Zusammenfassung Genetik Abi

Alternativer Bildtext:

bei allen Lebewesen gleich eindeutig • kollinear Eigenschaften des genetischen Codes: ·Degeneriert → eine Aminosäure wird meist von mehreren Tripletts codiert Spleißen reife mRNA • keine Üblappungen → jedes Nucleotid gehört nur zu einem Triplett • universell 1. Aufsetzen der „Cap" am 5'- Ende → Schutz vor enzymatischem Abbau 2. Anhängen von Poly-A-Schwanz" 3. Heraustrennen von Introns + Verknüpfung von Exons reife mRNA verlässt den Zellkern durch Poren in der Kernhülle -Aminoacyl-tRNA- Synthetase 3º Val Arg Ser Ala Lys Asp C Asn G A Glu F G C Thr C rux A P beladene tRNA Diphosphat C •Beladung erfolgt mithilfe von Enzym Aminoacyl- tRNA - Synthetase • Unter Spaltung von ATP Verknüpfung von Aminosäure und tRNA Po Gly G u G u (5) A S G 3' C Arg AMP A C A A ser Gin G U His Stop Stop Codesonne • Übersetzungshilfe: Triplett Aminosäure • Leserichtung von innen nach außen (53-Richtung) Pro Cys •Stop Leu Die tRNA transportiert Aminosäuren zu der Position an der mRNA und ermöglicht so die Bildung der Polypeptidketten. Sie besitzt am 3'-Ende eine Bindungsstelle für Aminosäuren und ein bestimmtes Basentriplett, welches komplementär zum zugehörigen Triplett der mRNA ist (Anticodon). Translation 1. mRNA bindet an kleine Ribosomenuntereinheit 2. kleine RU wandert an der mRNA entlang bis zum Startcodon 3. große RU lagert sich an kleine an 4. tRNA mit Anti-Startcodon bindet an die P-Bindestelle des Ribosoms → Ribosom nun funktionsfähig! 5. nächste tRNA mit passendem Anticodon bindet an A-Bindestelle des Ribosoms 6. Verknüpfung der Aminosäuren von P- und A-Bindestelle → Gleichzeitig die in der P-Stelle gebundene Aminosäure wird von ihrer tRNA getrennt 7. unbeladene tRNA löst sich von der P-Bindestelle 8. Ribosom wandert ein Codon weiter in 5'+3'- Richtung 9. an der A-Stelle gebundene tRNA rückt an P-Stelle; A-Bindestelle wird frei 10. gelangt das Ribosom an ein Stopp-Codon, so lagern sich keine tRNAs mehr an und das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten → meist ist die mRNA lang genug, sodass mehrere Ribosomen gleichzeitig einen mRNA-Strang entlang wandern → Effizient: es können mehr Polypeptidketten synthetisiert werden bevor der mRNA-Strang durch Zelleigene Enzyme abgebaut wird Start-Codon 5'-Ende P-Bindestelle: Ribosom 5'-Ende A Met A CUA CCUAUCA A A-Binde- stelle mit Aminosäure beladene tRNA lagert sich an CU A u c A Thr A A A G A G C C 8 C 8 u Stop- Codon UAA 3'-Ende Stop- codon UAA 3'-Ende Genregulation Man unterscheidet bei Enzymen zwischen konstitutiven und adaptiven Enzyme. Während konstituive Enzyme ständig synthetisiert werden, unterliegen adaptive Enzyme einer Regulation bei ihrer Synthese. Außerdem bietet es einen energetischen Vorteil, Proteine/ Enzyme nur dann herzustellen, wenn Sie benötigt werden. Es gibt verschiedene Wege, wie ein Gen in seiner Expression reguliert werden kann: Das Operon - Modell (Prokaryoten) Substratinduktion operon Regulatorgen Promotor Operator R DNA Repressor aktiv ---- mRNA DNA mRNA Repressor inaktiv blockiert den Operator 8.3 Effektor Anwendung P 0 Substrat Strukturgene S₂ 5₁ keine Transkription → keine Genexpression 5₁ 5₂ 53 mRNA, mRNA2 mRNA 3 Enzym₁ Enzymz Enzyma ☐☐ □ 88 Abbau des Substrats Endprodukte insbesondere bei Abbau - prozessen beeinflusst Enhancer • binden Aktivatorproteine → Transkription wird angeregt Silencer • binden Repressorproteine → Transkription wird unterdrückt (3) Epigenetik Vererbbare Veränderung der Genaktivität Endprodukthemmung Methylierung der Base Cytosin •Cytosin wird mit Methylgruppe versehen DNA R mRNA ↓ Repressor inaktiv DNA mRNA Repressor aktiv Operon blockiert den operator Effektor 54 5₂ 5₁ ✓ ↓ ↓ mRNA, mRNA2 mRNA3 ↓ ↓ Enzym, Enzyma Enzyma 00 ☐☐ Ausgangsstoffe Zwischenprodukte Endprodukt O. 26 28-3 Prinzip: Abzubauende Substanz initiiert ihren eigenen Abbau → negative Rückkopplung Vorteil: Synthese erfolgt nur dann, wenn Produkte benötigt werden Transkriptionsfaktoren (Eukaryoten) Transkriptionsfaktoren beeinflussen die Aktivität der RNA- Polymerase indem sie die Anlagerung dieser an den Promotor erleichtern oder erschweren Transkriptionsfaktoren werden selbst von weiteren Aktivator- bzw. Repressorproteinen 54 5₂ keine Transkription → keine Genexpression Anwendung insbesondere bei 5₁ aufbauenden Prozessen Prinzip: Endprodukt einer Synthesekette verhindert seine weitere Produktion aus den Ausgangsstoffen Vorteil: Genprodukte werden nur so lange gebildet, wie die Zelle sie benötigt • dadurch Bindung von Proteinen → Sperrung" der nachgelagerten Strukturgenen für die RNA- Polymerase 11 Histon Modifikation • Unterschiedlich dichte Packung der Nukleosomen durch chemische Veränderung in den Histonen und durch die Bindung kleinerer Proteine → dicht gepackte Nukleosomen: Transkriptionsfaktoren können nicht binden →locker gepackte Nukleosomen: Transkriptionsfaktoren können sich anlagern. → Dichte der Nukleosomen-Packung wird von äußeren Faktoren wie Stress beeinflusst PCR (Polymerase - Kettenreaktion) TTT Startmolekül 5. Anlagerung der Primer (55°C) s sܠܠܠܠܐ Denaturierung (95°C) Primer 5' Polymerase 15₁ ONA- Neusynthese der DNA mit ONA-Polymerase (72°C) Komponenten: • Pufferlösung ↳ONA-Abschnitt erneute Temperaturerhöhung (72°C) → Temperaturoptimum der Polymerase! → Synthese der neuen DNA-Stränge ↳freie DNA-Nucleotide ↳hitzestabile DNA- Polymerase + Primer Ablauf: •Beispiel: Genetischer Fingerabdruck • Erhitzung (95°C) → Denaturierung der DNA (Trennung der Einzelstränge) •Abkühlung (55°C) → Anlagerung der Primer (passende komplementäre Primer um den DNA-Bereich festzulegen, der vervielfältigt werden soll) → Vorgang wird 25- bis 50-mal wiederholt (danach ist die Wahrscheinlichkeit für fehlerhafte Kopien zu hoch) Anwendungsgebiete: • Vervielfältigung von sehr wenig Ausgangs-DNA → Ermöglichung von Analyse /Weiterverarbeitung der DNA → jeder Mensch besitzt ein individuelles genetisches Profil Identifikation von Einzelpersonen → Unterschiede insbesondere in nicht - codierenden DNA Sequenzen Gentechnik Gentechnik beschreibt molekularbiologische Verfahren zur Untersuchung, Manipulation und zum Transfer von Erbsubstanz Wichtige Werkzeuge der Gentechnik: • Restriktionsenzyme (genetische Scheren") → Schneiden der doppelsträngigen DNA an spezifischen Basenfolgen → überstehende Einzelstrangenden als „Sticky ends" > mit komplementären sticky ends lassen sich DNA-Fragmente miteinander verknüpfen •Vektoren (Genfähren") → Transportsystem zur Übertragung von Fremd- DNA in das Erbgut → 2.B. Viren (bei Übertragung in Eukaryoten) oder Plasmiden (bei Übertragung in Bakterien) > Plasmid = ringförmiges DNA-Molekül in Prokaryoten Beispiel: Einsatz von Plasmiden als Vektoren bei der Insulinherstellung Extraktion eines Plasmids mit Antibiotikaresistenzgenen Ampicillin-Resistenzgen Tetracylin-Resistenagen 689 sticky ends Nährboden mit Ampicillin Originalplasmid → Ampicillin resistenz ✓ →Tetracyclinresistenz ✓ → Bakterien der Kolonien 2+8 enthalten nur Fremd-DNA (C) O Bakterienzelle Schneiden mit dem selben →komplementare sticky ends oder gesunde menschliche Zelle Mischen offener Plasmide mit DNA-Bruchstücken Restriktionsenzym Į Übertragen der Bakterien mit einem samtbespannten Stempel auf Nährboden mit Tetracyclin Isolierung des Insulin-Gens oder Plasmid Fremd-ONA →Ampicillin resistenz ✓ →Tetracyclinresistenz X Mischen der Plasmide mit Bakterien HZD Fremd-DNA →Ampicillin resistenz X →Tetracyclinresistenz X Schnittstelle → Bakterien der Kolonie 7 enthalten das gesuchte Hybridplasmid mit Fremd-DNA (6) TELU ↑ w sticky ends Ĵ vermehrung der Bakterien mit Hybrid- Plasmid ↓ Extraktion des Insulin - Gens →Herstellung von gesundem, menschlichem Insulin Meiose Menschliche Zellen sind diploid (2n), das heißt, sie besitzen einen doppelten Chromosomensatz. Bei der Keimzellenbildung (Eizellen/Spermien) entstehen aus einer diploiden Mutterzelle haploide (n) Gameten. Dieser Vorgang nennt sich Meiose. 1. Reifeteilung „Reduktionsteilung" . Trennung der homologen Chromosomenpaare → Entstehung von haploiden Tochterzellen 2. Reifeteilung • Trennung der Schwester- chrom den der Chromosomen → Entstehung von Keimzellen (Gameten) Prophase I • Ordnung der Chromatinfäden (XXX) (XXX) auf Chromosomen in der Äquato- rialebene • Bildung des Spindelapparats *** Meiose als Motor der Rekombination! Metaphase I • Anordnung der Chromosomen Prophase I Metaphase II • Bildung eines neuen Spindel- apparats •Anordnung der Chromo- Somen in der Äquatorial- durch den ebene Intrachromosomale Rekombination •Crossover" Anaphase I Trennung der Chromosomen- paare durch den Spindel- apparat Anaphase II • Trennung der Schwester- chromatiden Spindelapparat Interchromosomale Rekombination • zufällige Neukombination von Chromatiden bei der Befruchtung • Zufällige Verteilung der Chromosomen bei der 1. Reifeteilung → Überkreuzung von Nicht-Schwesterchromatiden in der Prophase I → Austausch von DNA-Abschnitten zwischen homologen Chromosomen Telophase I •Bildung neuer Kernmembranen ({{{|}}}) Telophase I • Bildung neuer Kern- und Zell- membranen Chromatinfäden a entschrauben" sich UU UU UU Mutationen Teilstück wird entfernt und an anderer Stelle wieder eingesetzt ↑ Translokation ↑ Austausch bleibt ohne Folgen Silent- Mutation CHROMOSOMENMUTATION > Inversion Deletion ↓ Teilstück wird Teilstück wird entfernt in seiner Reihen- folge umgekehrt A Nonsense- Mutation Teilstück wird verdoppelt Austausch führt zu Verwandlung in Stopp-Codon Dublikation ľ B einzelne Basen werden ausgetauscht Punktmutation Substitution Gen 2 ↓ (Ausgangsstoff) betreffen ein einzelnes Gen Veränderte Struktur eines Chromosoms Missense- Mutation Gen 3 ↓ meist mehrere Gene betroffen MUTATIONEN GENMUTATION ↓ Austausch führt zu Codierung einer anderen Aminosäure 0 Auswirkungen von Gendefekten auf eine Stoffwechselkette Ohne Gendefekt: Gen 1 ↓ Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Enzym 4 ↓ Gen 4 ↓ Basen gehen verloren oder werden hinzugefügt ↓ E (Endprodukt) Betrifft die Anzahl der Chromosomen in einem Rastermutation A Genom Mutationen in Körperzellen Iwerden nicht vererbt (somatische Mutation) fehlende Chromosome Folge: Leseraster verschiebt sich →Infos werden falsch abgelesen, evt. Funktionsverlust Mendel'sche Regeln uniformi regel → Kreuzt man zwei homozygote Individuven. einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden (P Generation), sind ihre Nachkommen in der F₁ - Generation untereinander gleich (uniform). Mutationen in keimzellen werden vererbt B 1 GENOMMUTATION (Ausgangsstoff) Deletion 4 oder zusätzliche Chromosome Mit Gendefekt: Gen 4 Gen 1 ↓ Gen 2 ↓ ↓ Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3a Enzym 4 funktions- untüchtig CAusfall des Endprodukts E Rw RR (R)(R) entstehen durch Chemikalien und Strahlungen Insertion zusätzliche Base fehlende Base Gen 3 X ww P RW RW F₁ Intermediärer Erbgang (co-dominant) → Die Nachkommen der F₁ - Generation zeigen im Phänotyp Merkmale, die zwischen den beiden elterlichen liegen (Mischformen) F₁ [ RW (B) (W) F₂ [ RR Rw 1: 3 X 2 اليا) Unabhängigkeitsregel → Kreuzt man zwei Individuuen einer Art, die sich in mehr als einem Merkmal unterscheiden, können die Merkmalspaare in neuen Kombinationen im Zahlenverhältnis 9:3: 3:1 auftreten. Die Allele werden unabhängig voneinander vererbt. RR 2. Ist der durchnittliche Anteil männlicher und weiblicher Merkmalsträger ähnlich? AA BB AB Spaltungsregel → Kreuzt man Mischlinge der F₁ - Generation untereinander, treten bei den Nachkommen (F₂-Generation) die Merkmale der P-Generation im Zahlenverhältnis 3:1 (Phänotyp), bzw. 1:2:1 (Genotyp) auf. ] P X Aa Bb O X Aa Bb AB Ab aB ab) X BB ⓇB RB ] F₁ aa bb Aa Bb AB Ab aB ab 3 3 AB Ab ав ab AABB AABb AaBB Aa Bb AB Ab AAbB AAbb AaBb Aabb aBaABB aABb aa BB aaBb ab aAbbaAbbaabBaabb F₁ Analyse von Familienstammbäumen Welcher Erbgang liegt vor? (autosomal = Nicht-Geschlechtschromosom; gonosomal = X-Chromosom) 1. Tritt das Merkmal in jeder Generation auf? nein X ja ✓ Autosomal - dominante Vererbung • defektes Allel liegt auf Autosom Merkmalsträger: AA / Aa Merkmalsfreie aa F₂ 2 nein X Gonosomal-rezessiver Erbgang defektes Allel liegt auf dem X-Chromosom (X) meist mehr männliche als weibliche Merkmalsträger • Merkmalsträger: XX (Frauen) XY (Männer) (Frauen) • Merkmalsfreie: XX XX S XY (Männer) ja v Autosomal-rezessive Vererbung • defektes Allel liegt auf Autosom • Merkmalsträger: aa • Merkmalsfreie: AA / Aa • Überträger : Aa