Q1 Genetik

Alternativer Bildtext:

Komplementäre Basen, die nach innen gerichtet sind, können auf Grund der Antiparallelität binden - Komplementäre Basen ziehen sich auf Grund ihrer Ladungsverteilungen an -> stabiler Aufbau DNA ist durch zwei Vertiefungen gekennzeichnet: kleine und große Furche, dort binden Histone - 5'-Ende große Furche T C ⠀ *** -3'-Ende T kleine Furche 밴 5' Mechanismen der DNA-Replikation Semikonservativ || Molekularer Mechanismus der DNA-Replikation (Bei Prokaryoten mit ringförmigem Chromosom) 5' || 3' Konservativ Initiationsphase: -Startpunkt: Replikationsursprung / Origin -DNA wird durch Enzym Topoisomerase entspiralisiert (löst Torsionspannung) -Enzym Helicase spaltet die WBB zwischen den Basen unter Verbrauch von ATP -> Replikationsblase mit zwei Replikationsgabeln entsteht (Replikation in 2 Richtungen) -SSB-Proteine binden an die Einzelstränge (verhindern das Wiederbinden der Basen) -RNA-Polymerase / Primase synthetisiert RNA-Primer (Startmolekül aus RNA Nukleotiden) -Primer wird am 3' Ende angebracht Elongationsphase: Kontinuierliche Replikation -DNA-Polymerase heftet an das 3'-Ende des Primer komplementäre Nukleotide an und synthetisiert den Leitstrang (5'-3') -lediglich ein Primer wird benötigt -DNA-Polymerase und Helicase arbeiten in die selbe Richtung Primer Leitstrang 00000000000 Dispersiv Mutterstrang 3' Durch das Meleson-Stahl-Experiment bestätigt sich die semikonservative Replikation: -DNA teilt sich in Einzelstränge - Komplementäre Strang wird neu synthetisiert 5* Termination -RNAse baut die Primer ab -DNA-Polymerase I ersetzt die RNA-Nukleotide durch DNA-Nukleotide -Enzym Ligase verknüpft Okazaki Fragmente Diskontinuierliche Replikation ! DNA-Polymerase kann nur von 5'-3' synthetisieren -Replikation des Folgestrangs kann nur stückweise erfolgen -> Entstehung der Okazaki-Fragmente 3 Okazaki-Fragment 5' VV 5' Folgestrang 00000000000 Primer 3' Mutterstrang ᏤᏤᏤᏤ Primer 5₁ 3' DNA-Polymerase (Pola), 3′ Folge- strang K 5' 5' DNA-Ligase Okazaki-Fragment Leit- strang 3' Primase RNA-Primer DNA-Polymerase (Pol8) Helicase for 3′ Topoisomerase Die Proteinbiosynthese Transkription -> Informationen eines DNA-Abschnittes werden in einen Botenstoff (mRNA) umgeschrieben -> bei Prokaryoten im Cytoplasma und bei Eukaryoten im Zellkern Initiationsphase: -RNA-Polymerase erkennt spezifische Basensequenz, den Promotor, als Bindestelle -DNA wir ab der Bindung der RNA-Polymerase an das Startcodon durch Topoisomerase und Helicase blasenartig geöffnet (hinter Promoterregion) -> Transkriptionsauge öffnet sich Elongationsphase: -Information des Gens ist lediglich im Matrizenstrang/ codogenem Strang enthalten -RNA-Polymerase synthetisiert komplementär aus Nukleosid-Triphosphaten mRNA (5'-3') -Nukleosid-Triphosphate stellen nötige Energie bereit, indem sie Biosphate abspalten -> DNA-RNA-Hybrid Terminationsphase: -Terminationsregion wird erreicht: Stoppcodon wird von RNA-Polymerase abgelesen -Polymerase löst sich von der DNA und DNA ,,schließt" sich -mRNA-Strang wird freigesetzt 3 DNA codogener Strang G m-RNA A Aga 5' RNA-Polymerase OPP ANA mRNA (messanger RNA) -zuständig für den Transport -enthält Informationen über bestimmte Gene der DNA-> Botenstoff UNEL 3 Der genetische Code Regeln, wie die Basen der mRNA in Aminosäuren übersetzt werden (wird von mRNA stets in 5'-3'-Richtung angeben) Grundlage dafür sind die Basentripletts / Codons er ist universell: gültig für alle Lebewesen er ist eindeutig: jedes Triplett codiert nur eine Aminosäure er ist degeneriert: alle Aminosäuren werden durch mehrere Tripletts codiert er ist kommafrei: Codons schließen lückenlos aneinander er ist nicht überlappend: eine Base ist immer nur Bestandteil eines Codons ● ● ● U CA G Y UGU Cys C UGC Cys C UGA Stopp* UGG Trp W HCGU Arg R HCGC Arg R UUU Phe FUCU Ser SUAU Tyr U UUC Phe F UCC Ser S UAC Tyr Y UUA Leu L UCA Ser S UAA Stopp* UUG Leu LUCG Ser S UAG Stopp CUU Leu L CCU Pro P CAU His CUC Leu L CCC Pro P CAC His CUA Leu L ICCA Pro P CAA Gln CUG Leu L CCG Pro P CAG Gln AUU Ile I ACU Thr T AAU Asn A AUC Ile I ACC Thr TAAC Asn AUA Ile I ACA Thr T AAA Lys AUG Start MACG Thr T AAG Lys K AGG Arg R GUU Val V GCU Ala A GAU Asp D GGU Gly G G GUC Val V GCC Ala A GAC Asp D GGC Gly G GUA Val V GCA Ala A GAA Glu EGGA Gly G GUG Val V GCG Ala A GAG Glu EGGG Gly G QCGA Arg R QCGG Arg R NAGU Ser S U NAGC Ser S K AGA Arg R U 107004 GUCAGUCAGOCAGNCE Ala A Val C IG Arg A 2. Nicht-Codogener Strang der DNA (5'-3') gegeben -> Thymin muss durch Uracil ersetzt werden C Ser U Lys Asp GP ASN Glu U G 3 с A Gly Thr с GACU Start/ Phe Leu GU A C ACU Met lle UGA Wenn keine mRNA Sequenzen vorliegt: 1. Codogener Strang der DNA (3’-5') gegeben -> Basen müssen ,,umgewandelt“ werden Adenin->Uracil, Thymin->Adenin, Guanin->Cytosin, Cytosin->Guanin C Arg A Ser G 3/0 с U GIN His Tyr Wird von innen nach außen gelesen! 8 Kettenende Kettenende Cys Kettenende Trp Leu Translation -> charakteristisches Proteinmuster entsteht (im Cytoplasma) Grundlagen: tRNA Aufbau -Ribonukleinsäure, die aus 75-95 Nukleotiden besteht -> schleifenförmig angeordnet -,,am Boden der Kleeblattstruktur befindet sich die Anticodonschleife -> Basentriplett, welches an Komplementäres Codon der mRNA bindet Funktion -transportiert Aminosäure zu den Ribosomem und verknüpft dort die Aminosäuren Synthese -tRNA-Synthetasen mit zwei spezifischen Bindungsstellen: -Aminosäuren (wird an ihrem Rest erkannt) -Anticodon bindet nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip -> tRNA-Synthetase erkennt das Anticodon und heftet die passende Aminosäure an das 3'-Ende der tRNA Ribosomen Aufbau -bestehen aus einer großen (60s) und kleinen Untereinheit (40s) -zu 2/3 aus Proteinen und zu 1/3 aus rRNA aufgebaut -Bindungsstelle für mRNA -drei Bindungstellen für tRNA: A-Stelle (Aminocyl): Ribsomeingang P-Stelle (Polypeptid): wachsende Polypeptidkette E-Stelle (Exit): entladene tRNA verlässt Ribosom Acceptor Arm D Arm Anticodon Arm Met 3'. HHHH Initiationsphase -mRNA bindet mit einer bestimmten Sequenz, die Ribosomenerkennungsstelle, an die kleine Untereinheit - kleine Untereinheit fährt die mRNA (von 5'-3') ab, bis sie auf ein Startcodon trifft -tRNA geht mit dem Startcodon eine Basenpaarung ein -> große Untereinheit lagert sich an die mRNA und die drei tRNA Bindungsstellen entstehen HHH Anticodon Startcodon AUG Amino Acid Variable Arm TYC Arm Elongationsphase - Start tRNA besetzt die P-Stelle (erst A-Stelle, aber Ribosom wandert unter Energieverbrauch weiter) - an A-Stelle bindet beladene tRNA ->Ribosom wandert weiter, sodass E- und P-Bindungsstellen mit tRNA beladen sind - es erfolgt die Bindung der Peptidbindung, katalysiert durch die Peptidyltransferase in der P-Stelle - Aminosäure der tRNA (P-Stelle) löst sich und bindet an die Aminosäure der tRNA ins der A-Stelle - tRNA gelangt in die E-Stelle und verlässt das Ribosom (kann jetzt neu beladen werden) Terminationsphase -> Kettenabbruch - Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) gelangt in die A-Stelle - Abbruch der Translation, da es keine passende tRNA gibt - Protein Release Factor besetzt die A-Stelle und spaltet das Polypeptid von der letzten tRNA - Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten und das Polypeptid wird freigesetzt polypeptide tRNA anticodon CGUGA ribosome peptide bond Zusammenfassend: UGC amino acid Posttranslationale Modifikation -Enstandenes polypeptid wird verändert (nur bei Eukaryoten) -> Entstehung eines funktionsfähigem Protein (Abspaltung von Aminosäuren, Ergänzung von Zucker) codon AGUCGU ACGUCA GAUC mRNA Die Proteinbiosynthese beschreibt den Prozess in einer Zelle, wenn Informationen eines Genres in ein fertiges Protein übersetzt wird. Ein Gen ist ein DNA-Bereich, der exprimitiert werden kann und dabei entweder ein Polypeptid oder ein RNA-Molekül als Endprodukt entsteht. Während der Genexpression werden die Informationen Transkription und Translation. Proteinbiosynthese bei Eukaryoten - Prä-mRNA besteht aus codierenden Exons und nicht codierenden Introns -> Mosaikgen -Prä-mRNA wird im Zellkern enzymatisch verändert mRNA-Reifung / mRNA-Prozessierung 1.Introns werden unter der Ausbildung von Lasso-Strukturen herausgeschnitten 2.Exons werden zu einer zusammenhängenden mRNA verknüpft -> Spleißen erfolgt durch katalytische Wirkung von Spleißosomen 3.Am 5'-Ende der Prä-mRNA wird eine cap-Struktur (methyliertes Guanin) aufgesetzt -> Schutz vor enzymatischem Abbau, erleichtert Anheften an das Ribosomen 4.An das 3'-Ende wird Poly-A-Schwanz angefügt (Sequenz von ca. 250 Adenin-Nukleotiden) -> erleichtert den Export der mRNA ins Cytoplasma, Schutz vor enzymatischem Abbau -reife mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernpore -cap-Struktur und Poly-A-Schwanz werden nicht translatiert DNA (codogener Strang) Transkription Prä-mRNA Spleißen, Prozessierung mRNA mRNAs Proteine Pre-mRNA ↓ 3' 5' A Kappe Alternatives Spleißen - verschiedene Bereiche der Prä-mRNA können herausgeschnitten (auch Exons) und in unterschiedlicher Weise zusammengesetzt werden -> verschiedene mRNA-Moleküle aus der selben Prä-mRNA -> ein DNA-Abschnitt kann unterschiedliche Proteine codieren, was die Vielfalt der Proteine ermöglicht Exon Intron Exon Intron Exon Alternatives Spleissen B Translation C 3' Poly-A-Schwanz ↓ ↓ 5' D E DNA-Aufbau Räumliche Organisation (Kompartimentierung) Zeitliche Organisation Genaufbau Reifung der mRNA Ribosomenaufbau Posttranslationale Modifikation Prokaryoten Die DNA ist ringförmig und enthält keine Histone. Die Transkription und Translation finden im Cytoplasma statt. Die Translation beginnt, bevor die Transkription beendet ist. Gene enthalten fast nur codierende Sequenzen. Die mRNA wird ohne Modifizierung translatiert. Die 70S-Ribosomen bestehen aus 50S- und 30S-Untereinheiten. Eine Modifikation der Polypeptide findet nicht statt. Eukaryoten Die fadenförmige DNA ist um Histone gewickelt. Die Transkription findet im Kern statt, die Translation im Cytoplasma. Die Translation beginnt nach Abschluss der Transkription. Mosaikgene enthalten Exons und Introns. Die prä-mRNA wird durch Spleißen, Capping und Anheften des Poly-A- Schwanzes prozessiert. Die 80S-Ribosomen bestehen aus 60S- und 40S-Untereinheiten. Polypeptide werden häufig nach der Translation noch modifiziert. Vier Strukturebenen von Proteinen Nach Proteinbiosynthese liegt eine Polypeptidkette frei im Cytoplasma Bevor die Polypeptidkette als Protein funktionsbereit ist, müssen Faltstrukturen ausgebildet werden ● 1. Primärstruktur -Protein als Polypeptidkette -Aminosäuren sind über Peptidbindungen verbunden (Aminogruppe einer Aminosäure reagiert unter Abspaltung von Wasser mit der Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure) 2. Sekundärstruktur -Innerhalb des Polypeptids bilden sich WBB -Alpha-Helix: stabförmige Struktur bei der die Polypeptidkette den inneren Teil des Stabes bildet und Seitenketten nach außen ragen, Stabilisierung durch intermolekulare H-Brücken -Beta-Faltblattstruktur: plattenartige Struktur 3. Tertiärstruktur -gebildet durch Wechselwirkungen der Aminosäurereste -> verleiht Protein Struktur und Funktion (funktionsfähig) 4. Quartärstruktur -verschiedene Proteinuntereinheiten können Proteinkomplexe bilden -veränderte Struktur der Aminosäureketten kann Auswirkungen auf die Funktion des Proteins haben en Pleated sheet 120 Amino Acids Alpha helix Pleated sheet Alpha helix Bau und Vermehrung von DNA und RNA-Viren Bau -Kopf: RNA oder DNA umgeben von Proteinhülle (Capsid) -Injektionsapparat: Scheide, Bodenplatte, Spikes und Schwanzfasern -Erbinformationen kann als einzel- oder doppelsträngige DNA/RNA vorliegen RNA-Viren -> Retroviren, die tier- und menschenspezifisch sind -durch Enzym reverse Transkriptase kann nach Infektionen RNA in DNA umschreiben -kein eigener Stoffwechsel und sind deshalb bei der Vermehrung auf einen Wirt angewiesen ->müssen in Zelle eindringen, um deren Synthesefähigkeiten zu nutzen (Wirtszelle ,,stirbt" dabei) -Viren, die Bakterien infizieren, werden Phagen genannt 1. 5. 2. 3. Lysogener Zyklus (passive Vermehrung) -Phagen-DNA wird nach Injektion in das Wirtschromosom integriert -wird durch jede Zellteilung des Wirts vervielfältigt ohne den Wirt zu töten -Nach Umweltbedingungen/spontan kann sich der DNA-Abschnitt herauslösen und in den lyrischen Zyklus übergehen 4. to Nukleinsäure Kragen L Spikes Schwanzhülle Basalplatte Kapside Schwanzfasern Struktur eines Bakteriophagen Vermehrung von Viren Lytischer Zyklus (T-Phagen) I.Adsorption -Phage bindet mit Schwanfaser und Spikes an die Oberflächenstruktur der Wirtszelle 2.Injektion -Phage injiziert durch Scheide ihre DNA in die Zelle 3.Latenzphase -Viren-DNA übernimmt Kontrolle über das Bakterium 4.Produktionsphase -Phagengene werden in festgelegter Reihenfolge aktiviert -Virusbausteine, wie Hüllproteine, Phagen-DNA,... werden im Zellinneren getrennt aufgebaut -Bakterienchromosom wird zerlegt 5.Reifungsphase -einzelne Bestandteile lagern sich per Self assembly zusammen -DNA wird im Kopf eingelagert und aufgewickelt -Schwanzfasern werden angeheftet 6.Freisetzung -Enzym Lysozym wird von umprogrammierten Bakterium gebildet ->Lysozym löst bakterielle Zellwand auf und viele infektiöse Phagen werden freigesetzt Gene und Gentechnik Bau von Bakterien Schleimschicht Bakterienchromosom Zellmembran be Murein- Zellwand Plasmid Pili 70 S-Ribosomen -> Rekombination Geisel • Einfachste Lebensform -> Einzeller, keinen Zellkern (Prokaryoten) • DNA liegt in Form eines Plasmidrings frei im Cytoplasma • Ringförmiges Chromosom-> Plasmid und Chromosom werden unabhängig voneinander repliziert • DNA und Zellorganellen fehlt abgrenzende Membran: Keine Kompartimentierung • Zellwand enthält Murein (besteht aus aus langen Kohlenhydratketten) . Auf der Oberfläche der Zellwand ist Pili: Kontaktaufnahme mit Bakterien Vermehrung von Bakterien • Fortpflanzung durch Zellteilung • Bakterien könne freie DNA aufnehmen (Transformation) -unabhängig davon welche Informationen darauf gespeichert sind -sind im ständigen Genaustausch DNA-Austausch zwischen Bakterien auf direktem Weg (Konjugation) -Einseitiger Austausch: einer der beiden Bakterien muss Fertilitätsfaktor besitzen (Spender), die andere nicht (Empfänger) -Faktor ist entscheidend, um Plasmabrücken/Sex-Pilus auszubilden -Fertilitätsfaktor wird über Plasmabrücke übertragen: andere Genfragmente können mitgerissen werden und so in der Empfängerzelle landen Genregulation Operonmodell/ Jacob-Monod-Modell (Schema) am Beispiel des lac-Operon Wie Gene zu bestimmten Zeitpunkten aktiviert oder gehemmt werden, wie die Aktivität der Gene also reguliert wird, haben Jacob und Monod an Bakterien erarbeitet und als Operonmodell vorgestellt. Nach diesem Modell sind einzelne Gene zu einem Operon zusammenzufassen. Dieses enthält mehrere Strukturgene mit dem Code zur Bildung des Enzyms, Regulatorgene, die die Bildung von Repressorproteinen codieren, sowie Operator- und Promotorgene, die die Strukturgene kontrollieren. Beschreibt Genregulation bei Prokaryoten Zu jedem Genabschnitt, der ein Protein codiert,gibt es ein Operon 1.Operator: Ansatzstelle für Regulatorprotein 2.Promoter: Bindungsstelle für die RNA Polymerase 3.Strukturgene: codierenden Genabschnitt, der reguliert werden soll R PO Promotor lac Z Operator Regulatorgen lac Y lac AT Strukturgene Terminator Regulatorgene: • Codiert Regulatorprotein • Informationen zur Bildung eines Repressors -> dieser bindet im aktiven Zustand (Subtratinduktion) und inaktiven Zustand (Endproduktrepression) an einen Operator und verhindert die Transkription des Strukturgens Laktose-Operon als Beispiel: Induktion: Herstellung der Enzyme, die Laktose abbauen, erfolgt erst durch das abzubauende Substrat -> Enzyme für den Laktoseabbau sorgen, sind hintereinander in Form des Strukturgen codiert (Codieren für ein Polypeptid) Regulationsmechanismus: Geringe Konzentration an Laktose 1. Regulatorgen wird transkribiert: Translationsprodukt ist das Repressorprotein ( unterdrücken) in aktiver Form 2. Hinter dem Regulatorgen befindet sich der Promoter, an den die RNA-Polymerase bindet 3. Der aktive Repressor lagert sich an den Operator 4. RNA-Polymerase kann die lac-Gene nicht mehr transkribieren: Bei aktivem repressor werden die Laktose-abbauenden Enzyn nicht hergestellt Hohe Kozentration an Laktose I. Laktose bindet an das Repressorprotein 2. Repressor verändert räumliche Struktur und ist jetzt in seiner inaktiven Form 3. Repressor kann nun nicht mehr an den Operator des Operon binden 4. RNA-Polymerase transkribiert die lac-Strukturgene: Laktose wird abgebaut (bei einer Verknappung von Laktose spaltet sich diese wieder vom Repressor ab) Die Laktose-abbauenden Enzyme werden nur dann experimentiert, wenn Laktose im Körper vorhanden ist (Substratinduktion: lac-Operon wird durch das Enzym-Substrat induziert) Regulator- Gen 5' lacI Promotor RNA- Polymerase aktiver Repressor Operator lacz es wird keine mRNA hergestellt Endproduktrepression Ziel: Aufrechterhaltung einer Konzentration eines bestimmten Stoffes Regulator ist normalerweise inaktiv, bindet nicht an den Operator, besitzt aber eine Bindestelle für Tryptophan zur Aktivierung des Proteins Wenn Operator nicht besetzt ist, wird Tryptophan gebildet Konzentration in der Zelle steigt: viele Regulatorproteine werden aktiviert, binden an den Operator und blockieren so die Strukturgene Synthese von Tryptophan wird so lange eingestellt, bis die Konzentration auf ein Minimum sinkt (Regulatorproteine lösen sich vom Operator) ● ● ● . ∞∞ trpR xXx∞∞∞∞∞∞∞XXXXX 5' 3' Tryptophan (Corepressor) RNA- Polymerase trpE XxXxXxxXxxxXxX es wird keine mRNA hergestellt aktiver Repressor Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten RNA-Polymerase 2 Transkription der Protein codierenden Gene Kann Transkription nicht selbstständig starten - Anlagerung der Polymerase an die Initiator-Region (Teil des Promoters, an dem die Transkription beginnt) durch verschiedene Transkriptionsfaktoren ● Allgemeine Transkriptionsfaktoren vor Initiator liegt TATA-Box (Region des Promoters mit viel Adenin und Thymin) TF erkennen TATA-Box und binden daran nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip -> Mutationen an der TATA-Box können die Transkriptionsrate senken Erkennen die meisten Promoter, der Protein codierenden DNA-Abschnitte Wenn alle TF angelagert sind, kann Transkription starten . ● ● ● . Mediator: . (Zu exprimierendes) Gen Spezifische Transkriptionsfaktoren Distales Promotorelement: weitere DNA-Abschnitte, die die Transkription regulieren (bis zu 20.000 Bp entfernt) Durch Schleifenbildung der DNA ist räumliche Nähe möglich Enhancer-Sequenz: Transkriptionsrate verstärkt durch Aktivatorproteine Silencer-Sequenz: Transkriptionsrate gehemmt durch Repressorproteine Enhancer oder Silencer können an Mediator andocken und so regulieren . Transkriptionsrichtung ● RNA- Polymerase (Zu exprimierendes) Gen nitiator-Region 25 (des Promotors) Basenpaare besteht aus etwa 20 Transkriptionsfaktoren (Wird selbst durch weitere TF beeinflusst) Steht in Kontakt mit RNA-Polymerase 2 Isolatorregionen: spezifisches Protein lagert sich an die Region Schützt Gen vor dem Mediator-Polymerase-Komplex Kann durch Methylierung reguliert werden (Protein kann nicht mehr binden) Transkriptionsrichtung Silencer RNA- Polymerase allgemeine Transkriptionsfaktoren. TATA-Box Enhancer Angelagerte Mediator nitiator-Region 25 (des Promotors) Basenpaare Angelagerte spezifische Transkriptionsfaktoren TATA-BOX Angelagerte allgemeine Transkriptionsfaktoren Isolatorbindendes Protein Isolator- Region Epigenetische Modifikationen durch DNA-Methylierung. enzymatisch werden Methylgruppen (CH3) an Cytosinbasen angeheftet verschiedene Proteine binden an methylierte DNA - Proteine sorgen für Repression der Transkription Häufig ist die Modifikation in der Promotorregion Veränderung der Chromatinstruktur Histon-Acetylierung Lockerung der Chromatinstruktur = Förderung der Transkription Anheftend von Acetyl an Histon-Enden Reversibel ● Histon-Methylierung Verdichtung der Chromatinstruktur = Hemmung der Transkription Reversibel Gene Histone Histone tail Histone tail Methyl group DNA inaccessible, gene inactive Acetyl group DNA accessible, gene active Imprinting: durch Methylierung wird bei bestimmten Genen das Allel eines Elternteils inaktiviert Die Genexpression wird beeinflusst, ohne dass die DNA-Sequenz verändert wird Durch Methylierung des Promotors können Gene vollständig abgeschaltet werden bzw. durch Demethylierung wieder angeschaltet werden Genmutationen Mutation: Fehler in der DNA, die ohne äußere Einflüsse (Replikationsfehler) entstehen -> Genmutation: Veränderung betrifft ein einziges Gen (Nachweisbar bei Analyse der Basensequenz) Punktmutation: Genmutation bei der nur ein Basenpaar verändert ist Substitution: Ein Basenpaar der DNA wird gegen ein anderes getauscht I. stumme/neutrale Mutation ● Mutation im nicht codierenden Bereich der DNA (Intron) oder Mutationen in Exons, die aufgrund der Redunanz des genetischen Codes in dieselbe Aminosäure übersetzt werden. Keine Auswirkung 2. Missense Mutation Mutation an erster oder zweiter Stelle eines codierenden Tripletts führt zum Einbau einer falschen Aminosäure in das Protein. Grade wenn die betreffende Aminosäure im aktiven Zentrum eines Enzyms liegt kann zu einer verringerten Aktivität führen. Auswirkungen auf Phänotyp / kaum Auswirkungen 3. Nonsense Mutation: Durch eine Punktmutation wird ein Triplett, das. Für eine Aminosäure codiert, in ein Stoppcodon umgewandelt, sodass die Translation verfrüht endet. (Polypeptid funktionslos) Insertion und Deletion Das Einfügen oder Entfernen eines Basenpaares führt zu einer Verschiebung des Leserasters aller nachfolgenden Tripletts. Rastermutation: Protein mit veränderter Aktivität -Mutation im ersten Drittel meist sehr dramatisch, im letzten Drittel unwirksamer -birgt die Gefahr einer Nonsense-Mutation Duplikation Verdopplung eines bestimmten Abschnittes eines Chromosoms. Kann zur Dauerhaften Verdopplung eines Gens oder Gengruppen führen. ● Mutagene Mutationen, die durch äußere Einflüsse entstehen ● Baumdiagramm: Mutationen Veränderung der. Information -9 Mutationsrate: 10. Lvon Generation ғu Generation 3 Mutationen Nur über Basense- quenz nachweisbar Substitution einzelne Basen er- setzt Mutationen Spontanmutationen nur ein Basen- paar verändert Deletion einzelne Basen ent- fernt finden ohne äußere Einflüsse statt Gemmutation Leseraster ver- andert aufgrund kommafreien ge- netischen Code Punktmutation Insertion einzelne Basen hin- zugefügt Rastermutation Veränderung eines einzelnen Gens Entstehen beim Kopieren der DNA Entstehung Protein mit veränderter Aktivität -Chromosomgestalt nicht Kopierfehler alle milliardensten Basen- paare лиш Stumme / neutrale Mutation) ● treten in Introns auf, können aber auch in Exons aut- treten: verändertes DNA- Triplett Redin- • aber aufgrund dont keinen Einfluss auf entstehende Aminosäure Missense- Mutation •Veränderung an erster / Zweiter stelle eines Codons falsche Aminosaire wird, in ein Enzym eingebaut Lveränderte Aktivität, außer falsche Amino- Sawe ähnliche Eigen- Schaften wie richtige Nonsense-Mutation . ・Triplett in Stopprodon umgewandelt •verflünter Abbruch der Translation L funktionsloses Paypeptid Evolutionsaspekt Auswirkung und Folgen auf Phänotyp/ Organismus und für Variabilität in Populationen entscheidende Rolle in der Evolution ● ● ● ● Antibiotikumresistenz Fähigkeit eines Bakteriums die Wirkung antibiotischer Substanzen abzumildern/ aufzuheben ● . Durch spontane Mutationen in den Zellen der Keimbahn (Spermien und Eizellen) ist es möglich, dass völlig neue Merkmale und damit Phänotypen in der Folgegeneration entstehen -Wahrscheinliche ist aber größer, dass ein ,,nutzloser" Phänotyp entsteht Hohe Anzahl an Mutationen und das evolutive Filtern bewirkt, dass sich langfristig Merkmale durchsetzen, die für den Organismus von Vorteil sind Beispiel: neuer Phänotyp ist besser vor Jägern getarnt und hat daher langfristig höhere Chancen sich durchzusetzen Enzymatische und strukturelle Abläufe sind durch Mutationen variabl und was am Ende einen Vorteil mit sich bring, das setzt sich langfristig durch (was einen Nachteil bringt, hat keinen Platz auf dem Genom) . durch zufällige Mutation entsteht ein Enzym, welches Antibiotikum strukturell verändert, sodass die Wirkung verloren geht > dieses Gen wird als Resistenzfaktor in Form eines Plasmids gespeichert (Weitergabe) Beispiel: Bakterien, die Antibiotika spalten können durch Mutationen in den Schlüsselgenen Hat ein einzelnes Bakterium diese Fähigkeit, hat es keinerlei Überlebensvorteil - erst wenn Antibiotikum hinzugefügt wird, sterben andere Bakterien, die nicht resistent sind, ab und einzelnes resistentes Bakterium hat mehr Nährstoffe für sich und kann sich teilen Bakterienklone sind alle resistent gegen das spezifische Antibiotikum Antibiotikum löst nicht Resistenz aus, aber stellt den nötigen Selektionsdruck dar, damit eine spontan entstandene Resistenz sinnvoll ist und sich durchsetzt Antibiotikaresistente Bakterien treten häufiger auf, wenn viel Antibiotika eingesetzt wird! 2 M 3 auf das Antibiotikum anfällige Bakterien gegen das Antibiotikum resistente Bakterien, die schon vor der Behandlung existierten während der Behandlung (durch Mutation) entstandene, resistente Bakterien Genetischer Fingerabdruck Restriktionsenzymen: Enzyme, die DNA innerhalb einer spezifischen Erkennungssequenz immer auf die gleiche Weise zerschneidet Restriktiosenzyme schneiden nur unmethylierte DNA Sequenzen sind Palindrome (liest sich vorwärmst und rückwärts gleich) Der Schnitt: ● I. Glatter Schnitt durch die DNA, sodass blunt ends entstehen (nicht so reaktiv und werden für dauerhaftes Trennen verwendet z.B Vaterschaftstest) 2. Schräger Schnitt durch die DNA, sodass die komplementären Einzelstrang-Enden dazu neigen sich über Wasserstoffbrücken zusammenzulagern. Sie werden als klebrige Enden oder sticky ends bezeichnet (sehr reaktiv) ● Gelelektrophorese DNA nach Länge der Fragmente sortieren DNA wird eingefärbt und anschließend in die kleinen Taschen des Agarosegels pipettiert Gel wird in Pufferlösung gelegt und an ein elektrisches Feld angeschlossen DNA ist negativ geladen und wandert zum + Pol Gel (Gitter): kleine Fragmente wandern schneller durch, als größere Bandenmuster entsteht (z.B.Vaterschaftstest) Funktion • DNA unterschiedlicher Herkunft kontrolliert in definierte Fragmente schneiden • Gen, welches mit der selben Genschere getrennt wurde, lässt sich durch die sticky ends mit anderer DNA neu kombinieren Täterbestimmung: verschieden große Restriktionsfragmente entstehen aufgrund der Basensequenzunterschiede im Bereich der . PCR Schnittstelle (bei einer genügend großen Anzahl an Schnittstellen ergibt sich eine individuelle Zusammenstellung von Teilstücken der DNA) Blunt Ends ▼ 11-11-1 . Sticky Ends ▼ . restriction enzyme-A cleavage point ● ***** T..xxx O künstliche Vervielfältigung der DNA Ähnlich wie DNA-Replikation, aber nur ein bestimmter Abschnitt wird vervielfältigt Vier DNA-Nukleotide, zwei Primer mit definierter DNA-Sequenz, Taq-Polymerase (hält Hitze über 95 grad aus) Denaturierung der DNA Durch die Hitze (95 grad) werden die Doppelstränge der DNA getrennt, da sich die WBB der Basen lösen Hybridisierung Die Temperatur wird auf etwa 60 grad gesenkt, sodass die Primer jeweils am 3'-Ende der DNA binden Polymerisieren Die Temperatur wird auf 72 grad erhöht (Temperaturoptimum der Polymerase). Die Polymerase knüpft an den Primer an und synthetisiert jeweils einen neuen Tochterstrang -> wird bei Gelelektrophorese benötigt, um genug DNA für das Bandenmuster zu Verfügung zu haben !!! Short Tandem repeats - STR kurze DNA-Sequenzen aus 2-4 Basenpaaren, die hintereinander in 5-15 facher Wiederholung vorliegen Anzahl der Wiederholungen ist bei jedem Menschen unterschiedlich (sind selektionsneutral) Werden vererbt Werden mit Restriktionsenzymen rausgeschnitten und mit Gelelektrophorese getrennt (gibt Auskunft über Länge) man benutzt 13 STRs für das DNA-Profil zur Indentifizierung • Donor Primer 1 Primer 1 -> Recipient Primer 1 Primer 1 ▬▬▬▬▬▬▬▬ ● ● Primer 2 Allele 1 Primer 2 Primer 2 Allele 2 Alele 1 10 mm- Allele 2 Primer 2 Plasmidvektoren: ends versehen 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 No. of repetitions 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 No. of repetitions Mutter Neukombination von Genen mit molekulargenetischen Techniken Einbringen von Fremd-DNA in Wirtszellen (Plasmide als Vektoren) rekombinante DNA muss zur Vermehrung in teilungsfähige Zelle - wird an beiden Enden mit sticky Kind Gentransfer kann über Vektoren erfolgen Plasmidringe werden als Vektoren verwendet - Gen wird in Bakterium transportiert Kandidat 1 Markergen 1: Gen für Tetracycin- Resistenz ori Kandidat 2 Kandidat 3 Replikationsursprung ori - replizieren unabhängig vom Bakterienchromosom zwei Markergene - dienen der Selektion (z. B. Gene für Antibiotikaresistenz) Multiple cloning Site (MCS) - liegt innerhalb von Markergen, jeweils nur eine Schnittstelle pro Restriktionsenzym ->Plasmid kann hier gezielt aufgeschnitten werden, um einen gewünschten DNA-Abschnitt zu integrieren (Funktion des Markergens dann inaktiv) MCS für EcoRI Hind III BamHI Markergen 2 Gen für Ampicillin- Resistenz 1.Restriktion Restriktionsenzym wird eingesetzt, welches Ziel-DNA und Plasmidring aufschneidet. Dabei wird die Resistenzgen gegen Ampicillin durchgeschnitten und ist somit funktionslos. 2.Rekombination Freiliegende sticky ends verbinden sich mit den nächstbesten sticky end und der Ring kann ich wieder schließen. Das Ziel- Gen ist jetzt eingebaut - geschieht selten 3.Tranformation Damit die Bakterien die DNA aufnehmen können, wird deren Zellmembran durchlässig gemacht (Behandlung mit Calciumchlorid-Lösung + Temperaturwechsel, Elektoporation). Nicht alle Bakterien nehmen die Plasmidringe auf bzw. nehmen Plasmidringe ohne die DNA auf 4.Selektion ● . Klonierung Kerntransplantation Der Zellkern wird aus einer diploiden Körpezelle entfernt - wird in entkernte Eizelle injiziert (Fusion) Es folgt die Kultivierung - Potential in Embryonalentwicklung einzutreten: ein Individuum mit gleicher Erbsubstanz entsteht Reproduktives Klonen Davor Ablauf der Kerntransplantation Geklonter Embryo wird in Gebärmutter eingepflanzt -> Nachkommen (viele Missbildungen und Totgeburten) ● Therapeutisches Klonen (somatisches Klonen) Extraktion des Kerns aus adulter Zelle - Injektion in entkernte Eizelle (Kerntransplantation) Eizelle wird durch Elektroschlag aktiviert -> Blastozytenstadium -> Zellteilung Gewinnung embryonaler Stammzellen-> Kultivierung -> Ausdifferenzierung -> gewünschter Zelltyp Wird für Produktion für Ersatzorgane für den Kern-Spender genutzt Problematik: Der Embryo stirbt dabei ● Bakterien werden auf Nährboden der das Antibiotikum Tetracyclin kultiviert. Alle Bakterien, die das Plasmid aufgenommen haben, besitzen ein Resistenzgen und überleben. mit sterilen Samtstempel wird die herangewachsene Bakterienkolonie auf einen Nährboden mit Ampicillin übertragen - Replikaplattierung Bakterien mit dem rekombinierten Plasmid wachsen nicht, da beim Einbau der DNA in die MCS die Ampicillinresistenz verloren gegangen ist. Diese werden dann in einem Nährmedium kultiviert. Gen-Klonierung ● . . Erbgänge Autosomal Die Genmutation kann sich auf dem 1. - 22. Chromosom befinden -> Vererbungsmuster unterscheidet sich bei Mann und Frau nicht ● Gonosomal Geschlechtgebundene Vererbung -> mutiertest Allel auf 23. Chromosomenpaar (X oder Y) Allel Ausprägung eines Gens -> Unterscheidung in normal oder mutiert Dominant ● dominantes Allel setzt sich bei einem heterozygoten Vererbungsmerkmal gegen das rezessive Allel durch -> z.B. Aa = Mutation / phänotypisch krank Rezessiv rezessives Allel wird von einem dominanten Allel ,,unterdrückt". Es muss von Mutter und Vater vererbt werden, um im Phänotyp ausgebildet zu werden Hemizygot Vorkommen von nur einem Allel durch ein unpaares Chromosom Heterozygot zwei unterschiedliche Allele bezogen auf das zu betrachtende Vererbungsmerkmal Homozygot zwei gleiche Allele bezogen auf das zu betrachtende Vererbungsmerkmal Monohybrid Erbgang, bei dem sich Individuen in nur einem Merkmal unterscheiden . Stammbaumanalyse Rezessiv oder Dominant? I. Dominates Allel setzt sich grundsätzlich gegen ein rezessives durch, daher reicht zum Krankheitsausbruch ein betroffenes Allel. Deswegen sind meistens bei einem dominanten Erbgang mehr Menschen erkrankt. 2. Bei einem rezessiven Erbgang kommt es nur dann zum Ausbruch, wenn beide Allele betroffen sind. Personen können also heterozygote Träger des Allels sein, erkranken aber nicht. Die nachfahren allerdings können erkrankt sein -> Generationssprünge als Ausschlusskriterium für dominante Erbgänge Autosomal oder Gonosomals? 1. Die Krankheit zeigt sich statistisch gesehen gleich häufig bei Männern und Frauen - autosomal. 2. Ungleiche Erkrankungshäufigkeiten zwischen den Geschlechtern - gonosomal 3. Y-Chromosomale Erbgänge widerlegt, wenn eine Frau erkrankt ist. Autosomal-dominanter Erbgang 1. Phänotypisch kranke Eltern haben ein Phänotypisch gesundes Kind? 2. Hat jede betroffene Person mindestens ein krankes Elternteil? 3. Hat ein kranker Vater gesunde Töchter? aa aa XX aa XX aa XY Aa XX Aa Gonosomal-dominanter Erbgang 1. Sind alle Töchter einen phänotypisch kranken Mannes auch krank? 2. Sind alle Söhne eines krankes Mannes merkmalsfrei? xY Aa XY aa XY aa XX AA XX XY Autosomal-rezessiver Erbgang 1. Phänotypisch gesunde Eltern haben phänotypisch krankes Kind? 2. Hat ein gesunder Vater kranke Töchter? aa AA AA Aa XX Aa XX Aa Gonosomal-rezessiver Erbgang 1. Heterozygote Frauen erkranken nicht - Konduktoren XY Aa 2. Frauen erkranken bei krankem Vater und xx Konduktorin 3. Alle Söhne einer kranken Mutter krank? XY AA aa xY aa XX XY An Krebsentstehung sind zwei große Genfamilien beteiligt : ● Protoonkogene kommen in jeder normalen Zelle vor steuern Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen Defekte Protoonkogene = Onkogene (z.B durch Mutationen, Viruseinfluss oder Fehlsteuerung) . . -> Wachstum, Teilung und Differenzierung von Zellen geraten außer Kontrolle Folge davon kann eine Krebserkrankung sein Mutationen an Protoonkogenen und Tumorsuppressorgene als Krebsursache . Krebs Tumorsuppressorgene kommen in jeder normalen Zelle vor unterdrücken Krebs Zentrale Bedeutung hat das p53-Tumorsuppressorgen -> wird durch DNA-Schäden aktiviert und codiert für das Protein P53, ein Transkriptionsfaktor, der verschieden Gene anschalten kann kleine DNA-Schäden - P53 aktiviert DNA-Reperaturenzyme Großer und irreparabler DNA-Schaden (Zelle könnte sich zur Krebszelle entwickeln) - P53 aktiviert Gene, die den Zellzyklus anhalten und die Apoptose (Zelltod) einleiten Defektes P53- entartete Zellen sterben nicht mehr ab und Krebs entsteht ● AVE MAVE-VE-VEN DNA-Schaden Aktivierung von Gen p53 -Transkriptions- faktor P53 P53 Protein aktiviert Gene für - Reperatur der DNA - Stopp des Zellzyklus Aktivierung der Apoptose