In der Zelle formt die DNA eine Doppelhelix mit zwei antiparallelen Ketten P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R

Embed Size (px)

Text of In der Zelle formt die DNA eine Doppelhelix mit zwei antiparallelen Ketten P D-R P D-R P D-R P D-R P...

  • Folie 1
  • In der Zelle formt die DNA eine Doppelhelix mit zwei antiparallelen Ketten P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R 5 3 D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P 5 3 D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P D-R P 5 3 Das Rckgrat jeder Kette ist der Phosphate (P)-----Desoxyribose (D-R) -Strang Die Basen sind wie Rippen an diesem Rckgrat angeordnet, und jeweils an die Desoxyribosen gebunden Die beiden Strnge sind antiparallel angeordnet 5 3 3 5 Die beiden Strnge treten entlangen der Basen zusammen und werden zusammengehalten durch (i) Wasserstoffbrcken-Bindungen (ii) hydrophobe Wechselwirkungen A und T bilden ein Basenpaar mit 2 H-Brcken G und C bilden ein Basenpaar mit 3 H-Brcken
  • Folie 2
  • Regeln bei der Watson-Crick-Basenpaarung (i) Wasserstoffbrcken-Bindungen (ii) hydrophobe Wechselwirkungen
  • Folie 3
  • Regeln bei der Watson-Crick-Basenpaarung (i) Wasserstoffbrcken-Bindungen
  • Folie 4
  • Regeln bei der Watson-Crick-Basenpaarung (i) Wasserstoffbrcken-Bindungen 0.27-0.31 nm 12 - 29 kJ/mol biologisch releveant
  • Folie 5
  • Regeln bei der Watson-Crick-Basenpaarung die beiden DNA-Strnge treten entlang der Basen zusammen und werden zusammen- gehalten durch (i) Wasserstoffbrcken-Bindungen (ii) hydrophobe Wechselwirkungen die Basen auf den gegenberliegenden Strngen stehen sich exakt gegenber A und T ein Basenpaar mit 2 H-Brcken G und C ein Basenpaar mit 3 H-Brcken die Basen sind planar gebaut > Stapelung der Basenpaare in der Doppelhelix (base stacking) 5 35 3 H-Brcken
  • Folie 6
  • Fragen aus der schriftlichen Physikumsprfung G = C A+G = T+C A = T
  • Folie 7
  • Fragen aus der schriftlichen Physikumsprfung
  • Folie 8
  • Folie 9
  • Strukturprinzip der Doppelhelix das Desoxyribose-Phosphat- Rckgrat bildet eine Helix-Struktur aus die Basen sind zum Innern der Helix gekehrt und die Desoxyribose/Phosphat- Reste liegen an der Auenseite die Ringebenen der Basen stehen senkrecht zur Helixachse die Zucker stehen fast im rechten Winkel zur Base die genetische Information liegt in der Abfolge der Basenpaare TAGCGT Leiter-Modell Ribbon-Modell
  • Folie 10
  • Raumfllendes Kalottenmodell 1. Strang (5) 2. Strang (3) groe Furche kleine Furche rote Linien verbinden die Phosphat-Reste DNA-bindende Proteine knnen spezifisch an die DNA binden. Dabei lagern sich die Proteine in die groe bzw. kleine Furche ein und bekommen dadurch Zugang zu den Basen. Dadurch ist die Erkennung einer spezifischen Basenabfolge mglich (z. B. Transkriptionsfaktoren, Restriktionsenzyme)
  • Folie 11
  • Rechtslufige Doppelhelix Entspricht 99% der zellulren DNA GCGCGCGC Abfolge Zick-Zack Verlauf des Phosphodiester-Bandes Linkslufige Doppelhelix Entsteht bei drastischer Abnahme des Wassergehalts Rechtslufige Doppelhelix Basenpaare nicht senkrecht wie bei B-Form, sondern um 70 gekippt Offener Raum im Moleklinneren
  • Folie 12
  • Zusammenfassung der DNA Struktur
  • Folie 13
  • 1953 haben Watson & Crick die drei-dimensionale Struktur der DNA -Doppelhelix aufgeklrt und sofort den Mechanismus der DNA-Replikation vorhergesagt
  • Folie 14
  • wichtig ist, da die genetische Information (= Abfolge der Basensequenz in der DNA-Kette) whrend der Zellteilung exakt von der Mutterzelle auf die Tochterzelle bertragen wird bei der Verdopplung fungieren beide Elternstrnge der doppelstrngigen DNA als Matritze Fehler knnen sich kastastrophal auf die Lebensfhigkeit der Zelle auswirken, oder Krebs entstehen lassen
  • Folie 15
  • bei der Verdopplung fungieren beide Elternstrnge der doppelstrngigen DNA als Matritze
  • Folie 16
  • Folie 17
  • Reiverschluartige Trennung der beiden Elternstrnge entlang der Basenpaare = Brechen der H-Brcken Identische Verdopplung
  • Folie 18
  • Parentale DNA- Doppelhelix DNA-Molekle nach einer Runde der Replikation Konservative Replikation A1 A2 Semi-Konservative Replikation A1 A2 A1A2N1N2A1A2N2N1 Semi-konservative DNA-Verdopplung wurde durch Watson & Crick (1953) vorhergesagt, aber erst durch ein klassisches Experiment (1959) bewiesen von Meselson & Stahl
  • Folie 19
  • Der semi-konservative Replikationsmechanismus wurde zunchst fr E. coli gezeigt, und spter fr alle Organismen einschlielich Homo sapiens bewiesen
  • Folie 20
  • Verfttern von 15 N-Stickstoff Nhrmedium an E. coli DNA enthlt normalen = leichten 14 N-Stickstoff E. coli Leichte DNA DNA enthlt jetzt ausschlielich schweren 15 N-Stickstoff Schwere DNA Anschlieende Analyse der DNA ob schwer, leicht oder Hybrid durch CsCl-Dichtegradientzentrifugation Rckfhrung der Bakterien in 14 N-Stickstoff-Nhrmedium fr eine Verdopplungszeit von 20 min
  • Folie 21
  • 1. Verdopplung mit 14 N-Stickstoff (leicht = L) 2. Verdopplung mit 14 N-Stickstoff (leicht = L) Analyse der DNA ob schwer, leicht oder Hybrid durch CsCl-Dichtegradientzentrifugation S-S S- L L-L S-SS- L L-L Semi-konservativ konservativ Mgliche ErgebnisseExperimentelle Befunde (Meselson & Stahl, 1958) Wachstum in 15 N-Medium Schwere DNA (schwer = S) S-S S-LS-L L-LS-LS-L
  • Folie 22
  • Das Beweis-Experiment, da auch eukaryontische DNA semi-konservativ repliziert wird Dazu wurden Wurzelzellen mit [ 3 H]-Thymidin (radioaktiver Wasserstoff!) durchmarkiert, isoliert und anschlieend autoradiographisch untersucht Radioaktiv-markiert Probe (z. B. [ 3 H]-Thymidin-markiertes Chromosom) beim -Zerfall des Tritiums werden Elektronen frei, die den Rntgenfilm an den Stellen schwrzen (Ag-Krner), an denen die Chromosomen auf dem Film aufliegen. Genauigkeit der Lokalisierung: ca. 0.5 - 1.0 m Objekttrger Rntgen-Film mit AgBr-Emulsion e-e-
  • Folie 23
  • .semi-konservative Replikation von eukaryontischer DNA in Wurzelzellen A1 A2 A1 N1 A2 N2 Teilung DNA-Replikation in nicht-radioaktivem Medium DNA-Synthese in radioaktivem Medium [ 3 H]-Thymidin 2n 1n 2n beide Schwester- Chromatide sind markiert Autoradiographie-Bild nur ein Schwester- Chromatid ist markiert Autoradiographie-Bild
  • Folie 24
  • Die DNA-Replikation erfolgt bi-direktional Die Replikation der DNA erfolgt nicht spontan, sondern wird durch Enzyme (DNA-Polymerasen) katalysiert Grundstzlich gilt, da die DNA-Polymerasen die Replikation nicht an jeder beliebigen Stelle der DNA initiieren, sondern nur am Replikations- Startpunkt = Origin Replikationsgabel
  • Folie 25
  • am hufigsten findet man, da die Replikation am Origin beginnt und sich von dort bi-direktional forstsetzt dadurch entstehen 2 Replikationsgabeln bei ringfrmiger DNA (z. B. E. coli) gengt meist ein Origin. Die beiden dort entstehenden Replikationsgabeln verschmelzen schlielich auf der gegenberliegendenen Seite des Origins nach erfolgter Replikation Ende der Replikation Wachstum in beide Richtungen rechte Wachstumsgabellinke Wachstumsgabel
  • Folie 26
  • die langen, linearen eukaryontischen Chromosomen (= lineare DNA) haben viele DNA-Replikations-Startpunkte (vermutlich einige tausende bis zehntausende Origins beim Menschen) die bi-direktionalen Replikationsgabeln bewegen sich aufeinander zu, solange bis sich benachbarte Startpunkte begegnen durch das Vorhandensein von vielen Replikons (Replikations- Startstellen) schafft es die eukaryontische Zelle die ca. 1000-fach grere DNA (vgl. E. coli > Mensch) in der erforderlichen Zeit zu replizieren
  • Folie 27
  • Der Nachweis der bi-direktionalen DNA-Replikation wurde durch Autoradiographie von radioaktiv markierter DNA, die aus Sugerzellen isoliert wurde, erbracht. Markierung der DNA erfolgte mit [ 3 H]-Thymidin, zunchst von niedriger Radioaktivitt.Nach Beginn der Replikation wurde die Menge an radioaktivem [ 3 H]-Thymidin erhht. Anschlieend wurden die Chromsomen autoradiographiert. Autoradiogramm e-e- hohe niedrige hohe Radioaktivitt hohe niedrige hohe Radioaktivitt Ori 1Ori 2 [ 3 H]-markierte DNA
  • Folie 28
  • Elektronenmikroskopische Aufnahmen von sich replizierender DNA aus Drosophila-Zellen, die sich rasch teilen (= aktive DNA-Replikation). Die Pfeile zeigen Replikationsblasen, in denen bi-direktionale Replikation stattfindet. 1n DNA Replikationsblase 2n DNA Replikationsgabel Sichtbarmachen von Replikationsblasen
  • Folie 29
  • Wanderungs-Geschwindigkeit der Replikationsgabeln hohe niedrige hohe Radioaktivitt Lnge der radioaktiv markierten DNA ( m ) in Abhngigkeit der Replikationsdauer t2t2 t3t3 OriC t1t1 Zellen werden unterschiedlich lang mit [ 3 H]-Thymidin markiert, bevor die DNA isoliert und autoradiographisch analysiert wird durch die Lnge der Schwrzung auf dem Rntgenfilm kann die Geschwindigkeit, mit der sich die Replikationsgabel entlang der DNA bewegt, bestimmt werden
  • Folie 30
  • Wanderungs-Geschwindigkeit der Replikationsgabeln Lnge der DNA auf dem Autoradiogramm proportional zur Anzahl der replizierten Basenpaare > Bestimmung der Replikationsgeschwindigkeit = 1000 BP/sec/Gabel bei E.coli Kleine Rechnung bei E. coli dauert die Replikation 20 min (Genomgre = 3 x 10 6 BP) bei 2 Replikationsgabeln mit einer V = 1000 BP/sec stimmen theoretischer und errechneter Wert berein 1200 sec x 1000 BP = 1.2 x 10 6 BP bei 2 Gabeln: 2.4 x 10 6 BP Homo sapiens ~ 100 BP/sec/G