Genetik 0 Übersicht 0.1 Grundbegriffe 0.2 Übersichtstabelle 1
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Genetik 0 Übersicht 0.1 Grundbegriffe 0.2 Übersichtstabelle 1 Zellgenetik 1.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information 1.1.1 Bau der Zelle a) vereinfachte Übersicht b) Karyogramm des Menschen c) Chromosomensätze anderer Arten 1.1.2 Bau eines Chromosoms a) Transportform b) Arbeitsform 1.1.3 Homologe Chromosomen 1.2 Meiose und Befruchtung 1.2.1 Die Mitose (= Zellteilung) 1.2.2 Die Meiose (= Keimzellenbildung) 1.2.3 Vergleich von Mitose und Meiose 1.2.4 Geschlechtszellenbildung bei Mann und Frau 1.2.5 Befruchtung 1.2.6 Neuverteilung der genetischen Information a) Verteilung der homologen Chromosomen b) Crossing over 1.2.7 Geschlechtsbestimmung beim Menschen 1.3 Genommutation 1.3.1 autosomale Genommutation (z. B. Trisomie 21) a) allgemeine Symptome b) Entstehung 1.3.2 gonosomale Genommutation a) Symptome b) Entstehung 2 Klassische Genetik 2.1 Monogene Erbgänge 2.1.1 Monohybride Erbgänge a) dominant-rezessiver Erbgang (1. und 2. Mendelsche Regel) b) intermediärer Erbgang c) kodominanter Erbgang mit multiplen Allelen 2.1.2 Dihybrider Erbgang a) ungekoppelter dominant-rezessiver Erbgang (3. Mendelsche Regel) b) Genkopplung 2.1.3 Genmutation und Erbkrankheiten a) autosomal-dominant vererbt b) autosomal-rezessiv vererbt c) gonosomal-rezessiv vererbt 2.2 Polygene Erbgänge 3 Molekulare Genetik 3.1 Chemische Grundlagen 3.1.1 Elektronegativitätsdifferenz, Bindungstyp und zwischenmolekulare Kraft 3.1.2 Struktur von Aminosäuren und Proteinen a) Primärstruktur b) Sekundärstruktur c) Tertiärstruktur d) Quartärstruktur e) Form und Funktion 3.1.3 Struktur der Nucleotide und Polyncleotide (= Nucleinsäuren) a) Bestandteile eines Nucleotids b) Moleküloberfläche der Bestandteile 3.2 DNA als Träger der genetischen Information 3.2.1 Das Verhältnis der Basen 3.2.2 Doppelhelixstruktur 3.2.3 Struktur der RNA 3.3 Replikation der DNA 3.3.1 Zeitpunkt 3.3.2 Ablauf und beteiligte Enzyme 3.3.3 semikonservativer Mechanismus 3.4 Genexpression (= Proteinbildung) 3.4.1 Transkription von DNA in mRNA a) Zeitpunkt b) Ablauf c) Ort d) reverse Transkription 3.4.2 Translation der mRNA in Protein a) Voraussetzungen b) Ablauf 3.4.3 Der Genbegriff 3.4.4 Genmutation a) Übersichtsschema b) Entstehung c) Folgen 3.5 Gentechnologie 3.5.1 Neukombination der genetischen Information bei einer Bakterienzelle 3.5.2 Anwendungen a) Biotechnologie b) transgene Pflanzen c) transgene Tiere 3.5.3 Gentherapie und Gendiagnostik Genetik 0 Übersicht 0.1 Grundbegriffe - Vermehrung = Zunahme der Individuenzahl durch Fortpflanzung - Fortpflanzung = Erzeugung der Tochtergeneration durch die Elterngeneration Keimzellen Energieaufwand Typen: ungeschlechtliche F. nein gering geschlechtliche F. ja hoch Geschwindigkeit hoch niedrig Variabilität der Nachkommen niedrig hoch typisch für: Bakterien, Einzeller, Hohltiere, Gliederfüßer Wirbeltiere, Blütenpflanzen, Samenpflanzen Vorgänge: Begattung Befruchtung = Übertragung der Spermien = Verschmelzung von Eizellen- und Spermienkern - Vererbung = Weitergabe von genetischer Information an die Nachkommen - Genotyp = Gesamtheit der genetischen Informationen eines Individuum - Phänotyp = Gesamtheit aller Merkmale eines Individuums => Abweichungen vom Genotyp durch Umwelteinflüsse (Vgl. Modifikation) 0.2 Übersichtstabelle Genetik Teilgebiet 1 Zellgenetik Untersuchungsmethode Mikroskop Fragestellung -Wie erfolgt die Verteilung der genetischen Information bei Meiose und Befruchtung ? 2 Klassische Genetik 3 Molekulare Genetik Stammbäume Chemie - Nach Welchen - Wie ist die Regeln treten genetische Merkmale in Information verschieden aufgebaut und wie Generationen auf ? wird sie aktiviert? -Genmutationen Theorien und Modelle Anwendungen -Genmutationen -Genommutationen Chromosomentheorie Chromosomentheorie DNA-Struktur Meiose Mendelsche Regeln Proteinbiosynthese (= Eiweißbildung/ Genexpression) Züchtung Züchtung Gentechnologie 1 Zellgenetik 1.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information 1.1.1 Bau der Zelle a) vereinfachte Übersicht Zellmembran mit den Einstülpungen: c c Golgi – Apparat 1 d Endoplasmatisches Reticulum (ER) e Kernhülle genetische Information = Genom, besteht aus Chromosomen e d b) Karyogramm des Menschen 22 Autosomenpaare + 1 Gonosomenpaar 44 geschlechtsunabhängige Chromosomen + 2 Geschlechtschromosomen insgesamt 46 Chromosomen Kurzschreibweise: 44, XY bzw. 44, XX c) Chromosomensätze anderer Arten Tomate 24 Kartoffel 48 Schimpanse 48 Mensch 46 Öimmer geradzahlig! Öbei Pflanzen oft Verdopplung/Vervielfachung (= Polyploidisierung) 1.1.2 Bau eines Chromosoms a) Transportform Chromatid = DNS-Faden, spiralisiert Æ Platzersparnis Centromer = (Eiweiß-) Andockstelle für den Spindelapparat aus Gerüsteiweißen. b) Arbeitsform Chromatid, entspiralisiert Æ DNA kann abgelesen werden es wird eigentlich nur eines benötigt (Einchromatidchromosomen vor der Synthesephase) 1.1.3 Homologe Chromosomen Genort mit den Allelen eines Gens (= Genvarianten am gleichen Genort) - Die Allele der beiden Chromatiden eines Chromosoms sind identisch. - Die Allele der beiden homologen Chromosomen sind homolog zueinander. Homologes Chromosomenpaar In vielen Büchern findet man eine vereinfachte Darstellung mit nur einem Chromatid pro Chromosom. Dies entspricht dem Zustand einer Zelle direkt nach der Mitose, noch vor der Synthesephase. Für die Proteinsynthese sind Einchromatidchromosomen ausreichend. Aber weder Mitose noch Meiose können so vollständig dargestellt werden! (Bei der Meiose nur für die Reduktionsteilung geeignet!) 1.2 Meiose und Befruchtung 1.2.1 Die Mitose (= Zellteilung) Phasen: Körperzelle Prophase: - Auflösen der Kernhülle - Chromatiden der Chromosome haben sich vorher verdoppelt und spiralisiert - Spindelapparat-Bildung Metaphase: - alle Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an - Spindelapparat dockt am Centromer an Äquatorialebene Anaphase: - Trennung der Chromatiden voneinander Telophase: - Abschnüren der Zellmembran - Kernhüllen-Bildung zwei identische Körperzellen mit Einchromatidchromosomen ...später: Synthesephase: Verdopplung der Chromatiden 1.2.2 Die Meiose (= Keimzellenbildung) Phasen: - 1. Reifeteilung: Reduktionsteilung R! Urkeimzelle Prophase: • Chromosomen in der Transportform ( vorher verdoppelte Chromatiden, spiralisiert) • Kernhülle löst sich auf • Spindelapparat bildet sich Metaphase: • Anordnen der homologen Chromosomen oberund unterhalb der Äquatorialebene • Andocken des Spindelapparats am Centromer Anaphase: • Trennung der homologen Chromosomen (je eines homologen Chromosomenpaars) voneinander Telophase: • Abschnüren der Zellmembran (hier keine Kernhüllenbildung!) - 2. Reifeteilung: Äquationsteilung Ä! Prophase: • Spindelapparat bildet sich Metaphase: • Anordnen aller Chromosomen in der Äquatorialebene • Andocken des Spindelapparats am Centromer Anaphase: • Trennung der Chromatiden (je eines Chromosoms) voneinander Telophase: • Abschnüren der Zellmembran • Bildung der Kernhüllen Keimzellen (= Gameten) (die Synthesephase erfolgt erst nach der Befruchtung, daher Einchromatidchromosomen!) 1.2.3.Vergleich von Mitose und Meiose Mitose (ohne Synthesephase) nachher vorher Zelltyp(-en) Körperzelle/ Keimbahnzelle Meiose Meiose Reduktionsteilung Äquationsteilung Urkeimzelle „Tochterzelle der Reduktionsteilung“ Chromosomensatz diploid (2n) diploid (2n) haploid (n) Zahl der Chromatiden pro Chromosom Zelltyp(-en) zwei zwei zwei Körperzelle/ Keimbahnzelle „Tochterzelle der Reduktionsteilung“ Keimzelle haploid (n) haploid (n) Chromosomensatz diploid (2n) Zahl der Chromatiden pro Chromosom eins zwei eins In der Anaphase Trennung der... voneinander Chromatiden homologen Chromosomen Chromatiden 1.2.4 Geschlechtszellenbildung bei Mann und Frau Befruchtete Eizelle Körperzellen Urkeimzelle Keimbahnzellen Keimzelle Keimzellenbildung beim Mann ...und bei der Frau Prophase R! Metaphase Ä! Anaphase 1.2.5 Befruchtung haploide Keimzellen (= Gameten): Spermienzelle Eizelle Verschmelzen der Kerne (Allele hier zufällig identisch) Synthesephase Homologes Chromosomenpaar Verdoppeln der Chromatiden diploide Befruchtete Eizelle (= Zygote) Anzahl der Chromosomenpaare Zahl der möglichen Keimzellen 2 4 8 ... 8.388.608 => sehr viele! 1 2 3 ... 23 2n n Befruchtete Eizelle Mitosen Urkeimzellen Keimzellen Befruchtung Befruchtete Eizelle (nach Synthesephase) Urkeimzelle Keimzelle Befruchtete Eizelle (vor Synthesephase) Befruchtete Eizelle Chromosomensatz 2n 2n n 2n Chromatiden pro Chromosom zwei zwei eins eins ÖDie Allele werden neu auf die Tochtergeneration verteilt. ÖBetrachtet man mehrere Allele, die auf verschiedenen homologen Chromosomenpaaren liegen, so erhöht sich die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten sehr stark! 1.2.6 Neuverteilung der genetischen Information a) Verteilung der homologen Chromosomen - zufällige Anordnung der homologen Chromosomen ober- und unterhalb der Äquatorialebene während der Metaphase der Reduktionsteilung: (Die Darstellung erfordert hier mindestens zwei homologe Chromosomenpaare!) Keimbahnzelle oder R! Ä! 2x und 2x R! Ä! 2x und 2x b) Crossing over := Teile von Chromatiden eines homologen Chromosomenpaares können sich überkreuzen, abbrechen und an dem anderen Chromatid festwachsen. Ebenfalls in der Metaphase der Reduktionsteilung: (Dargestellt nur für ein homologes Chromosomenpaar) Öerhöht stark die Zahl der Kombinationsmöglichkeiten, da die Länge der ausgetauschten Chromatidenabschnitte stark variieren kann. Öes werden nicht nur einzelne Allele ausgetauscht, sondern mehrere, die meist nahe beieinander liegen. (Diese anderen Allele sind oben nur durch die Färbung der ausgetauschten Chromatidenabschnitte, unten aber gar nicht dargestellt!) A a A B a B b b R! Ä! a A R! mit Crossing over / Ä! A a A a oder B b B B b b ÖGekoppelte Gene: Liegen auf dem gleichen Chromosom ÖEntkopplung durch Crossing over (Vgl. 2.1.2 b) Genkopplung) ÖDie Allele müssen nicht an den Enden der Chromatiden liegen, sie werden dort aber mit höherer Wahrscheinlichkeit ausgetauscht. 1.2.7 Geschlechtsbestimmung beim Menschen Chromosomale = Genotypische Geschlechtsbestimmung Gonosomenkombinationen: Nicht homolog! zu erwartendes Geschlechtsverhältnis: tatsächlich: „Lebensdauer“ XY XX 1 : 1,20 : 1,06 : 0,94 : 1 1 1 1 nach der Befruchtung nach der Geburt ab dem Jugendalter 1.3 Genommutation 1.3.1 autosomale Genommutation (z.B. Trisomie 21) a) allgemeine Symptome • schräg stehende Augen • verminderte Intelligenz u.a. ⇒ nur die Kombination mehrerer Symptome deutet auf ein Syndrom hin. ⇒ hier "Down-Syndrom" b) Entstehung O Keimbahnzelle + Autosomenpaar Nr. 21 R! Non-Disjunction: Nicht-Trennung der homologen Chromosomen voneinander Befruchtung O normal 1.3.2 gonosomale Genommutation a) Symptome - Überlange... Männliche... Weibliche... - Î Klinefelter Syndrom (1) verkürzte Gliedmaßen weibliche primäre Geschlechtsmerkmale unterentwickelte sekundäre weibliche Geschlechtsmerkmale Î Turner-Syndrom (2) b) Entstehung Eizelle > Spermium v 0 X XX X X0 (2) XX XXX Y Y0 XY XXY (1) YY YY0 XYY XXYY XXX: verminderte Intelligenz XYY: Übergröße, aggressiver, verminderte Intelligenz 2 Klassische Genetik 2.1 Monogene Erbgänge := nur ein Gen bestimmt die Ausprägung eines Merkmals 2.1.1 Monohybride Erbgänge := es wird nur ein Merkmal betrachtet Genotypvarianten: Allel A reinerbig = homozygot Phänotyp: "A" Allel a mischerbig reinerbig = heterozygot = homozygot "A" "a" Allel A ist dominant gegenüber Allel a Allel a ist rezessiv gegenüber Allel A a) dominant-rezessiver Erbgang (1. und 2. Mendelsche Regel) erster Versuch: Kreuzung zweier reinerbiger Individuen mit unterschiedlichem Phänotyp Kreuzungsschema: A: dominantes Allel für rote Blütenfarbe a: rezessives Allel für weiße Blütenfarbe "A": Phänotyp rote Blütenfarbe "a": Phänotyp weiße Blütenfarbe Achtung: Die Abbildungen zeigen je zwei homologe Einchromatidchromosomen, nicht ein Zweichromatidchromosom! Problem: war die P wirklich reinerbig? zweiter Versuch: Kreuzung zweier Individuen der F1 - Generation Organismus Merkmal dominantes Allel Erbse Blütenfarbe rot weiß (Mendel) Samenform rund eckig Samenfarbe gelb grün Fruchtfliege Körperfarbe hellbraun schwarz (Morgan) Flügellänge normal Stummel Mensch (Fox) Rind PTH - Schmeckfähigkeit Zungenrollfähigkeit Fellfarbe Gleichmäßigkeit der Färbung Schmecker Roller rezessives Allel Nichtschmecker Nichtroller schwarz rotbraun gleichmäßig gefleckt b) intermediärer Erbgang V D/B: (am Beispiel der Wunderblume) X P F1 X F1 F2 F: A: intermediäres Allel für rote Blütenfarbe A: intermediäres Allel für weiße Blütenfarbe „A“: Phänotyp rot „A“: Phänotyp weiß „A“: Phänotyp rosa AA A X A AA A A X Ga AA AA 1.M.R. F1 zu F2 m\w A A m\w A A A AA AA A AA AA A AA AA A AA AA F1 F1 A A AA P zu F1 AA AA A AA Ga A AA AA AA P AA F2 2. M.R. “Spaltungsregel” 1:2:1 Alleltypen zwei (ein Buchstabe pro Genort) Ebene dominat-rezessiv Genotyp AA Aa a a AA AA AA AA AA Phänotyp „A“ „A“ „a“ „A“ „A“ „A“ „A“ „AA“ „a“ Beispiel Erbse: Blütenfarbe Genotyp: AA drei A0 (mehr als ein Symbol pro Genort) Phänotyp „A“ Beispiel kodominant Wunderblume: Blütenfarbe BB B0 00 „B“ „0“ Mensch: Blutgruppe intermediär AA Mensch: Enzymdefekte - AB - „AB“ Mensch: Blutgruppe c) kodominanter Erbgang mit multiplen Allelen Blutgruppe „A“ „B“ “AB” „O“ Rote Blutkörperchen mit Antigen Antikörper im Blutserum (eigenes) Zugegebene „B“ „A“ „A“ Blutkörperchen mit „AB“ „AB“ „B“ Antigenen, bei „AB“ denen => „Universal- => „Universal- Verklumpung empfänger- eintritt (= nicht blut“ spenderblut“ erlaubte fremde Spenderblutgruppe) Zugegebene „A“ „B“ „A“ Blutkörperchen mit „0“ „0“ „B“ Antigenen, bei „AB” denen keine „0” „0” Verklumpung eintritt (= erlaubte fremde Spenderblutgruppe) ÖEs gibt mehr als zwei unterschiedliche Allele am gleichen Genort ÖBei der kodominanten Allelkombination AB sind beide Allele im Phänotyp ausgeprägt (typisch auf molekularer Ebene). 2.1.2 Dihybrider Erbgang := es werden zwei Merkmale betrachtet a) ungekoppelter dominant-rezessiver Erbgang (3. Mendelsche Regel) dritter Versuch: - Es werden Erbsenpflanzen mit gelben, runden Samen mit solchen mit kantigen, grünen Samen gekreuzt. - Anschließend werden die Erbsenpflanzen aus der F1-Generation miteinander gekreuzt. Beobachtung: gelb, rund : 9 : Aufgabe: - Alle Samen der F1-Generation sind gelb und rund. - In der F2-Generation ergeben sich folgende Kombinationen mit dem Zahlenverhältnis: grün, rund 3 : : gelb, kantig 3 : grün, kantig = : 1 - Stelle das vollständige Kreuzungsschema mit Kreuzungsquadrat auf mit den folgenden Symbolen: Merkmal Samenfarbe: Allele A, a Merkmal Samenform: Allele B, b b) Genkopplung Gekoppelte Gene liegen auf dem gleichen Chromosom. Sie können daher nicht unabhängig voneinander weitergegeben werden. => Ein dihybrider, gekoppelter Erbgang ähnelt daher einem monohybriden Ergang. !!! Skizziere die Reduktionsteilung für beide Fälle im Vergleich für ein homologes Chromosomenpaar! => Entkopplung durch „Crossing over“ möglich, (vgl. 1.2.6 b) intrachromosomale Rekombination) !!! Skizziere ein Crossing over für ein homologes Chromosomenpaar! 2.1.3 Genmutation und Erbkrankheiten a) autosomal-dominant vererbt Æ geschlechtsunabhängig Æ auch heterozygot krank Aa = „A“ = krank homozygot oft letal, AA daher selten! Stammbaum: „A“ P Æ „A“ F1 „A“ F2 Æ es können keine Generationen übersprungen werden Æ relativ häufig „A“ Æ typisch: Gerüsteiweiß*-Defekt Name Marfan-Syndrom Achondroplasie (= „Zwergenwuchs“) Spalthand Polydaktylie Chorea Huntington * = Gerüst-Protein Krankheitsbild + Ursache - Bindegewebsschwäche - überlange Extremitäten - „Linsenschlotter“ - Arterienwandschwäche Æ Kollagendefekt verkürzte Extremitäten - verwachsene Finger - und/oder gespaltene Mittelhand überzählige Finger „Veitstanz“, Nervenerkrankung b) autosomal-rezessiv vererbt => Erkrankung geschlechtsunabhängig => typisch: Enzymeiweißdefekte => das mutierte Allel führt nur homozygot aa zur Erkrankung (verringerte Enzymaktivität ist aber bei Aa messbar: „Heterozygoteneffekt“) Stammbaum: - weniger Erkrankungen - Generationen werden übersprungen - Nachkommen phänotypisch gesunder Individuen können phänotypisch krank sein Name Krankheitsbild Albinismus Melanin fehlt, da Enzymdefekt Alkaptonurie schwarzer Harn, da Enzymdefekt Phenylketonurie Schwachsinn, da Enzymdefekt Mukoviszidose zäher Schleim Stoffwechselprodukt A –Enzym 1-> Stoffwechselprodukt B –Enzym 2-> normales Ausscheidungsprodukt C -> Urin => Anreicherung und Ablagerung von Stoffwechselprodukt A wenn Enzym 1 fehlt c) gonosomal-rezessiv vererbt ⇒ Erkrankungen geschlechtsabhängig - X und Y sind nicht homolog zueinander! Der entsprechende Genort fehlt auf dem Y-Chromosom =>"0" Männer:XY Frauen: XX A0 = „A“ AA= „A“ Aa = „A“ a0= „a“ aa = „a“ Konduktorin Schreibweise: z.B. XaYO ( „a“ = Phänotyp krank a = rez. Allel für krank ) Stammbaum: - Männer häufiger krank -Vater krank „a“; Mutter „A“ Mutter XAXa oder XAXA? -Fall1: Mutter homozygot mit XAXA: Söhne: „a“, Töchter: „A“ Töchter aber alle XAXa, daher Konduktorinnen -Fall 2: Mutter heterozygot XAXa, Töchter: „A“ und „a“ Söhne: „a“ oder „A“ XA X a X aX a XaY0 XaY0 Konduktorinen Fall 1 XaY0 Xa XAXA X Y0 XaY0 XA XA XA Xa P G XAXA XAY0 F1 Mutter = komplett gesund Vater = krank Fall 2 Xa Y0 Xa Y0 XAY0 XA Xa X XA XAXa XaY0 P Xa G XaXa F1 Mutter = Konduktorin Vater = krank Beispiel Krankheitsbild Bluterkrankheit Gerinnungsfaktor (Enzym defekt) Rotgrün Blindheit „Seheiweiß“ in Zapfen defekt Lesch-Nyhan-Syndrom mehrere Symptome Glucose-6-Phpsphat-dehydrogenase Enzymdefekte im Stoffwechsel 2.2 Polygene Erbgänge - additive Polygenie: Die Ausbildung eines Merkmals hängt von der sich addierenden Wirkung mehrer Gene ab. - bisher betrachtet: - Merkmalsvariante 1 oder Merkmalsvariante 2 :GRPLQDQW-rezessiv - zusätzlich Mischmerkmalsvariante 3 :LQWHUPHGLlU - Merkmalsvariante 1 und Merkmalsvariante 2 :NRGRPLQDQW :DOOHPRQRJHQ - jetzt neu: - "stufenlos" alle Merkmalsvarianten - starker Umwelteinfluss :SRO\JHQ Häufigkeit (%) 100 ~ 80 % 150 175 200 Merkmalsausprägung Körpergröße (cm) Reaktionsnorm: genetischer Rahmen, innerhalb dessen eine Modifikation stattfinden kann (Vgl. Toleranzbreite in der Ökologie!) Modifikation: Veränderung des Phänotyps durch Umwelteinflüsse 3 Molekulare Genetik 3.1 Chemische Grundlagen 3.1.1 Elektronegativitätsdifferenz, Bindungstyp und zwischenmolekulare Kraft In lebenden Systemen vor allem Moleküle aus der Kombination Nichtmetall – Nichtmetall. Geringe EN Hohe EN C O H N P S - Fall 1: a) geringe EN – geringe EN Ö unpolare Atombindung b) hohe EN – hohe EN Ö unpolare Atombindung Ö unpolare Moleküloberfläche Ö Van-der-Waals-Kräfte zu a.) zum Beispiel: C – H – Bindung ; C – C – Bindung - Fall 2: Geringe EN – hohe EN Ö polare Atombindung Ö polare Moleküloberfläche Ö Wasserstoffbrückenbindungen z. B. O - H - Bindung; C - O - Bindung 3.1.2 Struktur von Aminosäuren und Proteinen H O R = Rest H N C H C O H R Polarer Rest Unpolarer Rest a) Primärstruktur H O N C C H R Wasserabspaltung (-n H2O) Polypeptidkette n Je nach Rest 20 verschiedene Aminosäuren als Bausteine Die Primärstruktur gibt die Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette an. AS1-AS2-AS3-AS4-…-ASn (n §– 1000) b) Sekundärstruktur Die Polypeptidkette lagert sich durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der Kette in drei Formen an: 1. „ungeordnet“ .-Helix bei polaren Resten Seitenansicht Polypeptidkette (polar) (mit polarem Rest) R R R R R R R Draufsicht Stützen (Wasserstoffbrücken) R -Faltblatt bei unpolaren Resten detailliert Polypeptidkette (polar) (mit unpolarem Rest) vereinfacht Stützen (Wasserstoffbrücken) Die Sekundärstruktur gibt die räumliche Anordnung der Primärstruktur an. c) Tertiärstruktur Als übergeordnete Raumstruktur können Kugel- oder Faserformen auftreten - Enzymproteine - Transportproteine - Gerüstproteine => meist wasserlöslich => meist wasserunlöslich z.B. Hämoglobin, Lysozym, Glucose-6Phosphatdehydrogenase Sie wird stabilisiert durch Wechselwirkungen der Reste untereinander und mit der Umgebung. d) Quartärstruktur mehrere Untereinheiten (= einzelne Polypeptidketten) lagern sich zusammen zu einer funktionsfähigen Einheit z.B. Hämoglobin. Vier kugelförmige Untereinheiten Drei faserförmige Polypeptidketten .-+HOL[LQ.-Helix) e.) Form und Funktion Der räumliche Bau = Tertiärstruktur ist entscheidend für die Funktionen. z.B. „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ n Kohlenhydrat (Nährstoffkette) funktionsfähiges Kohlenhydrat n passt => gewünschtes Ergebnis erzielt Zum Vergleich: n funktionsunfähiges Kohlenhydrat passt nicht => gewünschtes Ergebnis nicht erzielt - Form kann durch Hitze, Säureeinwirkung und Schwermetalle beeinträchtigt werden - bei Erbkrankheiten ist die Form verändert (Vgl. Evolution, Malariaverteilung) - auch für Proteine des Immunsystems entscheidend! => weniger statisches Modell des „induced fit“: Während der Wechselwirkung mit einem geeigneten Substrat verändert auch das Protein ständig seine Struktur 3.1.3 Struktur der Nucleotide und Polynucleotide (= Nucleinsäuren) => Nucleotide sind die Bausteine der DNA und RNA a) Bestandteile eines Nucleotids Base Zucker Z 5’ P 3’ Phosphorsäure Nucleinsäure (-acid) DNA RNA Zucker Desoxyribose Ribose Phosphorsäure Basen P P Adenin A Adenin A Thymin T Uracil U Cytosin C Cytosin C Guanin G Guanin G Nucleotid Base Base D P 5’ R 3’ P 5’ 3’ b) Moleküloberfläche der Bestandteile P D R Base Base Base 5’ P Z Z P P Z Base Base Z P 5’ Doppelhelixstruktur: Unpolare Van-Der-Waals-Kräfte Polare Wasserstoffbrückenbindungen 3.2 DNA als Träger der genetischen Information 3.2.1 Das Verhältnis der Basen gefunden: A : T = 1 : 1 C:G=1:1 Erklärung: • • A C T A T G C G 3x 2x Wasserstoffbrückenbindungen A und T bilden ein komplementäres Basenpaar (ebenso C mit G). 3.2.2 Doppelhelixstruktur 5´ P 3` D A 5` 3` D T ca.10 ca.10 Basenpaare = eine vollständige Schraubenwindung P P D C D G P P D T A D 3` P 3` 5` Polynucleotid- komplementär Polynucleotideinzelstrang einzelstrang Polynucleotiddoppelstrang 5` antiparallel: 5` 3` 3` 5` 3.2.3 Struktur der RNA • Einzelstrangbestandteile: 3´ U R P G R P A R P 5´ Polynucleotideinzelstrang mit U statt T und R statt D • Raumstrukturen: (Aufsicht) 3´ 5` einfache Helix Kleeblatt 3` komplementär • Funktionsformen: 5` mRNA (messager-RNA): vgl. Translation (Expression) tRNA (transfer-RNA): vgl. Transkription (Expression) 3.3 Replikation der DNA 3.3.1 Zeitpunkt - in der Synthesephase zwischen zwei Mitosen oder direkt nach der Befruchtung - Einchromatidchromosomen werden zu Zweichromatidchromosomen. 3.3.2 Ablauf und beteiligte Enzyme 1.) In der Replikationsgabel werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden komplementären Elternsträngen getrennt. 2.) Der eine Tochterstrang wird direkt durch komplementäre Basenpaarung vom 3’Ende des einen Elternstrangs aus angelagert. 3.) Der andere Tochterstrang wird in kurzen Bruchstücken vom 3’ Replikationsgabelpunkt des anderen Elternstrangs angelagert. 4.) Die Bruchstücke des zweiten Tochterstrangs werden zusammengefügt. beteiligte Enzyme: 1.) Topoisomerase 2.) und 3.) DNA-Polymerase 4.) Ligase („Klebstoff“) 3.3.3 semikonservativer Mechanismus: (Richtung vom Tochterstrang aus: 5’ -> 3’) 5’ 3’ 5’ 3’ Jeder der beiden Tochterdoppelstränge enthält einen unveränderten Einzelstrang des Elterndoppelstrangs. 3.4 Genexpression (= Proteinenbildung) Übersicht: DNA- Transkription mRNA Abschnitt (Gen) Translation 3.4.1 Protein Merkmal 3.4.2 Nucleotid- Nucleotid- Aminosäure- Sequenz Sequenz sequenz = Primärstruktur Faltung Tertiärstruktur (= räumlicher Bau) Ö Funktion 3.4.1 Transkription der DNA in mRNA a) Zeitpunkt - bei Bedarf an Proteinen zwischen den Mitosen (Interphase) Ö(Einchromatid-)Chromosomen in der Arbeitsform - ein DNA-Abschnitt wird oft mehrfach transkribiert Ömehr Protein pro Zeit! b) Ablauf beteiligte Enzyme: RNA-Polymerase (= Transkriptase) 1.) der DNA-Doppelstrang wird auf einem kleinen Stück entspiralisiert und die Einzelstränge werden voneinander getrennt. 2.) An einen der beiden DNA-Einzelstränge (den codogenen Strang) wird durch komplementäre Basenpaarung die mRNA in 5’→3’ Richtung (von der mRNA aus betrachtet) angelagert. (Vergleiche Syntheserichtung der DNATochterstrangbildung bei der Replikation!) 3’ 3’ 5’ codogener DNAStrang 5’ mRNA-Strang c) Ort - im Zellkern - die mRNA wird ins Plasma transportiert DNA mRNA d) reverse Transkription „normales“ DNA-Virus „Retro“-DNA-Virus: (z.B. HI-Virus) Virus-RNA 1 VirusDNA DNA 1) reverse Transkription Enzym: reverse Transkriptase (= DNA-Polymerase) 3.4.2 Translation der mRNA in Protein a) Voraussetzungen - ausreichende Versorgung mit freien Aminosäuren - mRNA aus dem Kern - Ribosomen (frei im Plasma oder am rauen ER) b) Ablauf AS 1 AS 5 AS 3 AS 4 AS 3 t - RNA mRNA 3’ 5’ 1. Die t -RNA bindet an eine bestimmte Aminosäure (AS). 2. Die t -RNA bindet mit dem Anticodon an das Codon der mRNA. 3. Die neue AS wird an die Vorhergehende angehängt. 4. Die t - RNA löst sich von der m - RNA. Protein mRNA 3´ 5´ Ribosom 3.4.3 Der Genbegriff - bei Mendel: Gen = „Erbfaktor“ = Genetische Information, die für die Ausprägung eines bestimmten Merkmals verantwortlich ist - bei Beadle/Tatum: Gen = Genetische Information, die auf einem bestimmten DNAAbschnitt liegt und für die Bildung eines Proteins verantwortlich ist („Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese“) - neuere: Gen = Genetische Information, die für die Bildung einer mRNA (allgemeiner noch eines RNA-Abschnitts) zuständig ist. Die mRNA wird noch verändert oder kann auch direkt als siRNA regulatorisch wirken. 3.4.4 Genmutation a) Übersichtsschema Veränderung des Phänotyps aufgrund von Veränderungen im Genotyp? nein ja Mutation nur durch Umwelteinflüsse ? ja Modifikation Veränderung der Chromosomenzahl? ja Genommutation nein Veränderung der Nucleotidsequenz ? ja Genmutation Austausch einer Base ? ja Punktmutation nein fehlende oder zusätzliche Base ? ja Rastermutation stille Mutation (= Sonderfall der Genmutation): - keine Auswirkung auf den Phänotyp - möglich: 1. Nucleotidsequenzänderung ohne Primärstrukturänderung (Vgl. Degeneration des genetischen Codes!) 2. Primärstrukturänderung ohne Tertiärstrukturänderung (bei ähnlichen Resten der AS, z. B. beide unpolar) b) Entstehung - spontan durch Fehler bei der Replikation der DNA und Oxidation von Nucleotiden - induziert durch Umwelteinflüsse (Mutagene) - Strahlung - UV-Strahlung - Röntgen-Strahlung ionisierend - Radioaktive Strahlung - Chemikalien - Benzol/aromatische Kohlenwasserstoffe - Schwermetallionen (schädigen DNA-Reparaturenzyme) - salpetrige Säure - Basenanaloga (verursachen meist Austausch) - Farbstoff Acridin (verursacht Einschub, daher oft Rastermutationen) - Formaldehyd Æ Reparaturmechanismen werden überfordert c) Folgen Körperzellen ca. 4 - 5 Mutationen Krebsentstehung Keimbahnzellen oft schon ab wenigen Mutationen spontane Entstehung von Erbkrankheiten 3.5 Gentechnologie 3.5.1 Neukombination der genetischen Information bei einer Bakterienzelle Plasmid = ringförmiges DNA-Molekül (dient (1) dem Genaustausch bei Bakterien) (2) Ligase Neu einzuschleusender DNA-Abschnitt mit 1. Eiweiß-Gen 2. Antibiotika- Resistenz-Gen Passagier Ligase (3) (4) Hybridplasmid (= neukombiniertes Plasmid) Rekombiniertes Bakterium Antibiotikum Petrischale (5) (6) Es überlebte dank Gen 2 (Antibiotikum Resistenz) Starke Vermehrung Æ es entstehen: KLONE = erbgleiche Individuen (7) (9) EXPRESSION ANALYSE = erzwungene Proteinbiosynthese (8) Markiertes Gen 1 3.5.2 Anwendungen a) Biotechnologie Def.: Einsatz von Mikroorganismen zur Gewinnung eines bestimmten Stoffwechselprodukts oder Proteins Gentechnisch verändert Organismen Stoffwechselvorgang Produkt Funktion Nein Nein Nein Hefepilz Essigsäurebakterium Milchsäurebakterium Coli-Bakterium Alkohol. Gärung Essigsäuregärung Milchsäuregärung Bier, Wein Essig, Sauerkraut, Joghurt (Rausch) Haltbarmachen von Lebensmitteln Proteinbiosynthese (s. Expression) Insulin Somatropin Somatostatin Interferon Ja Hormone Hemmt Virenvermehrung, stoppt Tumorwachstum Erythropoietin Regt die (EPO) Bildung von roten Blutkörperchen an Plasminogen- Beseitigt Aktivator Blutgerinnsel (TPA) Nachteile: Oft starke Verunreinigung mit giftigen Nebenprodukten Ausblick: - nachwachsende Rohstoffe (Methanol, Ethanol, Methan) ÆBrennstoffe als Energieträger zur Energiegewinnung - Stickstoff-Fixierung Æ Düngemittel b) transgene Pflanzen Problem: Schäden durch Insektenfraß Lösungen: - Gen für Resistenz gegen Insektizide in die Pflanze - Gen für Hemmstoff des Insektenstoffwechsels in die Pflanze Überträger: „Tumor-induzierendes“ Ti-Plasmid des Agrobakteriums Risiken: - Übertragung des Gens auf andere Arten (Freilandversuche!) - Störung des ökologischen Gleichgewichts/ungehemmte Ausbreitung der veränderten Pflanze - giftige Nebenprodukte z.B. Mais c) transgene Tiere Ziele: - höhere Fleischausbeute - Krebsforschung z.B. Schwein mit menschlichem Gen für Wachstumshormon, Krebsmaus Risiken: - Rückstände in Nahrungsmitteln - Tierschutz 3.5.3 Gentherapie und Gendiagnostik - Probleme bei der Gendiagnostik z.B.: Chorea Huntington - Diagnose möglich, aber Therapie nicht möglich - Diskriminierung durch Arbeitgeber, Versicherungen, Staat ( Datenschutz ) - Probleme bei der Gentherapie z.B.: Mucoviszidose - Transport in die Zelle mit Viren aus Inhalator - Einfügen ins Chromosom - Aktivierung und Steuerung des Gens
