12/1 Genetik und Immunbiologie

12/1 Genetik und Immunbiologie
I. Genetik
1. Grundlagen...............................................................................................................................2
2. Cytogenetik...............................................................................................................................2
2.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information .........................................................2
2.1.1 Feinbau..................................................................................................................2
2.1.2 Chromosomen des Menschen.................................................................................3
2.2 Die Zellteilung .....................................................................................................................3
2.3 Bildung von Geschlechtszellen und Geschlechtsentwicklung................................................4
2.3.1 Die Keimbahn ...............................................................................................................4
2.3.2 Meiose...........................................................................................................................4
2.3.3 Vergleich: Meiose – Mitose (siehe AB) .........................................................................4
2.3.4 Oogenese & Spermatogenese.........................................................................................5
2.3.5 Geschlechtsbestimmung beim Menschen.......................................................................5
2.3.6 Geschlechtsdifferenzierung............................................................................................6
3. Klassische Genetik ...................................................................................................................7
3.1 Begriffe................................................................................................................................7
3.2 Historisches..........................................................................................................................7
3.3 Monohybrider Erbgang ........................................................................................................7
3.4 Dihbrider Erbgang................................................................................................................9
3.5 Der statistische Charakter der Vererbungsregeln.................................................................10
3.5.1 Modellversuch: zufällige Kombination der Gene .........................................................10
3.6 Die Chromosomentheorie d. Vererbung..............................................................................10
3.6.1 Allgemeines ................................................................................................................10
3.6.2 Genkopplung ...............................................................................................................10
1
I. Genetik
1. Grundlagen
-Def.: Vererbung ist die Weitergabe von genetischer Information (=Erbanlagen)
von Generation zu Generation.
-Grundbegriffe:
Mutanten
Individuen, die Träger mutierter Gene sind
Modifikationen
umweltbedingte Änderungen im Phänotyp, die nicht auf Mutationen
zurückgeführt werden können ( nicht weitervererbt)
Mutation
plötzliche Änderung einer Erbanlage (weitervererbt)
Phänotyp
Gesamtheit aller Merkmale eines Individuums
Phäne
die aufgrund von Erbanlagen ausgeprägten Merkmale
Genotyp
Gesamtheit aller Erbanlagen
-Fragestellungen:
-Formale G. (Mendel-G.)
-Cytog.
-Molekularg.
-Populationsg.
-Evolutionsg.
Klassische
Genetik
2. Cytogenetik
2.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information
Chromosomen sind gut anfärbbare, fadenförmige Gebilde, die nur während der Zellteilung
sichtbar sind.(griech.: chromatos = Farbe; soma = Körper)
„Chromatingerüst“ im nicht spiralisiertem Zustand genannt
2 Schwesterchromatiden
2.1.1 Feinbau
(ident. Erbgut)
sekundäre
Einschnürung
Zentromer
(Kinetochor)
Einschnittstelle,
Spindelfaseransatzstelle
Banden aus
Zellteilung
Mitose
unterschiedl.
dicht gepackter
DNS
Zwei-Chromatid-Chromosom
2
Ein-Chromatid-Chromosom
2.1.2 Chromosomen des Menschen
Erstellung eines Karyogramms:
-
Teilungsaktive Zellein (weiße Blutkörperchen) in besonderes Nährmedium
Stoppen d. Zellteilungn durch Zugabe von Cholchizin (Herbstzeitlose; während Metaphasestadium)
Zugabe von dest. H2O
Quellen d. weißen Blutkörperchen (Osmose)
Fixieren (Verfestigen) d. Chromosomen durch Eisessig + Methanol
Auftropfen auf Objektträger
Aufplatzen
Anfärben und bei Vergrößerung fotographieren
Aus vergrößertem Bild ausschneiden und sortieren
♀ Körperzelle 46, XX
♂
-„46; XY
46 Chromosomen
|
|
44 Autosomen 2 Genosomen
Der Mensch besitzt einen diploiden (= doppelten) Chr.satz (2n=46; n=23 Chr.).
Geschlechtszellen enthalten nur einen haploiden (= einfachen) Satz.
Bei der Veschmelzung der Kerne von Sperma und Eizelle entsteht die diploide Zygote.
2.2 Die Zellteilung
Jede Körperzelle eines vielzelligen Lebewesens ist genetisch omnipotent (Jede Zelle enthält die gesamte
genetische Information, obwohl sie nicht komplett realisiert wird.).
Der Zellzyklus:
I.
1.
2.
3.
Interphase (Chromationgerüst)
G1 – Phase (gap: Lücke): Realisierung d. genet. Information (Proteinbiosynthese)
S – Phase (Synthese): DNS – Synthese und Verdopplung d. Ein-Chromatid-Chromosomen
G2 – Phase: Ruhestadium
II.
1.)
2.)
3.)
4.)
Mitose (=Kernteilung)
Prophase: allmähliche Spiralisierung, Kernkörperchen/-membran lösen sich auf
Metaphase: am engsten gepackte Chr. ordnen sich in Äquatorialebene an, Kontakt zu Zellpol
Anaphase: Chromatiden Pol
Telophase (telos: Ziel): neues Kernkörperchen, neue Membran Teilung
Biologische Bedeutung:
Tochterzellen mit identischer Erbinformation wie Mutterzelle
artspezifische Anzahl d.Chromosomen bleibt erhalten
Sonderform d. Mitose: Endomitose
Im Interphasekern erfolgen ca. 10 aufeinanderfolgende Synthesephasen ohne Zellteilung
Zellen mit vielfachen Chromosomensätzen
- Spiralisierte Bereiche an gl. Stellen dunkle Bande
- Aufgequollene Bereiche (= puffs) hohe Genaktivität
Biologischer Sinn: viele homologe Chr. hohe Stoffwechselaktivität
3
2.3 Bildung von Geschlechtszellen und Geschlechtsentwicklung
2.3.1 Die Keimbahn
Zellen, die das Leben in die nächste Generation weitertragen, sind potentiell unsterblich, man nennt sie
Keimbahnzellen. Die Zellenfolge von befruchteter Eizelle über Urkeimzelle bis zur Keimzelle nennt
man Keimbahn.
Körperzellen (2n)
Zellen der Keimbahn (2n)
Zygote (2n)
Kernphasenwechsel
Geschlechtszellen (n)
Urkeimzellen (2n)
MEIOSE
Gameten (n)
2.3.2 Meiose
- Reduktion des Chromosomensatzes (diploid haploid) während der Gametenbildung
- Rekombination des genetischen Materials:
a) Crossing Over (Chiasmabildung während Prophase I )
(= Intrachromosomale Rekombination)
b) zufällige Verteilung der homologen Chromosomen während der 1. Reifeteilung
(= Interchromosomale Rekombination)
Kombinationsmöglichkeiten bei n Chromosomenpaaren:
Allg.:
2n
Mensch: n = 23 8 388 608
Vorteile der Neukombination:
- Ausschalten von Krankheiten
- Mutationen (ohne Meiose keine Evolution!!!)
2.3.3 Vergleich: Meiose – Mitose (siehe AB)
Mitose
überall im Körper im teilungsfähigen Gewebe
Vorkommen
Dauer
Funktion
Ablauf
20 min – 4 Std.
Wachstum, Erzeugung, Aufrechterhaltung der
gesamten genet. Information
Eine Teilung, kurze Prophase
Trennung von Chromatiden in der Anaphase
Ergebnis
Bildung von 2 genet. Identischen diploiden
Tochterzellen
2n
2n
2n
4
Meiose
beim diploiden Organismus in den
Geschlechtsorganen
4 Std. – viele Jahre
* Reduktion des Chr.satzes von 2n auf n
* Durchmischung des Erbgutes
Zwei aufeinanderfolgende Teilungen, lange
Prophase (crossing over)
Trennung von homologen Chr. in der
Anaphase I
Bildung von (4) genetisch nicht identischen,
haploiden Keimzellen
n
n
2n
n
n
n
n
2.3.4 Oogenese & Spermatogenese
Oogenese
Spermatogenese
Urgeschlechtszellen 2n
Oogonien
Spermatogonien
(Ureizellen): n
(Ursamenzellen): 2n
Oozyten 1. Ordnung: 2n
Spermatozyten 1. Ordnung: 2n
Oozyte 2. Ordnung
+ 1 Polzelle: n
2 Spermatozyten
2. Ordnung: n
4 Spermatiden n
Reifei (Ovulum)
+ 3 Polzellen
4 Spermien
unbeweglich,
plasmareich
beweglich,
plasmaarm
Zeitpunkt und Ort:
♂:
kontinuierlich ab Beginn der Geschlechtsreife bis ins hohe Alter (Ort: Hodenkanälchen)
♀:
alle Urkeimzellen entwickeln sich bis zum 6. Fetalmonat bis zur Prophase I.
Während des Menstruationszykluses entwickeln sich einzelne Oozyten zu Eizellen.
1. Reifeteilung: Kurz vor dem Eisprung
2. Reifeteilung: Während Wanderung im Eileiter
2.3.5 Geschlechtsbestimmung beim Menschen
44 + XX
44 + XY
Tatsächliches Geburtenverhältnis: 106 : 100
Gründe:
- Y-Spermien sind leichter schneller
- Y-Spermien haben kleinere Köpfe
leichteres Eindringen
22+X
22 + X
22+Y
44 + XX
1
homogametisch
5
:
44 + XY
1
heterogametisch
2.3.6 Geschlechtsdifferenzierung
Die Information über die Ausprägung der primären und sekundären Geschlechtsmerkmale liegen
bei jedem Menschen auf den Autosomen verteilt (bisexuelle Potenz).
Die Gonosomen steuern die Verwirklichung der Information.
Gonadenanlage
Hoden
♂
ANDROGENE
Oviduktrepressor
Mark
Rinde
ÖSTROGENE
Eierstöcke
(Ovarien)
♀
♂ Geschlechtsmerkmle
♀ Geschlechtsmerkmale
Störungen:
1.) Echte Hermaphroditen (= Zwitter, Intersexe)
Fehlerhaftes Y-Chromosom
-> unvollständiger Determination d. männlichen Entwicklung,
Hoden- und Eierstockgewebe entwickeln sich gleichzeitig.
-> sind unfruchtbar
2.) Pseudohermaphroditen (= Scheinzwitter, testikuläre Feminisierung) viel häufiger
Gendefekt auf X-Chromosom
-> Bildung von Androgenrezeptoren nicht möglich, XY-Individuum, aber phänotypisch
und im Gefühlsleben Frauen.
Sie besitzten männlich entwickelte Muskulatur
-> Vorteil im Hochleistungssport (Sex-Test 1976)
Sex-Test:
Zellen d. Mundschleimhaut oder Haarwurzeln werden angefärbt, bei Frauen ist das 2. XChromosom immer kontrahiert und genetisch inaktiv (=Barr-Körperchen).
Lyon-Hypothese:
Barrkörperchen sind genetisch inaktivierte, nicht entspiralisierte X-Chromosome.
6
3. Klassische Genetik
3.1 Begriffe
Erbanlage (=Erbgfaktor, DNA-Abschnitt) Genotyp:
versch. Zustände eines Gens
Phänotyp:
Gen:
Allel:
Erbbild, Allelkombination
Erscheinungsbild
Homologe
Genorte je Allel
Symbole/Schemata:
A A
homozygot
A a
heterozygot
-> Hybride, Bastarde
P
Parentalgenerationen, Elterngeneration
F1,F2 Filialgeneration 1,2
3.2 Historisches
Johann Gregor Mendel (S.16)
(*1822, +1884)
Erste exakte, auf Expertimenten beruhende Vererbungslehre, Gesetzmäßigkeiten bei d. Weitergabe von
Merkmalen „Versuche über Pflanzenhybride“
ca.:
1900 - Correns prägte Begriff „Mendelsche Regeln“
1903 - Boveri, Sutton: Chromosomentheorie der Vererbung
1910 - Morgan: Dorsophila-Expertimente (Gene, Genkopplung)
ab
1928 - DNA-Analyse (Watson & Crick 1953)
Molekulargenetik
3.3 Monohybrider Erbgang
monohybrid: 1 alternierendes Merkmalspaar
*
Rasse: Mitglieder e. R.
a) dominant-rezessiver Erbgang
können sich untereinander
paaren; Untergruppe der Art
*
Kreuzung homozygoter Rassen , z.B.: Samenfarbe
G = gelb;
g = grün (rezessiv)
♀
X
♂
GG
P
gg
X
R!
G
F1
Gg
G
Gg
g
Gg
7
g
Gg
Kombinationsquadrat
G
G
g
Gg
Gg
g
Gg
Gg
Hybride d. F1-Generation sind stets gleich, auch bei rezibrocker Kreuzung.
Rezibroke Kreuzung: Genotypen der Geschlechter der Eltern wird vertauscht.
b) intermediärer Erbgang
Keines d. beiden Allele ist dominant oder rezessiv.
F1-Hybride zeigen Mittelstellung zw. d. beiden Merkmalen.
z.B.: Blütenfarbe d. Wunderblume
a: rot;
P
b: weiß
bb
R!
b
F1
ab
aa
b
a
ab
a
ab
ab
1. Mendelsche Regel:
Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so
sind die Nachkommen in der F1-Generation im betrachteten Merkmal gleich (= uniform).
Die gilt auch bei rezibroker Kreuzung.
= Uniformitätsregel
c) Kreuzung d. F1-Hybriden untereinander
F1
R!
Gg
G
Gg
g
G
a
b
g
intermediär
a
aa
ab
b
ab
bb
F2
GG
Genotyp
Phänotyp
Gg
Gg
gg
1 : 2 :1
3 :1
weiß : rosa : rot
1 : 2 : 1
2. Mendelsche Regel:
Kreuzt man die Mischlinge der F1-Generation untereinander, so spalten sich die Merkmale in der
F2-Generation in einem ganz bestimmten Verhältnis auf:
dominant-rezessiv: 3:1
intermediär: 1:2:1
= Spaltungsregel
8
d) Rückkreuzung
Um herauszufinden, ob der Träger eines dominanten Merkmals rein- oder mischerbig ist, kreuzt
man ihm mit dem rezessiven Elter.
P
R!
Gg
G
F1
X
gg
g
Gg
GG
g
Gg
gg
g
G
gg
Gg
X
gg
G
Gg
1 : 1
g
Gg
g
Gg
uniform (alle heterozygot)
3.4 Dihbrider Erbgang
dihybrid: 2 alternierende Merkmalspaare;
z.B.: Samenfarbe und –form (rund, kantig)
A: gelb ist dominant über a: grün (rezessiv)
B: rund ist dominant über b: kantig (rezessiv)
P
R!
AABB
AB
F1
AaBb
X
aabb
AB
AaBb
ab
AaBb
F2
ab
AaBb
AB Ab
AaBb
Uniformitätsregel auch
für dihybriden Erbgang
aB
AaBb
ab AB Ab aB
ab
AB
aB
Ab
ab
AB
AABB
AaBB
AABb
AaBb
aB
AaBB
aaBB
AaBB
aaBb
Ab
AABb
AaBb
AAbb
Aabb
ab
AaBb
aaBb
Aabb
aabb
9 : 3 : 3 : 1
3. Mendelsche Regel:
Kreuzt man zwei Individuen, die sich in zwei oder mehr Merkmalen reinerbig unterscheiden, so
können die einzelnen Gene bei der Gametenbildung getrennt werden und bei der Befruchtung
in neuer Kombination zusammentreten.
= Unabhängigkeits-/Neukombinationsregel
9
3.5 Der statistische Charakter der Vererbungsregeln
3.5.1 Modellversuch: zufällige Kombination der Gene
m1
A
a
Keimzellenbildung
A
AA
Aa
+ Kombinieren: Befruchtung
a
Aa
aa
Phänotyp A: 75%
Phänotyp a: 25%
60/20
Je öfter der Versuch durchgeführt wird, desto eher erfolgt ie Annäherung an den erwarteten Wert.
m2
1. Münze werfen:
2. Münze werfen:
3.5.2 Wahrscheinlichkeitsvorraussage
z.B.: Phenylketonurie (Stoffwechselerkrankung)
-> homozygot-rezessives Allelenpaar:
Eltern gesund, 1. Kind krank
- Wahrscheinlichkeit, dass 2. Kind gesund?
P Aa x Aa -> Kind: K1 = aa 75% gesund [vgl. Schema 3.5.1]
(Wahrscheinlichkeit hat kein Gedächtnis)
- Wahrscheinlichkeit, dass Eltern, die sich 3 Kinder wünschen, 3 gesunde Kiner bekommen?
P (Zusammentreffen unabhängiger Ereignisse) = Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten
P (3 gesunde Kinder) = 0,75 * 0,75 * 0,75 = 0,42
- Wahrscheinlichkeit, dass utner 2 Kindern 1 gesundes ist?
P (Zutreffen des einen oder anderen sich ausschließenden Ereignisses) = Summe d.
Einzelwahrscheinlichkeiten
P (1 gesund, 1 krank) = 0,75 * 0,25 + 0,25 * 0,75 = 0,375
3.6 Die Chromosomentheorie d. Vererbung
3.6.1 Allgemeines
Die Erkenntnisse der Zelluntersuchungen des 19. Jhd. ließen sich den Ergebnissen der
Kreuzungsversuche wiederspruchslos zuordnen (-> siehe AB).
3.6.2 Genkopplung
Thomas Hunt Morgan (1866–1945): Arbeit mit Tau- oder Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster)
schnell vermehrbar
hat nur 4 versch. Chr.
zeigt Mutanten leicht
Allele der Phhänotypen der wildlebenden Fruchtfliegen (=Wildtypen) sind Wildtypallele
Kennzeichnung: + oder Großbuchstaben
Mutierte Allele: Abkürzung der englischsprachigen Bezeichnung
z.B.: vg
vestigial
Stummelflügel
b
black
schwarz
10
Bsp.: Wildtyp
X
blvg – Mutante
P
B
V
b
v
B
V
b
v
R!
G
B
V
b
v
kann nur ein Gamet, da auf gl. Gen…
F1
B
V
b
v
uniform
! Liegen die Anlagen gekoppelt vor, gilt die 3. Mendelsche Regel nicht!
-
gekoppelte Anlagen werden gemeinsam weitergegeben
in d. F2-Generation erfolgt bei dihybridem Erbgang eine Aufspaltung:
genotypisch : 1 : 2 : 1
phänotypisch:
3:1
alle Gene auf demselben Chromosom bilden eine Kopplungsgruppe (Mensch: 23)
Rückkreuzung:
heterozygotes Tier aus F1-Generation mit rezessivem Elter gekreuzt:
Gekoppelter Erbgang beim Menschen:
Rot-Grün-Blindheit und Bluterkrankheit auf X-Chr.:
Möglichkeiten d. Krankheitsübertragung: (Konduktorin)
11
3.6.3 Genaustausch ( = Kopplungsbruch) ..................................................................................................13
3.6.4 Genkartierung....................................................................................................................................13
3.7 Erbgänge beim Menschen ........................................................................................................................13
3.7.1 Vererbung d. Blutgruppen und d. Rhesusfaktors ..............................................................................13
3.8 Erbkrankheiten beim Menschen...............................................................................................................15
3.8.1 Definition / Übersicht........................................................................................................................15
3.8.2 Numerische Chr.-abberation .............................................................................................................15
3.8.4 Genmutation ......................................................................................................................................17
3.8.5 X-chromosomal – rezessive Erkrankheit...........................................................................................17
3.9 Genetische Familienberatung...................................................................................................................18
4. Molekulare Genetik........................................................................................................................................18
4.1 Historisches ..............................................................................................................................................18
4.2 Die Nukleinsäuren: chem. Aufbau und Struktur ......................................................................................19
4.3 Bakterien & Viren als Forschungsobjekte................................................................................................21
4.4 Bau & Bedeutung v. Proteinen.................................................................................................................23
4.5 Der molekulargenetische Genbegriff .......................................................................................................13
4.6 Proteinbiosynthese ...................................................................................................................................14
4.7 Genmutation.............................................................................................................................................16
4.8 Regulation d. Genaktivität........................................................................................................................17
5. Aspekte der Gentechnik .................................................................................................................................18
5.1 Gewinnung von gentechnisch veränderten Bakterien ..............................................................................18
II. Immunbiologie ..................................................................................................................................................18
1. Allgemeines ...............................................................................................................................................18
2. Das Immunsystem des Menschen ..............................................................................................................19
3. Die Antikörper ...........................................................................................................................................20
3.1
Bau eines Antikörpers.........................................................................................................................20
3.2
Antigen – Antikörper-Reaktion...........................................................................................................20
4. Impfung......................................................................................................................................................21
12
3.6.3 Genaustausch ( = Kopplungsbruch)
Durch Crossing Over in der Meiose können die gekoppelten Gene getrennt, also entkoppelt
werden. Es findet ein Genaustausch statt ( = Rekombination gekoppelter Gene).
Crossing Over
R! Ä!
Kopplungsbruch
2-ChromatidChromosom
Neukombination
der Gene
Den Prozentsatz von Nachkommen MIT Genaustauch bezogen auf die Gesamtzahl der
Nachkommen bezeichnet man als Austauschwert (= konst.).
Austauschwerte zwischen 2 Genen können als relative Maßzahl für den Abstand dieser Gene
im Chromosom angesehen werden.
Die genaue Lage e. Gens auf e. Chromosom nennt man Genort oder Genlocus.
3.6.4 Genkartierung
Zur Aufstellung von Genkarten nimmt man d. Austauschhäufigkeiten in Prozent als Wert für
d. linearen Abstand.
1% = 1 map unit = 1 mu = Kartierungseinheit (= 1 Centi Morgen = 1 cM)
Austauschwerte zwischen:
b und vg:
vg und l:
18 %
5%
b
l vg l
-> zwei Möglichkeiten
3 Austauschwerte müssen bekannt sein ( = Dreipunktalalyse)
3.7 Erbgänge beim Menschen
Methoden:
- Stammbaumanalyse
- populationsgenet.
Untersuchungen
- Zwillingsforschung
- biochemische Verfahren
3.7.1 Vererbung d. Blutgruppen und d. Rhesusfaktors
a) Zusammensetzung des Blutes
Blut (5 – 7 l)
Blutplasma
56 %, gelblich
- Wasser
- Eiweiße
- gelöste Salze
- Blutfette / -zucker
- Gase
- Hormone
Erythrozyten
(rote Blutkörperchen)
50 mil / mm3
Gase
Blutgruppensystem
Blutzellen
Trombozyten
(Blutblättchen)
5 – 800 /mm3
Wundverschluss
13
Leukozyten
(weiße Blutkörperchen)
Immunsystem
b) ABO-System
4 klassische Blutgruppen: A, B, AB, O
Die Bildung bzw. das Fehlen der Antigene (Kohlenhydraht-Kette) auf Erythrocyten-Oberfläche wird von einem
Genort gesteuert. An ihm kann entw. d. Allel A, B oder O liegen:
-> 3 versch. Allele -> multiple Allele
Die Allele A und B verhalten sich gegenüber O dominant, sind nebeneinander aber kodominant also
intermediär.
Blutgruppe bzw.
Antigene der BK
„Phänotyp“
A
B
AB
0
Genotyp
AA, A0
BB, B0
AB
00
Antikörper im
Blutserum
Anti-B
Anti-A
keine
Anti-A + Anti-B
Verklumpung der Blutkörperchen mit
Testserum
Anti – A
Anti - B
x
x
x
x
-
Antigene führen in einem fremden Organismus zur Bildung von Antikörpern -> Immunreaktion
Blutgruppenbestimmung (Agglutinationsreaktion):
Antikörper können nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an Antigene binden -> Verklumpung
Durchführung: Blut d. Testperson (Antigene)
Beobachtung der Verklumpung
siehe Tabelle
Anti-A
Anti-B
Anti-A + Anti-B
Die Antikörper d. Spenderblutes spielen im fremden Organismus
wegen des starken Verdünnungsfaktors keine Rolle.
0
A
B
AB
c)
Universalspender
Universalempfänger
Das Rhesus-System
Antigen D = Rhesusfaktor
Genotyp DD, Dd -> rhesuspositiv Rh+
Genotyp dd -> rhesusnegativ rhRhesusverträglichkeit:
Gelangen Blutkörperchen mit d. Merkmal D in die Blutbahn e. rhesusnegativen Menschen, kommt es zur
Bildung von Antikörpern Anti-D (=Sensibilisierung)
Problem:
Schwangerschaft e. rh- - Mutter, wenn ihr Kind Rh+ ist.
1. Schwangerschaft: bei d. Geburt treten Antigene d. Kindes in d. Blutbahn d. Mutter -> Sensibilisierung
2. Schwangerschaft: Kind evtl Rh+ -> Verklumpung -> Agglutination bei Geburt (Blutaustausch)
Behandlung:
Spritze mit Antikörpern Anti-D zerstören übergetretene Blutkörperchen
-> Sensibilisierung wird verhindert
14
3.8 Erbkrankheiten beim Menschen
3.8.1 Definition / Übersicht
Def.:
Alle an Nachkommen weitervererbbare körperliche u. geistige Annomalien aufgrund defekter Gene od.
Gengruppen.
Mutationen
Genmutationen
1 Gen betroffen:
Punktmutation
strukturelle Chr.-abber.
->Chromosomenmutation
(Veränderung d.
Chromosomenaufbaus)
Chromosomenabberationen
numerische Chr.-abber.
-> Genommutation
Aneuploidie
Euploidie
betrifft einzelne Chr.
betrifft ganzen Chr.satz
|
|
autosomal
gonosomal
3.8.2 Numerische Chr.-abberation
Syndrom:
Krankheit, die erst bei
gekoppelten Symptomen
besteht
a) autosomal
z.B.: Trisomie 21 (Down-Syndrom)
Symptome :
kleinere gewachsen
- schräggestellte Augen mit Augenfalte
- kurze Nase mit flacher Nasenwurzel
- recht rundliches Gesicht
- Kopf mit fl. Hinterhaupt
- besonders dicke Zunge (Mund meist offen)
- Finger oft ziehmlich kurz
- geistig unterentwickelt (IQ 40 – 70),
~6-7 jährig
- erhöhte Infektionsanfälligkeit
- Fehlbildung
- innerer Organe
Entstehung d. Down-Syndroms:
1.)
Freie Trisomie (95%): spontan
Nondisjunction (Meiosefehler, Nichttrennung) des Chr. 21:
- in der Reduktionsteilung
N!
XX
Ä!
XX
| |
| |
- in der Äquationsteilung
X
|
XX
R!
X
N!
|
| |
|
15
Häufigkeit in Abhängigkeit vom Alter der Mutter:
20 Jahre
30
35
40
45
2.)
1 : 2000
1 : 1000
1 : 600
1 : 100
1 : 50
Translokationstrisomie (5%)
Bei den Chromosomen 13, 14, 15, 20, 21 ist das Zentromer stark zu einer Seite verschoben. Manchmal kommt es
zu einer Fusion (z.B.: 14 + 21) im oder unmittelbar neben dem Zentromer unter Verlust (= Deletion) des jeweils
kurzen Chromatidenabschnittes.
45 Chromosomen in der Körperzelle, Trisomie erst beim Kind
14 21
gesund
14
Monosomie (-> Tod)
(14+21) 21
Trisomie 21
(14+21)
balanciert, phän: gesund
b) gonosomal
Gon. num. Chr.-abber. haben weitaus geringere hänotypische Auswirkungen als autosomale (Hauptsächlich
Beinträchtigung v. Sexualentwicklung u. Intelligenz).
Grund:
- Y-Chr. relativ genarm
- Inaktivierung überzähliger X-Chr. -> Barr-Körperchen
Entstehung:
Ein oder mehrere Nondisjunction-Ereignisse in R! und / oder Ä! bei der Bildung von Eibzw. Samenzelle.
1. ) Turner – Syndrom (45, X0): phänotyp. weiblich
- normale Intelligenz
- Kleinwuchs (1,15 – 150 m)
- rel. kurzer, dicker Hals
- unfruchtbar (Geschlechtsorgane infantil (!)
v. Alter & Geschlecht d. Eltern unabhängig
2.) Kleinfelter – Syndrom (47, XXY): phänotyp. männlich
- relativ groß
- etw. dicker
- weibl. Züge (Brustansatz, breiteres Becken)
- unfruchtbar
- Intelligenz leicht reduziert
16
3.8.4 Genmutation
a) autosomal – dominantes Erbleiden
Kennzeichen:
Bsp.:
- Genotypen
AA
krank, Aa krank, aa gesund
- Vererbung unabhängig vom Geschlecht
- Auftreten eines Merkmalsträgers in einer gesunden Familie beruht auf einer Neumutation
Marfan – Syndrom:
mutiertes Gen A –> fehlgebildetes Protein -> übermäßig elastische Bindegewebsfasern
-
deformierte Augenlinse –> Sehstörungen
überlange Zehen
überdehnte Aorta
überlange Gliedmaßen und „Spinnenfinger“
Polyphänie: Ein Gen beeinflust die Ausprägung von mehreren Merkmalen
variable Genexpression: Symptome können bei versch. Personen untersch. stark ausgeprägt sein.
weitere Bsp.e:
Chorea Huntington
-
erbliche Knochenbrüchigkeit
Vielfingrigkeit
b) autosomal – rezessives Erbleiden
Kennzeichen:
-
Bsp.:
Merkmalsträger: aa
Vererbung unabhängig vom Geschlecht
phänotyp. Gesunde können Überträger (Aa) sein
Auftreten v. Merkmalsträgern in gesunden Familien kann darauf beruhen, dass das
mutierte Allel über Generationen hinweg verdeckt weitergegeben wird.
relative Häufung v. Merkmalsträgern bei Verwandtenehen (Wahrscheinlichkeit, dass beide
heterozygot sind, viel größer)
Phenylketonurie (PKU)
spektroskopische Blutuntersuchung
bakterieller Test (Guthrie – Test): Blut auf rundes Filterpapier, dies wird auf e. mit
Bakterien best. Nährboden gelegt, diese können kein Phenylalanin herstellen ->
Phenylalanin vorhanden: Bakterien wachsen um das Filterpapier
Nachweis:
-
Therapie:
phenylalaninarme und tyrosinreiche Diät (solange fortpflanzungsfähig)
weitere Bsp.e:
Mukoviszidose
Galactoseämie
-
Albinismus
Sichelzellenanämie
3.8.5 X-chromosomal – rezessive Erkrankheit
Kennzeichen:
- defektes Gen auf X-Chromosom
- Mehrzahl d. Merkmalsträger männlich
- erkrankte Männer vererben d. defekte Gen nur an Töchter (wenn Sohn krank: Mutter XAXa)
hemizygoter Zustand
gesund
♂:
XaY:
XAY:
Bsp.:
Bluterkrankheit
♀:
Xa Xa:
XAXa:
XaXa:
krank
Konduktorin
gesund
Blutgerinnung stark verzögert
-> schon geringfügige Verletzungen können zu flächenhaften Blutungen führen
17
Therapie:
Fehlender Faktor muss alle 2 – 3 Tage ins Blut injiziert werden.
weitere Bsp.e:
- Rot – Grün – Blindheit
- Muskeldystrophie Duchenne
- Fischschuppenhaut
3.9 Genetische Familienberatung
Ziele:
- bestmgl. Betreuung erbkranker Menschen
- Risiko in e. speziellen Situation / e. Kind mit e. best. genet. Defekt zu erhalten
Methoden:
a) Stammbaumanalyse: Zusammenstellung d. erbbedingten Erkrankungen in d. Familien d. Ratsuchenden
(= Familienanamnese)
Stammbaumanalyse mit best. Wahrscheinlichkeitsvoraussage
b) Heterozygotentest:
Bei relativ vielen Erbkrankheiten können heterozygote Genträger rezessiver Erbleiden
biochemisch nachgewiesen weren (z.B.: PKU, Bluterkrankheit, Mukoviszidose)
4. Molekulare Genetik
4.1 Historisches
1928 Griffith:
riffith Transformationsversuch
Versuch mit 2 Stämmen der Bakteriengattung Pneumocucus.
R-Stamm
S-Stamm (smooth = glatt): Zellwand bildet Schleimkapsel,
tödl. Lungenentzündung bei Mäusen
R-Stamm (rough = raus): keine Schleimkapsel, nicht pathogen
Gemisch beider
↓ Injektion
S-Stamm
(hocherhitzt)
↓
lebend
lebend
tödlich
lebende Pneumokokken (S-Stamm) im Körper
↓
R-Stamm kann bei Anwesenheit von S-Stamm in S-Stamm transformiert werden.
1944 Avery:
Avery chem. Natur des „transformierenden Prinzips“ -> DNA
S-Stamm
zellfreies Extrakt
pathogen
(enthält DNA, RNA,
Eiweiße)
unverändert
DNA zerstört
RNA zerstört
Eiweiße zerstört
Kapselbildung †
keine Kapselbildung, lebend
Kapselbildung †
Kapselbildung †
DNA ist Träger d. Erbinformation ( = universelle Erbsubstanz).
Transformation:= Übertragung v. genet. Information durch reine, isolierte DNA v. e. Zelle auf d.
andere
18
4.2 Die Nukleinsäuren: chem. Aufbau und Struktur
4.2.1 Bausteine der Nukleinsäuren
DNS/DNA:
Desoxyribo|nukleinsäure (-acid)
Zucker
RNS/RNA:
Phosphatrest
Ribo|nukleinsäure (-acid)
Bausteine aus 3 Stoffklassen:
- Zucker
- Desoxyribose
- Ribose
- Phosphatsäure, Phosphat
H3PO4
- 4 versch. org. Basen
Adenin, Guanin Purinbasen (Grundgerüst aus e. Sechser- und e. Fünferring)
Thymin, Cytosin Pyrimidinbasen (Grundgerüst aus e. Sechserring)
RNA: Uracil statt Thymin
Grundbausteine der DNA sind Nukleotide
Cytidinmonophosphat
Adenosin Guanosin Thymidin -
- CMP
- AMP
- GMP
- TMP
Das DNA-Molekül besteht aus e. großen Anzahl v. Nukleotiden.
Verknüpfung d. Nucleotide:
Base
5´
Immer ein C-5 Atom eines Zuckermoleküls ist über e.
Phosphorsäuregruppe mit d. C-3 Atom d. nächsten Zuckermoleküls
verknüpft.
Die Reihenfolge der 4 Basen (= Buchstaben der genet. Alphabets)
kodiert d. Erbinformation (= Primärsturktur der DNA).
Die DNA-Kette besitzt e. best. Richtung, 5´->3´, eine Verlängerung
erfolgt nur am 3´- Ende.
3´
4.2.2 Struktur der DNA –
Chargaff (1951): chem. Analyse von DNY-Proben aus versch. Organismenarten
Es gilt immer:
5´
c(A) : c (T) = 1 : 1
c(G) : c (C) = 1 : 1
19
-A
-C
-C
-T
-G
TGGAC-
Leiter
3´
-- Holme
4.2.3 Die Verdopplung (Replikation) der DNA (AB)
Vor jeder Zellteilung muss e. identische Verdopplung d. Erbsubstanz erfolgen.
Klärung d. Mechanismus (Meselson & Stahl), Isotopenmarkierungsversuche:
Sie züchteten E. Coli – Bakterien auf e. Medium mit 15NH4Cl als Stickstoffquelle. Nach
einiger Zeit (Teilungs-/Verdopplungszyklen) befand sich in den Bakterien 15N-DNA
(„schwere“ DNA) spezifisches Gewicht erhöht.
DNA mit 15N/14N können durch Ultrazentrifugation (in CsCl-Lsg.) unterschieden werden.
Bakterien mit 15N-DNA wurden in 14N-haltiges Medium überführt.
Nach je e. Generationszyklus erfolgte Probennahme und Untersuchung:
unmittelbar nach Einbringen
in 14N-Medium
14
15
N
N
nach 1. Replikation
14
N/15N
14
N/15N
14
N/15N
nach 2. Replikation
14
N/15N
14
N/14N
semikonservativer Mechanismus
DNA-Polymerase kann nur in 3´ -> 5´- Richtung d. Muster d. DNA-Stranges vorrücken,
kann nur 5´-> 3´- Richtung synthetisiert werden.
Helicase
öffnet & entwindet DNA, „rutscht“ entlang, trennt Wasserstoffbrückenbdg.en,
-> beide Stränge werden entschraubt und auseinandergeschoben.
DNA- Polymerase
Ligase
- baut freie Nukleotide jeweils an d. komplementären Basen,
- andere DNA-Polymerase korrigiert Fehler
schließt Lücke; Bausteine werden durch Ligasen zum Einzelstrang verknüpft.
Die notwenige Energie liefert d. Abspaltung von zwei Phosphatgruppen aus
den Nukleosidtriphosphaten.
Replikation erfolgt am 2. Strang diskontinuierlich (Polymerase wandert von der Gabelung
weg, es entstehen zunächst in 5´-> 3´- Richtung kleine DNA-Stücke = Okazaki-Fragmente,
die anschließend in 3´-> 5´- Richtung verknüpft werden.)
DNA-Polymerase benötigt für den Beginn Startermoleküle mit freien OH-Gruppen
(=Primer).
20
Zellwand
4.3 Bakterien & Viren als Forschungsobjekte
SchleimKapsel
Zellmembran
mit Mesosomen
4.3.1 Bakterien – Allgemeines
Vorteile:
- einfach gebaut (Prokaryonten)
- leicht kulutivierbar -> gr. Anzahl an Nachkommen
- Mutanten sind leicht erkennbar
Plasmid
Geißel
Kokken
Bazillen
Ribosomen
Streptokokken
Vibrionen
DNA
Spirillen
Typische Kennzeichen:
- kein echter Zellkern
- kaum Zellorganellen
- kleinere Ribosomen
- Zelle ca. 10 000x kleiner als tier. Zellen
Prokaryonten
4.3.2 Nachweis & Selektion von Mutanten
J. Lederbug und E. Tautum: Selektion v. Aminosäuremangelmutanten bei E. coli
Aminosäuremangelmutanten wachsen nicht mehr auf Minimalagar (nur Zucker,
stickstoffhaltige Salze), da sie e. od. mehrere AS aufgrund e. Enzymdefektes nicht mehr selbst
synthetisieren können (Vollager: + 20 AS).
Identifizieren:
-
Ausplatieren auf Vollagarplatten
Kolonienmuster mit Samtstempel übertragen auf 20 Minimalagarplattern,
von denen jede nur 1 der AS enthält
Kolonie fällt auf d. anderen 19 Platten aus
4.3.3 Konjugation u. Rekombination bei Bakterien
Versuch v. Lederberg & Tatum:
Mischen von 2 Doppelmutanten-Stämmen:
A:
phe-; cysthr+; leu+
B:
thr-; leuphe+; cys+
GEMISCH
Ausplatieren auf
Minimalagar
kein Wachstum
kein Wachstum
Wachstum
21
Erklärung :
Konjugation und Rekombination
a)
b)
F+-Zelle
Spender
/Donator
A
B
c
F+
b)
F—Zelle
Empfänger
/Akzeptor
a
b
C
Fc
C
b
B
a
A
A
B
c
c
B
A
DNA wird übertragen als
a) Kopie d. F+-Faktors (Meist bei Resistenz)
b) Kopie d. Spenderbakterien-DNA: Hfr-Stämme (high frequency of recombination)
F-Plasmid ist in Bakterienchr. eingebaut -> Genaustauschhäufigkeit erhöht
Teile d. F-Faktors und Gene des Bakterienchr. werden auf Empfänger übertragen.
Nach d. Konjugation ist e. Genaustausch (=Rekombination) möglich.
Da nicht der gesamte F-Faktor übertragen wird, bleibt d. Empfänger F-.
Bedeutung: Kartierung d. Bakteriengenoms
Übertragung v. Resistenzgenen:
R-Plasmide enthalten mehrere Gene
für Resistenz (gegen Antibiotika & Sulfonamide),
für d. DNA-Replikation
und
für d. Konjugationsapperat.
Gene können auf Zellen d. gleichen u. versch. Spezies übertragen werden,
wodurch sich Resistenzen in e. Kolonie ausbreiten können.
4.3.4 Viren – Allgemeines
DNA
a) Bau e. Bakteriophagen
Proteinhülle
/ Capsoid
Kennzeichen:
- bestehen nur aus Nucleinsäuren
(DNA/RNA) & Proteinen
Kragen
Schwanzstift
Schwanzrohr
Schwanzfäden
- sind keine Lebewesen
Endplatte mit
Spikes
22
b) Vermehrung e. virulenten Phagen (lytischer Zyklus)
1.) Adsorption
mit d. Strukturen d. Endplatte rastet d. Phage
mit d. Rezeptoren auf d. Bakterienwand ein.
4.) DNA-Replikation
Phagen-DNA schließt sich zum Ring & wird
aus Nukleotiden d. Bakteriums vielfach
vermehrt.
2.) Injektion
Schwanzstift durchdringt d. Zellwand: PhagenDNA gelant ins Bakterium (DNA nicht nachweisbar)
5.) Proteinsynthese
Gene in Pagen-DNA steuern Synthese v.
Proteinen für Phagenköpfe, -Schwänze, ...
3.) Synthese v. Phagenenzymen
Phagen-DNA steuert d. Synthese v. Enzymen,
die d. Bakterien-DNA abbauen und d. PhagenDNA replizieren
6.) Zusammenbau
7.) Lyse
Bakterienwand wird durch Enzym (Lysozym)
aufgelöst -> 30 – 100 Viren
c) Vermehrung e. temperenten Phagen (lysogener Zyklus)
Wirtszelle wird nicht sofort zerstört
Injektion d. Phagen-DNA
u.
Integrieren als Prophage in Bakterienchr. an e. best. Stelle
4.3.5 Transduktion (Genübertragung durch Viren) (AB)
4.4 Bau & Bedeutung v. Proteinen
Proteine oder Eiweißstoffe sind org. Maktromoleküle (Polymere), d. aus Aminosäuren aufgebaut sind.
4.4.1 Aminosäuren
α-Aminocarbonsäuren (N-haltige organ. Säuren)
allg. Formel:
COOCOO+ OH
|
|
H2 N – C – H
H3 N – C – H
Säurewirkung
|
|
R
R
Pufferwirkung
+ H+
Basenwirkung
COOH
|
H3 N – C – H
|
R
4.4.2 Peptide und Proteine
Einteilung:
- Peptide (2 – 100 AS)
° Oligopeptide (2 – 9 Monomere)
° Polypeptide (10 – 100 Monomere)
- Protein (> 100 Monomere)
Die Verknüpfung d. AS erfolgt zw. d. Carboxylgruppe der einen u. d. Aminogruppe d.
zweiten AS (=> Peptidbindung).
23
H
|
O
H2N – C – C
+
|
OH
R1
-> H2O
H
|
N–C–C
H
|
R2
H
H O
H
||
|
O
|
H2 N – C – C – N – C - C
|
| |
OH
H R2
R1
O
OH
Peptidbindung
Struktur der Proteine:
1. Primärstruktur
Reihenfolge der AS in e. Polypeptid (= AS-Sequenz), sie ist genetisch fixiert
2. Sekundärstruktur
Räumliche Anordnung d. Polypeptidkette
Ursache: Wasserstoffbrückenbindungen zw. d. Sauerstoff d. Carboxylgruppe und d. Wasserstoff d. NH-Gruppe aus einander gegenüberliegenden Peptidbindungen
3. Tertiärstruktur
Räumliche Anordnung d. α-Helix bzw. Faltblattsturktur
4.Quartärstruktur
Häufig treten mehrere in d. Tertiärstruktur vorliegenden Peptidketten zu komplexen Proteineinheiten
zusammen.
4.5 Der molekulargenetische Genbegriff
Gregor Mendel: 1 Erbfaktor bestimmt ein Merkmal, Ein-Gen-ein-Phän-Bedeutung
Versuch von Beadle & Tatum (1941): Objekt: Schimmelpilz Neurospora crassa
Durch Bestrahlung wurden Mutanten erzeugt, die im Gegensatz zum Wildtyp auf
Minimalnährmedium nicht wuchsen.
Ergebnis:
Mangelmutante
Stamm I
Stamm II
Stamm III
Ornithin (AS)
+
Gen a
|
Enzym 1
Vorstufe
Citrullin (AS)
+
+
Gen b
|
Enzym 2
-
Gen c
|
Enzym 3
Ornithin
Syntheseschritt A
Arginin (AS)
+
+
+
Citrullin
B
Arginin
C
Fällt durch Mutation 1 Gen aus, wird das zugehörige Enzym nicht mehr gebildet
-> Stoffwechselblock an dieser Stelle (siehe Genwirkkette)
Ein–Gen–ein–Enzym-Hypothese
aber:
- manche Enzyme bestehen aus mehreren Polypeptidketten
- Gene führen auch zur Bildung von Poypeptiden ohne Enzymcharakter
Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese
13
4.6 Proteinbiosynthese
Die Nukleotidsequenz in e. Gen (=DNA-Abschnitt) bestimmt d. AS-Seqenz.
Die Umsetzung d. genet. Information erfolgt an d. Ribosomen im Cytoplasma.
4.6.1 Ribonukleinsäuren und Ribosome
40 S-Untereinheiten
Euk. mRNA
a) Ribosome: - 1/3 Proteine; 2/3 ribosomale RNA
- bei Eukaryonten: meist am endoplasmat. Ritikulum
- bei Prokaryonten: freies Vorkommen
- Ort der Translation
60 S-Untereinheiten
b) Ribonukleinsäuren:
- nur ein Nukleotidstrang
- viel kürzer als DNA
- Ribose statt Desoxyribose und Uracil statt Thymin im Nukleotid
3 Arten:
* mRNA:
messanger-/Boten-RNA, langgestreckt, Abschrift v. DNA-Teilen
* rRNA:
ribosomale RNA, aufgeknäult, Baueinheit d. Ribosomen
* tRNA:
transfer-RNA/Transport-RNA ---------->
ASBindekette
Anlagerungsstelle d. Ribosomen
Erkennungsregion
für Synthetase
4.6.2 Ablauf der Proteinbiosynthese
a) Transkription und genet. Code
Anticodon – komplimentär
zum Codon d. mRNA
I.
Transkription:
Hierbei wird e. Abschrift d. DNA als einsträngige mRNA hergestellt.
Ablauf:
-
Enzym RNA-Polymerase (=Transkriptase) entspiralisiert und öffnet d. DNA-Doppelstrang ab
der Startstelle (=Promotor)
Enzym kann nur in 3´->5´-Richtung wandern;
nur ein Strang d. DNA dient als Matrize (= codogener Strang)
unter Beachtung d. Basensequenz lagern sich d. RNA-Bausteine an
RNA wächst vom 5´-> 3´Ende und verlässt DNA in Richtung Cytoplasma.
An d. Stoppstelle (= Terminator) löst sich d. Enzym von d. DNA ab.
-
RNA-Polymerase
RNA-Bausteine ATP, GTP, CTP, UTP
3´
5´
Terminator
Promotor
5´
mRNA
Codestrang
14
5´
Codestrang
3´
codogener Strang
II.
Der genet. Code
Ein Basentriplett (3 Nucleotide) kodiert für e. AS 43 = 64 Möglichkeiten
Ein Triplett d. mRNA wird auch Codon genannt.
Afg.:
3´
5´
CTG GCT ACT GAC CCG CTT CTT CTA TC
GAC CGA UGA CUG GGC GAA GAA GAU AG
5´
5´
GGATC
GGAUC
3´
3´
5´
3´
DNA
mRNA
Code-Strang DNA
Code-Strang mRNA
Eigenschaften d. genet. Codes
- degeneriert: mehrere Tripletts kodieren e. Aminosäure
- er ist kommafrei
- nicht überlappend
- universell: d.h. f. jedes Lebewesen gilt d. Codesonne
III.
Translation
Der genet. Code d. mRNA wird in e. Abfolge v. AS übersetzt, hierzu sind d. tRNA und d. Ribosomen
nötig.
1. Schritt:
AS + tRNA Synthetase AS-tRNA (energieverbrauchend)
2. Schritt:
Beladene tRNA u. mRNA wandern zu d. Ribosomen,
kleine Untereinheit d. Ribosomen lagert sich an Startcodon an.
Methionin-tRNA dockt mit ihrem Anticodon an P-Bindungsstelle;
große Untereinheit tritt hinzu -> Ribosom funktionsfähig
3. Schritt:
Kettenverlängerung:
Bindung d. passenden beladenen tRNA an d. A-Bindungsstelle,
Verknüpfung d. 2 AS Dipeptid, leere tRNA wird frei.
Ribosom rückt um e. Basentriplett auf mRNA weiter (in 3´-Richtung),
zweite tRNA gelangt auf P-Bindungsstelle,
nächste beladene tRNA gelangt auf A-Bindungsstelle
4. Schritt:
Kettenabbruch:
kommt d. Ribosom zum Stopp-Codon, so fällt es von mRNA ab
-> Primärsturktur d. Proteins (automat. Ausbildung d. Raumstruktur)
An jedes mRNA-Molekül binden gleichzeitig mehrere Ribosomen zur Proteinsynthese (=
Polysome)
4.6.3 Proteinbiosynthese bei Eukaryonten
Eukaryontische Gene sindgestückelt (Mosaikgene):
Codierende Abschnitte (Exons) sind durch n ichtcodierende (Introns) getrennt.
Die Introns werden im Verlauf d. Transkription eliminiert Prozessierung d. mRNA
DNA Transkription
prä – mRNA
Intron
Intron
15
Poly-4-Schwanz
5´
(cap)
Exon 1
Exon 2
Exon 3
Spleißen durch Spleißosom (=Snurps)
Ausschleußen aus d. Zellkern
reife mRNA
TRANSLATION
4.7 Genmutation
Def.:
Sprunhafte ungerichtete (= zufällige) Veränderung d. genet. Information in e. Gen.
(Punktmutation: nur eine Base betroffen)
Mutationsrate:
1 : 10 000
-
1 : 100 000
4.7.1 Ursachen und Folgen
a) Replikationsfehler
Fehlerhafte Basenpaarung (zuviel, zuwenig, falsche) bei d. DNA-Replikation betrifft zunächst nur
einen Strang, bei weiterer Replikation wirkt sich d. Fehler auf den Doppelstrang aus.
Mögliche Veränderung d. Basensequenz:
•
Basenaustausch (= Substitution)
-
•
keine Veränderung
sinnverändernd (-> and. AS)
sinnentstellend (Stoppcodon)
Basenverlust ( = Deletion) / - einschub (= Insertion)
Von d. Stelle d. Mutation ab ändert sich d. Leseraster d. nachfolgenden Codons, je weiter vorne im
Gen d. Mutation erfolgt, desto größer ist d. Sinnveränderung.
b) Mutagene Substanzen und Strahlen
•
chemische Substanzen
•
Strahlungen (z.B.: UV-Strahlung: Vernetzung von zwei benachbarten Thymin-Molekülen im selben
- Nitrosamine (salpetrige Säure) bewirken Umwandlung d. DNA-Basen:
Cytosin -> Uracil
Adenin -> Hypoxathin (paart sich mit C!)
- Basenanaloga (z.B.: Bromuracil)
- Teerstoffe u. Acridinfarbstoffe: Moleküle mit Ringsystem schieben sich in ruhender DNA zwischen
d. Nukleotide, bei der nächsten Replikation wird e. neue, beliebige Base eingelagert.
Einzelstrang); and. Strahlen können zu Radikalen führen.
4.7.2 Reperaturvorgänge
Es existieren untersch. Mechnismen d. DNA-Reperatur (z.B.: Excisions-Reperatur, Fotoaktivierung, SOS-Reperatur)
16
4.8 Regulation d. Genaktivität
Die Genaktivität unterliegt e. Kontrolle, d. dazu führt, dass jeweils nur d. benötigten Proteine synthetisiert
werden.
aktives Zentrum
4.8.1 Bau und Wirkungsweise von Enzymen
Enzyme = Biokatalysatoren,
erhöhen d. Reaktionsgeschwindigkeit e. biochem. Reaktion,
indem sie d. chem. Gleichgewicht schneller einstellen
& d. Aktivierungsenergie herabsetzen.
Protein
evtl.:
allosterisches Zentrum
Enzyme sind
- substratspezifisch: e. Enzym kann nur e. best. Substrat umsetzen (-> Schlüssel-Schloss-Prinzip)
- wirkungsspezifisch: gebundenes Substrat wird nur in e. ganz best. Art u. Weise umgesetzt.
z.B.:
Ethanol
Decarboxylase
Brenztraubensäure
Reduktase
Milchsäure
Hemmung d. Enzymwirkung:
a) kompetitive Hemmung:
Hemmstoff ist d. Substratmolekül sehr ähnlich -> Konkurrenz um aktives Zentrum
b) allosterische Hemmung:
Hemmstoff lagert sich außerhalb d. aktiven Zentrums an e. zusätzliche Bindungsstelle an
-> Strukturveränderung d. Proteins: Substrat passt nicht mehr ins aktive Zentrum
c) irreversible Hemmung:
Veränderung d. Tertiärstruktur durch:
- Temperatur
- pH-Wert
- Schwermetalionen (Pb2+, Hg2+, Cyanid)
4.8.2 Regulation d. Enzymaktivität
negative Rückkopplung
E1
A
E2
B
E3
C
Direkte Endprodukthemmung
d. Enzymaktivität
D
Endprodukt
Bakterien stellen auf Minimalmedium d. Eigenproduktion von AS ein,
wenn diese angeboten werden.
E1:
allost. Enzym, mind. 2 Bindungsstellen
Effektor:
Stoff, der die Enzymaktivität beeinflusst
|
|
Aktivator
Inhibitor
fördernd
Laktose
hemmend
Endproduktrep.
4.8.3 Jacob – Monod – Modell
(AB)
(Regulation d. Genaktivität bei Bakterien)
Regulation d. Transkription: - durch e. Endprodukt
- durch e. abzubauendes Substrat
17
5. Aspekte der Gentechnik
Def.:
Gentechnik sind alle Verfahren, mit denen man DNA isoliert, zerlegt, neukombiniert und in
Empfängerzellen aktiv werden lässt.
5.1 Gewinnung von gentechnisch veränderten Bakterien
Bsp.:
Einschleußen d. Insulin-Gens in E. coli (s. AB)
1.) Isolierung d. DNA d. Spenderorganismus & Zerlegung in Fragmente passender Größe durch Enzyme:
Restriktionsendonukleasen = Restriktionsenzyme (= R-Enzyme, genet. Scheren); schneiden d. DNA spez. an best.
Stellen (Folge 4-6 Basen).
Die Erkennungssequenz/-region zeigt häufig e. spez. Symmetrie (= Palindrome).
z.B.: Eco R I
5´
3´
5´
3´
CATGAATTCTTC
GTACTTAAGAAG
CATG
GTACTTAA
3´
5´
3´
5´
5´
3´
AATTCTTC
GAAG
3´
5´
sticky ends
2.) + 3.) schneidet man DNA mit denselben Restriktionsenzymen (RE), so könen sich deren sticky ends
miteinander verbinden DNA-Fragmente versch. Organismen können miteinander verknüpft werden.
Geeignete Transportmoleküle (= Vektoren, Genführen): Viren, Plasmide (ringförmige DNA 10x leichter aufgenommen)
nötige Eigenschaften:
- replizierbar (origins of replication = ori)
- einfach isolierbar
- nicht zu groß (bis 10 kb)
- geeignete Schnittstelle für RE (nichts Überlebenswichtiges dort)
- sollten Markergene enthalten (z.B.: Antibiotika-Resistenz)
-> Selektionsvorteil f. Wirtszelle
-> selektive Vermehrung möglich
4.) + 5.) AB
6.) + 7.) Identifizierung und selektive Vermehrung v. rekombinanter DNA (= Klonierung von DNA):
* Bakterien auf Nährbode mit Ampicilin ausplatieren
-> nur Kolonien durch Bakterien, die d. Plasmid aufgenommen haben.
* Koloniemuster mit Samtstempel auf Nährboden mit Tetracyclin übertragen
-> Bakterien mit Hybridvektor bilden keine Kolonien
* Vergleich d. Koloniemuster führt zu Identifizierung
-> Übertragen in Nährlösung & Vermehrung
II. Immunbiologie
1. Allgemeines
Hauptaufgaben:
- Schutz vor Krankheitserregern (Erkennen & Vernichten)
- Zerstörung schädlicher Fremdstoffe
- Beseitigung entarteter Körperzellen
Entscheidend für d. Abwehr ist d. Fähigkeit, körperfremde von Körpereigenen Materialien zu
unterscheiden.
18
1. Unspezifische Abwehr (= angeborene Resistenz)
besitzen alle vielzelligen Tiere, bestehend aus Körperhülle (Haut, Schleimhäute, Sekrete wie
Schweiß), Phargocytose (Fresszellen)
2. Spezifische Abwehr (= Immunsystem)
nur bei Wirbeltieren, wird im Lauf d. Lebens erworben, Abwehr mit Hilfe von Antikörpern und
Lymphozyten
2. Das Immunsystem des Menschen
Thymus(-düse) -> T-Lymphocyten
Knochenmark -> B-Lymphocyten
Milz
Rachen- & Gaumenmandeln
Wurmfortsatz
Lymphknoten
Lymphgefäßsystem
Lymphocyten, Maktrophagen
primäre Lymphorgane:
in ihnen entstehen d. Zellen d. Immunsystems
sekundäre Lymphorgane:
durch sie fließt Lymphe
Zellen des Immunsystems
Das Lymphgefäßsystem transportiert Serumflüssigkeit (H2O, Eiweiß, Salz) ab, die aus den
Blutkapillaren ausgepresst wurde.
Mitgeschwemmte Erreger werden von Lymphknoten abgefangen das gefilterte Serum gelangt zurück
in d. Venen.
Zellen des Immunsystems
Stammzellen des Knochenmarks
Vorläuferzellen
Vorläuferzellen
(Fresszellen)
(Lymphocyten)
|
|
|
Granulo- Mast- Makrocyten
zellen phagen
|
im Knochenmark
|
B-Lymphocyten
|
|
Fresszellen
Gedächtniszellen
Plasmazellen
Lymphocyten
19
|
T-Lymphocyten
|
|
|
T-Helfer T-Killer T- Unterzellen
zellen drückerz.
|
Antikörper
Leucocyten
|
im Thymus
AntigenBindungsstelle
variable
3. Die Antikörper
Disulfidbrücken
Bau eines Antikörpers
leichte Kette
konstante Region
Antikörper (= Immunglobuline Ig):
Proteine, d. mit e. best. Antigen (= Antikörper
generierende [herstellende] Struktur) reagieren können.
Sie sind im Blutplasma gelöst oder
an d. Oberfläche von weißen Blutkörperchen gebunden.
Ig G - Molekül
schwere Kette
auch noch Ig M, Ig A, Ig P, Ig E
Genetik d. Antikörpervielfalt:
Im Erbgut sind fertige Gene nur für d. konst. Abschnitte d. Antikörper vorhanden.
Für die variable Region werden viele kleinere Genabschnitte miteinander kombiniert.
*Bildung der Leichtkette:
Antikörper-Gen beinhaltet:
kodiert für
C - Abschnitt
J – Abschnitt (joining-verbindend)
V – Abschnitt (variable – versch.)
4 Gensegmente
300 -„-
konst. Region
variable R.
dazwischen liegen Introns.
Während d. B-Zellen-Reifung wird daraus d. eigentl. Gen zusammengesetzt
(-> s. AB: Somat. Rekombination)
*Bildung der Schwerkette:
Siehe Leichtkette, allerdings ca. 1000 V-Segmente, J-Segmente, 12 D-Segmente (diversity – Vielfalt),
1 C-Segment => 48 000 Schwerketten
1200 * 48 000 ~ 107
-> erhöhte Mutationsrate -> 108
Antigen – Antikörper-Reaktion
Antigen:
Alle Strukturen, d. e. Antwort d. Immunsystems auslösen können
* frei beweglich
* Zellteile
*an Zellen gebunden
Molekülabschnitte, die als Antigene wirken,
werden als Epitope oder antigene Determinanten bezeichnet.
Antigen und Antikörper passen streng spezifisch zueinander
Immunkomplex oder Antigen-Antikörper-Komplex
-
Agglutination
zellgebundene Antigene & Antikörper verklumpen
Präzipitation
lösliche/freie Antigene & Antikörper reagieren -> fallen aus
Neutralisation
sensible Stellen e. Antigens werden von Antikörpern besetzt
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Ablauf einer Immunreaktion am Bsp. Virusinfektion
1)
Virus wird von Makrophage gefressen (= Phagocytose) & in Bruchstücke zerlegt (Antigene).
2)
Bruchstücke werden von Antigenpräsentiermolekülen oder MHC-Molekülen (major histocompatibility
complex) an der Oberfläche gebunden und präsentiert.
3)
Ruhende T-Killerzellen & Helferzellen mit pass. Rezeptor lagern sich an d. Antigen an.
4)
Anregung z. Zellteilung & Differenzierung (= klonale Vermehrung)
5)
T-Helferzellen senden Botenstoffe
6)
Aktivierung v. spez. T-Killer-, T-Gedächtinis-, T-Unterdrückerzellen
7)
- Lyse: mit Enzym wird befallene Zelle aufgelöst durch T-Killerzelle
- T-Unterdrückerzelle schaltet Immunantwort allmählich ab
- T-Gedächtniszelle speichert Muster des Antigens
8)
B-Lymphocyten phargocytieren Virus & präsentieren Virus-Antigene
9)
T-Helferzellen binden mit spez. Rezeptor an präsentiertes Antigen-Bruchstück:
Kontakt -> Botenstoffe -> Klonierung & Differenzierung d. B-Lymphozyten zu B-Gedächtnis- & BPlasmazellen
10)
B-Plasmazellen produzieren spez. Antikörper, diem it d. Virus...
11)
den Antigen-Antikörper-Komplex bilden.
Komplex wird von Maktrophagen verdaut.
c(Antikörper)
Phasen d. Immunantwort:
Erkennungsphase
- Differenzierungsphase
- Wirkungsphase
- Absterbephase
20
40
Monoklonale Antikörper:
chem. identisch, von gleichen B-Zellen produziert
Maus mit best. Antigen immunisiert
-> aktivierte B-Lymphozyten
aus d. Milz entnommen
mutierte Tumor-B-Lymphozyten
(unbegrenzt oft: Teilung)
verschmelzen
Hybridzellen
↓
Nährlösung mit ursprüngl. Antigen
Selektion
Klonbildung
4. Impfung
a) aktive Immunisierung
Abgeötete oder abgeschwächte Erreger werden injiziert
Anregung zur Antikörperproduktion
keine Krankheit aber auch Produktion v. Gedächtniszellen
(Immunität wirkt für längere Zeit vorbeugend)
b) passive Immunisierung
Bildung d. Antikörper erfolgt durch e. anderes Lebewesen;
dessen Antikörper-haltiges Serum wird in den Körper injiziert;
dient v.a. zur Heilung bereits ausgebrochener Infektionskrankheiten.
21
60
Tage