Bio- Klausur- Lernzettel

Biologie‐Klausur Lernzettel Seitenzahlenangaben beziehen sich auf „Biologie für Mediziner und Naturwissenschaftler“ von Hirsch‐Kauffmann und Schweiger, 6. Auflage. Einteilungsprinzipien der Organismen und ihre zelluläre Organisation Prokaryonten und Eukaryonten Eukaryont Prokaryont Zellwand bei Pflanzen: Zellulose bei Tierren: keine Zellwand vorhanden: Murein Chloroplast bei Pflanzen: vorhanden fehlt Ribosomen vorhanden (80 S) vorhanden (70 S) Golgi‐Apparat vorhanden fehlt Plasmid fehlt vorhanden ( ringförmige DNA) ER vorhanden( rau + glatt) fehlt Mitochondrium vorhanden fehlt; als Ersatz: Mesosom Zellkern vorhanden: Kernhülle, Kernkörperchen fehlt: DNA frei im Plasma Einteilung Tierzellen Pflanzenzellen Bakterien Cyanobakterien Erbsubstanz Eucyte: Nucleus + Nucleolus (meist 2), Mitochondrien und Ribosomen, DNA ist auf Histone aufgewickelt Procyte: frei im Plasma, nicht an Proteine gebunden, 1mm lang, aufgewunden, heißt Kernäquivalent, außer Hauptstrang meist noch Plasmide (beinhalten z.B. Resistenzinformationen) Beweg.fortsätze Mikrotubuli, durch Dynein angetrieben Flagellen, fest in Zellwand eingebaut Viren, Bakterien, Protozoen, Pilze, Pflanzen, Tiere, Mensch ??? Morphologie und Physiologie eukaryoter Zellen Morphologie und Funktion der Zellorganellen ‐
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Zellorganellen sind in das Zytosol eingebettet
Mitochondrien
o aerobe Energiegewinnung ("Kraftwerk der Zelle")
o enthalten ringförmige doppelhelikale DNA‐Moleküle
o haben eigene 70s‐ Ribosomen zur Biosynthese
o werden nur maternal vererbt (über X‐Chromosom)
Ribosomen (80s‐ Ribosomen mit 60s‐ und 40s‐ Einheiten)
o Proteinbiosynthese‐ Apparat (synthetisieren Proteine aus RNA)
o Ribos sind keine Zell‐ Kompartimente (haben keine Plasmamembran)
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Endoplasmatisches Retikulum
o äußere Hülle des Zellkerns, bildet Zisternen
o rau
• raue Stellen: Ribosomen
• synthetisiert und glykolysiert Proteine aus der RNA
• kommt vermehrt in Tierzellen vor, weniger in Pflanzen
• verstärkt in sekretorischen Zellen
o glatt
• Steroidhormone werden synthetisiert
• Bildung von Speicherfetten
• Synthese von Membranphospholypiden
• Ort der Gluconeogenese und Glykogenolyse
Golgi‐ Apparat
o entstanden aus ER
o cis‐ Seite zeigt zum ER ("unreife Seite")
o trans‐ Seite zeigt zur Zellmembran ("Abgabeseite")
o bildet Zisternen
o "Verschiebebahnhof der Zelle" ‐ Glykolysierung der Proteine
o Transport von Membran‐ und Sekretproteinen
Lysosomen
o Dyktiosome des Golgi‐Apparats, enthält Verdauungsenzyme
o Verdauung von zelleigenem und zellfremden Material
o primär: Vesikel mit Verdauungsenzymen
o sekundär: Verschmelzung von Vesikel mit Fremdkörper + Vesikel mit Verdauungsenzymen
o tertiär: speichern Fremdkörper in der Zelle (Residualkörper)
o [Akrosom des Spermiums]
Peroxysomen
o quasi Lysosomen
o Abbau von Wasserstoffperoxyd, Entgiftung
Zellkern
o kommt nur bei Eukaryonten vor, vielfältige Formen
o Kernplasma: Karyoplasma (kein Zytoplasma)
o Kernporen verbinden Karyo‐ und Zytoplasma und regeln den Stoffaustausch
o Chromosomensatz 2n 4C
• Euchromatin
ƒ entspiralisiert und transkriptorisch aktiv
• Heterochromatin
ƒ spiralisiert und transkriptorisch inaktiv
o Nucleolus
• enthält Abschnitte der DNA die für ribosomale RNA kodieren
• Bildungsort und Lage der Ribosomenuntereinheiten
Endosymbiontenhypothese ‐
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Chloroplasten und Mitochondrien sind wie Prokaryonten aufgebaut
Chloroplasten und Mitochondrien haben eigenen ringförmige DNA
haben Lipid‐ Doppelmembran
können sich teilen, werden bei Zellteilung auf Zellen aufgeteilt und entstehen nicht neu
Transportvorgänge in der Zelle ‐
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aktive Transportvorgänge in der Zelle = Zytosen Exozytose: Sekretion, Ausstoßung von Schadstoffen o konstitutiv o regulierbar, induzierbar Apozytose: Abschnürung von Vesikeln o spezifisch/ unspezifisch Endozytose: Einstülpung der Zellwand und damit Umschließung von Molekülen; Abschnürung des Einschlusses → Bildung eines molekülgefüllten Bläschens welches von Lysosomen verarbeitet werden kann o Phagozytose ƒ Aufnahme größerer partikulärer Substanzen ƒ v.a. bei amöboid beweglichen Zellen o Pinozytose ƒ Aufnahme von gelösten Stoffen (Flüssigkeiten) ƒ unspezifisch oder rezeptorvermittelt o rezeptorvermittelte Endozytose ƒ Aufnahme von Molekülen nach deren Anlagerung an spezifische Rezeptoren ƒ Substanzen nicht wahllos aus dem die Zellen umgebenden Medium aufgenommen werden Zytoskelett ‐
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S. 62ff Netz von Röhren (Mikrotubuli) und Fasern (Mikrofilamente), bei spezifischen tierischen Zellen auch Intermediärfilamente Mikrotubuli
o sorgen für Stabilität; werden ständig auf‐ und abgebaut
o Aufbau:
• Protofilamente: Ketten aus α‐ und β‐ Tubulin‐ Untereinheiten; bilden Heterodimere
• 13 parallele Protofilamenten umwinden helical ein Zentrum und bilden einen Hohlzylinder
• labile Struktur: andauernde Aggregation und Disaggregation
o Aufgaben:
• Prägung und Erhalt der Zellform
• Verteilung von Organellen und Makromolekülen (z.B. im Spindelapparat in der Prophase)
• Polarität der Bewegung
o Vorkommen: u.a.
• Zytoplasma • Zentriolen • Cilien • Geißeln o entspringen dem Mikrotubulus‐ Organisationszentrum (MTOZ, Zentrosom)
• +‐ Ende liegt in der Peripherie
• ‐‐ Ende liegt im Zentrosom
o relevant für Transport von Stoffen innerhalb der Zelle
• Dynein transportiert vom + zum ‐ ‐Pol
• Kinesin transportiert vom ‐ zum + ‐Pol
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Mikrofilamente o bestehen aus Aktin‐ und Myosinfilamenten (auch Strukturelemente der Muskelzellen), die kleine „Mini‐Sarcomere“ bilden Intermediärfilamente o Strukturen aus Proteinen o dienen der Erhöhung der mechanischen Stabilität der Zelle o strahlen auch in Zellverbindungen (Desmosomen, Hemidesmosomen) ein o liegen mit ihrer Größe mit einem Durchmesser von 10 Nanometern zwischen den Aktinfilamenten (7 nm) und den Mikrotubuli (25 nm) → Intermediärfilamente o bei Arthropoden und Pflanzen kommen sie nicht vor Geißeln und Cilien ‐
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Aufbau (S. 66) o dünne, zytoplasmahaltige Ausstülpungen der Plasmamembran o zentraler Axialfaden mit Mikrotubulus‐ Dupletts (verbunden durch Nexin) Cilien o kurz (5‐10μm), zahlreich Geißeln o lang (150μm), vereinzelt Aufgaben o Zellbewegung o Mediumbewegung o Partikelbewegung Vorkommen o Cilien • undulierende Membran • Flimmerepithelien o unbewegliche Cilien • sensorische Rezeptoren (u.a. in Stäbchen und Zapfen der Retina) o Geißeln • Spermium‐ Schwanz • CAVE: Bakteriengeißeln sind aus Flagellin aufgebaut! Chromosomen und Zellzyklus Chromosomen, Gonosomen, Autosomen ‐
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Gonosomen: Geschlechtschromosomen Autosomen: Chromosomen, die nicht zu den Gonosomen gehören Formen: o metazentrisch (Zentromer liegt in der Mitte der Chromatiden) o submetazentrisch (Zentromer liegt zwischen Mitte und Ende) o akrozentrisch (Zentromer liegt nah am Ende) o telozentrisch (Zentromer liegt am Ende) Telomer = Chromosomenendregion NOR = Nucleolus‐Organisator‐Region, kommt nur bei akrozentrischen Chromosomen vor Zellzyklus, Mitose, Meiose Interphase ‐ Chromosomen sind entspiralisiert ‐ dauert beim Menschen ca. 15 Stunden ‐ G1‐ Phase o Chromosomen 2n 2C o Zellen bauen Plasma auf o Synthetisierungsprozesse o „normales Zellleben“ ‐ G0‐Phase o „Ruhephase“, z.B. bei Nahrungsmangel o geringe metabolische Aktivität o keine Zellvermehrung o Rückkehr in die G1‐Phase durch Stimulation möglich ‐ S‐Phase o Replikation der DNA → Chromosomen 2n 4C (Vorbereitung der Mitose) ‐ G2‐Phase o Kontrolle der DNA und Fehlerreparatur o Synthese von Kontrollproteinen für die Mitose Mitose ‐ „Mitose = Klonen“ ‐ Prophase o Aufbau des Spindelapparats o polare Spindelfasern ziehen von einem Zentriol zum anderen und schieben Zentriolen zu den Zellpolen → Polarisierung der Zelle, Teilungsebene wird festgelegt o Nucleolus löst sich auf o Spiralisierung der DNA beginnt o astrale Spindelfasern fixieren beide Zentriolen an den Zellpolen ‐ Prometaphase o Kernhülle wird abgebaut o Ausbildung der kinetochoren Spindelfasern ‐ Metaphase o Orientierung der Chromosomen in der Äquatorialebene durch Zug und Gegenzug der Spindelfasern o Chromosomen erscheinen als sternförmiges Gebilde („Monaster“) o Chromosomenanalysen möglich ‐ Anaphase o Schwesterchromatiden werden voneinander getrennt und in Richtung der Spindelpole gezogen o zwei Chromatidensterne werden sichtbar („Diaster“) ‐ Telophase o Dekondensation des Chromatins o 2 Kernhüllen bilden sich aus, Formierung von Nucleoli o Bildung des Teilungsrings ‐ im Anschluss an die Mitose kommt es zur Zytokinese (= vollständige Teilung des Zellleibes) Meiose ‐ „Meiose = Reduktionsteilung“ ‐ Meiose 1 o Interphase ƒ s.o. o Prophase 1 ƒ Leptotän • Chromosomenkondensation • „Bukettstadium“ • Chromosomen sind mit Enden an der Kernmembran verankert ƒ Zygotän • Paarung („Aneinanderlagerung“) homologer Chromosomen → synaptonemaler Komplex • gleiche Gen‐Orte liegen an gleichen Gen‐Orten ƒ Pachytän • Rekombination von Genen durch Crossing‐Over ƒ Diplotän • Auflösung des synaptonemalen Komplexes • Chromosomen bleiben an Überkreuzungsstellen aneinander hängen → Chiasmata • in Oozyten kann dieses Stadium als Dyktiotän über Jahre anhalten ƒ Diakinese • Chromosomen sind maximal kondensiert • Chromosomen lösen sich von Kernmembran, Kernhülle zerfällt o Metaphase 1 ƒ Anordnung der Bivalente (2 homologe Chromosomen, im Zygotän entstanden) in der Äquatorialebene o Anaphase 1 ƒ Trennung homologer Chromosomen unter Lösung der Chiasmata o Telophase 1 ƒ aus einer diploiden Keimzelle entstehen zwei haploide mit vermischtem Chromosomensatz o Ergebnis der Meiose 1: 1n 2C ‐ Meiose 2 o verläuft wie normale Mitose o 4 Zellen mit haploidem Chromosomensatz 1n 1C entstehen Endomitose ‐
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Vermehrung der Chromosomenzahl ohne Kernteilung Entstehung von „Riesenchromosomen“ und Zellen mit polyploidem Chromosomensatz Amitose ‐
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Teilung des Zellkernes ohne vorhergehendes Sichtbarwerden der Chromosomen es teilt sich nur der Kern, während die Zelle selbst erhalten bleibt es entsteht eine zwei‐ oder mehrkernige Zelle Apoptose und Nekrose Nekrose ‐ pathologisch ‐ Zellverbände ‐ Zelle und Zellmembran lösen sich unstrukturiert auf, DNA wird zufällig fragmentiert ‐ Zellbestandteile treten ins Interstitium aus → Entzündung Apoptose ‐ physiologisch ‐ einzelne Zellen ‐ Zelle und Chromatin kondensieren, DNA wird durch Nukleasen fragmentiert ‐ Zelle fragmentiert sich unter Abspaltung von Kernfragmenten ‐ abgeschiedene Fragmente werden von Nachbarzellen phagozytiert Protein p53 ‐ wird kodiert durch ein sog. Tumorsuppressorgen ‐ kontrolliert im G1‐Zyklus‐Kontrollpunkt die DNA auf irreparable Schäden ‐ induziert ein „Todessignal“ um Apoptose einzuleiten ‐ wenn p53‐Gen mutiert ist können sich Zellen mit DNA‐Schäden vermehren und zu Tumorzellen werden menschliche Gameten, Befruchtung ‐
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Gameten= zwei unterschiedliche Geschlechtszellen beim Befruchtungsvorgang (Syngamie) vereinigen sich die Gameten zur Zygote, einer neuen Zelle ‐
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im Embryo wandern Urkeimzellen ab 4. Embryonalwoche in primordiale Gonaden ein vermehren sich dort als Oogonien bzw. Spermatogonien mitotisch in der 8. Embryonalwoche wird Geschlechtsentwicklung des Embryo eingeleitet (S. 240) Molekularbiologie Struktur der DNA ‐
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Nucleotide (Bausteine der Nucleinsäuren) bestehen aus: o Pentose Nucleosid o Base o Phosphorsäure C3‐ C5‐ Phosphorsäure doppelstrangig: 2 antiparallele Nukleotidstränge feste komplementäre Basenpaare: Guanin mit Cytosin (2 H2‐Bindungen), Thymin mit Adenosin (3 H2‐ Bindungen) o Chargaff endeckte 1950, dass ƒ Menge Adenin = Menge Thymidin ƒ Menge Guanin = Menge Cytosin → Annahme einer komplementären, spezifischen Paarung α‐ Doppelhelix eine komplette Drehung = 10 Basenpaare (0,34nm) = 3,4 nm [Stabilität ist auf sog. Staking‐Wechselwirkungen (Basenstapelung in der Helix) zurückzuführen] Denaturierung mit Hitze → DNA liegt dann einzelstrangig vor (gelöste H2‐ Bindungen) Struktur der RNA ‐
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Einzelstränge; bildet nur abschnittsweise intramolekulare helikale Strukturen aus Thymin ist durch Uracil ersetzt Struktur der Proteine ‐
Polymere aus 21 verschiedenen proteinogenen α‐ Aminosäuren o Primärstruktur: genetisch determinierte Aminosäurensequenz (ASQ); legt alle anderen Strukturen fest o Sekundärstruktur: α‐ Helix oder β‐ Faltblatt o Tertiärstruktur: 3‐dimensionale Struktur der proteinkette o Quartärstruktur: räumliche Anordnung mehrerer Proteinuntereinheiten wichtige Experimente zur Aufdeckung der DNA als Erbträger uns zur DNA­ Strukturaufklärung ‐
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S.80 Beweis, dass DNA das transformierendes Agens ist (Avery, 1944) o grundlegendes Experiment: ƒ Griffith, 1928, experimentierte mit Pneumokokken • S‐Zellen = virulent • R‐Zellen (mutiert) = nicht virulent ƒ denaturierte (abgetötete) S‐Zellen können avirulente R‐Zellen transformieren → R‐Zellen werden virulent o Averys Erklärung: DNA ist transformierendes Agens o Beweis: ƒ DNA‐zerstörendes Enzym DNAase verhinderte Transformation ƒ gezielte Zerstörung anderer Zellbestandteile hatte keinen Einfluss Beweis, dass DNA Träger der genetischen Informationen ist (Herschey & Chase, 1952) o Phagen bauten je nach Nährlösung entweder radioaktives Methionin in ihre Hülle oder radioaktiv markiertes Phosphat in ihre DNA ein o Methionin‐ Phagen: bei Injektion der DNA in den Wirt (Bakterie) blieb Radioaktivität im Überstand und war nicht in Wirtszelle oder Phagen‐ Nachkommen zu finden o Phosphat‐ Phagen: bei Injektion der DNA in den Wirt fand sich Radioaktivität in Wirtszelle und Phagen‐ Nachkommen o → nur DNA wird zur Vermehrung benötigt identische Replikation der DNA ‐
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S. 86 findet in S‐Phase der Mitose statt erfolgt semi‐konservativ: o Helix wird entwunden o beide Stränge dienen als Matrize für neue DNA) erfolgt durch einen Multienzymkomplex (enthält alle benötigten Enzyme) DNA wird entspiralisiert durch das Enzym Helicase (mit 9000 U/min) Stabilisierung durch Bindungsproteine Topoisomerase verhindert, dass sich die einzelnen Stränge um sich selbst winden (schneidet die DNA in kleinere Stücke) an Einzelstrangsegmenten findet DNA‐Replikation statt o Prokaryonten: 1 Startpunkt für Replikation → 2 Replikationsgabeln o Eukaryonten: mehrere Startpunkte für Replikation → multiple Replikationsgabeln (→ kürze Replikationsdauer) ƒ Doppelreplikationsblockade: verhindert im jeweiligen Mitosezyklus, dass verschiedene Startpunkte doppelt aktiviert werden; schützt dadurch u.a. vor Mutation ‐
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Polymerasen aus dem Multienzymkomplex suchen Startpunkte an „Leading Strand“ (Leitstrang) und „Lagging Strand“ (Folgestrang) und beginnen, DNA‐Stränge in 3‘‐ 5‘ Richtung einzulesen Neusynthese des komplementären Stranges findet zeitgleich in 5‘‐ 3‘‐ Richtung statt (Primase synthetisiert einen Primer, an dem die Neusynthese durch Polymerasen beginnt – der Primer ist ein RNA‐Stück!) DNA kann nur in 5‘‐3‘‐ Richtung synthetisiert werden, deshalb bilden sich als Komplementärstränge des Folgestrangs die Okazaki‐ Fragmente Chromosomenverkürzung und Telomerasen ‐
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bei jedem Replikationsvorgang geht genetisches Material verloren da die Primer abgeschnitten werden Telomerase (= eine reverse Transkriptase) repliziert aus eigenem RNA‐Strang DNA und verlängert damit das 3‘‐ Ende mit Wiederholungen der Sequenz TTAGGG Polymerase bildet zu den TTAGGG‐ Sequenzen die komplementären Basen und stellt somit den Doppelstrang wieder her Korrektur von Replikationsfehlern ‐
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Replikationsfehler werden von Polymerase während der Synthese korrigiert o Exonukleasefunktion: falsch verknüpfte Nucleotide werden herausgeschnitten und durch korrekte Nucleotide ersetzt; trotzdem ca.1 Lesefehler pro 104 – 105 Nucleotide o Endonucleasefunktion: Korrekturpolymerasen senken Fehlerquote auf 1 Lesefehler pro 106‐ 109 Nucleotide, vergleichbarer Mechanismus wie bei Exonuclease der „korrekte“ Strang wird am höheren Methylierungsgrad erkannt (ältere Stränge → höherer Methylierungsgrad) Reparatosen ‐
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Erbkrankheiten im Reparatursystem Trias: o defiziente DNA‐Reparatur o → Chromosomeninstabilität o → Tumorneigung Transkription bei Pro­ und Eukaryonten ‐
die für die Translation benötigten Komponenten werden synthetisiert: o RNA (Bausteine des Translationsapparates) o tRNA (Transporteinheiten für Aminosäuren) o mRNA (Messenger‐ RNA) ‐
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durchgeführt durch sog. Transkriptasen (RNA‐Polymerasen) nur 1 Strang (kodogener Strang) wird abgelesen (in 3‘‐5‘‐ Richtung) und kopiert (in 5‘‐3‘‐ Richtung); kodogener Strang wird erkannt an der Promotor‐ Region (liegt vor der abzulesenden Information) → Transkription kann beginnen RNA‐Polymerase lagert sich an Promoter‐ Region an, entwindet DNA mittels eigener Helicase‐ Funktion, ansonsten Ablauf wie bei DNA‐Replikation ‐
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Regulation der Transkription o Prokaryonten: ƒ rRNA und tRNA werden als größere Vorläufermoleküle gebildet, mRNA ist sofort fertig ƒ RNA‐Polymerase ist ständig auf der Suche nach Promotor‐ Regionen; erkennt diese an spezifischen Sequenzen, sog. „TATAAT“‐ Boxen (bei ‐10) ƒ Transkription startet bei +1 („A“ des „AUG“‐ Tripletts) ƒ der Aktivator ermöglicht die Transkription ƒ der Repressor verhindert die Transkription bei Anlagerung an den Operator (liegt hinter dem Promotor) (verhindert dadurch Anbindung der RNA‐
Polymerase) o
Eukaryonten: ƒ rRNA und tRNA werden als größere Vorläufermoleküle gebildet, mRNA ist ist noch nicht reif, muss noch ins „Processing“ (s.u.) ƒ 3 verschiedene DNA‐Polymerasen • 1: große RNAs • 2: mRNAs • 3: tRNAs und 5 srRNAs ƒ DNA‐Transkription kann nur erfolgen, wenn DNA entpackt und entspiralisiert ist (Heterochromatin → Euchromatin) ƒ allgemeine Transkriptionsfaktoren müssten sich an RNA‐Polymerase binden um Transkription zu ermöglichen, dieser Komplex sucht sich eine Promotor‐ Region → Transkription beginnt ƒ genregulatorische Sequenzen (Enhancer und Silencer) können sich an RNA‐
Polymerase binden und die Transkription beeinflussen ƒ Processing der mRNA • an 5‘‐ Ende wird schon während Transkription eine CAP‐Struktur angehängt, diese ist wichtig für Bindung der mRNA an ein Ribosom • an 3‘‐ Ende wird Poly‐A‐Schwanz angehängt • → hierdurch werden die Enden „versiegelt“ • Spleißen (zur Entfernung nicht benötigter Introns): o Bildung von Spleißosomen (kleine Nukleäre RNAs (snRNAs) + Proteinen) o Spleißosomen erkennen Introns an spezifischen Nucleotidsequenzen in prä‐mRNA (mRNA mit Introns), schneidet Introns heraus und führt Exons zusammen o Produkt: reife mRNA (ohne Introns) → wird aus Zellkern zu den Ribosomen transportiert o alternatives Spleißen: ƒ Introns und Extons sind fakultativ, durch die Entfernung oder Erhalt von sog. Wahl‐Introns/ Wahl‐
Extrons sind im Endeffekt unerschiedliche Genprodukte (Proteine) möglich • Editing (??) Polysom ‐
eine mRNA mit mehreren Ribosomen, die gleichzeitig mehrere (identische) Kopien eines Proteins produzieren Translation ‐
ausgehend von der mRNA werden an den Ribosomen die ASQ (Aminosäurensequenzen) synthetisiert ‐
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spezifische tRNAs dienen als Lieferanten der Aminosäuren die zur Synthese benötigt werden die Identifizierung der korrekten Aminosäuren erfolgt durch Wechselwirkung zwischen einem Codon auf der mRNA und einem Anticodon auf der tRNA 1. Phase ‐ Start ‐ zum Start der Translation bildet sich ein Initiationskomplex bestehend aus verschiedenen Initiationsfaktoren: o der mRNA o der kleinen Ribosomenuntereinheit o einer Initiator‐tRNA ‐ Startcodon für die Translation ist wie immer AUG; da AUG zusätzlich für Methionin codiert, muss das Start‐ AUG zusätzlich gekennzeichnet werden: o Prokaryonten: nicht codierte Anfangssequenz der mRNA vor dem AUG‐Triplett o Eukaryonten: CAP‐ Struktur ‐ an diese Erkennungssequenzen bindet sich die kleine Ribosomenuntereinheit 2. Phase ‐ Elongation ‐ große Ribosomenuntereinheit lagert sich an → Elongation beginnt ‐ Elongationsfaktoren unterstützen die Elongation ‐ das Ablesen der mRNA erfolgt vom 5‘ zum 3‘ Ende ‐ die Start‐tRNA wird im P‐Bereich des Ribosoms durch komplementäre Basenpaarung an das Start‐ Codon der mRNA gebunden ‐ alle nachfolgenden beladenen tRNAs binden sich auch über komplementäre Basenpaarung im A‐Bereich („Akzeptor“) des Ribosoms an die mRNA ‐ beide tRNAs „rutschen“ eine Position weiter: die Start‐tRNA auf den E‐Bereich („Exit“), die 2. tRNA auf den P‐Bereich, eine neue tRNA dockt an den A‐Bereich an ‐ es entsteht eine Polypeptidkette – das Protein 3. Phase – Termination ‐ Termination durch ein Stopp‐ Codon o für das Stopp‐ Codon gibt es keine passende tRNA, statt dessen wird H2O gebunden und das Protein freigesetzt ‐ das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten Koordination der Translation ‐
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alles, was aus der Zelle ausgeschleust werden soll, für Lysosomen bestimmt ist oder für Membranproteine bestimmt ist, muss an Ribosomen des rER gebildet werden das neu gebildete Protein hat eine Signalsequenz, an welche sich der Signalserkennungspartikel (SRP) bindet dieser Komplex bindet sich an SRP‐Rezeptoren in der rER‐ Membran Pore in das rER öffnet sich, durch die das neu entstehende Protein direkt in das Lumen des rER hinein synthetisiert wird Eigenschaften des genetischen Codes ‐
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Triplettcode (3 Nucleotide codieren für 1 Aminosäure) → Codierungspotenz von 64 Code ist degeneriert, d.h. es gibt nur 21 proteinogene Aminosäuren aber 64 Möglichkeiten → mehrere Tripletts codieren eine Aminosäure Code ist universell (bei allen Lebewesen haben die Tripletts die gleiche Bedeutung (z.B. Startcodon)) ‐
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Code ist leerstellenfrei (kommafrei); bei Eukaryonten gibt es Introns (ohne wichtige Informationen für die Aminosäurensynthese) und Exons (codierte Bereiche) Stopp‐ Codons beenden die Translation (UAA UAG UGA) universelles Start‐ Codon: AUG (codiert für Methionin) posttranslationale Protein­ Modifikationen ‐
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einzelne Aminosäuren werden von Proteinen in ER und Golgi‐ Apparat modifiziert Methylierung, Acetylierung, Phosphorylierung, Glykosylierung und Solfatierung Struktur und Funktion der tRNA ‐
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Struktur: kleeblattförmig Funktion: Transport Aminosäurebeladung der tRNA ‐
Aminoacyl‐ tRNA‐ Synthetasen o besondere Gruppe von Enzymen, die durch ihre Tertiärstruktur 2 Bindungsstellen haben: 1 eindeutige Bindungsstelle für eine definierte Aminosäure, 1 mehrdeutige Bindungsstelle für tRNA Proteinfaltung und Chaperone ‐
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Chaperone kontrollieren korrekte Ausbildung der Tertiärstruktur der Proteine Tertiärstruktur ist in Primärstruktur verschlüsselt Chaperone machen Faltungsprozess energetisch günstiger Gentechnik wichtige Enzyme ‐
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Restriktionsendonucleasen o Enzym, dass DNA an spezifischer Stelle abschneidet (Schnittkante: „Sticky End“ oder glattes Ende) Ligasen o fügt getrennte DNA‐Stränge wieder zusammen (z.B. an Okazaki‐ Fragmenten) Ribonucleasen o bauen gelesene RNA wieder ab DNA‐ und RNA‐Polymerasen o dupliziert DNA bzw. RNA Revertasen o ??? Proteasen o = Peptidasen o Enzyme, die Proteine oder Peptide spalten können Vektoren ‐
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können DNA transportieren und somit übertragen müssen 3 wichtige Eigenschaften haben: o müssen autonom replizieren können (unabhängig vom Hauptgenom der Wirtszelle) o müssen Passagier‐DNA aufnehmen können, u.U. auch unter Austausch gegen eigene DNA o müssen mit hoher Effizienz in die Wirtszelle eingeführt werden können verschiedene Einführungsmöglichkeiten o Transformation = Einschleusung von freier DNA in Bakterien o Transduktion = Einschleusung von DNA mittels Viren o Transfektion = Einbringung von DNA in eukaryotische Zellen man unterscheidet: o Plasmide (Bakterienbestandteil) o Phagen (Anti‐Bakterien‐Virus) o Cosmide (Kombination aus Plasmid und temperenter Phage) o BAC (Bacterial Artificial Chromosome ‐ künstliches Chromosom) ƒ große Passagier‐DNA o YAC (Yeast Artificial Chromosome – künstliches Hefechromosom) ƒ große Passagier‐DNA genomische Bibliothek ‐
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entsteht durch Zerschneiden eines kompletten Genoms mit Restriktionsendonukleasen diese Fragmente werden in Klonierungsvektoren eingebaut, mit denen Bakterienzellen infiziert werden entstehende Bakterienzellklone enthalten genetische Information des Menschen (→ genomische Bibliothek) cDNA­Bibliothek ‐
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mRNA aus Gewebe wird mit reverser Transkriptase in DNA umgewandelt entstandenes DNA‐Stück ist intronlos wird über Vektor in Bakterien vermehrt → cDNA‐Bibliothek (enthält transkribierte Gene des Ursprungsgewebes) PCR (polymerase chain reaction) ‐
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ein Stück eines DNA‐Stranges wird vervielfacht um an den Kopien weitere Untersuchungen durchzuführen zu replizierende DNA + Primer + Nucleotide + DNA‐Polymerase wird auf 90° ‐ 100°C erhitzt (dabei denaturiert Ausgangs‐DNA → liegt einzelstrangig vor) abkühlen auf 40° ‐ 60°C → Primer lagern sich an komplementäre Basenpaare am 3‘‐ Ende an („Annealing“) Erwärmung auf 72°C → Replikation mittels TAQ‐ Polymerase (hitzebeständig) an diesem Punkt ist der Zyklus beendet, Prozedur wird mehrfach wiederholt gewünschter DNA‐Strang liegt nach dem 3 Zyklus einzeln vor RFLP (Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus) ‐
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Polymorphismus: ein Wildtyp wird verändert bei > 1% der Population (< 1% = Mutation) zerschneidet man menschliche DNA mit Restriktionsenzym so entsteht eine Vielzahl unterschiedlich langer DNA‐Bruchstücke genetisches Fingerprinting ‐
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VNTR‐Loci sind 2‐30 Basenpaare lange Wiederholungseinheiten auf der DNA, sind in einer Population hochvariabel, werden aber stabil vererbt Längenunterschiede werden mittels Gel‐Elektrophorese ermittelt → Muster ist für eine Person hochspezifisch CAVE: eineiige Zwillinge haben ein identisches Gel‐Elektrophorese‐ Muster Microarray­ Technik ‐
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es soll ermittelt werden, welche Gene zu einem Zeitpunkt aktiv sind gesamte codierende DNA‐Sequenzen einer Zelle werden nach Amplifikation (Vermehrung) durch PCR einzelstrangig auf Objektträger fixiert mRNA der selben Zelle wird isoliert mRNA baut man in einzelstrangige cDNA um und markiert diese mit Fluoreszenz cDNA wird auch auf den Objektträger gegeben, überflüssige cDNA wird abgewaschen cDNA hat sich an komplementäre DNA gebunden, der Verbund fluoresziert → dies sind die aktiven Sequenzen DNA­Klonierung am Beispiel des Faktor VIII­ Gens KOMPLIZIERT! ‐ siehe Krüger‐Folien Beispiele für gentechnisch hergestellt Medikamente und für gentherapeutische Anwendungen ‐
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Insulin Faktor VIII Humanes Genom­ Projekt (HGP) und seine wichtigsten Ergebnisse ‐
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wurde im Herbst 1990 in den USA als Projekt eines öffentlich finanzierten Forscherbundes mit dem Ziel gegründet, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln 1995 schloss sich Deutschland dem Projekt an 1998 Gründung des Unternehmens Celera → private Konkurrenz für das HGP 2001 – vollständige Entschlüsselung des menschlichen Genoms verkündet ‐
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Grundlage u.a. für die Erforschung von Erbkrankheiten und der Entstehung von Krebs Erkenntnisse über die Ursprünge und Therapiemöglichkeiten von Krankheiten durch den Vergleich des menschlichen Genoms mit dem Genom anderer Spezies Formale Genetik Gen ‐
ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf einem Chromosom; diese Nucleotidsequenz codiert für ein Protein bzw. eine spezifische RNA Allel ‐
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Ausprägung eines Gens normal = Wildtyp Phänotyp ‐
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äußeres Erscheinungsbild Genotyp + äußere Einflüsse Genotyp ‐
genetische Ausprägung von Merkmalen Homozygotie ‐
beide Allele sind identisch Heterozygot ‐
beide Allele sind unterschiedlich Hemizygotie ‐
betrifft nur Männer (wg. unterschiedlicher Gonosomen) Semi­ bzw. Codominanz ‐
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Bsp.: Blutgruppe AB 2 dominante Merkmale werden vererbt und kommen zur Ausprägung Intermediärer Erbgang ‐
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phänotypische Merkmale vermengen sich Bsp.: rosa Blüten (aus rot und weiß) Mendel‘sche Gesetze ‐
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Uniformitätsregel o homozygot‐ dominant + homozygot‐ rezessiv → heterozygot in der F1‐ Generation P: AA x aa F1: Aa Aa Aa Aa (und gleicher Phänotyp) Spaltungsregel o 2 Individuen der F1‐ Generation paaren sich F1: Aa x Aa F2: AA Aa Aa aa Unabhängigkeitsregel o 1. Schritt P: AABB x aabb F1: AaBb AaBb AaBb AaBb o 2. Schritt F1: AaBb x AaBb F2 9(AxBx) 3(Axbb) 3(aaBx) 1(aabb) extrachromosomale Vererbung mitochondrialer Gene ‐
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Weitergabe erfolgt über die mütterliche Linie da mütterliche Gameten deutlich mehr Zytoplasma haben folgt daher nicht den Mendel’schen Regeln Bsp.: MERFF‐ Syndrom Monogenie ‐
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Ausbildung eines Merkmals wird von einem einzigen Gen bestimmt Bsp.: Neurofibromatose Typ 1 (Mb. Recklinghausen) Polygenie ‐
Ausbildung eines Merkmals wird von mehreren Genen bestimmt Pleiotropie ‐
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= Polyphänie ein Gen beeinflusst mehrere phänotypische Merkmale Penetranz ‐
Maß für die Häufigkeit, mit der sich ein Gen im Phänotyp ausprägt Imprinting ‐
unterschiedliche Ausprägung von Genen je nachdem, ob sie auf maternalen oder paternalen Chromosomen liegen ‐
es gibt 3 Möglichkeiten für das Überwiegen eines vererbten Chromosoms: o Merkmal wird gonosomal vererbt o Merkmal wird extrachromosomal vererbt (genetische Information in Mitochondrien → kommen aus der Oozyte → müssen maternal sein) o elterliche Genprägung (Imprinting) ƒ maternales und paternales Genom entfalten unterschiedliche Genaktivität während der Embryogenese ƒ Bsp.: • Prader‐Willi‐Syndrom (Chromosom 15): mentale Retardierung, Fettsucht, kleine Hände, Hypogonadismus • Angelmann‐ Syndrom (Chromosom 15): motorische und mentale Retardierung, exzessives lachen, Hyperkinesen Imprinting wirkt nur 1 Generation, muss dann gelöscht und neu geprägt werden für Imprinting wird DNA methyliert (bei Eukaryonten nur Cytosine) → Promoteraktivität sinkt → Genexpression sinkt in unreifen Keimzellen kommt es zu vollständiger Demethylierung methylierter DNA, während Keimzellreifung setzt gezielte Methylierung mithilfe von Methylasen ein Regulation der Prägung durch das Imprinting Center (IC) Imprinting ist noch nicht tiefergehend erforscht ‐
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genetische Disposition ‐
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Schwellenwert für die Ausprägung eines Merkmals Bsp.: Brille Expressivität ‐
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Ausprägungsstärke eines bestimmten Merkmals Bsp.: alle haben genotypisch eine Krankheit, die aber nur bei einigen phänotypisch in Erscheinung tritt, z.B. wenn Frauen auf einem X‐Chromosom einen Defekt haben gekoppelte Gene ‐
wenn Gene eng beieinander liegen auf dem Chromosom entstehen sog. Kopplungsgruppen → mehrere Merkmale kommen immer gemeinsam zur Ausprägung ungekoppelte Gene ‐
liegen entfernt voneinander, Merkmale treten nur sehr unwahrscheinlich zusammen auf Crossing­Over ‐
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Häufigkeit steigt proportional zum Gen‐Abstand erhöht die Gen‐Variabilität Tetradenanalyse ‐
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Tetradenstadium = Pachytän während der Prophase der Meiose o es kommt zu Crossing‐Over Rückschlüsse aus der Nachkommenanalyse geben Auskunft über chromosomales Muster der Gameten Rekombinationshäufigkeit ‐
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Häufigkeit von Genrekombinationen relatives Maß für die Entfernung von 2 Genen auf einem Chromosom (Entfernung zwischen 2 Genloci) Einheit: Morgan, 1 cM = 0,01 M → Rekombinationswahrscheinlichkeit von 1% Zuordnung von Genen zu Chromosomen ‐
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??? manche Gene sind Chromosomen zwingend zugeordnet manche Gene sind variabel zugeordnet Gene sind linear auf den Chromosomen angeordnet Humangenetik und Cytogenetik Humangenetik ist die Anwendung der Erkenntnisse Mendels und Analyse der Genetik auf den Menschen. Stammbaumanalysen ‐
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Voraussetzung für die Erkennung von Gesetzmäßigkeiten: Auffinden von Merkmalen, die durch ein einziges Gen codiert werden (monogen) z.B. monogene Erbkrankheiten geringe Nachkommenzahl macht Untersuchung von Sippen und Erstellung von Stammbäumen nötig ‐
Ausgangspunkt: Phän (erkennbare Eigenschaft) Stammbaumanalyse klärt: Genotyp? homozygot/ heterozygot? dominant/ rezessiv? gonosomal/ autosomal? Erbgänge und Beispiele ‐
Vererbung kann auf verschiedene Weise erfolgen: o autosomal‐ dominant (S. 158) ƒ Information liegt auf Autosom → geschlechtsunabhängig ƒ kommt auch bei Codierung durch nur 1 Allel zur Ausprägung ƒ
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häufig Anomalien von Strukturproteinen Merkmalsausprägung: Homozygote und Heterozygote Stammbaum: gehäuft in allen Generationen ƒ
Familie eines Merkmalsträgers • Eltern: min. ein Elternteil betroffen • Geschwister: häufig betroffen • Kinder: zw. 50% und 100% betroffen ƒ
Krankheiten bzw. Merkmale (Auswahl) • Polydaktylie • familiäre Hypercholesterinämie • Fähigkeit, Zunge seitlich aufzurollen o
autosomal‐ rezessiv (S. 160) ƒ Information liegt auf Autosom → geschlechtsunabhängig ƒ kommt nur bei Codierung durch 2 Allele zur Ausprägung ƒ
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häufig Enzymdefekte Merkmalsausprägung: Homozygote Stammbaum: nur wenige Homozygote (krank); Nachkommen merkmalsfreier Personen können Merkmalsträger (= Konduktoren) sein ƒ
Familie eines Homozygoten • Eltern: phänotypisch unauffällig → beide Allelträger • Geschwister: meist phänotypisch unauffällig • Kinder: (bei gesundem Partner) immer phänotypisch unauffällig → alle Allelträger ƒ
Krankheiten bzw. Merkmale (Auswahl) • Albinismus • Reparatosen • Blutgruppe 0 o
gonosomal‐dominant (X‐chromosomal‐dominant) (S. 164) ƒ seltener Vererbungsmodus ƒ geschlechtsgebunden ƒ Stammbaum: ähnlich wie bei autosomal‐dominant, jedoch: • Vater krank → alle Söhne gesund, alle Töchter krank • Mutter krank → 50% Kinder krank ƒ
Krankheiten bzw. Merkmale • Bsp.: Vit.D‐ resistente Rachitis o
gonosomal‐rezessiv (X‐chromosomal‐rezessiv) (S. 165) ƒ Vererbungsmodus z.B. einiger Stoffwechseldefekte ƒ geschlechtsgebunden ƒ Stammbaum: fast nur Männer erkrankt • Vater krank → alle Söhne gesund, alle Töchter Konduktorinnen • Mutter Konduktorin → 50% Söhne krank, 50% Töchter Konduktorinnen ƒ Krankheiten bzw. Merkmale • Hämophilie A durch Faktor 8‐ Mangel (siehe Stammbaum Königin Victoria) ‐
Sonderform: Codominanz o beide Allele werden ausgeprägt o Bsp.: Blutgruppen AB0 → A und B sind codominant (Test für Vaterschaftsausschluss) pränatale Diagnostik ‐
wird gemacht zur Erkennung von Erbkrankheiten Heritabilität ‐
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= Heridität Maß für die Erblichkeit von Eigenschaften bei deren phänotypischer Ausprägung sowohl Gene als auch Umwelteinflüsse beeinflussend sind Phänokopie: Krankheit, die ohne genetische Grundlage den Phänotyp einer Erbkrankheit kopiert Zwillingsforschung ‐
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Zwillingsforschung will determinieren, ob phänotypische Ausprägungen genetisch oder umweltbedingt sind Konkordanz = Übereinstimmung o getrennt und gemeinsam aufgewachsene Zwillinge haben das gleiche Merkmal → Merkmal ist erblich Diskonkordanz o wenn 2‐eiige Zwillinge trotz gleicher Umwelt in einem Merkmal unterschiedlich sind Methoden der Cytogentik ‐
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ermöglichen es, an Chromosomen Abweichungen von der Norm festzustellen. dazu werden Chromosomen speziell angefärbt und ein Karyogramm (geordnete Darstellung der Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle) erstellt Karyogramme ‐
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Blutentnahme, steriles Blut aufs Nährmedium und durch Phytohämagglutinin zur Mitose angeregt. Fixierung der Zellen in der Metaphase durch Colchicin Fixation mit Essig/Methanol und Abtropfen auf Objektträger ( Ausbreitung der Metaphase Chromosomen) Färbung mit z. Bsp. Giemsa oder Quinacrin Abfotografieren und Zuordnung der homologen Partner → Karyogramm Chromosomenmutationen ‐
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Genommutation (numerische Aberrationen) o Euploidie (Veränderung der Chromosomenzahl um haploiden Chromosomensatz) ƒ Haploidie (1n) ƒ Polyploidie (3n, 4n, etc.) – nicht lebensfähig o Aneuploidie (Veränderung des Chromosomensatzes um einzelne Chromosomen) ƒ Hypoploidie (Monosomie) ƒ Hyperploidie (Trisomie, Tetrasomie, etc.) Chromosomenmutationen (strukturelle Aberrationen) o Deletion (Verlust eines Chromosomenabschnittes oder eines Stücks DNA) o Duplikation (Verdopplung eines Chromosomen‐ oder DNA‐ Abschnittes) o Inversion (Drehung eines Chromosomenstückes innerhalb eines Chromosoms um 180°; Duplikation und Inversion können auch gekoppelt auftreten) o Translokation (Übertragung eines Chromosomensegmentes auf eine andere Stelle desselben (intrachromosomal) oder eines anderen Chromosoms (reziprok) o Isochromosom o Insertion o Ringchromosomen o dizentrische Chromosomen o undefinierte Chromosomenveränderungen Genmutationen o Verlagerung, Austausch, Verlust oder Einfügen von Basen in die DNA ‐
Beispiele: o Philadelphia‐ Translokation ƒ verkürztes Chromosom 22 des Menschen; entsteht durch einen Austausch (Translokation) mit einem Chromosomenabschnitt des Chromosoms 9 ƒ bei mehr als 95% der Patienten mit chronischer myeloischer Leukämie (CML) nachweisbar; mit geringerer Häufigkeit auch bei anderen Leukämieformen o Ulrich‐Turner‐Aneuploidien ƒ einzige lebensfähige Monoploidie (45 X) ƒ Minderwuchs, primäre Amenorrhoe → Sterilität o Klinefelter‐Syndrom‐ Aneuploidie ƒ Hyperploidie (47 XXY) ƒ Hodenantrophie, Gynäkomastie, Azoospermie o XXX‐ Aneuploidie ƒ Hyperploidie (47 XXX) ƒ IQ‐Minderung, sekundäre Amenorrhoe Zusatzinfo AB0­ System ‐
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A1 ist dominant über A2 A ist dominant B ist dominant alle Allele sind auf Chromosom 9 lokalisiert A ist Anti‐B B ist Anti‐A 0 ist Anti‐A und Anti‐B A und B werden codominant vererbt