Viren: Der lytische Vermehrungszyklus eines Virus ist mit dem Tod

Viren:
Der lytische Vermehrungszyklus eines Virus ist mit dem Tod der Wirtszelle verbunden; sie lysiert. Dabei werden die neu
produzierten Viren entlassen und können wieder neue Zellen befallen, es handelt sich um virulente Viren. Das lysierte Bakterium
entlässt zwischen 100 und 200 Phagen (Wurfgrösse).
Der lytische Zyklus von E. coli mit dem Phagen T4 dauert bei 37°C 20 bis 30min.
* Wirtszelle - Kontakt mit Virus (Adsorbtion)
* "Injektion" des Virusgenoms (DNA oder RNA)
* Integration des Virusgenoms in das Wirtsgenom
(bei RNA Viren erst Transskription in DNA dann Integration)
* Intrazelluläre Vermehrung der Viruspartikel
* Lyse der Wirtszelle
* Infektion weiterer Zellen
Lysogener Zyklus
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Als Lysogener Zyklus wird eine Vermehrungsform von Viren und Phagen bezeichnet, bei der die DNA vorübergehend ins Genom
des Wirts integriert wird.
Ablauf
* Wirtszelle - Kontakt mit Virus (Adsorbtion)
* "Injektion" des Virusgenoms (DNA oder RNA)
* Integration des Virusgenoms in das Wirtsgenom
Einlagerung in bestimmte Regionen der DNA des Wirtes (ringförmiges Genom)
(bei RNA Viren erst Transskription in DNA dann Integration)
* ruht als Prophage
* bei bestimmten Umweltfaktoren: Phage tritt in lytischen Zyklus ein
-Konjugation bezeichnet den Gentransfer zwischen einer Spenderzelle und einer Empfängerzelle durch Plasmabrücken (siehe:
Lenz-Scholl-Versuch). Die Spenderzelle besitzt ein besonderes Plasmid, das den Fertilitätsfaktor (F-Faktor) enthält. Zellen, die
dieses Plasmid enthalten, werden mit F+ bezeichnet und können somit die sogenannten Sex-Pili bilden. Mit dem Sex-Pilus kann
eine F+ Zelle eine F- Zelle(Empfängerzelle) erkennen und ersten Kontakt mit ihr aufnehmen, welcher dann zur Ausbildung der
Plasmabrücke und zum Gentransfer führt.
Hfr-Zellen (High Frequency of recombination) werden Spenderzellen genannt, die das F-Plasmid mit dem Fertilitätsfaktor im
Bakterienchromosom als Episom eingebaut haben. Bei der Konjugation wird begonnen, das Chromosom zu verdoppeln. Die lineare
Kopie wandert über den Sexualpilus in die Empfängerzelle. Da die Pili sehr instabil sind und bald abreißen, gelangt meist nur ein
Teil des Spender-Genoms in die Empfängerzelle. Die Empfängerzelle wird selbst zur F+- Zelle, wenn die Kopie des Fertilitätsfaktor
komplett übertragen wird. Wird sie zusätzlich in das Bakterienchromosom eingebaut, so ist die F--Zelle nun eine Hfr-Zelle.
-1. mendelsches Gesetz (Uniformitätsgesetz bzw. Reziprozität)
Wenn zwei Individuen einer Art ("Eltern" oder Parentalgeneration P genannt) miteinander gekreuzt werden, die sich in einem
Merkmal, für das sie reinerbig (homozygot) sind, unterscheiden, so sind die Nachkommen der ersten Generation ("Kinder" oder
erste Filialgeneration F1 genannt) uniform, d.h. sowohl genotypisch als auch bezogen auf den Phänotyp gleich.Dabei ist es
irrelevant, welches der beiden Individuen Mutter oder Vater darstellt. (Ausnahme: Das Merkmal befindet sich auf einem
Geschlechtschromosom (Gonosom). Dann kann es sein, dass die F1 nicht wirklich uniform ist!)
2. mendelsches Gesetz (Spaltungsgesetz)
Wenn die erste Nachkommengeneration untereinander gekreuzt wird, so sind die Individuen der zweiten Generation ("Enkel" oder
zweite Filialgeneration, F2) nicht mehr uniform, sondern weisen wieder die Merkmale der Elterngeneration in bestimmten
Zahlenverhältnissen auf.Da die Uniformität verloren geht
* Handelt es sich dabei um dominant-rezessive Vererbung, so bilden drei Viertel die dominante und ein Viertel die rezessive
Variante aus (Verhältnis von 3:1).
3. mendelsches Gesetz (Unabhängigkeitsgesetz / Neukombinationsgesetz)
Zwei Merkmale werden getrennt voneinander vererbt, wobei ab der 2. Generation ("Enkel") neue, reinerbige Kombinationen
auftreten können. Dieses Gesetz gilt allerdings nur dann, wenn die für die Merkmale verantwortlichen Gene auf verschiedenen
Chromosomen sitzen (polyhybride Erbgänge). Liegen die Gene auf den gleichen Chromosomen, werden sie in Kopplungsgruppen
vererbt.
-Die Mitose lässt sich in 5 fließend ineinander übergehende Phasen einteilen.
* In der Prophase der tierischen Zelle trennen sich die beiden Centriolenpaare und wandern an entgegen gesetzte Pole der
Zelle. Centriolen wirken als Mikrotubuli-organisierende Zentren (engl. MTOC: Microtubule organising center) und sind der
Ausgangspunkt der Mitosespindel. Die Zellen der Höheren Pflanzen besitzen keine Centriolen, hier übernehmen andere,
unscheinbare Zellbestandteile die Rolle der MTOCs. Die Chromosomen (nur hier sind sie als das meist dargestellte "X" zu
erkennen, in der Interphase sind sie mit Lichtmikroskopen gar nicht zu sehen) spiralisieren sich sichtbar auf: als je zwei analoge
Chromatidenpaare, die nur am Centromer zusammenhängen. Das Ende der Prophase ist erreicht, wenn die Kernhülle fragmentiert.
* In der Prometaphase zerfällt die Kernhülle und die Spindelfasern dringen in den Kern ein. Die Chromosomen sammeln sich im
Zentrum der Zelle. An den Centromeren setzen die dreischichtigen Kinetochormikrotubuli an, durch die die Chromosomen in der
Metaphase ausgerichtet und in der Anaphase mit Hilfe der Polfasern auseinander gezogen werden können.
* Die Metaphase stellt die dritte Phase, die Hauptphase der Mitose dar, in der die Chromosomen maximal verkürzt und
zwischen beiden Polen in der zentralen Position der Zelle, der Äquatorialebene, ausgerichtet sind.
* Die Anaphase stellt die vierte Phase dar. In dieser Phase sind die Chromatidenhälften vollständig voneinander getrennt. Die
Spindelfasern ziehen die Chromatiden zu den Spindelfaserkörperchen. So erhält jedes Spindelfaserkörperchen einen vollständigen
Chromatidensatz auf seiner Seite. Damit ist die Basis für die beiden zukünftigen Tochterzellen geschaffen.
* Als Telophase wird die fünfte und letzte Phase der Mitose bezeichnet und folgt übergangslos auf die vorausgegangene
Anaphase. Hier erreichen die Chromosomen die Pole, die Kinetochorfasern depolymerisieren und die Zellkernteilung wird mit der
eigentlichen Zellteilung abgeschlossen.
zwei indentische tochterzellen enstehen.
-Meisose
Überlagern crossing over, dann spindelfasern trennung, danntelophase zellteilung, vier haploide gameten mit unterschielidchen
anteilen an väterlichen und mütterlichen Erbanlange.
-Genregulation bezeichnet in der Biologie die Steuerung der Aktivität von Genen, genauer gesagt die Steuerung der Genexpression.
Sie legt fest, in welcher Konzentration das von dem Gen kodierte Protein in der Zelle vorliegen soll. Dabei gibt es verschiedene
Ebenen, auf denen die Regulation stattfinden kann: Als "Genexpression" wird der gesamte Prozess des Umsetzens der im Gen
enthaltenen Information in ein Protein bezeichnet, der in mehreren Schritten erfolgt. An jedem dieser Schritte können regulatorische
Faktoren einwirken und den Prozess steuern.
Bei Prokaryoten dient die Genregulation zu großen Teilen einer Anpassung an eine wechselnde Umgebung, zum Beispiel an ein
vermindertes Sauerstoff- oder ein wechselndes Nährstoffangebot. Eukaryotische Zellen sind bis auf die Protisten weniger stark
darauf angewiesen, auf schwankende Umweltbedingungen zu reagieren, haben dafür aber die schwierige Aufgabe, bei
mehrzelligen Organismen die Entwicklung zu steuern. Hierfür muss gewährleistet sein, dass zum richtigen Zeitpunkt im richtigen
Gewebe in den richtigen Zellen die notwendigen Gene aktiviert werden. In ausdifferenzierten Zellen jedoch hat das einmal
festgelegte Expressionsprogramm teilweise nur noch wenig Regulationsbedarf.
Die grundlegenden Prinzipien der Genregulation sind in allen Zellen gleich, es gibt jedoch sowohl bei Prokaryoten als auch bei
Eukaryoten jeweils Besonderheiten. Zum Beispiel sind in Bakterien Gene in Operons organisiert, die in Eukaryoten nicht
vorkommen. Eukaryoten besitzen dagegen Mechanismen zur Prozessierung von Transkripten, die zusätzliche Ansatzpunkte von
regulatorischen Faktoren bieten.
Ein Operon ist eine Funktionseinheit auf der DNA, bestehend aus Promotor, Operator und (Struktur-)Genen, die ein oder mehrere
Proteine codieren. Durch bestimmte Stoffe, die von der Zelle aufgenommen oder in der Zelle gebildet werden, kann die Synthese
einer m-RNA bei der Transkription an- oder abgeschaltet werden. Damit wird die Synthese von Polypeptiden aktiviert oder
gehemmt. Das Operon-Modell der Genregulation wurde 1961 von den französischen Wissenschaftlern François Jacob und Jacques
Lucien Monod entwickelt. Dieses Modell gilt jedoch nur für Prokaryoten, also Einzeller ohne Zellkern.
Genregulation am Beispiel des Lactose-Operons
Übersicht über Bau und Funktion des lac-Operons
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Übersicht über Bau und Funktion des lac-Operons
* Das Repressorprotein, welches von einem außerhalb des Lac-Operons liegenden DNA-Abschnitt codiert wird, ist an den
Operator gebunden.
* Die RNA-Polymerase, welche am Promotor sitzt, der den Regulator und das Lactose-Operon verbindet, kann so die Gene
nicht auslesen, die Synthese der m-RNA (Transkription) wird verhindert und damit auch die Synthese der Polypeptide (Translation).
* Ist jedoch Lactose vorhanden, so setzt sie sich an den Repressor, welcher dadurch seine Raumstruktur reversibel ändert und
nicht länger in der Lage ist, an den Operator zu binden.
* Dadurch kann die RNA-Polymerase den Promotor binden, der das Auslesen der Gene reguliert, und die Transkription findet
statt: sie transkribiert das Lactose-Operon. Nun können die Enzyme des Lactose-Abbaus synthetisiert werden.
Sinn: Durch diese Regulation kann das Bakterium die für den Abbau von Lactose notwendigen Enzyme genau dann synthetisieren,
wenn sie auch tatsächlich gebraucht werden: wenn außer Lactose keine andere Energiequelle in der Umgebung vorhanden ist.
-Second Messenger wurden zunächst für die Signalleitung hydrophiler Hormone (Peptidhormone wie Insulin und Glucagon,
Aminosäure-Abkömmlinge wie Adrenalin) oder Neurotransmitter (z.B. Glutamat) beschrieben. Deren Weg endet an der Membran
der Zielzelle, die keine direkte Passage zulässt. Hier beginnt die erste Aufgabe eines 'messengers', der Transfer des Primärsignals
und seine Übersetzung in sekundäre, intrazelluläre Signale. Als Kopplungsstellen fungieren Rezeptoren in der Zellmembran. Diese
sind
* entweder mit einem heterotrimeren G-Protein gekoppelt, wie z.B. der Bla-Glucagon-Rezeptor. Das durch den Rezeptor
aktivierte G-Protein aktiviert seinerseits ein Zielenzym, das daraufhin den Second Messenger produziert. Dieser wird aus einem
gängigen zellulären Metaboliten gebildet, hat eine begrenzte Lebensdauer und bewirkt typischerwese Änderungen im Stoffwechsel.
Dieser Rezeptortyp wird auch als metabotrop bezeichnet.
* oder sie gehören, wie der Rezeptor des Insulins und einiger Wachstumsfaktoren, zur Klasse der Phosphotyrosinkinasen. Die
Wirkungsweise dieser Rezeptorklasse ist erst seit wenigen Jahren genauer bekannt. Sie umfasst die Phosphorylierung einer Serie
von Signalproteinen. Von Bedeutung ist zum Beispiel die MAP-Kinase-Kaskade, die an dieser Stelle nicht weiter erörtert werden
soll.
Die Einschaltung eines second messenger ermöglicht eine Verstärkung des Signals. Außerdem können verschiedene Zielzellen, je
nach ihrer Ausstattung mit Rezeptoren und Second-Messenger-abhängigen Enzymen, unterschiedlich auf ein Hormon oder einen
Transmitter reagieren.
-Die Methode der Isotopenmarkierung wird benutzt, um zwei Atome gleicher Art unterscheiden zu können.
Häufig ist es notwendig, unterscheiden zu können, welche Rolle zwei verschieden gebundene Atome gleicher Art in einer
chemischen Reaktion spielen. Da man nur die Edukte und die Produkte sehen kann, jedoch nicht den Reaktionsmechanismus,
verwendet man die Isotopenmarkierung.
Dabei wird ein Atom gezielt gegen eines seiner Isotope ausgetauscht. So kann man zum Beispiel ein Wasserstoff-Atom durch ein
Deuterium-Atom (schwerer Wasserstoff) ersetzen. Durch spezielle Analysenverfahren kann man das Deuterium-Atom in den
Produkten nachweisen und seine Position und Bindigkeit feststellen. Stabile Isotope werden durch NMR-Spektroskopie oder
Massenspektrometrie, radioaktive mit Szintillationsmessgeräten nachgewiesen.
-Polymerase Kettenreaktion
Der PCR-Prozess besteht aus einer Anzahl von 30 bis 50 Zyklen, die in einem Thermocycler durchgeführt werden. Jeder Zyklus
besteht aus drei Schritten (siehe Abbildung unterhalb):
1. Denaturierung (o.a. Melting, Schmelzen): Zunächst wird die doppelsträngige DNA auf 94-96 °C erhitzt um die Stränge zu
trennen. Die Wasserstoffbrückenbindungen, die die beiden DNA-Stränge zusammenhalten, werden aufgebrochen. Im ersten Zyklus
wird die DNA oft für längere Zeit erhitzt um sicherzustellen, dass sich sowohl die Ausgangs-DNA als auch die Primer vollständig
voneinander getrennt haben und nur noch Einzelstränge vorliegen.
2. Primerhybridisierung (primer annealing): Nach der Trennung der Stränge wird die Temperatur gesenkt, so dass die Primer
sich an die einzelnen DNA-Stränge anlagern können. Die Temperatur während dieser Phase hängt von den Primern ab und liegt
normalerweise 2-3 °C unter ihrem Schmelzpunkt, typischerweise zwischen 50 und 65 °C. Wird die Temperatur falsch gewählt, kann
das dazu führen, dass die Primer sich nicht (Temperatur zu hoch) oder an falschen Stellen (Temperatur zu niedrig) an der
Ausgangs-DNA anlagern.
3. Elongation (Polymerisation, Verlängerung): Schließlich füllt die DNA-Polymerase die fehlenden Stränge mit freien Nukleotiden
auf. Sie beginnt am 3'-Ende des angelagerten Primers und folgt dann dem DNA-Strang. Der Primer wird nicht wieder abgelöst, da
er den Anfang des Einzelstrangs bildet. Die Temperatur hängt nun von der verwendeten DNA-Polymerase ab (zwischen 68 und 72
°C); die Zeit, die dieser Schritt benötigt, ebenfalls von der verwendeten DNA-Polymerase und der Länge des DNA-Fragments, das
vervielfältigt werden soll.
-Die Hybridisierung (lat. hybrida : Mischling, Bastard; engl. hybridization) bezeichnet einen für molekulargenetische Techniken
bedeutsamen Vorgang, bei dem sich an einem Einzelstrang einer Desoxyribonukleinsäure (auch Southern-Technik genannt) oder
einer Ribonukleinsäure (auch Northern-Technik genannt) ein mehr oder weniger vollständig komplementärer DNA- oder
RNA-Einzelstrang anlagert, indem Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den jeweils komplementären Nukleinsäurebasen
ausgebildet werden.
Die Hybridisierungstechnik dient zum Nachweis der strukturellen Verwandtschaft von Nucleinsäuren wie auch zur Isolierung
spezifischer Nukleinsäuresequenzen aus einem Gemisch.
Durch Markierung mit radioaktiven Tracern oder Fluoreszenzfarbstoffen, Enzymen u.a. können kürzere, im Regelfall künstlich
synthetisierte DNA-Ketten als Gensonden mittels Hybridisierung zur Kennzeichnung entsprechender Nucleinsäuren verwendet
werden.
Die Hybridisierungstechnik gewinnt im Zusammenhang mit weiteren molekulargenetischen Techniken in der neurobiologischen
Forschung, unter anderem auch als In-situ-Methode, z.B. an Hirnschnitten, an Bedeutung.
-1. Transkription: Transkription ist das Umschreiben von DNA in RNA. Durch Bindung einer RNA-Polymerase an einen Promotor
wird der DNA-Strang entspiralisiert. Die Information der DNA wird durch die RNA-Polymerase in mRNA (vom englischen
messenger-RNA, zu deutsch Boten-RNA genannt) umgeschrieben, indem ein zum codogenen DNA-Strang komplementärer
prä-mRNA- Strang synthetisiert wird. Bei Eukaryonten wird die prä-mRNA durch posttranskriptionale Modifikationen (Capping, in
den meisten Fällen (Splicing), Polyadenylierung, in manchen Fällen Editing) in die mRNA prozessiert. Die reife mRNA wird durch
regulierten, aktiven Transport durch den "nuclear pore complex NPC" aus dem Zellkern ins Cytoplasma transportiert. Die einzelnen
Schritte der mRNA-Synthese werden in Abhängigkeit voneinander reguliert.
2. Translation: (wörtlich: Übertragung). Übersetzt wird die DNA-Information eines bestimmten DNA-Abschnittes (Gen) in eine
Aminosäurekette (auch bezeichnet als Polypeptid). Dazu wird die Information auf der Boten-RNA (mRNA) zunächst
"zwischengespeichert". Bei Eukaryonten verlässt diese mRNA den Zellkern (bei Bakterien bzw. Prokaryoten setzt sie sofort nach
der Transkription ein) und wird im Cytoplasma, also außerhalb des Zellkerns, von Ribosomen (sog. Polysomen) schrittweise
abgelesen und in eine Folge von Aminosäuren umgesetzt. Dies geschieht durch die tRNA, da für jede Aminosäure ein kompatibles
tRNA-Molekül existiert, das über eine spezifische Bindungstelle für ebendiese Aminosäure verfügt. An dem tRNA-Molekül ist noch
eine sog. "Anticodonschleife" vorhanden, deren Sequenz an Basen komplementär zu dem auf der mRNA vorhandenen Codon ist.
Von daher wird diese Basensequenz als "Anticodon" bezeichnet.
-Unter einer Translokation oder einer Translozierung (= Ortsveränderung, Versetzung / lateinisch: locus = Ort) versteht man in der
Genetik eine Ortsveränderung von Chromosomen oder von Chromosomenabschnitten, die innerhalb eines
Chromosomenbestandes von ihrer ursprünglichen Position transloziert (= verlagert, versetzt) worden sind.
-Als Punktmutation wird in der Biologie ein Fehler bei der DNA-Replikation, genauer, eine Genmutation bezeichnet, wenn durch die
Veränderung nur wenige oder ein einzelnes Basenpaar betroffen sind. Sie ist damit als ein Spezialfall der Genmutation und damit
auch der strukturellen Chromosomenaberration zu betrachten.
-ine Mutation (lat. mutare verändern) ist eine Veränderung des Erbgutes eines Organismus durch Veränderung der Abfolge der
Nucleotidbausteine oder durch Veränderung der Chromosomenzahl, die nicht auf Rekombination oder Segregation beruht. Dieser
Begriff wird daher nur für einen Teilbereich aller möglichen Chromosomenaberrationen verwendet. Durch eine Mutation wird die in
der DNA gespeicherte Information verändert und dadurch können einzelne Merkmale (der Phänotyp) verändert werden
-Die Replikation beginnt mit dem Auflösen der Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der beiden Einzelstränge. Dieser Vorgang
wird von dem Enzym Helikase unter ATP-Verbrauch katalysiert. Die Stellen, an denen sich die Einzelstränge voneinander trennen,
bezeichnet man als Replikationsgabel. Die Doppelhelix wird also durch das Enzym entwunden und auseinander geschoben, sodass
eine y- förmige Struktur entsteht. An die nun freiliegenden Basen heften sich Proteinkomplexe, die eine erneute Verbindung der
beiden Einzelstränge unterbinden. Da die beiden Stränge der DNA gegenläufig (antiparallel) verlaufen, unterscheidet man zwischen
dem Leitstrang (auch Vorwärts-Strang) (3' - 5' Richtung) und dem Folgestrang (auch Rückwärts-Strang) (5' - 3' Richtung). Für die
DNA-Synthese notwendigen Bausteine liegen in Form der Nucleotide in der Zelle vor. Die DNA-Polymerase kann immer nur
Nukleotide an das 3'-Ende anknüpfen, sie arbeitet also nur in 5'-3'-Richtung.
-Restriktionsenzyme sind Enzyme, welche DNA schneiden können. Sie werden unterteilt in Restriktionsendonukleasen und
Restriktionsexonukleasen.
Restriktionsendonukleasen schneiden die DNA innerhalb der Sequenz. Restriktionsexonukleasen schneiden die DNA vom Rand
her. Für die Gentechnologie sind nur die Restriktionsendonukleasen interessant.
Jede Restriktionsendonuklease erkennt eine spezifische DNA-Basensequenz. Nach ihren Eigenschaften unterscheidet man drei
Typen:
* Typ I Schneidet die DNA an einer zufälligen Stelle weit von der Erkennungssequenz entfernt. Benötigt ATP und transferiert
eine Methylgruppe von S-Adenosyl-Methionin.
* Typ II Schneidet die DNA innerhalb der Erkennungssequenz. Benötigt kein ATP und hat keine Methyltransferase-Aktivität.
* Typ III Schneidet die DNA etwa 20 bis 25 Basenpaare von der Erkennungssequenz entfernt. Benötigt ATP und transferiert
eine Methylgruppe von S-Adenosyl-Methionin