) gegen viele / mehrere Antibiotika sind - lassen sich wer behandeln, rufen aber nicht häufiger Infektionen hervor ( sind nicht gefährlicher als andere) genetischer Fingerabdruck (Übersicht): Funktion von Restriktionsenzymen, PCR, Gelektrophorese - durch eine bestimmte STR (short tandem repeats) Methode untersucht man bestimmte Basensequenzen, welche im nicht zu codierenden Bereich liegen - diese Sequenzen besitzen eine hohe Mutationsrate und unterliegen nicht der Selektion - doch die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass zwei Personen zufällig die gleiche Anzahl an Wiederholungen an einem STR Genort haben - daher kombiniert man mehrer STR Genorte um eine Person eindeutig zu identifizieren - bei einem Vaterschaftstest z. B. nutzt man die STR Methode und schaut ob eine bestimmte Anzahl an nicht codierenden Basensequenzen vererbt wurdet Werkzeuge der Gentechnik Restriktionsenzyme - sie spalten den DNA-Doppelstarng (Endonuklease) wie eine biochemische Schere - sind hochspezifisch = nur bestimmte Teile werden gespalten - der DNA-Strang wird glatt geschnitten aber versetzt - beim überschneiden entsteht immer eine Schnittstelle, die herausragt - diese Enden neigen dazu wieder zusammen zu wachsen (StickyEnd) - nur DNA die nicht Methyliert ist wird geschnitten (mittlerweile hat die Gnetechnik eine Vielzahl an Restriktionsenzymen = aus Ecoli) - die entstandenen Sticky ends werden durch Ligase miteinander verknüpft, da die Wasserstoffbrücken sonst zu schwach sind Vektoren - der transfer von der DNA in einen fremden Organismus kann durch Vektoren / Gentaxis erfolgen - hierfür verwendet man Plasmide - ein Plasmid wird mit der DNA durch die stickyends verbunden und zu einem rekombinierten Plasmid Polymerase-Kettenreaktion / PCR - mit der PCR-Methode möchte man die DNA-Replikation imitieren - es soll nur ein bestimmter Abschnitt repliziert werden - benötigt werden: DNA-Fragmente, Nukleotide, Primer & DNA-Polymerase, Puffer - es müssen 3 Phasen nacheinander ablaufen - dieser Zyklus wiederholt sich & nach 2 Zyklen erhält man über 1 Mio. DNA-Kopien 1. Denaturierung - in einem Gerät dem Thermocykler wird die DNA erhitzt & der DNA-Doppelstrang wird getrennt & die Wasserstoffbrücken gebrochen 2. Hybridisierung - DNA wird schnell abgekühlt damit sich der Primer anlagern kann 3. Polymerisation -Polymerase synthetisiert in 5'- Richtung und Nukleotide bilden sich an den DNA-Strang - im Temepratur Optimum genetischer Fingerabdruck (Übersicht): Funktion von Restriktionsenzymen, PCR, Gelektrophorese Gelektrophorese Man versucht die Moleküle von ihrem genetischen Material zu trennen - Medium : Agarose-Gel aus polymerisierbarer Substanz, welche Taschen enthalten in die, die DNA-Proben hineingegeben werden - 2 Elektroden mit elektrische Spannung angelegt - Proben werden mit Puffer zersetzt - dieser Puffer besteht aus Glycerin - DNA ist wegen den Phosphatgruppen negativ geladen und wandert zum Pluspol - kleine Moleküle wandern schnell, große langsamer - Gel wird in Farbbad getaut um DNA Banden sichtbar zu machen Techniken : Neukombination von Genen mit molekulargenetischen Einbringen von Fremd-DNA in Wirtszellen (Plasmide als Vektoren), Klonierung, Selektion transgener Zellen durch Markergene Einbringung fremder DNA in Wirtszelle (Plasmide als Vektoren) - der DNA Transfer kann durch Vektoren erfolge (Gentaxis) - als Vektoren werden oft Plasmide verwendet - DNA & Plasmid werden mit demselben Restriktionsenzymen behandelt - durch Verklebung der DNA-Fragmente an den sticky ends entsteht ein rekombiniertes Plasmid = das neue rekombinierte Plasmid wird in ein Bakterium eingefügt (Transformation) Klonierung - Herstellung genetisch identischer Zellen -DNA-Fragmente werden in Klonierungsvektoren eingefügt - die neue rekombinierte DNA wird nun in z.B. ein Bakterium eingeschleust Selektion transgener Zellen durch Markergene - neben dem eigentlichen Zielgen werden weitere DNA-Sequenzen in die Zelle eingebracht - hier Markergene - - diese markieren erfolgreich transformierte Gene und dienen damit der Identifikation & Selektion derjenigen Zellen, bei denen der gewünschte Gentransfer funktioniert hat Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten : Transkriptionsfaktoren (Prinzip), epigentische Modifikation durch DNA-Methylierung (Prinzip) Definition Transkriptionsfaktoren Transkriptionsfaktoren sind im allgemeinen DNA-bindende Proteine (Protein-DNA-Interaktion), die regulierend auf die Transkription eines oder mehrerer Gene einwirken. - die Transkriptionsfaktoren beeinflussen die Rate der Initiation der Transkription (Rate der mRNA-Herstellung) man unterscheidet : Allgemeine Transkriptionsfaktoren werden benötigt, damit die Transkription ablaufen kann (vgl. Transkription bei Eukaryoten) Zell- membran Steroid- hormon Kernhülle Hormon- rezeptor Hormon- Rezeptor- Komplex - irreversibel Inhibitor- DNA-Schleife Protein DNA ,,Klassische Genetik" - Veränderung der Basensequenz - „Mutation" Spezielle Transkriptionsfaktoren entscheiden mit darüber welche Gene transkribiert werden sollen. Sie binden an spezifische DNA-Regionen, Enhancer / Silencer. Wirkt der Enhancer = erfolgt eine verstärkte Transkription. Wirkt der Silencer senkt dies die Transkriptionsrate maananna maaaaaaaaaaaaa 5 Enhancer Genaktivierung RNA-Polymerase TATA-Box inaktives Gen Promotor epigenetische Modifikation durch DNA-Methylierung - „Anheften" von Methylgruppen - sträkerer Anziehung zwischen DNA & Histonen - dadurch Verdichtung des Chromatins (Heterochromatin) - dies wirkt sich negativ auf die Transkription / Genexpression aus - bis hin zur totalen Stummschaltung des Gens Startstelle der Transkription- aktivierter Enhancer wax Promotorkomplex xxxxxxxxxxxx Unterschied (klassische) Genetik, Epigenetik, Genregulation Genregulation -Basensequenz wird nicht verändert, sondern nur die Genaktivität -reversibel (kurzfristig) - kurzfristige Regulation (Wechselspiel mit Umweltfaktoren) Exon Intron Exon Prozessierung prä-mRNA mRNA allgemeine aktiviertes Transkripti- Gen onsfaktoren. Gen- produkt Epigenetik - Basensequenz wird nicht verändert, sondern nur das Aktivitätsprofil - i.d.R reversibel (dauerhaft) - langfristige/ dauerhafte Regulation (Wechselspiel mit Umweltfaktoren) Evolutionsaspekt : epigenetische Modifikation (Prinzip, DNA-Methylierung) Epigenetik - es geht nicht um Mutationen, sondern um die Frage, welche Faktoren die Aktivität des Gens & damit die Entwicklung der Zelle (dauerhaft) festlegen und ob bestimmte Festlegungen an die Folgegeneration vererbt werden erfolgt die Veränderung der Genaktivität schnell reversibel /kurzfristig = Genregulation Allgemein: - „über den Genen" = „EPI-Genetik" - Veränderung / Vererbung OHNE Veränderungen des Erbguts - keine mutation als Ursache - Veränderung = prinzipiell reversibel, jedoch dauerhaft / lebenslang - verändern nicht die Basenabfolge der DNA (Sequenz), sondern die chemische Struktur der DNA-Basen & die Verpackung der DNA - wichtigsten epigenetischen Modifikationen sind DNA-Methylierung & Histonmodifikation Erbgänge: monohybrid, autosomal, gonosomal, dominant-rezessiv, einschließlich Analyse von Stammbäumen 99 Gg 99 autosomal : gonosomal : (x-chromosomal) rezessiv 99 99 = Merkmal tritt nicht in jeder Generation auf gleichermaßen kranke Eltern haben immer kranke Kinder gesunde Eltern können ein krankes Kind haben überwiegend (wenn nur der Vater krank ist, werden Söhne gesund) ↓ XY XY gg G9 dominant autosomal : 99 = Merkmal tritt in jeder Generation auf gonosomal : q gesunde Eltern haben immer gesunde Kinder ↓ kranke Eltern können gesunde Kinder haben gleichermaßen überwiegend (gesunde Eltern haben weniger kranke Töchter) *** ху Erbgänge : monohybrid, autosomal, gonosomal, dominant-rezessiv, einschließlich Analyse von Stammbäumen Glossar monohybrid : von Eltern abstammend, die sich nur in einem Merkmal unterscheiden Kondukteur: Träger/in Allel: ein Allel ist eine Genvariante bzw. eine mögliche Ausprägungsform des Gens homozygot: es liegt 2 mal das gleiche Allel vor heterozygot: es liegen 2 unterschiedliche Allele vor dominant: das Allel dominiert über das rezessive Gen und setzt sich im Phänotyp durch rezessiv: das Allel setzt sich nicht durch und wird nur im äußerlichen Erscheinungsbild sichtbar, wenn kein dominantes Allel vorliegt Phänotyp: äußeres Erscheinungsbild Genotyp: betrachtet die Allele bzw. das genetische Erscheinungsbild unabhängig des Phänotyps y-chromosomal : nur Männer sind krank gonosomal : ist meist eine Frau die Konduktorin Stammbaumanalyse - Entwicklung (alles fachliche was einem dazu einfällt) - Hypothese = Es kommt dazu / nicht dazu, weil... pränatale Diagnostik (Prinzip) und verantwortungsbewusste Beratung an einem Beispiel pränatale Diagnostik - durch die genetische Beratung möchte man werdende Eltern über Risiken informieren -Beratung muss freiwillig sein - vor der Diagnostik muss eine volle Beratung erfolgen - die Entscheidung über einen Schwangerschaftsabbruch / Fortsetzung bei krankhaftem Befund liegt allein bei den Eltern Indikation - eine Beratung wird empfohlen wenn: - Eltern von einer Krankheit betroffen sind - in der Familie der Eltern eine Krankheit vorkam - gesunde Eltern bereits ein krankes Kind haben Eltern ein hohes Alter haben - Verwandtenehe - schädliche Umwelteinflüsse während der Ehe Diagnostik - man beginnt mit nicht invasive Methoden (Ultraschall, Blutabnahme) - nicht invasive Methoden geben Aufschluss über : Stoffwechselprodukte - invasive Methoden zeigen Aussagen über Stoffwechsel / Chromosomenstörungen des Kindes mögliche Methoden der pränatalen Diagnostik - Fruchtwasserpunktion Chorionzottenpunktion - Nabelschnurpunktion Krebs Mutation an Protonen-Onkogenen & Tumor-Supressorgenen als Ursache von Krebs Definition Krebs Krebs ist die unkontrollierte Teilung von Zellen, ohne Differenzierung. Als Folge entstehen (bösartige) Tumore. Definition Mutation Eine mutation ist eine spontane (natürlich vorkommende) oder durch Mutagene entstandene dauerhafte Veränderung des Erbguts bzw. der DNA-Sequenz. Wie entsteht Krebs? Proto-Onkogen fördern im gesunden & kontrollierten Naße die Zellteilung Tumorsupressorgen durch Mutationen können Onkogene entstehen mutierte Tumorsupressorgene können den Zellzyklus bzw. das Zellwachstum nicht mehr gesund regulieren Tumorsupressorgene bremsen die Zellteilung, sodass der Zellzyklus nur im gesunden Maß abläuft Onkogen Definition Tumor - krankhafte Schwellung eines Organs - Gewebswucherung infolge krankhafter übermäßiger Zellvermehrung Onkogene fördern unkontrollierte Zellteilung Krebs Unkontrolliertes Zellwachstum (Gestörter Zellzyklus) Definition Metastase - Zellabsiedelungen eines malignen Tumors (maligne-bösartig) - können in anderer Organe oder auch in das gleiche organ erfolgen -Absiedlung des Tumors & der Befall eines Organs = Metastasierung / Streuung toti- & pluripotente Stammzellen am Beispiel embryonaler & adulter Stammzellen totipotente Stammzellen besitzen die Eigenschaft ein eigener Organismus zu werden pluripotente Stammzellen können alle Zelltypen aber keinen vollständigen Organismus hervorbringen adulte Stammzellen Erneuerung & Heilung im Körper embryonale Stammzellen kommen nur im Labor vor Embryo wird dabei zerstört (pluripotent) Methode der Präimplantationsdiagnostik an einem Beispiel & ethische Herausforderungen - die PID fasst die Untersuchungen zusammen, welche herausstellen ob ein Embryo eine bestimmte Krankheit hat oder nicht - es können etliche unheilbare Krankheiten ermittelt werden - doch wenn aufgrund einer solchen Untersuchung ein Schwangerschaftsabbruch stattfindet stellt sich die ethische Frage: ab wann ist ein Mensch, ein Mensch und ist Abtreibung Mord? - man hat Angst, dass der Prozess weiter verläuft und man eines Tages Designer Babys züchten kann - aber eine PDI kann Eltern die Angst vor einem kranken Kind nehmen & Sicherheit schaffen - außerdem kann eine Abtreibung zu einem späteren Zeitpunkt vermieden werden, wenn dem Kind schon möglicherweise Extremitäten wachsen Gentherapie (Prinzip) CRISPR/CAS - mithilfe von CRISPR/CAS können gezielt DNA-Abschnitte herausgeschnitten & verändert werden - Gene können eingefügt & ausgeschnitten werden - Methode basiert auf dem Abwehrmechanismus von Bakterien gegen Viren - bei einer Infektion wird die virale DNA durch bakterielle cas-Proteine zerstört - kurze Virus-DNA Abschnitte werden in das bakterium eingefügt - bilden mit weiteren DNA-Abschnitten eine Sequenz, die sich CRISPR nennt = in der Gentechnik nutzt man CRISPR/CAS als Genschere, welche ein nicht funktionierende Gen ausschneiden soll Gentechnik: Risiken & Chancen Risiken - Ertragssteigerung - Widerstandsfähigkeit - liefert Pflanzen für Problemstandorte - Reduzierung des Pestizideinsatzes - bessere medizinische Versorgung - können umweltfreundlich gestaltet werden - Mittel gegen Hunger & Armut - neue Arbeitsplätze - Reduzierung Allergierisiko - beschleunigt Züchtung Chancen - gentechnisch veränderte Organismen können sich ungewollt/ unkontrolliert ausbreiten - bergen Gefahr von gesundheitlichen Risiken - gentechnisch erzeugte Konstrukte sind instabil - fördert monopolistische Strukturen - unterliegen dem Patentrechte - Tierversuche - unklare Auswirkungen auf Ökosysteme - mehr Giftstoffe - skeptische Bevölkerung - Gentherapien fordern auch menschliche Opfer - ethische Aspekte - Auskreuzung von natürlichen Pflanzen ein Beispiel für biotechnologische Herstellung von Medikamenten Steuerung der Genaktivität in verschiedenen Entwicklungsphasen und Lebewesen (Prinzip) Homeobox-Gene Telomere & Zellalterung Telomer Centromer Chromosomenarm DNA Telomerase-RNA Chromosom Replikationsproblem an Chromosomenenden -3'Ende Anknüpfungspunkt am Folgestrang nicht mehr vorhanden = so wird dieses kleine Stück nicht repliziert - Chromosomen werden an Telomeren kürzer - Zelle altert so genetisch durch die Replikation die Telomerase - Keimzellen (Ei-&Spermienzellen) weisen eine Aktivität des Enzyms Telomerase auf - dieses Enzym ist auch bei Stammzellen aktiv - dieses kann aus einem Einzelstrang wieder einen Doppelstrang herstellen & den Verlust kompensieren Telomerase-Protein CCCCAACCCC CAPAC TTGGGGTT Elongation Chromatid 5 3 DNA-Nucleotide Kinetochor ооо 5 CCCAACCCC TTCCCCTTCCCC Translokation 5 Telomere & Zellalterung Verkürzung der Telomere durch die Replikation 1: Replikationsblase wandert zum Ende des Chromosoms, Telomer II: DNA-Polymerase kann nur an 3'-Ende neue Nukleotide anknüpfen, daher ist es nicht möglich, dass die Länge des letzten Primers repliziert wird III: nach Entfernen & Ersetzen der Primer und Verknüpfung durch Ligase bleibt die Länge des letzten Primers einzelsträngig. DNA verkürzt sich bei jeder Replikation. Ist die Verkürzung kritisch bzgl. codierenden Bereiche, so erfolgt keine Replikation mehr. Die Zelle teilt sich also nicht mehr. Was passiert mit dem einzelsträngigen Rest? IV: überlappt mit und geht mit sich selbst Bindungen ein, sodass es zu keiner Verbindung mit anderen Chromosomen kommt. So verkleben die Chromosomen nicht. I ( =) IV Replikationsblase, wandert- DNA Leitstrang Folgestrang ↓ ↓ → Primer Ende Chromosom (Telomer) 5' 3¹ 5' 3' 5 3'