DNA

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Disziplinen
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BIOWISSENSCHAFTEN
Zentrum f. Angew. Genetik
Genetik ist die Lehre der Vererbung
Die Genetik beschäftigt sich mit dem Vorgang, bei dem
Merkmale von Eltern auf Nachkommen weitergegeben
werden.
Gene sind physikalische Elemente (physikalische Einheiten;
Faktoren), die für die Konstanz aber auch für dieVariabilität
der vererbten Merkmale verantwortlich sind.
Molekulare Genetik untersucht die Moleküle, die für
vererbbare Merkmale verantwortlich sind.
Sie ist eine experimentelle Wissenschaft (im Gegensatz zur
beschreibenden).
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Bestandteile lebender Zellen
Wasser (H2O - 80 %), das restliche Zelltrockengewicht enthält
Protein/Eiweiss
Fette
Zucker
Nukleinsäuren
(Enzyme, Hüllproteine - 50 %),
(Lipide, Cholesterin - 20% ),
(Glykogen, Kohlenhydrate - 20%)
(DNA/RNA - 5-10 %).
Desoxy-ribonukleinsäure - DNA - Doppelsträngig (Zucker, Phosphor, Basen)
Ribonukleinsäure - RNA - Einzelsträngig (Zucker, Phosphor, Basen)
Ein Mensch besteht
aus ~5x1014 Körperzellen.
DNA/RNA ist in jeder
Körperzelle enthalten (~ 6x10-12
g, ~6 pg) und
liegt in Chromosomen vor.
Ein Mensch von 100 kg enthält
daher ~ 0.2 kg DNA/RNA.
DNA – Mengen und Längen
DNA in jeder menschlichen Zelle
46 Chromosomen
6 Milliarden Basenpaare
2 Meter lang
6 Picogramm = 6x10-12
Gramm
DNA in einem menschlichen Körper
zurück
650 x Erde – Sonne und
DNA-Produktion für rote Blutkörperchen
Sekunde
Wien – Miami in 1
DNA-Aufnahme mit täglicher Nahrung
ca. 1 Gramm
Normale Tomaten enthalten keine Gene,
nur genmanipulierte Tomaten enthalten
Gene.
(Eurobarometer, 1999)
WEISS
NICHT
30%
RICHTIG
35%
FALSCH
35%
Aufnahme von Mikroben und DNA
• 1.000.000 kanamycin-resistente Bakterien werden
jeden Tag auf natürliche Weise gegessen (in GB).
• 1 Million kanamycin-resistente Bakterien leben in
den Eingeweiden eines durchschnittlichen
Menschen.
• 1 menschl. Zelle enthält 6 Milliarden Basenpaare
DNA; 1 Mundvoll Gemüse enthält 5 Milliarden
Basenpaare DNA.
Quelle?????
Chromosomenzahl in verschiedenen Lebewesen
Normale Chromosomenanzahl in einigen Lebewesen*
Bakterien 1
Fruchtfliege 8
Roter Klee 14
Gartenerbse14
Bäckerhefe16
Mais
20
Frosch
26
Hydra
30
Biene (weiblich) 32
Fuchs
34
Katze
38
Maus
40
Ratte
42
Kaninchen
44
Mensch
46
Huhn
78
* diploider Chromosomsatz, außer bei der Bäckerhefe: haploider
Chromosomensatz
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Architektur von Chromosomen
Karyogramm
Mensch,
männlich
Die Bandenmuster von Chromosomen (hier gefärbt mit GiemsaFarbstoff) sind hoch spezifisch für die einzelnen Chromosomen.
Rechts: Erscheinungsbild unter dem Mikroskop
Links: geordnet nach den wichtigen Charakteristika Größe und
Bandenmuster
Zentrum f. Angewandte Genetik
Genotyp - Phänotyp
Genotyp
Phänotyp
„Trisomie 21 Mongolismus“
Genotyp
Phänotyp
Genotyp
„Normal“
Aufbau von Chromosomen
Telomer = Chromosomenende
Kinetochor
Zentromer
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Molekularer Aufbau von Chromosomen (1)
Die DNA ist in Nucleosomen verpackt
Eukaryote Chromosomen bestehen aus einer DNA-Doppelhelix in
enger Assoziation mit Histonproteinen und einer Reihe weiterer
Proteine, die eine funktionelle Rolle an den Chromosomen ausüben.
Die Gesamtheit der Komponenten wird als Chromatin bezeichnet.
Modell eines Nucleosoms: Die DNADoppelhelix ist 2 x um ein Histon-Oktamer
(ein Komplex aus 8 Histonproteinen)
gewunden.
Modell einer 30 nm-Faser
eines Chromosoms
(in teilweise aufgelockertem
Zustand)
Zentrum f. Angewandte Genetik
Molekularer Aufbau von Chromosomen (2)
Modell der Chromosomenstruktur
Die Chromosomen sind in
mehreren Organisationsstufen aufgebaut, die je
nach Zustand der Zelle
dynamisch ineinander
übergehen.
Links ist eine gelockerte
Struktur gezeigt (typisch
für die Interphase); rechts
liegt ein dicht
kondensierter Zustand vor
(typisch für die
Metaphase).
Zentrum f. Angewandte Genetik
Aufklärung der DNS-Struktur
• Grundlagen für die Aufklärung der DNSStruktur:
– Chargaff´sche Regel der Basenverhältnisse
– Hinweis auf Komplementarität der
Basenpaare A-T und G-C
– Röntgenstrukturanalysen (durchgeführt v.a.
durch Maurice Wilkins u. Rosalind Franklin)
• Die beiden Stränge sind komplementär
zueinander und antiparallel (5´→3´- bzw.
3´→5´- Strang)
• Implikationen aus der DNA-Struktur:
(34 Angström
= 3,4 nm)
– Sequenz der Nukleotide für genet.
Information verantwortlich
– Replikationsmodell
• Nobelpreis 1962 für J. Watson u. F. Crick
DNS-Doppelhelix nach James
Watson & Francis Crick, Nature,
1953
Zentrum f. Angewandte Genetik
Nomenklatur der DNS- und RNS-Bausteine
• Nukleotide: Grundbausteine der
DNS und RNS
– bestehen aus je 1 Zucker (Ribose in
RNS bzw. 2-Desoxyribose in DNS),
Phosphat und je 1 N-hältigen Base
• Basen in den Nukleotiden der
DNS:
– Purine: A (Adenin), G (Guanin)
– Pyrimidine C (Cytosin), T (Thymin)
Allgemeine Struktur
eines Nukleotids
Am Aufbau der DNS- und
RNS-Nukleotide beteiligte
Zucker:
• Basen in den Nukleotiden der
RNS:
– wie in DNS, jedoch U (Uracil) statt T
Chemische Struktur der DNS-Bausteine
PURIN-Nukleotide (A und G)
PYRIMIDIN-Nukleotide (C, T und U)
Zentrum f. Angewandte Genetik
Ausschnitt aus einer DNS-Kette
•
•
Orientierung von 5´Phophatende in Richtung 3´OH-Ende
Verbindung der Nukleotide
durch
Phosphodiesterbindungen
Einige Möglichkeiten der
Kurzschreibweise von DNS-Ketten:
Zentrum f. Angewandte Genetik
Aufbau des DNADoppelstrangs
je 3 Nukleotide
kodieren für
1 Aminosäure
Base (A, T, C, G)
Ribose
Nukleotid
Phosphat
Basenpaarung:
jedem Adenin (A) liegt ein Thymin (T)
gegenüber
jedem Guanin (G) liegt ein Cytosin (C)
gegenüber
Wasserstoffbrückenbindungen halten
die beiden komplementären Stränge
zusammen
Transfer der genetischen Information:
Replikation, Transkription, Translation
(reverse
Transkription)
Zentrum f. Angewandte Genetik
Die DNA kodiert den Bauplan eines
Organismus
DNA
RNA
Protein
(Aminosäuren)
„Eiweiss“
Der genetische Code
Degeneration des
genetischen Codes:
Die Anzahl der Codons
für verschiedene
Aminosäuren ist
unterschiedlich (1-6);
4 Satzzeichencodons:
1 Startcodon
AUG
3 Stopcodons
(Terminationscod
ons, nonsense
codons)
Zentrum f. Angewandte Genetik
DNA Replikation
Quelle: Institut für Med. Biologie & Humangenetik, Graz
DNA-Synthese an beiden Strängen der
Replikationsgabel
Zentrum f. Angewandte Genetik
kontinuierlicher
Strang
diskontinuierlicher
Strang
Transkription: Grundmechanismus
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Transkription:
Allgemeine Eigenschaften eines Promoters
Positionen vor (-) bzw. nach (+) der
Initiationsstelle der RNA-Synthese
Initiationsstelle der RNA-Synthese
Promotoren sind die Erkennungs- und Bindungsstelle für die RNAPolymerase (das RNA-Polymerase-Holoenzym). Sie liegen kurz vor
(„stromaufwärts“) einem kodierenden Bereich und besitzen eine „Consensus“Sequenz (= gemeinsame Grundstruktur).
Zentrum f. Angewandte Genetik
RNA ohne Introns = mRNA
Introns sind DNA Sequenzen, die auf RNA
Ebene entfernt werden und nicht für das Protein
kodieren.
Hühner Ovalbumin Gen; A-G = Introns; 1 – 7 = Exons
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Die Codon-Anticodon
Interaktion
erfolgt antiparallel (siehe Schema),
wobei die 5´-Position des Anticodons
als „Wobble“-Position bezeichnet wird.
Diese Base kann nach den „wobble“Regeln mit mehr als einer Base an der
3´-Position des Codons H-Brücken
ausbilden (siehe Tabelle). An dieser
Position kommt imAnticodon häufig die
Purinbase Inosin (I) vor.
Konsequenz: 1 tRNA (die eine
Aminosäure trägt; hier: Ser) kann 2
Codons (hier: UCC oder UCU) in
der mRNA erkennen
Zentrum f. Angewandte Genetik
Struktur der tRNA
Die funktionellen Domänen in
einem tRNA-Molekül:
Zentrum f. Angewandte Genetik
3-dimensionale Struktur einer
tRNA:
Einige seltene Basen in
der tRNA:
DHU= Dihydro-Uridin
Ψ= Pseudo-Uridin
mG= Methyl-Guanosin
Translation: Die
Schritte der
Elongation
Für die Elongation der
Polypeptidkette werden
zusätzliche Proteinfaktoren, sog.
„Elongationsfaktoren“ (EF),
benötigt.
Im Translokationsschritt wird die
Polypeptidkette von der PeptidyltRNA (an der P-Stelle) auf die
Aminoacyl-tRNA (d.h. auf die neu
angekommene Aminosäure an der
A-Stelle) übertragen.
Danach bewegt sich das Ribosom
um 1 Codon nach vorne (d.h. von
5´- in 3´-Richtung auf der mRNA).
Dadurch wird die entladene tRNA
von der P-Stelle freigesetzt und die
úm 1 Aminosäure verlängerte
Peptidyl-tRNA gelangt an die PStelle. Die A-Stelle wird damit für
eine neue Aminoacyl-tRNA
zugänglich.
Zentrum f. Angewandte Genetik
Proteine werden im Zytoplasma,
an den Ribosomen synthetisiert
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Wie Proteine entstehen (1)
Polypeptide
Ribosomen
Richtung der
Translation
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Wie Proteine entstehen (2)
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Mutationen
Einige Definitionen:
• Mutation:
– Wechsel in Nukleotidequenz eines DNA-Moleküls
oder
– Veränderung von Genen oder Chromosomen
• entweder innerhalb von Genen (⌫ kann zu Änderung des Phänotyps führen)
• oder zwischen Genen (⌫ stille Mutation: kein Effekt auf die Zelle / den
Organismus)
•
•
•
•
•
•
•
•
Genotyp: genetische Konstitution
Phänotyp: beobachtbare Charakteristika
Wildtyp (wt): Organismus mit gewöhnlichem Phänotyp
Mutante: Träger einer Mutation; Organismus mit geändertem
Phänotyp; vom wt abweichender Phänotyp
Mutagen: chem. oder physik. Agens, welches eine Mutation verursacht
Somatische Mutation: betrifft nur die Körperzellen; nicht vererbbar
Keimbahnmutation: betrifft die Keimzellen, daher vererbbar
Nullmutation: der Ausfall einer Genfunktion
Zentrum f. Angewandte Genetik
Punktmutationen in mRNAs verändern die
Aminosäuresequenz der Proteine
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Deletion
Mutationen können
oft ganze Bereiche
eines Chromosoms
betreffen.
Duplikation
Inversion
Mutationsarten
Mutationen
Mögliche Ursachen für Mutationen:
• DNA-Replikationsfehler (zB durch seltene tautomere Basenformen;
siehe Vorlesungsteil Molekulare Genetik)
• zufällige, spontane Veränderungen in den Basen der DNA (zB
Depurination, spontane Desaminierung)
• Crossing-over Fehler (= Rekombinationsfehler): können zu
Deletionen oder Duplikationen führen
• strahleninduzierte Veränderungen (zB durch UV- oder
Röntgenstrahlung, radioaktive Strahlung); UV führt häufig zu ThyminDimeren (Quervernetzung benachbarter T-Reste)
• Destabilisierung mobiler genetischer Elemente (Transposons)
Zentrum f. Angewandte Genetik
Mögliche Konsequenzen von
Mutationen auf DNA-Ebene
(Basenveränderungen):
•
•
Veränderungen einer Aminosäure (engl. „missense mutation“):
durch Änderung eines Codons
Leserasterverschiebung (engl. „frameshift mutation“): Durch
Insertion oder Deletion von Basenpaaren (soferne Zahl der inserierten oder
deletierten Basenpaare kein Vielfaches von 3 ist)
•
•
•
Kettenabbruch (engl. „nonsense mutation“): durch Änderung eines
Codons in ein Stopcodon
Kettenverlängerung: durch Änderung eines Stop-Codons in ein
Aminosäure-kodierendes Codon)
Stille Mutation: Änderung eines Codons in ein anderes Codon,
welches für dieselbe Aminosäure (Synonymcodon) kodiert (siehe
Degeneration des genetisches Codes), führt daher nicht zu
Proteinveränderungen
Zentrum f. Angewandte Genetik
Veränderungen in der DNA - Folgen von Mutationen
Genetische Defekte (Mutationen) in der
DNA von Körperzellen (somatische
Mutationen) sind oft Ursache für
sporadische Krebserkrankungen
Genetische Defekte (Mutationen) in der
DNA von Keimzellen wie Spermien und
Oozyten (konstitutionelle Mutationen)
passieren die Keimbahn und führen zu
„erblichen Krebserkrankungen“ oder
Erbkrankheiten
Körperzellen
Keimzellen
Zellteilung - Veränderungen in der DNA - Mutationen
**
DNA
DNA
*
*
**
z. Bsp.
Bsp.
+
+
+
Krebszelle
DNA
DNA - Reparatur
Da die DNA ihre Information weiter geben muss, müssen
Fehler bei der Replikation möglichst niedrig gehalten
werden. Fehler werden auch repariert.
DNA Schäden können auch oft repariert werden.
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Rekombination
Unter Rekombination versteht man die Neuanordnung
des genetischen Materials.
Neben den Mutationen ist die Rekombination
der zweite wichtige Vorgang, der zur Veränderung
des genetischen Materials führt.
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien
Regulation der Genexpression
Da nicht alle Gene einer Zelle gleichzeitig gebraucht
werden, muss die Expression der Gene reguliert
werden.
In Prokaryoten sind viele Gene, die funktionell
zusammengehören, z.B. alle Gene für die Synthese
einer bestimmten Aminosäure oder zur Verwertung
einer
bestimmten
Kohlenwasserstoffquelle,
in
Operons organisiert und können gemeinsam reguliert
werden.
Reguliert kann auf der Ebene der Transkription, der
Translation, durch Abbau der mRNA, durch Abbau der
Proteine werden.
Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien