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Zusammenfassung
Biowissenschaften

Karl-Franzens-Universität Graz - KFU

Fröhlich WS 2010

Lilli R. ©
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ID# 11165







EINFÜHRUNG IN DIE GENETIK

Klassische Genetik: untersucht die Grundelemente der Vererbung und ihr Verteilung bei der Zellteilung. Molekulare Genetik: molekularen Vorgänge. Für die Untersuchung evolutionärer Vorgänge ist die Populationsgenetik wichtig.


Mendel: Mönch, „Versuche über Pflanzenhybride“, Kreuzungsexperimente mit Erbsen (pisum sativum), Methoden der Statistik, untersuchte gegeneinander abgrenzbare Merkmale. Kombinierte zwei Pflanzen mit alternativen Merkmalen in reziproken Kreuzungen (beide Pf wurden als männliche und weibliche Partner eingesetzt, nur bei monözischen Pflanzen).

Solche einhäusigen Pf. ermöglichen auch Selbstbefruchtung, durch Wiederholung bekommt man reine Linien -> setzte bei seiner Arbeit reine Linien ein.

1 Mendel’sche Regel:

Die Uniformitätsregel, gilt, wenn zwei Individuen (Parentalgeneration P) gekreuzt werden, die sich in einem Merkmal unterscheiden (-> monohybride Kreuzung), für das sie beide jeweils homozygot (reinerbig) sind: Die Nachkommen der ersten Generation (Filialgeneration F1 genannt) sind dann uniform, d. h. bezogen auf das untersuchte Merkmal untereinander gleich.

Dies gilt für den Phänotyp (äußeres Erscheinungsbild) wie den Genotyp (Erbausstattung), welcher bei allen heterozygot (mischerbig) ist. Dabei ist es egal, welches der beiden Allele von der Mutter und welches vom Vater vererbt wird (reziproke Kreuzung).

Das ausgeprägte Merkmal wurde von Mendel als dominant, und das nicht ausgeprägte Merkmal wurde als rezessiv bezeichnet. Zur Analyse des Experiments wird gern die Darstellung des Punnett Vierecks verwendet (darin kann man die entstehenden typen ablesen)

Genotyp: GrGr, gege

Phänotyp: Gr, ge


Genotyp: GRge, GRge, GRge, GRge 4:0

Phänotyp: Gr, Gr, Gr, Gr 4:0


Genotyp: GRGR, GRge, GRge, gege 1:2:1

Phänotyp: Gr, Gr, Gr, ge 3:1



2 Mendel’sche Regel:

Die Spaltungsregel gilt, wenn zwei Individuen gekreuzt werden, die beide gleichartig heterozygot sind, also z. B. zwei Pflanzen, die für die Blütenfarbe beide die beiden Erbanlagen „weiß“ und „rot“ haben. In Beschreibungen der mendelschen Regeln werden die Nachkommen einer solchen Heterozygoten-Kreuzung daher meist zweite Filialgeneration, F2, bezeichnet.

=> dominant rezessiver Erbgang


Beim intermediären Erbvorgang ist keines der beiden Merkmale dominant oder rezessiv, es werden beide zu gleichen Teilen vererbt


Genotyp: ww, rr

Phänotyp: weiß, rot


Genotyp: wr, wr, wr, wr

Phänotyp: rosa, rosa, rosa, rosa


Genotyp: rr, rw, rw, ww 1:2:1

Phänotyp: rot, rosa, rosa, weiß 1:2:1


3 Mendelsche Regel

Die Unabhängigkeitsregel beschreibt das Vererbungsverhalten von zwei Merkmalen (z. B. Schwanzlänge und Haarfarbe) bei der Kreuzung reinerbiger Individuen und deren Nachkommen. Unterscheiden sich die Ausgangslinien in mehr als einem Merkmal, so spricht man von einer dihybriden bzw. polyhybriden Kreuzung.

Mendel beschreibt mit seinem 3. Gesetz eine dihybride Kreuzung bei der Trompetenblume. Beide Merkmale werden unabhängig voneinander vererbet und es kommt zu Neukombinationen.


Wichtige Begriffe der Genetik

Die Grundeinheit der Vererbung ist das Gen. Genom: Gesamtheit der Erbsubstanz einer Zelle (DANN- Moleküle). Der Genotyp einer Zelle bezeichnet die Gesamtheit der Gene (Geneigenschaften). Das tatsächliche Erscheinungsbild ist der Phänotyp. Varianten eines Gens bezeichnet man als Allele. Diploide Zellen besitzen zwei Chromosomensätze, somit zwei Kopien jedes Gens, haploide Zellen nur einen.

Sind die beiden Kopien identisch ist der Organismus homozygot (= reinerbig), besitzt er aber zwei unterschiedliche Allele des Gens ist er heterozygot (=mischerbig).

Es kann mehrere unterschiedliche Allele eines Gens geben (= Multiple Allelie), das am häufigsten vorkommende wird als Wildtypallel bezeichnet (Großbuchstaben) und die anderen Mutantenallele (Kleinbuchstaben).

Die Veränderung eines Gens (Mutation) kann zum vollkommenen Funktionsverlust führen (nullallel), die Funktion schwächen, über das Wildtypenallel hinaus steigern oder völlig neue Eigenschaften verursachen.

Ein Allel das im homozygoten Zustand zum Tod führt nennt man Letalfaktor. Bei essentiellen Genen ist das Nullallel ein Letalfaktor.

Codominanz: tritt auf wenn sich verschiedene Allele eine Gens parallel ausprägen (z.b. AB0- Blutgruppensystem)

Polygenie: wenn Eigenschaften mehr als durch ein Gen geprägt werden. (erschwert Züchtungen). Es kann auch umgekehrt ein Gen mehrere Eigenschaften beeinflussen (Pleiotropie) -> Hämoglobingen, Sichelzellenanämie, Resistenz gegen Malaria. Phenylketonurie: Enzym welches Phenylalanin in Tyrosin umwandelt fällt aus, giftige Abbauformen -> viele Fehlentwicklungen.

Die Ausprägung von Genen kann auch durch die Umwelt beeinflusst werden. Die Wirkung eines Gens kann von einem anderen Gen abhängen. Epistasie: ein gen unterdrückt die phänotypische Ausprägung eines anderen Gens.

Gekoppelte Gene werden meist gemeinsam vererbt (3. Gesetz gilt nicht immer!), es kann aber durch crossing over oder Rekombination zur Trennung der beiden Gene kommen.


Mendels Nachfolger:

Zuerst dachte man dass Proteine die Träger der Erbinformation seien. Pneumokokken Transformation: Griffith, nicht pathogene R- Form und pathogener S- Stamm, S einer Maus geimpft ->tot, S Baks gekocht, beimpft -> nicht tot, R -> Maus lebt, R und gekochte S Baks beimpft -> maus tot, S- Stamm hat die Gen Information auf den lebenden nicht pathogenen Stamm übertragen.

Avery, McLeod und McCarthy konnten aus der s Form Extrakte isolieren und die R Form transformieren. Es bestanden immer noch Zweifel ob nicht Proteine die Träger des Erbmaterials sind.

Hershey und Chase, Bakteriophagen T2 mit S und die DANN mit P radioaktiv markiert. -> infiziert, nur das P gelangte in die Zelle. Das Erbmaterial ist DNA!!!


DNA ALS ERBMATERIAL

4 Basen: immer gleich viel der Basen Adenin und Thymin bzw. Guanin und Cytosin in der DNA vorhanden. Watson und Crick: DNA ist ein rechtgewundener Doppelstrang, bei dem beide Einzelstränge antiparallel sind (gegenläufig) und in jedem jeweils A mit T und G mit C (= nukleoside) gepaart sind -> erfolgt über H-Brücken. C und G ist ein komplementäres Paar. Eine Umdrehung der Doppelhelix enthält etwa 10 Basenpaare.

Die DNA - Doppelhelix

Die Länge der dna einer menschlichen Zelle betrüge fast 2m. Die DNA ist um einen core, Kern basischer Proteine gewickelt, den Histonen. -> NUKLEOSOMEN. Das Histon H1 versiegelt das Nukleosom von außen, bei Transkription löst es sich ab. Zur weiteren Verkürzung: Nukleosomkette helixartig zu einer Fibrille aufgewickelt, dem Solenoid.

Durch die Zusammenlagerung zeigen die Endprodukte der dna-faltung, die Chromosomen, ein immer gleiches Bandenmuster. Die beiden Chromatiden eines Chromosoms sind am Centromer verbunden. Das Centromer hat bei der Chromosomenverteilung bei der Mitose und Meiose eine wichtige Rolle: dort binden die beiden Spindelfasern ans Chromosom -> ziehen die beiden Schwesterchromatiden auseinander -> Fehler, ungleiche Chromosomenverteilung-> Aneuploidie.

Die Basen sind die Informationseinheiten, die Verdopplung erfolgt semi-konservativ; beiden elternstränge trennen sich und können als Matrize für einen Tochterstrang dienen_> neuentstehende DNA jeweils einen Eltern- und einen Tochterstrang.

Denaturierung und Renaturierung: durch erwärmen kann man den Doppelstrang aufschmelzen, die H-Brücken lösen sich. UV- Absorption steigt dabei, bei abkühlen finden die beiden Stränge wieder zueinander -> nicht immer perfekt passende Paarungen. Im Genom: viele Bereiche hochrepetitiver DNA, sich immer wiederholende Sequenz, diese renaturieren viel schneller.

(Zentrifugation: durch schnelles Drehen werden Zentrifugalkräfte erzeugt, alle Teilchen werden dadurch um ein vielfaches schwerer, Sedimentation sehr kleiner Teilchen kann sehr lange dauern. Am gebräuchlichsten: die differentielle Sedimentation, schwere am Boden und leichte sind noch in Lösung. ) bei der semikonservativen Replikation entsteht mittelschwere DNA, die aus einem alten schweren Strang und einen neuen leichte Strang entsteht.

Taylor hat die semikonservative Replikation mit Hilfe radioaktiver Isotope festgestellt. nur von der DNA aufgenommen, nach Replikation war nur ein Chromatid des Chromosomenpaares angeschwärzt, manche waren nur teilweise angeschwärzt was das crossing over erklärt. (es tauchen Teile des Ausgangstranges auf beiden strängen der neuen DNA auf)


Am besten untersucht bei E.coli. Doppelhelix wird an einer Stelle geöffnet, Replikationsursprung -> Origin. Das Enzym Helikase trennt die Stränge und verbraucht dabei pro Basenpaar zwei ATP-> werden zu 4 AMP umgebaut. -> durch single-strand binding proteins geschützt dass sie sich nicht wieder verbinden. Sie sind beide die Matritzenstränge für die folgende Replikation.

DNA- Polymerasen können nur vorhandene Stränge verlängern keine neuen Starten: brauchen einen Primer. (RNA- Primer). Von einer RNA Primase wird zuerst ein kurzes RNA Stück gebildet, dass von DNA-Polymerase III verlängert wird. Die DNA und RNA- Polymerasen arbeiten in die 5‛- 3‛ Richtung. Hängen das neue Nukleotid an das 3’OH des letzten Zuckers an. (5‛ Ende endet mit dem Zucker Phosphat Stück).

Der Leitstrang( leading strand)kann kontinuierlich synthetisiert we rden, der Folgestrang (lagging strand) durch kurze Einzelstücke. (Okazaki- Fragmente). Die DNA- Ligase verknüpft die Okazaki- Fragmente zum intakten Folgestrang.

DNA- Polymerase kann die Synthese fortsetzen aber nicht beginnen, Primase baut den Primer auf (aus RNA Nucleotiden) die DNA Polymerase ersetzt erst später die RNA Nucleotide der primer durch entsprechende DNA.

Die Struktur vom lagging und leading strand ausgehend nennt man Replikationsgabel. Von einem origin kann eine Gabel starten oder eine in beide Richtungen (bidirektionale Replikation). E.coli: eine volle Replikationsrunde dauert 40 min, bei guten Bedingungen startet ein weiterer Zyklus wenn der erste noch läuft -> dichotome Replikation.

Wenn sich die beiden replikationsgabeln „in de Mitte“ treffen, beenden beide dort ihre Arbeit. Polymerase III kann viele tausend Nucleotide nacheinander einbauen, durch eine molekulare Klammer. Sie umschließt den DNA Strang. Die Synthese an beiden Hälften läuft nicht unabhängig voneinander.

Eukaryonten schützen ihre Enden mit einer speziellen Struktur, den Telomeren, aus Proteinen und spezifischen DNA Sequenzen. Verhindern den Abbau der DNA von den Enden her. Durch das Enzym Telomerase kann das DNA Ende wieder verlängert werden -> reverse Transkriptase. Freie DNA Enden sind klebrig und hängen das DNA Fragment an andere Chromosomen an. In somatischen Zellen ist die Telomerase ausgeschaltet, das begrenzt die Zahl der möglichen Teilungen und ist eine Art Zähler für das Alter der Zelle. (Krebszellen -> Telomerase wieder aktiv).


Replikationsfehler und ihre Korrektur

kann auch zum Einbau falscher Nucleotide kommen, Wahrscheinlichkeit: 1: 10.000. dna Polymerase erkennt selbst 99% der Fehler. Die Restfehlerrate erkennt ein Reparatursystem, muss alten und neuen DNA Strang unterscheiden können. (bei Baks: über Methylierung). Außer durch Replikationsfehler entstehen Veränderungen des genetischen Materials noch durch mutagene Substanzen (energiereiche Strahlung, ultraviolette Strahlung, …) ein kleiner Teil der Veränderungen wird nicht erkannt und führt zu dauerhaften Mutationen.

Bei der Replikation können durch Stops des Prozesses Lücken entstehen. Diese werden durch das Einbauen der homologen Sequenz geschlossen -> Rekombinationsreparatur.

Wenn alle Reparatursystheme versagen, nutzt die Zelle das SOS- System. Das Korrekturlesen der Polymerasen wird ausgeschaltet. Bereiche voller Dimere können repliziert werden, Fehler werden dabei in Kauf genommen (nur in einer Notsituation, error prone repair).

Replikation und Zellzyklus

Teil des Prozesses, bei dem aus einer Zelle zwei werden -> Zellzyklus, Mitose. Centrosom bildet die Verteilungsmaschinerie aus. Prophase ->Chromosomen kondensieren, Mikrotubuli bilden sich aus. Metaphase -> Kernmembran löst sich, Chromosomen wandern auf Metaphaseplatte. Mikrotubuli heften sich an Kinetochore. Anaphase -> Mikrotubuli ziehen die Chromatiden auseinander. Telophase -> Kernhülle neu gebildet -> Cytokinese folgt.

Prokaryonten: Replikation und Zellteilung können unabhängig voneinander gestartet werden, DNA heftet sich an Zellmembran an, durch Längenwachstum werden beide Helices auseinandergezogen.


VOM GEN ZUM PROTEIN: GENEXPRESSION

Genexpression: der Gesamte Prozess mit dem die genetische Information der DNA in das endgültige Genprodukt umgesetzt wird. Die Schritte der Genexpression sind reguliert. Hauptkontrolle: am ersten Schritt -> Transkription. Gene deren Produkt alltäglich gebraucht wird, werden ständig transkribiert (konstitutionelle Transkription), bei anderen muss sie speziell angeschaltet werden (Induktion), oder eine Hemmung der Trans.

Muss eingeschaltet werden (Repression).


Am besten studiertes Transkriptionssystem: bei E.coli, das Iac- Operon. Operon: eine Serie von Genen die gemeinsam transkribiert werden. Drei Gene des Iac- Operons codieren Proteine für Lactoseverwertung. Vor den Genen liegt eine DNA Region, die für die Kontrolle der Transkription verantwortlich sind: bestehend aus Operator und Promotor. -> wächst E.coli auf Glucose, kaum Enzyme des iac Operons, auf Lactose- Medium steigt es um das 1000fache an: Induktion der Genexpression.

Iac- Operon: natürliches Substrat (Lactose) und künstlicher Induktor (IPTG). Mutanten der Genexpression lassen sich leicht mittels X-Gal erkennen ->blau gefärbte Kolonien. In den Mutanten ist das IacI- Gen (Gen für das Regulatorprotein, den Iac-Repressor) mutiert, das Repressor- Protein ist inaktiviert. Seltener sind Mutationen des Operon- Bereichs-> werden als Oc bezeichnet.


Initiation der Transkription: Das Umschreiben der DNA in RNA wird durch Polymerasen durchgeführt. Der Sigma-Faktor erkennt den Promotor. Kennsequenzen: 10 und 35 Basenpaare vor dem Startpunkt. E.coli hat auch Sigma-Faktoren für Hitzeschockgene, Stickstoff- Stoffwechselgene und Flagellenbiosynthese.

Die Sporulation bei bacillus subtilis wird durch eine Kaskade von Sigma- Faktoren gesteuert. Gene de Sigma- Faktoren werden jeweils durch den vorhergehenden Sigma- Faktor abgelesen.

Nach dem Binden an dem DNA- Doppelstrang wird die DNA zur Transkriptionsblase aufgeschmolzen -> kurze Einzelstrangbereiche. Ersten 9 Nucleotide der neuen RNA werden gebildet ohne dass sich der Enzymkomplex bewegt, Sigma- Faktor löst sich ab, RNA- Polymerase wandert DNA entlang und schreibt sie in RNA um, Promotorbereich steht für neue Initiation zur Verfügung. (1-2 Sekunden)

Fortschreiten der Transkription: die neue RNA beginnt mit Nucleosidtriphosphat, wird am 3’OH- Ende verlängert. RNA Polymerase bewegt sich nicht kontinuierlich, verkürzt und verlängert sich, Transkriptionsblase wandert mit-> so viele Basenpaare werden wieder hergestellt wie getrennt, keine Energiezufuhr nötig.

Terminationsstruktur: immer kommen GC gepaarte Bereiche und ungepaarte U- Abschnitte vor. An rho Terminationssequenzen pausiert Polymerase, rho holt sie dort ein ->Termination.

Antitermination: Terminationspunkte können mittels Antiterminationsfaktoren übersehen werden -> Zelle kann aus 1 Operon verschiedene Proteine erzeugen.


TRANSKRIPTION BEI EUKARYONTEN

Viel komplexer. Haben drei Polymerasen (Pol I-> transkribiert rRNA, Pol II-> transkribiert mRNA und Pol III-> transkribiert tRNA). Promotorerkennung und Initiation werden zusätzliche Faktoren benötigt. Promotoren für Pol II variieren stark. Aufbau modular: aus kurzen Abschnitten, binden jeweils ein Regulatorprotein.

Regulatorelemente können weit vom Gen entfernt sein (auf DNA), wirken meist transkriptionsverstärkend. Statt vor dem Gen können solche Elemente auch hinter dem Transkriptionspunkt liegen -> zusätzliche Faktoren.

Promotoren für Pol II haben eine TATA- Box (8 A-T Paare). Zum Einleiten TATA- bindendes Protein + assoziierte Proteine -> Komplex. Durch TBP wird DNA geknickt.

Das Transkript wird noch umgebaut, muss auch noch aus dem Kern in das Cytoplasma transportiert werden bevor es translatiert wird. Lebensdauer 8-24 Stunden. Die neu transkribierte RNA -> hnRNA (heterogene nukleäre RNA)-> liegt im Zellkern.

5‛ cap (methyliertes Guanin) und 3‛ Poly A Schwanz. Schützen RNA vor dem Abbau . -> Reifung.

Splicing: Die eukaryontischen Gene sind durch codierende (Exons) und nicht-codierende (Introns) Bereiche unterbrochen. -> diese werden im Splicing- Prozess aus der RNA herausgeschnitten. -> Spliceosom. Muss basengenau erfolgen, Introns beginnen mit 5’GT (Donor)und enden mit 3’AG (Akzeptor). -> erfolgt über zwei Umsteuerungen, ohne Energieaufwand. -> meist in einer bevorzugten Reihe, springt aber zwischen verschiedenen Introns hin und her.

Erklärung für Introns: Relikt aus der frühen Evolution, funktionelle Domänen können mit Funktion anderer Domänen kombiniert werden. Introns trennen Funktionsdomänen.

Von Spliceosom ausgeschnittene Introns: Typ III Introns, durch linken und rechten Rand gekennzeichnet, Umgebung beliebig. Intron Typ I und II ist die RNA- Raumstruktur entscheidend für Splicing -> sehr verschiedener Aufbau, brauchen für den Vorgang keinerlei Protein -> RNA als Enzym.


Introns in tRNA: Reifung der transferRNA, Moleküle herausgeschnitten, Splicing Reaktion, aber RNA wird zuerst gespalten und später unter Energieaufwand (ATP) wieder verknüpft, Intron wird hier Sekundärstruktur der umgebenen Exonbereiche erkannt. Die tRNA ist der Adapter zwischen den Nucleinsäuren und den Proteinen. Sie bringen einzelne AS, mit den Nucleinsäurecode zum Ribosomen. 64 Triplettcodes, 61 für AS. E.coli nur 40.

In Eukaryonten kommen tRNAs in mehreren Kopien vor, nie mehrere Kopien derselben tRNA nebeneinander, verschieden tRNAs bilden eine Gruppe. Nach der Transkription werden tRNAs noch stark modifiziert, Basen verändert -> Methylierung. -> alle sehr ähnliche Raumstruktur -> flachgedrückt.

Akzeptor Stamm trägt am 3‛ ende die AS ->Längenunterschiede, D-Schleife. Die Anticodon-Schleife bindet mit den Triplett an die mRNA.

Die Nomenklatur nimmt die mRNA als Standard. Ihre Basenfolge ist daher der Code, die dazu passende Sequenz der tRNA ist der Anticode. Der transkribierte DNA Strang ist also auch Anticodon oder antisense, der nicht translierte Gegenstrang ein codierender oder sense Strang.

Ribosomen: Die Ribosomen bauen Proteine aus AS, die von tRNA angeliefert werden, nach Vorgabe der mRNAs zusammen; bestehen immer aus zwei Untereinheiten. Die RNAs machen 70% der Ribosomen aus , bilden das strukturelle Rückgrat, zeitweise Basenpaarung mit mRNA. Synthese der ribosomalen Untereinheiten finden im Nucleolus statt (im Zellkern).

Dort liegen auch rRNA- Gene. Die mRNA läuft durch die 30S Untereinheit und das Protein entsteht an der 50S Untereinheit. Alle Ribosomen eines Zellkompartiments sind identisch, sie binden jeweils zwei tRNAs, die eine trägt eine eingebaute AS, die andere trägt die nächste einzubauende AS.


Translation:

Die Translation von mRNA in Protein geschieht durch einen Triplettcode; 64 Codone werden in 20 AS bzw. Stop übersetzt. Der Code ist degeneriert (mehrere Codone codieren für die gleiche AS). Die Unterschiede liegen meist in der dritten Position. Für verschiedene AS codieren 1 bis 6 Codone.

Die dritte Base der Tripletts wird häufig ignoriert, oder nur nach Purin oder Pyrimidin ausgewertet. Nur Codone mit T oder U können eindeutig sein. Der Code ist universell, alle Organismen verwenden die gleiche Zuordnung von Tripletts zu Aminosäuren, mit wenigen Ausnahmen (Mitochondrien, einige Protozoen, Hefe candida cylindrica). Der Code ist kommafrei, auch die Interpretation wo ein Protein beginnt, muss die Zelle aus dem Kontext erkennen.


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