Q1 Bio 1.1. Von der DNA zum Protein Desoxyribonukleinsäure (DNA) - für das Leben jeder Zelle essentiell, Träger der Erbinformation enthält Bauplan jeder Zelle und jedes Proteins auf der DNA sind die Informationen für Proteine in Form von Genen codiert Proteine und DNA für den Stoffwechsel - Mutationen können zu schweren Erkrankungen führen Oder evolutionäre Vorgänge starten 1.1 Aufbau: Spiralförmiger Doppelstrang besteht aus Nukleotiden, die 3 Bestandteile haben: Zucker (Desoxyribose) Phosphorsäure Basen (4 verschiedene) Pyrimidinbasen sind Cytosin und Thymin (kleineren) Purinbasen sind Adenin und Guanin (größeren) - zwei Einzelstränge, jeweils aufeinander folgende Phosphatgruppen und Desoxyribosemoleküle, die über das 3´und 5´-C Atom des Zuckers verbunden sind an jedem Strang 2 verschiedene Enden 3´- Ende hat das C- Atom keine Phosphatgruppe 5´- Ende hat das C- Atom eine Phosphatgruppe antiparallel: 3´- Ende des einen Stranges liegt dem 5´- Ende des anderen Stranges gegenüber - Basen sind am C1- Atom des Zuckers verbunden Basen binden über Wasserstoffbrückenbindungen an die andere Base gegenüber Adenin und Thymin bilden ein Paar mit 2 Wasserstoffbrücken Cytosin und Guanin bilden ein Paar mit 3 Wasserstoffbrücken Komplementär (ergänzend) angeordnet, da immer nur eine bestimmte Base auf eine andere passt - Doppelstrang weist alle 10 Basenpaare eine Windung auf, wodurch sich die typische Doppelhelix- Struktur ergibt Durch die Basenfolge ergibt sich die genetische Information für den Bauplan jeder Zelle - Ribonukleinsäure (RNA) im Vergleich zur DNA hat sie einige Unterschiede: - Hat auch eine Pentose als Zucker 2. C-Atom hat eine Hydroxygruppe (OH) anstatt eines Wasserstoff- Atoms (H) Base Thymin wurde durch Uracil ausgetauscht RNA liegt meistens einzelsträngig vor 1.2. Chargaff- Regel: - Regel besagt, dass sich jeweils immer eine Purinbase mit einer Pyrimidinbase paart In der DNA liegt deshalb immer genau so viel Adenin wie Thymin vor, und genauso viel Guanin wie Cytosin Adenin = Thymin -> 22% = 22% (insg. 44%) Guanin = Cytosin -> 28% = 28% (insg. 56%) Messelson- Stahl- Experiment - Ergebnis: semikonservative Replikation als Replikationsvorgang Replikation: Verdopplung der DNA für Meiose oder Mitose Bei Replikation werden alle Genabschnitte verdoppelt Durch Replikationsfehler kann es zu Mutationen kommen 1.3. Enzyme bei der Replikation: - Topoisomerase: löst die Torsionsspannungen (löst Helix auf) Helikase: löst Wasserstoffbrücken und trennt die Doppelstränge voneinander SSB: ist ein Einzelstrang- bindendes Protein, dass die erneute Bildung von Wasserstoffbrücken verhindert Primase: bildet Primer (Anfang)- kurze RNA- Stränge DNA- Polymerase I: ersetzt die Primer durch DNA- Nukleotide DNA- Polymerase III: heftet in 5´-> 3´ Richtung Nukleotide an den Primer DNA- Ligase: verknüpft Okazaki- Fragmente Nukleosidtriphosphate (ATP): dienen als Energielieferant 1.4. Ablauf: 1. Replikation beginnt an einer spezifischen Stelle mit der Aufspaltung der HBrücken durch die Helikase –> Trennung des Doppelstranges in 2 Einzelsträge, Topoisomerase entspiralisiert den Doppelhelix 2. SSB-Proteine binden an die Einzelstränge und verhindern das Wiederbinden der Basen, Doppelstrang wird zu einer Replikationsgabel geöffnet 3. Primasen katalysieren Primer, die an ein Stück des Einzelstranges binden können, sind die Bindungsstelle für die DNA- Polymerase III 4. DNA- Polymerase III bindet an en Primer und knüpft Stück für Stück in 5´3´Richtung komplementäre Nukleotide an den Einzelstrang und verbindet diese 5. DNA- Polymerase III kann nur n 5´-3´Richtung arbeiten, deshalb kann nur auf dem 3´-5´Strang kontinuierlich Nukleotide angeknüpft werden (Leitstrang) 6. An dem anderen diskontinuierlichen Strang (5´-3`) findet die Replikation von der Gabelung weg statt (Folgestrang) 7. Daher bricht diese nach 1000 Nukleotiden ab und muss neu anfangen, die einzelen Bruchteile sind Okazaki- Fragmente 8. Okazaki- Fragmente werden von der Ligase verknüpft 9. RNA- Primer werden abgebaut und von DNA- Polymerase I durch DNANukleotide ersetzt, für den gesamten Vorgang werden Energieträger wie ATP benötigt Semikonservative Replikation: ein Strang stammt von der ursprünglichen DNA ab ( wird geteilt und komplementär wieder neu aufgefüllt) 2. Proteinbiosynthese - Prozess, um die Information eines Genes in ein fertiges Protein zu übersetzen DNA im zellkern muss bei Eukaryoten erst umgeschrieben und kopiert werden, da sie den Zellkern nicht verlassen kann Gewünschte Genabschnitte werden in mRNA umgeschrieben, welche den Zellkern verlassen, um an den Ribosomen zu einer Aminosäurensequenz übersetzt wird 2.1. Transkription: - erster Schritt der Proteinbiosynthese, bei dem die Information eines DNAAbschnittes in einen Botenstoff (mRNA) umgeschrieben wird - wird dieser Vorgang gestört, kommt der gesamte Stoffwechsel des Lebewesens zum stillstand 2.2. Ablauf: 1. findet während der Interphase im Zellkern statt, katalysiert wird die Transkription durch das Enzym RNA- Polymerase, welches an eine spezifische Sequenz der DNA binden kann (Promoter) 2. DNA wird an einem Startcodon (TATA) blasenartig geöffnet und die RNAPolymerase beginnt die mRNA komplementär zur DNA aufzubauen durch das Anknüpfen RNA- Nukleotide 3. RNA- Polymerase kann nur in 5´-3´Richtung arbeiten, somit wird nur an einem Strang (Matrizen oder codogener Strang (3´-5´Richtung)) die mRNA gebildet 4. mRNA: anstatt Desoxyribose erhält sie Ribose als Zucker, Uracil anstelle von Thymin 5. Energie wieder durch Nukleosidtriphosphate 6. Transkription wird beendet sobald die RNA- Polymerase auf ein Stopcodon trifft, dann schließt sich die DNA wieder 2.3. Struktur mRNA: - mehrere Basentripletts - für RNA typischen Merkmale - bei Eukaryoten müssen noch die Introns entfernt werden und Schutzstrukturen hinzugefügt werden Funktion: - Botenstoff, welcher die Information über bestimmte Gene der DNA enthält - Durch die mRNA gelangen genetische Informationen der DNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen 2.4. Proteinbiosynthese bei Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern): - findet räumlich und zeitlich getrennt statt wegen dem Zellkern die prä-MRNA muss erst reifen, um dann aus den Zellkern zu den Ribosomen transportiert werden zu können prä-mRNA: mRNA die direkt nach der Transkription entsteht und woran noch keine Modifikationen vorgenommen wurden Schutzstruktuen müssen an die mRNA angebracht werden, die den Transport aus dem Zellkern erleichtern und die mRNA haltbarer machen Schutzmechanismus des Zellkerns sehr stark wegen Mutationen Bei Prokaryoten entfällt dieser Prozess, da ohne Zellkern die Ribosomen direkt neben der DNA liegen Prozessierung/ Spleißen: - die entstandene prä-mRNA ist länger als die fertige mRNA, die von den Ribosomen abgelesen wird sie enthält die codierenden Exons und die nicht- codierenden Introns Introns sind nicht- codierende RNA- Bereiche und werden deswegen unter Bildung sogenannter Lasso- Strukturen herausgeschniten Exons werden miteinander verbunden und dann liegt die mRNA vor, welche dann in eine Aminosäurefrequenz übersetzt werden kann Um den Zellkern zu verlassen, benötigt die mRNA noch Schutzstrukturen 1. am 5´- Ende wird eine cap- Struktur aus einem methylierten GuanosinTriphosphat angebracht schützt mRNA vor enzymatischem Abbau 2. An das 3´- Ende kommt ein Poly-A-Schwanz, eine Sequenz von AdeninNukleotiden Schützt die mRNA vor enzymatischen Abbau, erleichtert Transport durch die Zelle mRNA verlässt jetzt den Zellkern Alternatives Spleißen: - Exons werden in unterscheidlicher Reihenflge aneinander geordnet, somit entsteht eine veränderte mRNA und Reihenfolge der Proteine 2.5. Genbegriff: Ein Gen ist ein DNA- Bereich, der exprimiert werden kann und dann entweder en Polypeptid oder ein RNA- Molekül als Endprodukt mit einer Funktion herstellt Genexpression: Während der Genexpression werden die Informationen eines Gens in mehreren Schritten in ein funktionsfähiges Protein umgeschrieben Dieses Protein wirkt sich dann auf die Merkmale eines Lebewesens aus, Genexpression umfasst die Transkription, Processing und Translation, Modifikation und Faltung des Proteins 2.6. Genetische Code: - Grundlage für den genetischen Code sind Basentripletts, welche in eine Aminosäure übersetzt werden Ein Triplett besteht aus 3 hintereinander stehenden Basen Durch die 4 Basen welche als Triplett abgelesen werden, gibt es 4^3= 64 Kombinationsmöglichkeiten Es gibt 20 verschiedene Aminosäuen, somit ist es möglich mit nur 4 Basen alle nötigen Informationen für ein Protein zu verschlüsseln Durch die vielen Kombinationsmöglichkeiten können können einige Tripletts die gleiche Aminosäure kodieren Eigenschaften des genetischen Codes: 1. degeneriert: jedes Triplett kann nur eine Aminosäure codieren, aber viele Aminosäuren werden durch mehrere Tripletts bestimmt 2. universell: gilt für alle Lebewesen (ermöglicht das Einsetzen von menschlichen Genen in Bakterien zum Herstellen menschlicher Proteine) 3. kommafrei: keine klare Trennung der Tripletts, sie werden kontinuierlich abgelesen (kann zum Rasterschub kommen) 4. nicht überlappend 5. wird in 5´- 3´- Richtung gelesen 6. redundant (überreichlich): mehrere Basentripletts codieren zur gleichen Aminosäure 2.7. Translation 2. Schritt der Proteinbiosynthese mRNA- Basensequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt außerhalb des Zellkerns an einem Ribosomen im Zytoplasma oder an einem rauen ER neben Ribosomen werden auch tRNA- Moleküle benötigt Struktur von tRNA: - Ribonukleinsäure die aus 75 bis 95 Nukleotiden besteht - Schleifenförmig angeordnet, hat 3´und 5´ Ende Am Boden dieser Kleeblattstruktur befindet sich die Anticodonschleife mit dem Anticodon Anticodon wird aus 3 Nukleotiden gebildet, die das komplementäre Gegenstück zu den entsprechenden Basen der mRNA sind Dadruch heftet sich die tRNA an die mRNA Das Enzym aminoacyl-tRNA- Synthetase erkennt das Anticodon und heftet die passende Aminosäure an das 3´- Ende der tRNA Funktion: - spielt wichtige Rolle, da sie die passenden Aminosäuren aufnimmt - transportiert diese zu den Ribosomen - dann heftt sich die tRNA an die passende mRNA- Stelle und so werden zu jedem Codon (Basentriplett) die richtige Aminosäure gefunden und in der richtige Reihenfolge verknüpft Ribosomen: - werden überall in der Zelle benötigt um die mRNA- Sequenz in Polypeptide zu übersetzen (Translation) bestehen asu rRNA und ribosomalen Proteinen rRNA im Zellkern hergestellt, ribosomale Proteine im Zytoplasma Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Unterienheit, bei Eukaryoten die 60S und die 40S- Einheit Enthalten eine A- Stelle, P- Stelle, E- Stelle für die tRNA zum andocken Ablauf Translation: 1. Initiation: - kleinere Untereinheit eines Ribosoms lagert sich ans 5´- Ende der mRNA an und wandert in Richtung 3´- Ende bis es auf das Startcodon trifft - das Startcodon wird dann zu Methionin codiert und lagert sich an die tRNA - dann kommt die große Untereinheit an den Komplex und das Ribosom ist funktionsbereit 2. - Elongation: Ribosom hat 3 Bindungsstellen (A,P,E) An der A- Stelle bindet eine tRNA welche eine Aminosäure trägt An die P- Stelle bindet auch eine tRNA, deren Aminosäure bereits bei mit der wachsenden Kette verknüpft wurde Über die E-Stelle verlässt die leere tRNA das Ribosom Sobald die A und die P Stelle mit den Basen komplementär von der tRNA besetzt sind, berührt die Aminosäure der A- Stelle die Aminosäuren der P- Stelle und werden verknüpft Ribosom wandert um ein Triplett weiter, dabei wird die Aminosäure der tRNA an der P-Stelle gelöst und die nun leere tRNA rutscht an die E- Stelle - Die tRNA der A- Stelle wandert an die P- Stelle und ist nun Träger der Polypeptidkette An die leere A- Stelle bindet nun eine neue tRNA Der Vorgang wird solange wiederholt bis ein Stoppcodon erreicht wird 3. Termination: - sobald das Ribosom mit der A- Stelle auf ein Stoppcodon trifft kann keine tRNA mehr binden und die Polypeptidkette wird von der letzten tRNA gespalten - Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten 2.7. Codesonne: - nur eine mRNA- Sequenz kann mit der Codesonne übersetzt werden - wenn keine mRNA vorhanden ist dann gibt es 2 Möglichkeiten. 1. Codogene Strang vorhanden (DNA): muss erst noch komplementär in mRNA übersetzt werden, Adenin zu Uracil, Thymin zu Adenin, Cytosin zu Guanin und Guanin zu Cytosin 2. Nicht codogene Strang (5´-3´): entspricht schon der mRNA da er komplementär zum codogenen Strang ist, Thymin muss nur mit Uracil ausgetauscht werden Startcodon: AUG, GUG Stoppcodon: UAA; UAG, UGA 2.8. Raumstruktur von Proteinen Nach der Proteinbiosynthese liegt eine Polypeptidkette frei im Zytoplasma Bevor die Kette jedoch als Protein funktionsbereit ist, müssen Faltstrukturen ausgebildet werden, um das Protein in seine dreidimensionale Struktur zu formen 1. Primärstruktur - liegt als Polypeptidkette vor, Aminosäuren über Peptidbindungen verbunden 2. Sekundärstruktur - innerhalb des Polypeptids bilden sich dann Wasserstoffbrückenbindungen - diese sind regelmäßig angeordnet und bilden dann ein alpha- Helix oder ein betaFaltblatt - meistens mehrere Sekundärstrukturelemente die miteinander verbunden sind 3. Tertiärstruktur - durch die Wechselwirkung der Aminosäurereste faltet sich das Protein 4. Quartärstruktur - verschiedene Proteinuntereinheiten bilden einen Proteinkomplex - oft wird ein Protein erst dann funktionsfähig - wenn diese Struktur durch eine Mutation verändert wird, kann das Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Proteins haben (Sichelzellenanämie) 3. Genregualtion bei Bakterien (Prokaryoten) nach dem Operon- Modell - nicht jedes Gen/ Protein wird immer gebraucht und durch die Genregulation kann es kurzzeitig eingestellt werden um Energie zu sparen Operon: besteht aus 3 Untereinheiten, Operator, Promotor, Strukturgene Operator: Ansetzstelle für das Regulatorprotein Promotor: Bindungsstelle für die RNA- Polymerase Strukturgen: der codierende Genabschnitt, den es zu regulieren gilt Regulatorgen: codiert Regulatorprotein (Repressor) über mRNA Repressor bindet im aktiven Zustand an den Operator und verhindert die Transkription des Strukturgens weil die RNA- Polymerase nicht dran vorbeikommt 1. Substratinduktion Lactose-Operon - das Lactose- Operon befindet sich in einem Bakterium, welches mit Hilfe des Strukturgens lacZ in der Lage ist Lactose abzubauen da es aber zu energieaufwändig wäre das Gen die ganze Zeit zu transkribieren und zu translatieren, soll es nur aktiv werden, wenn Lactose präsent ist - das Regulatorprotein (Repressor) ist in seiner Grundform aktiv und bindet an den Operator, jedoch wird es durch die Bindung mit lactose inaktiv und bindet nicht mehr an den Operator - somit wird das Strukturgen automatisch transkribiert und translatiert, das gebildete Protein baut dann die lactose ab - durch den stetigen Abbau von Lactose gibt es bald keine mehr die an den Repressor bindet und dieser wird dann wieder aktiv und bindet an den Operator, somit kann das Strukturgen nicht weiter abgelesen werden Lactose reguliert ihren eigene Abbau 2. Endproduktrepression Tryptophan- Operon - Ziel: Aufrechterhaltung einer gewissen Konzentration durch die Herstellung eines bestimmten Stoffes Tryptophan ist ein Baustein von Peptiden und damit für jede Proteinbiosynthese notwendig Sollte stets als Vorrat vorhanden sein, seine hohe Konzentration hemmt seine eigene Synthese - Repressor ist von Natur aus inaktiv und bindet nicht an den Operator Somit kann Tryptophan gebildet werden, je mehr es sich nun in der Zelle anreichert desto eher bindet ein Molekül an das aktive Zentrum des Repressors wodurch dieser an den Operator bindet Die Synthese wird solange eingestellt bis die Konzentration unter ein Minimum fällt und das Regulatorprotein sich löst Die Konzentration bleibt damit nahezu durchgehend konstant 3.4. Genregulation bei Eukaryoten: - RNA- Polymerase kann nicht selbstständig arbeiten Benötigt dafür Transkriptionsfaktoren ( Proteine die die Polymerase aktivieren) Polymerase bindet an die Initiatorregion (bestimmte Basenabfolge, die den Start eines Gens bestimmt) - Davor liegt die TATA- Box: besteht aus Thymin und Adenin, Bindungsstelle für die allgemeinen Transkriptionsfaktoren Allgemein, weil sie immer für die Transkription benötigt werden - Davor sind die Spezifischen Transkriptionsfaktoren: beeinflussen die Transkription positiv oder negativ Unterscheidet in Silencer und Enhancer - Silencer schwächen Transkription ab - Enhancer verstärken die Transkription - Die Mischung aus den unterschiedlichen spezifischen Transkriptionsfaktoren entscheidet über die Intensität mit der der genabschnitt transkribiert wird - Bindungsstellen für die speziellen Transkriptionsfaktoren liegen verteilt auf der DNA - Mediator (großer Proteinkomplex) bindet alle Transkriptionsfaktoren und verrechnet sie für die Polymerase Durch die Schleifenbildung der DNA werden die räumlich getrennten Transkriptionsfaktoren näher zusammengerückt Nun können die Transkriptionsfaktoren die Polymerase aktivieren und das benötigte Gen transkribieren und translatieren Warum Faktoren an verschiedenen Stellen der DNA liegen: - somit ist es möglich mit nur einem Faktor mehrere Genbereiche zu aktivieren/ deaktivieren komplexe Abläufe zu regulieren 3.5. epigenetische Vererbung/ Modifizierung: Vererbung von DNA- Codes über die Entwicklung von Zellen und die Aktivität bestimmter Gene ohne die Veränderung der Basensequenz durch Methylierung und Acetylierung 1. Methylierung von DNA: - es werden Methylgruppen an das Cytosin in der DNA angehängt die Basensequenz bleibt hierbei erhalten, es handelt sich um keine genetische Mutation es ist eine Modifikation der DNA in ihrer Aktivität so können Genabschnitte oder sogar ganze Chromosomenabschnitte inaktiviert werden 2. Acetylierung von Histonen: - DNA ist spiralförmig um Histone gewickelt, die Verbindung besteht weil die DNA negativ und die Histone positiv geladen sind Wenn die DNA dicht verpackt ist, ist die Bindung von Polymerasen und Faktoren an die DNA nur schwer möglich Durch das Binden von negativ geladenen Acetylgruppen an die positiv geladenen Histone werden diese weniger positiv (negativ) Somit wird die Bindung zur DNA schwächer und die Bindung für sämtliche Proteine erleichtert Bestimmte Genabschnitte können so partiell aktiviert werden oder gehemmt werden Ist reversibel 4. Bakterien - einfachste Lebensform dieser Welt Einzeller ohne Zellkern Prokaryoten 4.1. Aufbau: - DNA schwimmt als Bakterienchromosom und in Form von kleinerer Plasmidringe frei im Zytoplasma umher Hat keine Zellorganellen -> fehlende Kompartimentierung DNA ist nicht von Ribosomen getrennt so kann die Translation und Transkription gleichzeitig stattfinden Vereinfachte und schnellere Proteinbiosynthese Deutlich anfälliger für Fehler Andere Ribosomen (70S) Zellwand und Zellmembran zum Schutz Flagellen auf ihrer Oberfläche zur Fortbewegung durch propellerartige Bewegungen 4.2. Vermehrung: - Fortpflanzung durch Zellteilung Schnell und häufig - DNA muss ständig für Replikation bereit sein, daher ein Vorteil dass sie frei im Zytoplasma schwimmt Anfälliger für Mutationen 4.3. Transformation: 4-9.9 - freie DNA aufnehmen, diesen Vorgang nennt man Transformation trifft ein Bakterium auf freie DNA in Form eines Plasmidrings nimmt es sie auf unabhängig welche Information auf dem Ring gespeichert ist Bakterien stehen so indirekt in ständigen Genaustausch Konjugation: - können auch auf direktem Weg ihr Erbinformation austauschen den Vorgang nennt man Konjugation einseitiger Austausch von einem Spender auf einen Empfänger Voraussetzung dafür ist dass der Spender einen Fertilitätsfaktor (F+) besitzt und der Empfänger nicht (F-) Der Faktor ist entscheidend für die Plasmabrücke wodurch die Gene übertragen werden Dieser Genaustausch findet aktiv und ständig in Bakterienpopulationen statt 4.4. Antibiotika: - Antibiotika sind meistens natürliche Stoffe die Pilze und andere Lebewesen entwickelt haben, um sich gegen Bakterien durchzusetzten Diese Stoffe verhindern entweder das Wachstum oder die Teilung des Bakteriums oder es wird ganz abgetötet Setzten sich meistens auf die Ribosomen und die Proteinbiosynthese oder auf den Zellwandaufbau Antibiotika ist für Eukaryoten nicht gefährlich da wird andere Ribosomen (80S) als Prokaryoten (70S) besitzen Jedoch besitzen die Mitochondrien in Eukaryoten andere Ribosomen weil sie nach der Endosymbiontentheorie auch mal Prokaryoten waren, die nicht verdaut wurden somit könnte Antibiotika für diese gefährlich werden Antibiotikaresistenz: - bezeichnet die Fähigkeit eines Bakteriums die Wirkung antibiotischer Substanzen abzuschwächen oder aufzuheben solche Resistenz entsteht durch eine zufällige Mutation eines Gens, wodurch eine Enzym das Antibiotikum abbauen kann oder strukturell verändert dieses Gen wird dann in Form eines Plasmids gespeichert und kann somit weitergegeben werden jedoch wird das Gen nur durch Antibiotika aktiviert und erkannt, davor nicht 5. Viren/ Phagen 5.1. 5.2. - - 5.3. - Aufbau Phagen sind Viren die auf Bakterien als ihre Wirtszelle spezialisiert sind Keine Lebewesen, sondern sind auf Wirtszelle angewiesen Sind nur aus DNA und Proteinen Durch die Spikes an der Bodenplatte und den Schwanzfasern wird die PhagenDNA initiiert Vermehrung lytische Zyklus ist aktiv lysogene Zyklus ist passiv aktive Vermehrung: binden der Phage an Wirt, Injektion der Phagen- DNA und Übernahme des Stoffwechsels des Wirtes, Phagen- DNA und Proteine werden vervielfältigt und neue Phagen gebildet, Auflösung des Wirts und Freisetzung der neuen Phagen passive Vermehrung: Phagen-DNA in Bakterien- DNA eingebaut und bei jeder Zellteilung vervielfältigt, Information wird dadurch weit verbreitet ohne das die Bakterie getötet wird dadurch töten die Phagen nicht direkt alle Wirten, sondern initiieren passiv ihre DNA Transduktion Variante des Genaustausches zwischen Bakterien mit Hilfe von Phagen Wenn die Phage ihre DNA in die Bakterie gibt, kann die Bakterie ihre DNA auch in den Kopf der Phage geben bis hin zur vollständigen Beseitigung der Phagen- DNA Wenn die Phage dann zu anderen Bakterien geht, initiiert sie diesen die Bakterien- DNA und eine Rekombination der Bakterien- DNA liegt vor Vor- und Nachteile für Bakterium 6. Methoden der Gentechnik 6.1. - Restriktionsenzyme schneiden DNA an bestimmten Sequenzen in 2 Teile diese Sequenzen sind Palindrome ( liest sich vorwärts wie rückwärts gleich) Beispiel GAATTC, Tochterstrang ist dann CTTAAG 1. Variante: sie schneiden gerade: - es entstehen gerade Enden (blunt ends) - sind nicht sehr reaktiv und werden zum dauerhaften Trennen von DNA verwendet so für den Vaterschaftstest 2. Variante: schneiden in einem Treppenmuster/ schräg: - auf beiden Seiten liegen Basen Frei - Enden sind sehr reaktiv (sticky ends) und gut für Gentransfer 6.2. PCR (Polymerase-Kettenreaktion) Ziel: ein bestimmter Abschnitt DNA soll vervielfältigt werden Voraussetzung ist, dass der Abschnitt bekannt ist 6.3. Gelelektrophorese Ziel: DNA- Fragmente aufgrund ihrer Größe und Länge voneinander zu trennen und zu sortieren - dies kann zum Nachweis eines Gens oder für Vaterschaftstests verwendet werden 1. DNA wird durch ein bestimmtes Restriktionsenzym zerschnitten, dieses schneidet immer an ganz bestimmten Sequenzen, schneidet in blunt ends damit sich die DNA nicht neu verbindet 2. Man erhält viele DNA- Fragmente unterschiedlicher Länge die nun sortiert werden müssen 3. Die DNA wird zunächst zur Sichtbarmachung gefärbt und in Agarosegel gelegt 4. Das Gel mit der DNA kommt in eine Pufferlösung und wird an ein elektrisches Feld angeschlossen 5. Die DNA ist negativ und wandert deshalb zum positiven Pol (Anode) 6. Kleine DNA Fragmente wandern schneller als große, da das die Gitter sie nicht so sehr ausbremst 7. Fragmente der gleichen Länge ordnen sich nebeneinander an und bilden das typische Bandenmuster Meistens wird vorher eine PCR durchgeführt, damit man mehr Erbgut hat und die Streifen deutlicher werde Zudem braucht man DNA-Stücke anderer Personen um Aussagen trefen zu können, wie beim Vaterschaftstest 6.3.1. Genetischer Fingerabdruck: - genetisches Material kann mit anderem genetischen Material auf Übereinstimmung geprüft werden ohne andere Proben zum Vergleich kann man kaum Aussagen über die Eigenschaften des Menschen treffen doch durch den Vergleich kann man Verwandtschaft und ähnliches erkennen mehrere Methoden zur Anfertigung des genetischen Fingerabdrucks: 1. - bei allen Menschen gibt es in dem nicht- codierenden Bereich der DNA bestimmte Basensequenzen (TTAGC) die sich wiederholen -> Tandem Repeats bezeichnet - die Anzahl der Wiederholungen ist variabel und unterscheidet sich sehr stark zwischen Individuen - dies kann für den genet. Fingerabdruck genutzt werden, da die Anzahl an Wiederholungen die Länge des DNA-Abschnitts angibt und somit auch die Laufstrecke in der Gelelektrophorese 2. Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP-Verfahren): hierfür benötigt man eine große Menge DNA - Restriktionsenzyme schneiden die DNA an bestimmten Stelle, die sich von Individuum zu Individuum unterscheiden - Somit ergeben sich unterschiedlich viele und lange DNA- Abschnitte und dazu gehörige entsprechende Banden in der Gelelektrophorese 6.4. Gentransfer durch Vektoren: Vektor: Überträger, meistens Plasmide von Bakterien oder modifizierte Viren - es werden Plasmidringe verwendet um ein bestimmtes Gen in ein Bakterium zu transportieren z.B. das Gen zur Synthese von Insulin, man möchte dass das Bakterium Insulin produziert und dafür braucht es das entsprechende Gen 1. man muss die Ziel- DNA zunächst erstellen, dies wird dann an beiden Enden mit sticky ends versehen wodurch es sich sofort zu einem Ring verschließt 2. zudem erstellt man ein Plasmidring der die Restitenzgene für die 2 Antibiotika Ampicillin und Tetrazyklin besitzt, in dem Ring ist eine Schnittstelle die komplementär zu den sticky ends der Ziel-DNA ist 3. das Restriktionsenzym wird jetzt eingesetzt und zerschneidet sowohl die ZielDNA als auch den Plasmidring wodurch das Resistenzgen gegen Ampicillin zerschnitten wird und seine Funktion verliert - die freiliegenden sticky ends verbinden sich gegenseitig und hoffentlich wird dann das Ziel- Gen miteingebaut - oder die beiden Ringe schließen sich wieder 4. nun werden die Bakterien eingesetzt die die freien Plasmidringe durch Transformation aufnehmen, jedoch muss eine Bakterie nicht unbedingt ein Ring aufnehmen geschweige denn gleich zwei - deshalb muss man erst herausfinden welche den richtigen Ring aufgenommen hat und die dann kultivieren, um Insulin herzustellen 5. jedes Bakterium das den Plasmid aufgenommen hat besitzt das Resistenzgen gegen Tetrazyklin und überlebt bei dessen Zugabe - alle Bakterien die den DNA-Ring mit Insulin besitzen überleben die Zugabe von Ampicillin nicht - durch die Stempeltechnik wird nicht direkt die ganze Kolonie getötet 7. biomedizinische Aspekte 7.1. Stammzellen: - nicht Körperzellen die sich zu bestimmten Zelltypen und Gewebearten noch entwickeln können noch keine genaue Differenzierung und daher noch keine festgelegte Funktion durch mitotische Teilung könnten weitere Stammzellen hervorgehen oder spezialisierte Zellen durch die Differenzierung 1. totipotent: sind Stammzellen, die dazu fähig sind einen vollständigen Organismus zu bilden wie etwa befruchtete Eizellen 2. pluripotent: Stammzellen, die sich noch in Zelltypen aller drei Keimblätter differenzieren können wie embryonale Stammzellen 3. oligopotent: Stammzellen, die sich nur noch in wenige Zelltypen innerhalb einer Untergruppierung differenzieren ( Zellen einer Blutzelllinie) 7.2. induzierte pluripotente Stammzellen: - den normalen pluripotenten Stammzellen sehr ähnlich werden künstlich hergestellt dafür werden somatische Zellen so reprogrammiert dass sie wieder ihre alte Differenzierungsmöglichkeiten erhalten alle bereits auf dem natürlichen Weg erfolgten Differenzierungen werden rückgängig gemacht sodass die Zelle einen neuen Weg einschlagen kann man erhofft sich damit körpereigene Zellen therapieren zu können 7.3. Krebszellen: Zellzyklus: Eine Zelle hat sich gerade geteilt und hat nun die Möglichkeit in die Ruhephase G0 zu gehen oder für eine weitere Zellteilung bereit zu machen damit in die G1 Phase zu gehen Interphase: G1 Phase: die Zelle wächst heran - sie bildet Zellorganellen und stellt die Grundlage für die Zellteilung - am Ende der Phase kommt ein Checkpoint, der kontrolliert ob mit der Zelle alles stimmt und ob die Umweltbedingungen günstig sind Synthesephase (S-Phase) - nächste Phase indem das Erbgut verdoppelt wird G2 Phase: - nach dieser Phase ist auch wieder ein Checkpoint der die ganze Zelle nochmal überprüft besonders ob bei der Replikation alles korrekt abgelaufen ist - dann sind alle Anforderungen für die Mitose erreicht Mitose: Während der Mitose ist wieder eine Kontrolle, die überprüft ob die Chromosomen korrekt vom Spindelapparat getrennt wurden Proto-Onkogene: jede Zelle besitzt Genabschnitte, die das Wachstum, Teilung und Differenzierung regulieren (Anzahl, Größe und Funktion) Anti- Onkogene: jede Zelle besitzt Genabschnitte, die die Zelle auf DNA- Schäden überprüft und den Zellzyklus kontrollieren Diese Gene codieren zu Tumorsuppressorproteine, die verhindern sollen, dass sich Zellen mit Schäden in der DNA weiter teilen und sich so Tumore bilden Bei schlechtem Zustand einer Zelle: - entweder in Arrest geschickt, wo sie repariert wird - Apoptose wird eingeleitet (programmierter Zelltod) Entstehung maligner Tumore: - Zusammenspiel von Mutationen bei den Proto- Onkogenen und AntiOnkogenen Befindet sich eine Mutation in einem Proto- Onkogen, spricht man von einem Onkogen Die Zelle kann zu zusätzlichem Wachstum und Teilung angeregt werden (Mutation verstärkt die Funktion des Gens) Bei einer Mutation bei den Anti-Onkogenen können die Tumorsuppressorproteine ihre Kontrollfunktion verlieren Somit fängt die Zelle die beide Mutationen besitz unkontrolliert an zu wachsen ohne das eine Kontrollen im Zellzyklus gemacht wird -> ein Tumor entsteht 8. Stammbaumanalyse - Vererbungsgänge ausschließen, die es nicht sein können Meistens sind mehrere Vererbungsgänge möglich, de muss man dann alle nennen Den wahrscheinlichsten Vererbungsgang raussuchen Allel: beschreibt die Ausprägung eines Gens als Phänotyp, immer 2 Allele eins vm Vater und eins von der Mutter Dominant: - ein dominantes Allel setzt sich grundsätzlich gegen ein rezessives durch - zum Krankheitsausbruch reicht bereits ein einziges betroffenes Allel - im Durchschnitt mehr Personen erkrankt als bei rezessiven Erbgängen Rezessiv: - es kommt nur zum Krankheitsausbruch wenn beide Allele betroffen sind (homozygot) - jedoch können Personen heterozygoter Träger dieses Allels sein, erkranken nicht aber können kranke Nachkommen haben (Generationssprünge) - Generationssprünge gibt es nur bei rezessiven Erbgängen Autosomal: - Genmutation liegt auf den 1.-22 Chromosom - Vererbungsmuster unterscheidet sich bei Mann und Frau nicht Gonosomal: - erkrankte Allel liegt auf dem 23. Chromosomenpaar, den Geschlechtschromosomen - unterscheidet man in y- chromosomal und x- chromosomal - Allele sind ungleich auf Mann und Frau verteilt, daher muss eine ungleiche Erkrankungshäufigkeit zwischen den Geschlechtern vorliegen - Y- chromosomale Erbgänge können widerlegt werden sobald auch nur eine kranke Frau dabei ist Rezessive Erbgänge: - bei Generationssprüngen kann dominant direkt ausgeschlossen werden - bei einem rezessiv x-gonosomalen Erbgang müssten Männer doppelt so häufig betroffen sein weil sie nur ein X-Chromosom haben und dann direkt erkrankt sind, während bei Frauen 2 X- Chromosomen gibt, die beide betroffen sein müssten - Wenn die Mutter krank ist, besitzt sie 2 kranke X- Chromosomen, somit müssen alle ihre Söhne krank sein weil sie das X von der Mutter haben und das Y vom Vater - Ausschlussverfahren: sobald es eine kranke Mutter mit einem gesunden Sohn gibt, ist es keine gonosomale Vererbung - Gesunde Väter haben immer gesunde Töchter bei gonosomal- rezessiv Dominante Erbgänge: - dominanter Erbgang wenn du ihn nicht direkt ausschließen kannst - daher dass ein krankes Allel bei dominaten Erbängen schon reicht, müssten Frauen doppelt so häufig betroffen sein weil sie 2 X- Chromosomen haben - daher das die Töchter das X vom Vater bekommen müssen alle Tochter bei kranken Vätern auch krank sein sonst nicht gonosomal Monohybrid: Erbgang bei dem sich Individuen in nur einem Merkmal unterscheiden
