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 Typen: ungeschlechtliche F. geschlechtliche F. Keimzellen nein ja Energieaufwand

gering hoch

Geschwindigkeit

hoch niedrig

Variabilität der Nachkommen

niedrig hoch

typisch für: Bakterien, Gliederfüßer Einzeller, Wirbeltiere, Hohltiere, Blütenpflanzen, Samenpflanzen Vorgänge: Begattung Befruchtung = Übertragung der = Verschmelzung Spermien 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 2 Klassische Genetik 3 Molekulare

Genetik Untersuchungsmethode Mikroskop Stammbäume Chemie Fragestellung -Wie erfolgt die

Verteilung der genetischen Information bei Meiose und Befruchtung ? -Genommutationen

- Nach Welchen Regeln treten Merkmale in verschieden Generationen auf ? -Genmutationen

- Wie ist die genetische Information aufgebaut und wie wird sie aktiviert? -Genmutationen

Theorien und Modelle Chromosomentheorie Meiose

Chromosomentheorie Mendelsche Regeln

DNA-Struktur Proteinbiosynthese (= Eiweißbildung/ Genexpression)

Anwendungen Züchtung Züchtung Gentechnologie

1 Zellgenetik

1.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information 1.1.1 Bau der Zelle a) vereinfachte Übersicht

b) Karyogramm des Menschen

Kurzschreibweise: 44, XY bzw. 44, XX

c) Chromosomensätze anderer Arten

Tomate 24

1

Zellmembran mit den Einstülpungen:

c Golgi – Apparat d Endoplasmatisches Reticulum (ER)

e Kernhülle

genetische Information = Genom, besteht aus Chromosomen

22 Autosomenpaare 44 geschlechtsunabhängige Chromosomen

1 Gonosomenpaar 2 Geschlechtschromosomen

+

+

insgesamt 46 Chromosomen

c

d

e

Chromatid = DNS-Faden, spiralisiert

Æ Platzersparnis

Centromer = (Eiweiß-) Andockstelle

für den Spindelapparat aus Gerüsteiweißen.

Kartoffel 48 Schimpanse 48 Mensch 46

Ö�immer geradzahlig! Ö�bei Pflanzen oft Verdopplung/Vervielfachung (= Polyploidisierung)

1.1.2 Bau eines Chromosoms a) Transportform

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 ober-

und 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)

Meiose Reduktionsteilung

Meiose Äquationsteilung

vorh

er

Zelltyp(-en) Chromosomensatz Zahl der Chromatiden pro Chromosom

Körperzelle/ Keimbahnzelle diploid (2n) zwei

Urkeimzelle diploid (2n) zwei

„Tochterzelle der Reduktions-teilung“ haploid (n) zwei

nach

her

Zelltyp(-en) Chromosomensatz Zahl der Chromatiden pro Chromosom In der Anaphase Trennung der... voneinander

Körperzelle/ Keimbahnzelle diploid (2n) eins Chromatiden

„Tochterzelle der Reduktions- teilung“ haploid (n) zwei homologen Chromosomen

Keimzelle haploid (n) eins 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

Synthesephase

Verschmelzen der Kerne (Allele hier zufällig identisch)

Verdoppeln der Chromatiden Homologes

Chromosomenpaar

diploide Befruchtete Eizelle (= Zygote)

Befruchtete Eizelle Urkeimzellen Keimzellen Befruchtete Eizelle B

efru

chte

te E

izel

le

(nac

h S

ynth

esep

hase

)

Urk

eim

zelle

Kei

mze

lle

Bef

ruch

tete

Eiz

elle

(v

or S

ynth

esep

hase

)

Chromosomensatz 2n 2n n 2n

Chromatiden pro Chromosom

zwei zwei eins eins

Ö�Die Allele werden neu auf die Tochtergeneration verteilt. Ö�Betrachtet man mehrere Allele, die auf verschiedenen homologen

Chromosomenpaaren liegen, so erhöht sich die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten sehr stark!

Anzahl der Chromosomenpaare 1 2 3 ... 23 n

Zahl der möglichen Keimzellen 2 4 8 ... 8.388.608 => sehr viele! 2n

Mitosen

Befruchtung

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!)

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)

Ö�erhöht stark die Zahl der Kombinationsmöglichkeiten, da die Länge der

ausgetauschten Chromatidenabschnitte stark variieren kann.

oder

Keimbahnzelle

R! Ä! R! Ä!

2x 2x und 2x und 2x

Ö�es 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!)

Ö�Gekoppelte Gene: Liegen auf dem gleichen Chromosom Ö�Entkopplung durch Crossing over (Vgl. 2.1.2 b) Genkopplung) Ö�Die Allele müssen nicht an den Enden der Chromatiden liegen, sie werden

dort aber mit höherer Wahrscheinlichkeit ausgetauscht.

R! Ä! R! mit Crossing over / Ä!

A A

B B

a

a

b

b

oder

A A A

B B B

a a a

b b b

1.2.7 Geschlechtsbestimmung beim Menschen Chromosomale = Genotypische Geschlechtsbestimmung Gonosomenkombinationen: XY XX zu erwartendes Geschlechtsverhältnis: 1 : 1 tatsächlich: 1,20 : 1 nach der Befruchtung

1,06 : 1 nach der Geburt 0,94 : 1 ab dem Jugendalter

Nicht homolog!

„Lebensdauer“

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

R!

Befruch- tung

Keimbahnzelle + O

normal

O

Non-Disjunction: Nicht-Trennung der homo- logen Chromosomen von- einander

Autosomenpaar Nr. 21

1.3.2 gonosomale Genommutation

a) Symptome

- Überlange... - Männliche... - Weibliche...

�Klinefelter Syndrom (1)

- verkürzte Gliedmaßen - weibliche primäre Geschlechtsmerkmale - unterentwickelte sekundäre weibliche

Geschlechtsmerkmale

�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 Allel a

reinerbig mischerbig reinerbig

= homozygot = heterozygot = homozygot

Phänotyp: "A" "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 Einchromatid-chromosomen, nicht

ein Zweichromatid-chromosom!

Problem: war die P wirklich reinerbig?

zweiter Versuch: Kreuzung zweier Individuen der F1 - Generation

Organismus Merkmal dominantes Allel rezessives Allel

Erbse Blütenfarbe rot weiß

(Mendel) Samenform rund eckig

Samenfarbe gelb grün

Fruchtfliege Körperfarbe hellbraun schwarz

(Morgan) Flügellänge normal Stummel

Mensch PTH - Schmeckfähigkeit Schmecker Nichtschmecker

(Fox) Zungenrollfähigkeit Roller Nichtroller

Rind Fellfarbe schwarz rotbraun

Gleichmäßigkeit der Färbung 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

X P

Ga

F1

X F1

Ga

F2

P zu F1 1.M.R. F1 zu F2

m\w A A

A AA AA

A AA AA

m\w A A

A AA AA

A AA AA

A A A A

A A

A A A A A A A A

A A A A

A A

A A A A

A A A A A A

A A

2. M.R. “Spaltungsregel” 1 : 2 : 1

Alleltypen Ebene dominat-rezessiv intermediär kodominant Genotyp AA A a a a AA AA AA AA AA AA zwei (ein Buchstabe Phänotyp „A“ „A“ „a“ „A“ „A“ „A“ „A“ „AA“ „a“ pro Genort) Beispiel Erbse: Wunderblume: Mensch: Blütenfarbe Blütenfarbe Enzymdefekte Genotyp: AA BB - AB drei A0 B0 00 - (mehr als ein Symbol pro Genort) Phänotyp „A“ „B“ „0“ - „AB“ - Beispiel Mensch: - Mensch: Blutgruppe - Blutgruppe

c) kodominanter Erbgang mit multiplen Allelen

Ö�Es gibt mehr als zwei unterschiedliche Allele am gleichen Genort

Ö�Bei der kodominanten Allelkombination AB sind beide Allele im Phänotyp

ausgeprägt (typisch auf molekularer Ebene).

Blutgruppe „A“ „B“ “AB” „O“

Rote

Blutkörperchen mit

Antigen

Antikörper im

Blutserum

(eigenes)

Zugegebene

Blutkörperchen mit

Antigenen, bei

denen

Verklumpung

eintritt (= nicht

erlaubte fremde

Spenderblutgruppe)

„B“

„AB“

„A“

„AB“

=> „Universal-

empfänger-

blut“

„A“

„B“

„AB“

=> „Universal-

spenderblut“

Zugegebene

Blutkörperchen mit

Antigenen, bei

denen keine

Verklumpung

eintritt (= erlaubte

fremde

Spenderblutgruppe)

„A“

„0“

„B“

„0“

„A“

„B“

„AB”

„0”

„0”

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: - Alle Samen der F1-Generation sind gelb und rund.

- In der F2-Generation ergeben sich folgende Kombinationen mit dem Zahlenverhältnis:

gelb, rund : grün, rund : gelb, kantig : grün, kantig = 9 : 3 : 3 : 1 Aufgabe: - 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 ÆÆ geschlechtsunabhängig ÆÆ 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“

ÆÆ typisch: Gerüsteiweiß*-Defekt * = Gerüst-Protein Name Krankheitsbild + Ursache Marfan-Syndrom - Bindegewebsschwäche

- überlange Extremitäten - „Linsenschlotter“ - Arterienwandschwäche

Æ Kollagendefekt Achondroplasie (= „Zwergenwuchs“) verkürzte Extremitäten Spalthand - verwachsene Finger

- und/oder gespaltene Mittelhand Polydaktylie überzählige Finger Chorea Huntington „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

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 A0 = „A“ a0= „a“ Frauen: XX AA= „A“ Aa = „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 a X a XaY0 XaY0 Konduktorinen

Name

Albinismus

Alkaptonurie

Phenylketonurie

Mukoviszidose

Krankheitsbild

Melanin fehlt, da Enzymdefekt

schwarzer Harn, da Enzymdefekt

Schwachsinn, da Enzymdefekt

zäher Schleim

Fall 1

X P G F1 Mutter = komplett gesund Vater = krank Fall 2

X P G 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-dehydro- genase Enzymdefekte im Stoffwechsel

XaY0 XAXA

X a Y0 XA XA

XaY0 XAY0 XA Xa

XAXA

Xa Y0 XA Xa

Xa Y0 XA Xa

XAY0 XAXa XaY0

XaXa

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 :�DOOH�PRQRJHQ���

- 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

a) Primärstruktur

n

N C C

O H

H R

Wasserabspaltung (-n H2O) Polypeptidkette

H

Polarer Rest Unpolarer Rest

R = Rest Je nach Rest 20 verschiedene Aminosäuren als Bausteine

N C

O

C O

R

H

H

H

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

�����������-Faltblatt bei unpolaren Resten

Die Sekundärstruktur gibt die räumliche Anordnung der Primärstruktur an.

Polypeptidkette (polar) (mit polarem Rest) Stützen (Wasserstoffbrücken)

R

R

R

R

RR

R

R

Seitenansicht

Draufsicht

Polypeptidkette (polar) (mit unpolarem Rest) Stützen (Wasserstoffbrücken)

vereinfacht

detailliert

c) Tertiärstruktur

Als übergeordnete Raumstruktur können Kugel- oder Faserformen auftreten

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.

- Enzymproteine - Transportproteine => meist wasserlöslich z.B. Hämoglobin, Lysozym, Glucose-6-Phosphatdehydrogenase

- Gerüstproteine => meist wasserunlöslich

e.) Form und Funktion

Der räumliche Bau = Tertiärstruktur ist entscheidend für die Funktionen.

z.B. „Schlüssel-Schloss-Prinzip“

n

funktionsfähiges Kohlenhydrat

n

Kohlenhydrat (Nährstoffkette)

passt => gewünschtes Ergebnis erzielt

Vier kugelförmige Untereinheiten

Drei faserförmige Polypeptidketten �.-+HOL[�LQ�.-Helix)

Zum Vergleich:

- 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

n

funktionsunfähiges Kohlenhydrat

passt nicht => gewünschtes Ergebnis nicht erzielt

3.1.3 Struktur der Nucleotide und Polynucleotide (= Nucleinsäuren)

=> Nucleotide sind die Bausteine der DNA und RNA

a) Bestandteile eines Nucleotids

Nucleinsäure (-acid) DNA RNA

Zucker Desoxyribose Ribose

Phosphorsäure

Basen Adenin A

Thymin T

Cytosin C

Guanin G

Adenin A

Uracil U

Cytosin C

Guanin G

Nucleotid

P

3’ 5’ P

Base

D

3’ 5’ P

Base

Phosphorsäure

Zucker Z

3’ 5’ P

Base

R

P

b) Moleküloberfläche der

Bestandteile

5’

5’

P Base D R

P

Z

P

Z

Base

Base Base

Base Z

Z

P

P

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 T 2x Wasserstoff- brücken- C G 3x bindungen

A und T bilden ein komplementäres Basenpaar (ebenso C mit G).

3.2.2 Doppelhelixstruktur

5´ 3` 5` 3`

ca.10

3` 5`

3` 5`

Polynucleotid- komplementär Polynucleotid-

einzelstrang einzelstrang Polynucleotiddoppelstrang

G D C

D T A

T A

P

A D

T D

D

D

P

P

P

ca.10 Basen- paare = eine voll- ständige Schrau-benwin-dung

C G

P

P

antiparallel: 5` 3` 3` 5`

3.2.3 Struktur der RNA

• Einzelstrangbestandteile:

• Raumstrukturen:

R

R

R

P

P

P

U

A

G

3´

5´

Polynucleotideinzelstrang mit U statt T und R statt D

(Aufsicht) einfache Helix

3´

5`

• Funktionsformen:

mRNA (messager-RNA): vgl. Translation (Expression)

tRNA (transfer-RNA): vgl. Transkription (Expression)

komplementär

Kleeblatt 3`

5`

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’) Jeder der beiden Tochterdoppelstränge enthält einen unveränderten Einzelstrang des Elterndoppelstrangs.

3’

3’ 5’

5’

3.4 Genexpression (= Proteinenbildung)

Übersicht:

DNA-

Abschnitt

(Gen)

Transkription

3.4.1

mRNA

Translation

3.4.2

Protein

Merkmal

Nucleotid-

Sequenz

Nucleotid-

Sequenz

Aminosäure-

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

Ö�mehr 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 DNA-

Tochterstrangbildung bei der Replikation!)

c) Ort

- im Zellkern

- die mRNA wird ins Plasma transportiert

d) reverse Transkription

„normales“ DNA-Virus „Retro“-DNA-Virus: (z.B. HI-Virus)

3’

5’ mRNA-Strang

codogener DNA-Strang

DNA

mRNA

Virus-DNA

Virus-RNA

1

1) reverse Transkription Enzym: reverse Transkriptase (= DNA-Polymerase)

DNA

3’

5’

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

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

AS 5

AS 4 AS 3

AS 3

AS 1

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 DNA-

Abschnitt 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

nur durch Umwelteinflüsse ? Mutation

ja Veränderung der Chromosomenzahl?

Modifikation ja nein

Genommutation Veränderung der Nucleotidsequenz ?

ja

Genmutation

Austausch einer Base ?

ja nein

Punktmutation 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 Keimbahnzellen

ca. 4 - 5 Mutationen oft schon ab wenigen Mutationen

Krebsentstehung spontane Entstehung von Erbkrankheiten

3.5 Gentechnologie

3.5.1 Neukombination der genetischen Information bei einer Bakterienzelle

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Plasmid = ringförmiges DNA-Molekül (dient

dem Genaustausch bei Bakterien)

Neu einzuschleusender DNA-Abschnitt mit 1. Eiweiß-Gen 2. Antibiotika- Resistenz-Gen

Ligase

Ligase

Passagier

Hybridplasmid (= neukombiniertes Plasmid)

Rekombiniertes Bakterium

Antibiotikum

Petrischale

Es überlebte dank Gen 2 (Antibiotikum Resistenz)

Starke Vermehrung Æ es entstehen: KLONE = erbgleiche Individuen

(7) ANALYSE (9) EXPRESSION

(8)

= erzwungene Proteinbiosynthese

Markiertes Gen 1

3.5.2 Anwendungen a) Biotechnologie Def.: Einsatz von Mikroorganismen zur Gewinnung eines bestimmten Stoffwechselprodukts oder Proteins

Nachteile: Oft starke Verunreinigung mit giftigen Nebenprodukten Ausblick: - nachwachsende Rohstoffe (Methanol, Ethanol, Methan)

Æ�Brennstoffe 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

Gentechnisch verändert

Organismen Stoffwechselvorgang Produkt Funktion

Nein Nein Nein

Hefepilz Essigsäure-bakterium Milchsäure-bakterium

Alkohol. Gärung Essigsäuregärung Milchsäuregärung

Bier, Wein Essig, Sauerkraut, Joghurt

(Rausch) Haltbarmachen von Lebensmitteln

Ja Coli-Bakterium Proteinbiosynthese (s. Expression)

Insulin Somatropin Somatostatin Interferon Erythropoietin (EPO) Plasminogen-Aktivator (TPA)

Hormone Hemmt Virenver-mehrung, stoppt Tumor-wachstum Regt die Bildung von roten Blutkörperchen an Beseitigt Blutgerinnsel

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