Die molekulare Grundlage der Vererbung

Zusammenfassung Kapitel 16
Die molekulare Grundlage der Vererbung
DNA als genetisches Material
Die Suche nach dem genetischen Material
Zu Morgans Zeit wusste man wenig über Nukleinsäuren und sie schienen zu simpel für die Vererbung. Hingegen
wusste man von einer Vielzahl von Proteinen. Deshalb wurde geglaubt, sie seien die Erbsubstanz. Man stellte
Versuche mit Bakterien und Viren an.
Nachweis, dass DNA Bakterien transformieren kann
Griffith experimentierte mit Bakterien, die Lungenentzündungen verursachen. Er hatte S – Zellen, welche
virulent waren, und nicht virulente R – Zellen. Wenn er einer Maus S – Zellen spritze starb sie, spritze er jedoch
R – Zellen, geschah ihr nichts. Nun erhitzte er virulente S – Zellen um sie abzutöten. Die Maus starb bei der
Injektion nicht. Als er ihr jedoch ein Gemisch von toten S – Zellen und lebenden R – Zellen verabreichte, starb
sie. In Blutproben der toten Maus fand er virulente S – Zellen. Er schloss daraus, dass die toten S – Zellen die
lebenden R – Zellen verändert hatten.
Avery isolierte einzelne Stoffe der S – Zelle und versuchte, R – Zelle damit zu transformieren. Dies gelang, als
er es mit der DNA versuchte. Obwohl dies ein Beweis war, war man noch sehr skeptisch, da man so wenig über
die DNA wusste.
Nachweis, dass virale DNA Zellen programmieren kann
Viren bestehen fast nur aus DNA (oder RNA), die von einer schützenden Proteinhülle umgeben ist. Um sich zu
reproduzieren, müssen sie sich in eine andere Zelle (Bsp. Bakterium) einschleusen und diese als
„Fortpflanzungsfabrik“ benutzen. Man fand heraus, dass das Virus die Gastzelle umprogrammieren kann aber
man war sich nicht sicher, ob dies die DNA oder die Proteine bewirken. In dem man Proteine und DNA
radioaktiv markierte konnte man nachweisen, dass sich die DNA in die Bakterien einschleuste.
Weitere Beweise für die DNA als genetisches Material: Man wusste, dass sich die DNA vor der Mitose
verdoppelt und gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt wird. Auch war bekannt, dass diploide
Chromosomensätze doppelt soviel DNA enthalten wie haploide.
Noch eindeutiger wurde es durch Chargaff:
Man wusste, dass die DNA ein Polymer von Nukleotiden ist, welche aus Basen (Adenin, Thymin, Guanin und
Cytosin), Zuckern und Phosphatgruppen bestehen. (siehe dazu evt. Bild 16.3 S.281)
Chargaff untersuchte die DNA von verschieden Organismen. Er fand heraus, dass nicht alle die gleiche Anzahl
von A, T, C und G hatten. Das Verhältnis von A zu T und von G zu C war jedoch immer 1:1 (Chargaffs Regel).
Die Doppelhelix
Man wusste von kovalenten Bindungen im DNA - Polymer. Watson und Crick erstellten Doppelhelixmodelle
aufgrund einer „X – Ray“ Photographie von Rosalind Franklin. Sie erstellten ein Drahtmodell, bei dem die
Basen in Paaren innen lagen. Dies erschien logisch, da sie hydrophob sind. Sie fanden heraus, dass A mit T zwei
Wasserstoffbrücken bauen kann (und nur mit T) und dass G mit C genau drei Wasserstoffbrücken bauen kann
(nur mit C). Da A und G grösser sind als T und C sorgt diese Mischung auch für einen einheitlichen
Durchmesser der DNA. Somit war Chargaffs Regel bewiesen.
Die beiden Stränge der DNA verlaufen gegeneinander.
(16.3, 16.5 und 16.6 zeigen den detaillierten Aufbau der DNA)
DNA Replikation und Reparatur
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Replikation
Watson und Crick vermuteten bereits, dass die Replikation geschieht, indem sich die beiden DNA – Stränge
trennen und je ein Gegenstück aufgebaut wird (semikonservatives Modell). Trotzdem wurden noch ein
konservatives und ein dispersives Model entworfen (konservatives: eine völlig neue DNA entsteht, die alte bleibt
erhalten. dispersives: beide Stränge beider DNA enthalten neue und alte Teile).
Durch das Meselson – Stahl – Experiment erwies sich das semikonservative Modell als richtig. (Sie züchteten
bakterielle DNA in einer Umgebung von schwerem Stickstoff (15N). In normalem Umfeld liessen sie diese DNA
zweimal replizieren und zentrifugierten dann. Teile mit schwerem Stickstoff lagerten sich an anderen Orten ab
als Teile mit normalem Stickstoff.)
Enzyme und Proteine helfen bei der DNA – Replikation
Die 46 Chromosomen des Menschen haben ca. 6 Mrd. Basenpaare, welche sich in wenigen Stunden mit sehr
wenigen Fehlern replizieren. Mehr als 12 Proteine helfen dabei mit.
Die Replikation beginnt bei beim Replikationsursprung, einer speziellen Nukleotidsequenz (Bakterien eine,
Mensch viele). Proteine erkennen sie, heften sich an und trennen die DNA – Stränge. Die Replikation beginnt in
beide Richtungen. Es entsteht eine „Replikationsblase“ mit zwei „Replikationsgabeln“. Dort setzt die DNA –
Polymerase (Enzym) an und heftet neue Basen an den Strang (Mensch ca. 50, Bakterien ca. 500 pro sek.).
Energie: Die als Substrat dienenden Nukleotiden sind eigentlich Nukleosin – Triphosphate. Zwei dieser
Phosphate werden abgespalten wodurch Energie frei wird. Das dritte Phosphat lagert sich zwischen die Zucker
(bei der RNA ist es ATP).
Das Problem der Antiparallelität der Stränge
Die Zucker – Phosphate sind entgegengesetzt ausgerichtet. Die fünf Kohlenhydrate des Zucker werden numeriert
von 1‘- 5‘. Das Phosphat wird ans 5‘ geheftet und ist mit dem 3‘ des folgenden Zuckers (Nukleotids) verbunden.
Am 3‘ Ende des Strangs hängt eine OH – Gruppe.
Das Problem ist, dass die DNA Polymerase die Nukleotiden nur am 3‘ Ende anfügen kann. Ein neuer Strang
entsteht also immer von 5‘ 3‘.
Der eine Strang kann somit fortlaufend hinter der Replikationsgabel synthetisiert werden (Leitstrang). Der
andere Strang muss Stück für Stück hergestellt werden in dem immer neue Polymerasen bei der Gabel ansetzen
und gegen die Laufrichtung der Auftrennung synthetisieren (Folgestrang). Diese Stücke die einzeln hergestellt
werden, nennt man Okazaki – Fragmente. Sie sind 100 – 200 Nukleotiden lang. Anschliessend werden sie durch
das Enzym Ligase verbunden.
Der Start der DNA Synthese
Die DNA – Polymerase kann nur ein Nukleotid anhängen, wenn schon ein „Nachbar“ da ist, der mit dem
Partnerstrang verbunden ist. Deshalb macht ein Stück RNA den Anfang, indem es sich an den Strang anlagert.
Das Enzym Primase macht es dann zum sogenannten Primer. Nun kann die DNA – Polymerase dort mit der
Synthese beginnen. Der Primer wird später durch eine spezielle DNA – Polymerase mit DNA ersetzt.
Es gibt noch zwei weitere Proteine die bei der DNA – Replikation mithelfen: Die Helicase entwirrt die Stränge
und trennt sie. Einzelstrang – Bindungsproteine halten dann die beiden Stränge auseinander
Insgesamt sind 5 wichtige Proteine beteiligt: Helicasen, Einzelstrang – Bindungsproteine, zwei Arten von DNA
– Polymerasen, Ligasen und Primasen.
(Das Bild 16.16 S.289 zeigt einen guten Überblick)
Korrigierende und ausbessernde Enzyme
Bei der Fehlpaarungsreparatur werden Fehler korrigiert, die bei der Replikation entstanden sind. Die DNA –
Polymerase prüft jedes angefügte Nukleotid und tauscht es aus falls es falsch ist. Bei Eukaryoten prüfen aber
auch noch andere Proteine. Enzyme beheben auch Schäden, die durch Mutationen entstanden sind (zBsp. durch
UV – Strahlen). Jede Zelle überprüft und repariert ihr genetisches Material ständig. Fehlerhafte Abschnitte
werden von Nucleasen herausgeschnitten. Durch DNA – Polymerasen und Ligasen wird die Lücke wieder
aufgefüllt (Excisionsreparatur).
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Leute die solche Proteine nicht haben, können die Schäden nicht ausbessern was eventuell zu Krebs führen
kann1.
Die Enden der DNA – Moleküle
Problem: Der erste Primer am Leitstrang kann nicht ersetzt werden, da kein freies 3‘ Ende vorhanden ist wo die
DNA – Polymerase ansetzen könnte. Die DNA wird deshalb bei jeder Replikation etwas kürzer. Damit dadurch
aber keine wichtigen Informationen verloren gehen, hat es an den Enden Telomere. Dies sind TTAGGG Sequenzen die sich 100-1000 mal wiederholen. Sie tragen keine speziellen Informationen weshalb es nichts
ausmacht, wenn sie verkürzt werden.
Die Telomerase kann Telomere wieder verlängern. Sie bringt eine RNA – Sequenz als Gegenstück mit.
Telomerase gibt es normalerweise aber nur in Fortpflanzungszellen. Die DNA der somatischen Zellen ist deshalb
bei älteren Menschen kürzer; evt. sind verkürzte Telomere ein limitierender Faktor für das Leben.
Tumorzellen haben oft verkürzte Telomere da sie sich schneller teilen. Mit der Zeit müssten sie sich also selber
ausrotten. Doch in solchen Zellen wurde schon Telomerase gefunden! (evt. Target für Krebsforschung!)
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Ein Fehler auf eine Mrd. Nukleotiden ist etwa normal.
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