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Inhaltsangabe

Abiturvo­rbereitu­ng 2011: Zellteil­ung und Chromoso­men in der Genetik

6.803 Wörter / ~26 Seiten sternsternsternsternstern_0.75 Autorin Nicola H. im Apr. 2011
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Inhaltsangabe
Biowissenschaften

Universität, Schule

Weidigschule

Note, Lehrer, Jahr

2011

Autor / Copyright
Nicola H. ©
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Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.75
ID# 6266







Genetik

Abiturvorbereitung Biologie

2011

Zellteilung und Chromosomen

1. Bedeutung und Bau des Zellkerns

Für Ausprägung von Merkmalen ist der Zellkern zuständig.  Zellkern=Nucleus, im Zentrum der Zelle und ist von Cytoplasma umgeben. Besteht aus 5 wichtigen Komponenten:

-         Doppelschichtige Kernhülle( Kernmembran)  trennt Kern vom Plasma und geht ins ER über.

-         Endoplasmatisches Retikulum ist verzweigtes Membransystem. Neubildung und Transport von Proteinen beteiligt.

-         Kernporen ermöglichen Stoffaustausch zwischen Cytoplasma und Zellkern

-         Chromatin ist im Cytoplasma des Zellkerns und besteht aus Desoxxyribonucleinsäure (DNA)  und Proteinen.

-         Plasma im Zellkern wird Karyoplasma genannt.

Im Zellkern( Nucleus) werden Bestandteile der Ribosomengebildet.

2. Bedeutung und Ablauf der Mitose

Kernteilung = Mitose 

Durch fortgesetzte Kern und Zellteilung und die Reifung der neu gebildeten Zellen findet Wachstum statt. Von Teilung der Mutterzelle bis zur erneuten Teilung der Tochterzellen nennt man Zellzyklus. Unterteilung in Interphase und Teilungsphase. Teilungsphase = Kernteilung und Teilung des Cytoplasma, wird auch Cytokinese genannt.

 

Abschnitt zwischen zwei Mitosen nennt man Interphase. Im Zellkern während der Interphase liegt sie Erbsubstanz in Form von Chromatin vor. Bei Interphase Kern drei Stadien: G1-Stadium = Wachstumsstadium Tochterzellen wachsen zu Größe von Mutterzelle heran.  In der S-Phase= Verdopplung der Erbsubstanz. G2-Stadium= Ende der Verdopplung der Erbsubstanz bis Beginn der Prophase.

 

Meisten Zellen lebenslang Teilungsphähig.  Aber keine Nervenzellen oder Muskelzellen = teilungsinktiv.  Ständig in Ruhestadium = G0-Stadium.

 

Die Mitose gliedert sich in Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.

Prophase: Beginn Erbsubstanz als fädiges Knäul. Aufschraubung und Faltung dadurch Verdichtung und Verkürzung.  Dieser Vorgang erst in Metaphase beendet, Fäden werden zu Chromosomen. Bestehen aus zwei verbundenen identischen Chromatiden. Diesen Zustand nennt man Zwi-Chromatiden-Chromosom. Die in der Interphase abgelaufene Verdopplung wird also Sichtbar.

Chromosomen bestehen aus Proteinen und Nukleinsäuren.

Es entstehen aus einem Centriol zwei Tochtercentriolen, die zu den Polen wandern. Leiten Bildung von Spindelfasern ein, verlängern sich in Richtung Chromosomen. Am Ende der Prophase zerfällt die Kernhülle und Nucleoli lösen sich auf.

Metaphase: 2-chromatid-Chromosomen sind maximal verkürzt. 2chromatid Chromosomen ordnen sich äquatorial an. Jedes der beiden Chromatiden ist über Spindelphasern mit Zellpol verbunden. Ansatzstelle der Spindelfasern heißt Centromer.  Es hält die beiden Chromatiden zusammen.

Anaphase: die 2 ChromatidChromosomen werden am Centromer getrenntà Verkürzung der Spindelfaser. Dieser Zustand wird Ein-Chromatid-Chromosomenzustand genannt.  An jedem Zellpol vollständiger Satz an Chromatiden.

Telophase: Spindelfasern lösen sich ab. Ein-chromatid Chromosomen lösen sich wieder in Chromatidfäden auf. Genetische Material wird mittels ER eine Kernhülle gezogen.  Nucleoli bilden sich neu. Zwei Zellkerne sind entstanden.

 

Bereits in der späten Anaphase Teilung des Cytoplasma. In der Äquatorialebene bildet sich neue Zellmembran. Am Ende der Telophase zwei völlig selbstständige fertige Zellen.  Identische Erbinformationen.

 

Zellzyklus kann unterschiedlich lang sein. Abhängig von Zelltyp, Organismus, Nährstoffangebot usw.  Mitose und Interphase werden unterschiedlich gesteuert, dass verhindert ungewollte Zellteilung.

Wichtigster regulatorischer Zeitpunktà Ende der G1 Phase.  Faktoren sind: Zellgröße, verfügbarer Energievorrat und Teilungssignale der Umgebung (Wundheilung)

3 Zahl und Bau der Chromosomen

Die färbbare Substanz in den Zellen wurde Chromatin genannt. Die Struktur heißt aber jetzt Chromosomen. Mensch hat 46 Chromosomen. Anzahl der Chromosomen hängt nicht von Entwicklingsstautus oder Größe zusammen. Z.B Weinbergschnecke 8 Chromosomen mehr als Mensch.

Für Chromosomenanalyse werden die Chromosomen der Größe, Form und Lage sortiert.  Was man erhält ist ein Karyogramm.  Chromosomen werden nummeriert und zu Gruppen zusammengefasst. Beim Menschen sind immer zwei Chromosomen homolog. Frau: 23 Chromosomenpaare und zwei homologe X-Chromosomen. Mann: 22 Chromosomenpaare und zwei unterschiedliche Chromosomen, Y- und Y- Chromosom. 

Die Kerne der Körperzellen haben einen zweifachen Chromosomensatz à diploid.  Anzahl der Chromosomen beträgt hier 2n.

Geschlechtszellen enthalten einfachen Chromosomensatz àhaploid. Chromosomenzahl n

X-Y Chromosomen bestimmen das Geschlecht und heißen Gonosomen.   Die anderen nicht geschlechtlichen Chromosomen heißen Autosomen.

Im Karyogramm dargestellte Chromosomen sind in Transportform à während Zellteilung

Um die Erbinformationen in der Interphase ablesen zu können muss die Struktur aufgelockert und entspiralisiert sein.

Bei Chromosomen in der Metaphase à deutliche längsteilung in zwei identische Chromatiden. à entsteht durch Verdopplung der Erbsubstanz in der Interphase.  Zusammenhalt durch Centromer.

Centromer wird in Anaphase getrennt.  Am Centomer halten sich die Spindelfasern fest.

Chromosomen eines Zellkerns unterscheiden sich in Form, Größe und Lage des Centromers.

X-förmig à in der Mitte   V-förmig am Ende.

24 menschliche Chromosomen einschließlich X und Y Chromosom unter Fluoreszenzmikroskop in jeweils anderer Farbe darstellen. Es werden 5 verschiedene Farbstoffe benötigt.  à schnellere Identifizierung der Chromosomen und krankhafte Veränderungen wie bei Krebs können eindeutig erkannt werden.

 

Durchführung Karyogramm: Blutabnehmenà Blutzellen kultivieren (3 Tage 37°C)à Blutzellen in Zentrifugen Röhrchen überführenà zentrifugieren Blutzellen sedimentieren à 1. Überstand verwerfen 2. Destilliertes Wasser zugeben à Erythocyten zerplatzen à Zentrifugieren Leukocyten sedimentierenà Überstand verwerfen Fixierlösung zugeben (Methanol-Eisessig 3:1) à Leukocyten werden fixiertà einen Tropfen auf Objektträger fallen lassen, Keukocyten zerplatzen, Chromosomen breiten sich ausà 1. Mit Bunsenbrenner-Flamme kurz trocknen 2. Chromosomen anfärben à Auswertung

4 Bedeutung und Ablauf der Meiose

Fortpflanzung à Verschmelzung von Eizelle und Spermienzelle. Entscheidend Kombination von väterlichen und Mütterlichen Erbgut. Bei der Verschmelzung zwei mal 23 Chromosomen à Kern mit 46 Chromosomen. Neuer Organismus also diploid. Also muss die Keimzelle zur haploiden halbiert werden. Sonst ja immer von Generation zu Generation mehr Chromosomen. 

Halbierung erfolgt durch zwei aufeinanderfolgende Kernteilungen à Reifeteilung 1 Reifeteilung 2

Zusammen = Meiose,  bildet haploide Ei und Spermazellen.  Früh in der Embryonalentwicklung à Urkeimzelle Vorläufer der ei oder Spermazelle.  Der weg von befruchteter Eizelle über Urkeimzelle zur neuen Keimzelle heißt Keimbahn.  Den Zellen der Keimbahn stellt man die somatischen Zellen gegenüber. Körperzellen sterben bei Tod ab Keimbahnzellen potenziell unsterblich.

Keimbahn ist Grundlage von Vererbung und Verwandtschaft.

1. Reifeteilung:

Prophase 1: lange Chromosimenfäden. Am Ende ist eine Längsspaltung in Zwei-Chromatid-  Chromosomen zu erkennen à vier parallele Stränge, paarweise.

Zwei-Chromatid-Chromosomen werden spiralisiert und somit verkürzt.

Metaphase 1:  Kernhülle zerfallen. Gleiche 2 Chromatid-Chromosomen ordne ich in der Äquatorialebene parallel zueinander an. Die zwei Chromatiden werden am Centromer zusammengehalten.  Die vier Chromatiden von zwei gepaarten Chromosomen heißen Tetrade. Aber noch Chromatiden die nicht zusammengehören sind überkreuzt àChiasma.  Spindelfasern gehen von Zellpolen an die Centromere.

Anaphase 1: Zwei-Chromatid-Chromosomen werden durch Verkürzung der Spindelfasern zu den Zellpolen auseinander gezogen.

Telophase 1: Zellen teilen sich. Beim Mannà zwei gleichgroße haploide Zellen Bei der Frauà eine große und eine kleine Zelle (Polkörperchen) auch haploid.

 

2. Reifeteilung:

Entspricht einer Mitose und folgt auch die 1 Reifeteilung. Erneute Anordnung an Äquatorialebene dann Spindelfasern teilen 2 Chromatid Chromosom in 2 Chromatiden. Neue Kernhülle und Zellmembran werden gebildet. Ergebnis à 4 haploide Spermienzellen. Eine haploide Eizelle und 3 haploide Polkörperchen die aber absterben.

Kann aber auch sein am Ende der 2. Reifeteilung 1 Eizelle und 1 Polkörperchen.

 

Diploider Chromosomensatz des Menschen à 23 mütterliche und 23 väterliche Chromosomen, die homolog sind außer Y- Chromosom

In der Metaphase 1 erfolgt zufällige Anordnung. Bei der Anaphase 1 und der Telophase 1 ergeben sich also mehrere Möglichkeiten der Chromosomenaufteilung auf die beiden Tochterzellen.

è    Sehr viele Möglichkeiten der Neukombination der Chromosomen.

Dieser Vorgang der Neukombination von Erbfaktoren heißt Rekombination à Interchromosomale Rekombination.

Während der Prophase 1 können bei Tetrade Chromosomenstückchen von väterlichen und Mütterlichen Chromosomen ausgetauscht werden à crossing-over

Neukombinaton von Chromatidstückchen zwischen homologen Chromosomen. à intraspezifische Rekombination.

Chiasmata sind die zu sehenden Folgen eines molekularen Crossing-over Prozess.

 

è    Folge der Meiose Halbierung des Chromosomensatzes und neu Verteilung von mütterlichen und väterlichen Chromosomen und Chromatiden Stückchen. Durch inter und intraspezifische Rekombination.  à neue Merkmalskombination!

5 Bestimmung des Geschlechts

Geschlechtschromosomenà Gonosomen steuern die Bestimmung des Geschlechts.

Geschlechtschromosomen bestimmen ob sich während der Embryonalentwicklung aus den primären Keimdrüsenanlagen Hoden oder Eierstöcke bilden. Wenn die Drüse bestimmte Größe erreicht hat, Produziert sie Hormone à Steuern weitere Reifung der Keimdrüsen.  An der Ausbildung der primären und sekundären Geschlechtsmerkmale sind auch autosomale Gene beteiligt. (Bartwuchs, tiefe Stimme, Brüste rundliche Körperform) 

In den Keimdrüsen entstehende Geschlechtszellen sind haploid.

Eizelle enthält 22 Chromosomen und als Gonosom ein X- Chromosom.

Spermienzellen enthalten 22 Chromosomen und entweder ein X oder ein Y Gonosom.

Wird eine Eizelle durch ein X-Chromosom befruchtet, ist es XX-Zygote also ein Mädchen.

Bei Befruchtung mit Y-Chromosom  XY-Zygote also Junge.

Geschlecht wird bei Befruchtung festgelegt.

Grundsätzlich kann jeder Organismus aus den primären Keimdrüsenanlagen beide Geschlechter ausbilden. Aber wird ab bestimmten Zeitpunkt durch Geschlechtschromosomen, Geschlechtshormonen und autosomalen Genen eingeschränkt.

Da in diploiden Zellen von XY-Männchen das X und das Y-Chromosom nur einmal vorliegen, können fehlerhafte Gene auf diesen Chromosomen eine Krankheitsausprägung unmittelbar beeinflussen.

(Bluterkrankheit und Rotgrünschwäche). Die dazugehörigen Gene liegen auf dem X-Chromosom.

à X-Chromosomen-gebundene Vererbung

6. somatisches Geschlecht

In bestimmten Abschnitt des Y-Chromosoms ist das Gen für TDF

TDF= nur mit TDF werden aus der undifferenzierten Keimdrüse männliche Hoden

Wenn das Ablesen des Gens jetzt aus irgendeinem Grund nicht funktioniert, Werden aus einem XY Mann eine „Frau“. Da es kein TDF produziert und so keine Hoden wachsen können. Da aus den Hoden zwei weitere Hormone nämlich AMH und A hervor geht, was zur Bildung von Samenleiter und Penis benötigt wird. Wächst dem Mann ein Eileiter Uterus Scheide Klitoris und Schamlippen obwohl er Genotypisch ein Mann ist. Aber Unfruchtbar, da sich Eizellen nur entwickeln wenn zwei XX in der Urgeschlechtszelle vorhanden sind.

Alle Zellen der Frau haben ein Barr-Körperchen anhand dieses Barr-Körperchen kann das Geschlecht eindeutig bestimmt werden.

Auf dem kleinen Y-Chromosom ist hast Gen leer. Außer TDF-Gen, ein für die Reifung von Spermien benötigtes Gen und mehrere Gene für die Größe.

Das X-Chromosom enthält viele Gene zu Körpermerkmalen.

7. Nummerische Chromosomenanomalie

Nummerische Anomalie der Chromosomen = Veränderung der Zahl der Chromosomen

            à meistens schwere Krankheitsbilder à meistens Neumutationen

über und unterzahl der Chromosomen zwar angeboren aber nicht vererbt.

è    Meistens Neumutationen

Entstehen durch nichttrennen der homologen Chromosomen der Nondusjunktion in der Meiose

Führt zu anormalen Geschlechtszellen à 24 oder 22 Chromosomen

Geschlechtszelle mit Mehr Chromosomen + Normale = Trisomie

Geschlechtszelle mit weniger Chromosomen + Normale = Monosomie

Nicht selten

8. Toti- Pluripotent

Totipotent = Zelle von Befruchtung bis 8-Zellen Stadium

Pluripotent = Von 8 Zellen Stadium bis Geburt einschließlich Embryonalen Stammzellen

Multipotent = adulte Stammzellen.

Klassische Genetik

Mendelsche Regeln

Begriffe: reinerbig= Eltern geben immer nur ein und dasselbe Merkmal an F1 weiter.

                P= Elterngeneration (Parentalgeneration)

                F1 F2= erste und zweite Tochtergeneration (Filialgeneration)

                Dominantes Allel = schlägt durch und unterdrückt das rezessive Allel

                Homozygot= reinerbige Lebewesen

                Heterozygot= mit zwei unterschiedlichen Allelen zu einem Merkmal

                Phänotyp= Aussehen

                Genotyp= Genkombination

Monohybrid= erbvorgänge bei denen nur ein Merkmal betrachtet wird

                Dihybrid=  Erbvorgang mit Dingen die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden

1. Mendelsche Regel:  Uniformitäts und Reziprozitätsregel genannt.

Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem  Merkmal unterscheiden, für das sie reinerbig sind, so sind ihre Nachkommen in der F1 Generation in Bezug auf dieses Merkmal untereinander Uniform. Dabei gleichgültig ob Rasse der Mutter oder des Vaters.

2. Mendelsche Regel: Spaltungsregel genannt.

Kreuzt man die Individuen der F1 Generation untereinander, so ist die F2 Generation nicht uniform, sondern die Merkmale spalten in bestimmte Zahlenverhältnissen auf, und zwar bei dominant-rezessiven Erbgang in Phänotyp im Verhältnis 3:1 und im Genotyp im Verhältnis 1:2:1

3. Mendelsche Regel: Rekombinationsregel genannt.

                Kreuzt man Individuen derselben Art, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, für die sie reinerbig sind, so sind ihre Nachkommen in der F1 Generation in Bezug auf dieses Merkmal untereinander uniform. In der F2 Generation treten neben den Merkmalskombinationen der Eltern auch neue Zusammenstellungen auf. Bei einem dihybriden Erbgang spaltet der Phänotyp in der F2 Generation im Verhältnis 9:3:3:1

3. Entwicklung bei Tier und Mensch

3.1. Eine neue biologische Disziplin

Aus der befruchteten Eizelle entstehen alle Zelltypen des zukünftigen Organismus. Ab Befruchtung genetisch gesteuerte Entwicklung bei der nach kurzer Zeit ein neues Individuum entsteht. à eigenständige Disziplin.

Beim Strandseeigel findet eine äußere Befruchtung statt, im Meer. Deshalb kann man hier die einzelnen Entwicklungsstadien gut untersuchen ohne zu sehr einzuwirken. Eizellen nur 0,1 mm groß deshalb nur wenig Reservestoffe wie Dotter oder ähnliches. Der Geringe Dotter ist aber gleichmäßig rundherum verteiltà isolecithal.

Unterscheidung zwischen dunklem animalen Pol und helleren vegetativen Pol. Nach der Befruchtung teilt sich die Eizelle durch Furchung in viele Eizellenà Blastomeren. Beim Seeigel Furchung Total, da sie das gesamte Ei betreffen. Ersten beiden Furchungen finden zwischen den Polen statt. Nächste Furchung verläuft äquatorial  und führt zu 8 gleich großen Blastomeren, vier animalen und vier vegetativen. Alle weiteren Teilungen produzieren ungleichgroße Blastomeren.

64-Zell-Stadium à Morula man erkennt zwei animale und vegetative Zollgrenze sowie die Mikromeren  am vegetativen Pol.  Diese Zellschichten bilden später die Keimblätterà entstehen die Anlagen für die Organe.  Aus den animalen Zellkränzen entsteht das Ektoderm und aus dem vegetativen das Entoderm.

Es folgt die Blastula, eine bewimperte einschichtige Hohlkugelà Hohlraum heißt Blastocoel

Das Stadium der Gastrula beginnt mit einer Zelleinstülpung vom vegetativen Pol, Die den Urdarm bildet. Von da sondern sich Zellen ab die mit Abkömmlingen der Mikromeren das dritte Keimblattà Mesoderm. Durch Einstülpung der seitlichen Mundbucht entsteht die Pluteus Larve.  Der Urmund wird dadurch zum After. 

Hans Driesch trennte 1891 durch heftiges schütteln die Blastomeren eines Seeigelkeimes im 2-Zelle-Stadium.  Alles entwickelte sich normal weiter bis zu vollständigen Pluteus. Allerdings waren diese nur halb so groß wie normal.  Das gleiche ging auch im 4 Zellen-Stadium wieder mit einem ¼ der Normalen Größe.  Also sind alle Blastomere dazu in der Lage sich vollständig zu entwickeln.

In einem Keimblatt Entwicklungsmöglichkeiten à prospektive Potenz

Tatsächlich realisierenden Teil à Prospektive Bedeutung

Ist die prospektive Potenz größer als die Prospektive Bedeutung  spricht man von Regulationskeimen.  Ist die Potenz gleich der Bedeutung fehlt die Ragulationsfähigkeit und die Keime sind  Mosaikkeime.  

Ein weiterer Versuch zeigte, dass wenn man die Seeigeleier längs oder Quer der Pole trennt, sich immer nur die Hälfte mit Kern weiterentwickelte.  Bei Längsteilung kernhaltige Seite à zwei Larven ½ Größe.  Bei Querteilung keine harmonisches Ganzes mehr. 

Längs der Polachse eine regionale Differenzierung des Seeigels.  à das Gleiche bei Amphibien.

3.4. Entwicklung bei Säugern am Beispiel des Menschen

Eizellen von Säugern besitzen keinen Dotter. Die Zygote wird deshalb während ihrer Entwicklung laufend versorgt.  Entwicklung im Körper der Mutterà vorteilhaft.  Ernährung erfolgt über Die Gebärmutter (Uterus) und den Mutterkuchen (Plazenta)

Die Eizellen reifen im Eierstock u GRAAFschen Follikel. Während des Eisprungs erste Reifeteilung. Die Zweite Reifeteilung beginnt erst mit eintreten des Spermiums.  Das findet genau wie die erste Furchungsteilung im Eileiter statt.  In den Uterus tritt der Keim als Morula ein. Daraus entsteht parallel zur Auflösung der Eihülle die Blastocyste à Spezielles Entwicklungsstadium des Säugetiers.

Die Blastocyste besteht aus zwei Teilen, der Äußeren einschichtigen Trophoblast à dieser dringt in die Uterusschleimhaut ein.  Durch Vergrößerung seiner Oberfläche mi vielen Fortsätzen den Zotten wird der Trophoblast zum Chorion. Die Chorionzotten werden vom Mütterlichen Blut umspült und stellen so den Sauerstoffaustausch her der die Versorgung des Keims sicherstellt. Später bilden diese Zotten zusammen mit der Gebärmutterschleimhaut die Plazenta.

Dem Trophoblast der Blastocyste liegt am animalen Pol der Embryoblast an, daraus entwickelt sich der Embryo.  Am 8ten Tag entsteht  zwischen Tropho und Embryoblast die Amnionhöhle. Aus der Blastocystenhöhle bildet sich der Dottersack.  Am 14. Tag ist der Embryo 1 mm groß und besteht aus einer zweiblättrigen Keimscheibe. à Einnistung abgeschlossen.

Zwischen dem 14. Und 19. Tag vollzieht sich die Gastrulation. Es entsteht das dritte Keimblatt das Mesoderm (Ektoderm, Entoderm)  Aus diesen drei Keimblättern entwickelt sich alles des Embryos.

Aus dem embryonalen Darm bildet sich eine Allantoisà trägt mit Blutgefäßen zur Durchblutung der Plazenta bei. 

Bis zu Beginn der 10ten Schwangerschaftswoche sind die wesentlichen Organe und Organsysteme angelegt.  Weitere Entwicklung à Wachstum und Ausreifung.  Der Keim heißt ab jetzt Fetus.  Nach 9 Monaten alles fertig für die Geburt.

6. Krebs

- autonomes, ungesteuertes und invasives Wachstum von tierischen und menschlichen Körperzellen.

- 350000 Erkrankungen pro Jahr

- 220000 Tote, zweithäufigster Sterbegrund

Gutartige Tumore (begingen) und bösartige Tumore (malignen) à bei beiden Wachstum der Zellen außer Kontrolle geraten (Teilung bis zu 100-mal schneller)

Es entsteht ein Primärtumor bösartige Tumore dringen in umliegendes Gewebe die eigentliche Funktion fällt aus.

Karzinome à Tumore aus Deckgewebe

Lymphome à aus Lymphgewebe

Sarkome à aus Bindegewebe

Bei malignen Tumoren löst sich manchmal Zellen ab und wandern über Blutgefäße weiter  und es bilden sich Sekundärtumore à Metastasierung  ist für tödliche Ausbreitung verantwortlich.

Metastasen stören lebenswichtige Organe durch:

-         Verdrängung gesunden Gewebes

-         Lahmlegung von Nerven

-         Verschluss von Organhohlräumen

-         Blockade von Lymph- und Blutgefäßen

Aber nur 1 von 10000 schafft es das Immensestem auszutricksen und einen Sekundärtumor zu bilden.

Zirkulierende Tumorzellen verfangen sich meistens im ersten Kapilarennetz. Primärtumore im Magen-Darm-Trakt bilden meistens Metastasen in der Leber.  Alle anderen inneren Organe bilden in der Lunge Metastasen.

Krebs = genetische Krankheit. Leiden wird aber in meisten Fällen nicht vererbt.

Sondern klonale Krebsentstehung.  Das heißt alle Tumorzellen entstammen einer Ursprungszelle. Sie wird durch sukzessive Anhäufung mehrerer somatischer Mutationen in wachstumsregulierenden Genen zur Krebszelle. =Transformation.

 

Bei Tumor sind meist dominant wirkende Gene mutiert, deren Genpruduktion die Zellteilung stimuliert.  Die Mutation in einem Allel dieser Onkogene entspricht im Tumor einem durchgetretenen Gaspedal beim Autofahren.  Onkogene leiten sich von intakten zellulären Genen ab, die als Proto-Onkogene Signalmoleküle wie z.b. Wachstumsfaktoren oder deren Rezeptor codiere.

Weitere Gruppe von Krebs-Genen: Tumor-Suppressor-Gene, diese Hemmen das Zellwachstum. Fallen beide Allele eines solchen Gens durch Mutation aus, teils sich die betroffene Zelle ebenfalls zu schnell. Das TS-Gen p53 auf Chromosom 17 ist bei ca. jedem 2ten Tumor ausgefallen. Als Transkriptionsfaktor stoppt das codierte p53-Protein den Zellzyklus in der G1 Phase und ermöglicht damit den DANN-Schaden zu reparieren oder die Apoptose einzuleiten.  Von einer Prädisposition spricht man, wenn eine Krebsfördernde Mutation  in einer Zelle auftaucht und die Zelle dies an die Tochterzellen weitergibt. Deshalb kann es von Geburt an schon in jeder Körperzelle eine solche Veranlagung geben. Das Ganze ist eine Keimbahnmutation. Wenn jetzt eine weitere Mutation hinzukommt ist die Schwelle zum bösartigen Tumor leicht überschritten.

2.4 Moderne Technik in der Tierzucht

 Möglichst schnell und damit wirtschaftlich Nachkommen von züchterisch Wertvollen Elterntieren zu erhalten.  Künstliche Besamung und Klonierung transgener Tiere.

Künstliche Besamung: 90% aller Rinder. Ejakulat reicht für 500 Portionen à werden eingefroren.

Mit Katheter in brünstige Kuh. Normal jedes Jahr ein Kalb. Durch Hormonbehandlung àSuperovulation es werden bis zu 25 Eizellen freigesetzt. Anschließend künstliche Besamung.  Die sich entwickelten Embryonen werden aus der Gebärmutter gespült und durch Embryonentransfer in Ammenkühe übertragen.  Befruchtung außerhalb des Körpers à In-vitro-Fertilisation. Aus Eierstöcken Eizellen isoliert. In Nährmedium mit Sperma befruchtet und bis frühen Entwicklungsstadien in Kulturen gehalten.  Austragung in Ammenkühen.

Steigerung der Nachkommen auch durch Klonierungstechniken. Allerdings Erbgleiche Individuen.

Beim Embryonensplitting wird vor Embryonentransfer der mehrzellige Keim mechanisch geteilt. à In Ammenkühe à erbgleiche Individuen.

Klonierung durch Kerntransfer: Dem Tier werden Euterzellen entnommen und kultiviert.  Beim eispendertier spült man reife Eizellen aus dem Eileiter. Zellkern aus Eizelle holen.  Durch Strom kann die Spenderzelle mit entkernter Zelle fusionieren. Entwickelt sich im Eileiter eines Muttertiers zum Embryo. Es erfolgt ein Emyronentransfer in Ammentier. Vor Embryonentransfer mit genanalytischen Methoden Selektion von züchterisch wertvollen Merkmalen. Nach der Geburt können gen- biotechnisch hergestellte therapeutische Wirkstoffe (Impfstoff, Antikörper, Hormone Arzneimittel verwendet werden.  Aminosäure im Futter dient zur Nährwert Steigerung. à aber erhöhte Krankheitsgefahr.

Erzeugen transgener Nutztiereà neu.  Ziel: gesteigertes Wachstum, Qualitätsverbesserung, Resistenz gegen Stress und Krankheiten.  Zurzeit ineffizient da nur mit Mikroinjektion.  Außerdem viele genetische Fehlreglierungen.

Beim Gene Pharming werden durch transgene Nutztiere medizinisch wichtige Proteine hergestellt.  Aber noch kein so gewonnenes Arzneimittel wurde zugelassen.  Z.B Alpha-1-Antitrypsin Einsatz bei erblichen Lungenerkrankungen.

Transgene Tiere als Organspender für Menschen.  Xenotransplatation zum Beispiel schweineherz im Menschen.  Gentechnisch so verändern das die Organe nicht abgestoßen werden.

Molekulare Grundlagen der Genetik

3 Replikation der DNA

Semikonservative Replikation: Jeder Einzelstrang ist eine Matrize für die Neusynthese eines komplementären Stranges. Die Tochter DNA bestände demnach aus einem elterlichen und einem neuen DNA-Strang

Konservative Replikation: die Elterliche DNA-Doppelhelix bleit im Kern einer Tochterzelle erhalten. Heißt keine Kombination der elterlichen DNA

 

3.2  Okazaki.Fragmente

Die Okazaki-Stücke gehören zu der DNA-Replikation.

Die Verdopplung der DNA beginnt mit der Entwindung des Doppelstranges durch das Enzym Helicase.
Dadurch ensteht eine Replikationsgabel, in der eine als Primase bezeichnete RNA-Polymerase an beiden Strängen jeweils die Synthese eines kurzen RNA-Moleküls katalysiert.
Diese stellt das Startmolekül da. An dieses kann die DNA-Polymerase DNA-Nucleotide anheften. Dadurch wird dann der Tochterstrang synthetisiert.
Die DNA-Polymerase kann allerdings nur in in 5'->3'-Richtung kontinuierlich verknüpfen!
Daher läuft die DNA-Neusynthese nur am 3'->5'-Strang kontinuierlich, weil dort die DNA-Polymerase der weiterschreitenten Replikationsgabel folgen kann.
Am anderen Elternstrang kann die DNA-Polymerase in 5'->3'-Richtung nur von der Replikationsgabel weg verknüpfen.
Die Polymerase bleibt aber im Bereich der Gabelung. Die Neusynthese bricht immer wieder nach ca.1000 Nucleotiden ab und beginnt in der weiterschreitenden Gabel von Neuem.
Dadurch entstehen lauter kurze Stücke neusynthetisierter DNA.
Und die sind nach ihrem Entdecker OKAZAKI-Stücke genannt worden.
Für jedes Okazaki-Fragment wird zuvor noch ein RNA-Primer synthetisiert.
Und mit dem Wachstum der Okazaki-Stücke beginnt der enzymatische Abbau der RNA-Primer.
Dadurch entstehen Lücken zwischen den Okazaki-Stücken. Diese werden von einer weiteren DNA Polymerase aufgefüllt. Letztendlich verbindet das Enzym DNA-Ligase alle einzelnen DNA-Stücke zu einem Strang. 

 

 

 

Vom Gen zum Genprodukt

4.1 Die Funktion von Genen

Gene bestimmen den Phänotyp indem sie Enzyme codieren die bestimmte chemische Prozesse in der Zelle ablaufen lassen.

Raumstruktur der Proteine:

3.1 Peptidbindung

Aminosäuren können sich mit ihrer Carboxyl- und Aminogruppe miteinander

verbinden. Diese Eigenschaft ist der Grund dafür, dass es Proteine gibt. Dabei können

Ketten mit über 600 Aminosäuren entstehen. Die Bindung zwischen zwei Aminosäuren über die Carboxyl-gruppe der einen und Aminogruppe der anderen heißt Peptidbindung. Dabei wird 1 Wassermolekül abgespalten. Solche Reaktionen, bei dem Wasser abgespalten wird, heißen

Kondensationsreaktionen. Die Bindung kann auch wieder gespalten werden, man nennt dies Hydrolyse. Dazu wird je ein H2O-Molekül benötigt. Die Abbildung zeigt relativ gut, dass die Verbindung der Aminosäuren über die Peptidbindung räumlich zu einer "Zick-Zack"-Kette führt.

Dabei stehen die Reste seitlich aus der Kette. Diese Struktur nennt man Primärstruktur.

Man nennt die Verbindung von 2 Aminosäuren Dipeptid, von 3 Tripeptid, von 4

Tetrapeptid usw. Für die Wirkungsweise der Proteine ist ihre räumliche Struktur (ihre Faltung)

besonders wichtig. Die Proteinstruktur lässt sich auf vier Betrachtungsebenen

beschreiben:

3.2 Primärstrukturen

Als Primärstruktur eines Proteins wird die Abfolge der einzelnen Aminosäuren

innerhalb der Polypeptidkette bezeichnet. Vereinfacht gesagt könnte man sich eine

Kette vorstellen, in der jede Perle eine Aminosäure darstellt (Schreibweise: AS1 – AS2 –

AS3 – AS4 – AS1 – AS1 – AS3 – usw.). Die Primärstruktur stellt lediglich die

Aminosäurensequenz, jedoch nicht den räumlichen Aufbau dar.

3.3 Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur, die ein Protein ausbilden kann, sind alpha-Helix, beta-Faltblatt,

beta-turn und Schleifenkonformationen wie z.B. Haarnadelschleifen.

alpha-Helix

Eine alpha-Helix entsteht, wenn eine einzelne Polypeptidkette sich um die eigene Achse

dreht und somit einen starren Zylinder bildet. Zwischen jeder vierten Peptidbindung

wird eine Wasserstoffbrücke ausgebildet, indem die C=O-Gruppe der einen

Peptidbindung mit der N-H-Gruppe der zweiten verbunden wird. Auf diese Weise

entsteht eine gleichmäßige Helix mit 3,6 Aminosäuren pro Windung beta-Faltblatt

beta-Faltblätter können entweder von benachbarten Polypeptidketten, die in die gleiche

Richtung laufen (parallele Ketten) gebildet werden oder von einer Polypeptidkette, die

auf sich selbst zurückfaltet, so dass die Laufrichtung zu der des direkten Nachbarn

entgegengesetzt ist (antiparallele Ketten). Sowohl das antiparallele als auch das parallele

beta-Faltblatt werden durch Wasserstoffbrücken, die die Peptidbindungen

benachbarter Ketten verbinden, zusammengehalten und erzeugen somit eine sehr starre

Struktur. Da man in Helix-, Blatt- oder Schleifenstrukturen bestimmte Aminosäuren auffindet,

kann man sich die Aminosäuresequenz zu Nutze machen, um eine Tendenz zu

bestimmten Sekundärstrukturen in einer gegebenen Sequenz vorherzusagen.

3.4 Tertiärstruktur

Die Abbildung zeigt die Tertiärstruktur eines kleineren Proteins. Die Tertiärstruktur ist

die tatsächliche räumliche Struktur, die das Protein unter bestimmten Bedingungen

(Temperatur, pH-Wert) einnimmt.

Die Tertiärstruktur kann sich aus verschiedenen Sekundärstrukturen zusammensetzen.

Die Tertiärstruktur eines Proteins hängt von zwei wichtigen Faktoren ab:

In erster Linie natürlich von der Primärstruktur. Man kann heute mit leistungsfähigen

Computern ausrechnen, welche Tertiärstruktur ein kleines Peptid annehmen wird,

wenn die Primärstruktur bekannt ist.

In zweiter Linie hängt die Tertiärstruktur von den physikalisch-chemischen

Bedingungen ab, unter denen das Protein vorliegt. Bei Temperaturveränderungen

brechen einige der schwachen intramolekularen Bindungen auf, so dass sich die

Tertiärstruktur ändern kann. Verändert sich der pH-Wert des Mediums, so verlieren

einige saure oder basische Seitenketten ihre negativen bzw. positiven Ladungen, und

bestehende Bindungen können aufgelöst werden, was sich wieder auf die

Tertiärstruktur auswirkt.

alpha-Helix

Bei der alpha-Helix-Sekundärstruktur bilden die Aminosäure eine Art Spirale, die

durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Aminosäuren locker

zusammengehalten wird.

beta-Faltblatt

Bei der beta-Faltblatt-Sekundärstruktur bilden die Aminosäure eine Art Papier-

Zieharmonika (wie man sie durch Falten eines Blatt Papiers herstellen kann), die durch

Wasserstoffbrückenbindungen (grün) zwischen benachbarten Bereichen desselben

Proteins zusammengehalten wird.

3.5 Quartärstruktur

Wenn sich mehrere Proteinmoleküle (Aminosäureketten) zu einem funktionellen

Komplex zusammenlagern, spricht man von einer Quartärstruktur. Sie wird durch

nicht- kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten:

Wasserstoffbrücken von Peptidbindungen und Seitenketten, Ionische Bindungen,

(unpolare Wechselwirkungen).

 

 

Raumstruktur der Enzyme

Alle chemischen Reaktionen laufen über Biokatolysatoren den Enzymen ab. Brauchen Aktiviertungsenergie.  Enzyme = Proteine.

Enzyme senken Aktivierungsenergie und beschleunigen somit die Reaktion. Enzyme wirken nur auf ihr Substrat.  Enzyme wirken also Substratspezifisch.  Enzyme setzen also nur eine bestimmte Reaktion ihres Substat in Gang à Wirkungsspezifisch.  Steuern abbauende und aufbauene Stoffwechselvorgänge.  Unterschiedliche Aktive Zentren deshalb Spezifisch für jedes Enzym also passt nur das entsprechende Substratmolekül rein. à Schlüssel-Schloss-Prinzip

1.Bildung des Enzym-Substrat-Komplex

2. Umsetzung zum Enzym.Produk.Komplex

3. Freisetzung der Protukte.

Immer wieder verwendbar deshalb trotz kleiner Enzym Menge große umsetzung an Substraten.

4.2 Proteinbiosynthese

Ein Gen die Genetische Information für die Synthese eines Polypeptids hat.  Polypeptid à Proteine

Bestimmen Struktur und Funktion von Zellen und Merkmale. 

Proteinbiosynthese findet in den Ribosomen statt.  Vom der DNA im Zellkern über Botenmoleküle zu den Ribosomen. -à die Messenger Ribonucleinsäure (mRNA) übernimmt den Transport.  Es handelt sich um einzelsträngige RNA-Kopien kurzer DNA-Abschnitte die als Matrize für die Proteinsynthese benutzt werden.

Zerstört man mit hydrolytische Enzym RNase die mRNAs gibt es keine Proteinbiosynthese. Blockiert man die RNase und gibt neue mRNA dazu gibt es auch keine Proteinsynthese.  Erst mit transfer RNA (tRNA) läuft die Proteinsynthese wieder.  tRNA = 80 Ribonucleotiden mRNA = 1000 Nucleotiden

Eingebaut in Ribosomen dritte Art die ribosomale RNA (rRNA)  = erkennen und verbinden der mRNA am Ribosom.

Genetische Informationen von DANN à mRNA à Protein

Alle Zellen exprimieren ihre Informationen so.

4.3 Transkription

Kopie des entsprechenden Gens in Form der mRNA. Dieser Schritt wird Transkription genannt. Katalysiert wird die Transkription durch die RNA-Polymerase.  Die Polymerase bindet an die Promotoren der DNA an. Ab der Promotor Region wird die DNA- Doppelhelix mittels der RNA-Polymerase blasenartig gespalten.  Bei e.Coli öffnen sich 17 Basenpaare werden vorher entwindet und anschließend wieder verdrillt wird.  Die Biologische Information ist nur in einem der beiden Polynucleotidstränge der Doppelhelix enthalten. à Matrizenstrang, Codogener Strang.  

Jetzt wird passend zu dem Strang von der RNA-Polymerase aus den Nucleosidtriphosphaten ein mRNA Strang gemacht. Der Matrizenstrang wird von 3´à 5´abgelesen.  Die mRNA-Synthese verläuft genau andersrum. Also werden die Nucleosidtriphosphate  werden zu RNA-Nucleotiden abgespalten und diese setzen sich ans 3´Ende der mRNA.  Mehrere RNA-Polymerasen arbeiten gleichzeitig.  Die vielen einzelnen mRNA abschnitte bilden zusammen ein  Polysom. Die RNA-Polymerase erkennt die Start und Stopp signale des Matrizenstrangs. Bei Stopp schließt sich der DNA Strang wieder und der mRNA Strang wird nach außen verdrängt.  Wenn mit mRNA Strang nichts mehr passiert ist die Halbwertszeit 24 Stunden.

 

 

 

 

 

 

 

 


4.4. Der genetische Code

Bei der Transkription wird die DNA Information in eine mRNA-Basensequenz überschrieben. Diese Abfolge muss die Bauanweisung für ein Polypeptid enthalten.  20 Verschiedene Aminosäuren aber nur 4 verschiedene Basen. Aber Serie von drei hintereinander liegenden Basen geben Polypeptid an à mRNA-Basentriplett, Codon

Eigenschaften:                 - Triplett-Code - universell (alle Lebewesen)   - degeneriert Triplett eine Aminosäure aber viele Aminosäuren mehrere Tripletten bestimmt.   - Kommafrei (lückenlos)

-Nicht überlappend                                                                                     - 5´nach 3´abgelesen.

64 mögliche Kombinationen codieren 61 Codons Aminosäuren.

UAA, UAG UGA = Stopp Ende der Proteinsnthese.

4.5 Translation

Übersetzung der mRNA-Basensequenz nach den Regeln des genetischen Codes in die Aminosäuren Sequenz eines Polypeptids. = Translation findet an den Ribosomen statt.

Anwesenheit von tRNA-Molekülen erforderlich. à 80 Nucleotiden

Durch Basenpaarungen entstehen schleifen. à in sekundär Struktur kleeblattförmig.  Weitere Windungen und Faltungen à Terziärstruktur L-Förmig.

Zum einen  hat die  Aminosäure anheftungsstelle am 3´Ende bei allen tRNA Moleküle die Basenfolge CCA.  Entscheidende Übersetzung des genetischen Codes wird enzymatisch durch 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Sythetasen geleistet. Jede tRNA besitzt ein spezifisches Basentriplett das Anticodon.  Bindet die tRNA an ein komplementäres Codon der mRNA.  Erste Base eines Codons immer in 5 nach 3 genesen, mit der dritten Base des Anitcodon antiparallel.  Pro und Eukaryotische Ribosen sind beide aus großen und kleinen Untereinheiten zusammengesetzt. 70S werden aus 50S und 30S zusammengesetzt. 

Start der Translation:  eine mRNA bindet mit einer bestimmten Sequenz ihrer Ribosomenerkennungsstelle an eine kleine Untereinheit. Untereinheit wandert dann in Richtung 3´Ende der mRNA bis zum Start Codon. Sobald mit Methionin beladene tRNA (UAC)  mit dem Startcodon AUG  ein Paar bildet lagert sich große Untereinheit an. Es entstehen tRNA.Bindungsstellen P und A à Ribosom funktionsbereit.

Kettenverlängerung: Beide Bindungstellen mit tRNAs besetzt stehen deren Aminosäuren in unmittelbarem Kontakt. à Peptidbindung katalysiert durch die Peptidyltransferase in der A-Stelle. Ribosome wandern auf mRNA dreu Nucleotiden weiter.  Mit Dipeptid verknüpfte tRNA von A zur P stelle.  A Stelle wird frei und tRNA besetzt nun die Stelle wieder mit Aminosäure.

Ribosom bewegt sich auf der mRNA und übersetzt dabei Nucleotidsequenze Codon für Codon in eine Aminosäuresequenz.

Kettenbruch:   Sobald Stopp-Codon an Stelle A keine weitere Translation. Es gibt keine tRNA mit passenden Anitcodon. Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten und gibt passendes Polypeptid frei.

4.6 Das genetische System der Eukaryoten

Genetische Systeme der Pro und Eukaryoten sehr ähnlich. Aber wichtige Unterschiede!:

-         Eukaryotische Gene bestehen nicht aus einer einzigen durchgehenden codierten Nucleotidsequenz

Genetische Information eines solchen Mosaikgens ist auf der DNA von Sequenzen unterbrochen die für genprodukt nicht erforderlich sind.

Nichtcodierte Segmente der DNA heißen Introns und codierte Exons.

Introns und Exons werden in vorläufigen prä-mRNA transkribiert. Wird noch im Zellkern spezifisch enzymatisch verändert.

-         Introns werden mit Lasso Methode aus der prä-mRNA ausgeschnitten. Die übrig bleibenden Exons werden zu einer langen mRNA verbunden. Vorgang heißt àSplicing (Spleißen)

-         Am 5´Ende eine Cap-Struktur aus einem methylierten Guanosin Triphosphat angeheftet. Erleichterung de Anlagerung an Ribosom.  Und schützt 5´Ende von enzymatischen Abbau.

-         Am 3´Ende wird eine Sequenz von bis zu 250 Adenin-Nucleotiden angefügt.  Dieser PolyA Schwanz erleichtert den Export der mRNA ins Cytoplasma und schützt das Ende.

Von prä-mRNA zu mRNA àmRNA Reifung (Prozessierung)

 

4.7 Veränderungen der DNA

Veränderungen genetischer Informationen einer Zelle heißen Mutationen.  Betrifft die Mutation ein einzelnes Gen à Genmutation.

-         Punktmutationen

-         Insertionen

-         Deletionen

-         Inversionen

Punktmutationen kommen durch den Austausch eines Nucleotids und seinem Partners in komplementären Strang durch ein anderes Nucleotidenpaar zustande. Wenn Punktmutation in nicht codierten Bereich eines Genes à keine Auswirkungen auf das codierte Protein. Wenn zwar anderes Codon gebildet wird aber noch gleiche Aminosäure (genetisch codiert) auch keine Auswirkungen à stumme Mutation

Austausch eines Basenpaares an erster oder zweiter Stelle eines codierenden Tripletts wird meistens falsche Aminosäure gebildet.  à Missense-Mutation

Der Austausch einer einzigen Aminosäure etwa im aktiven Zentrum eines Enzyms à Veränderung der Aktivität.  (Sichelzellanämalie à Auswirkung auf Phänotyp)

Wenn aus einem Triplett welches eigentlich eine Aminosäure codiert ein Stopp-Signal wird heißt das  Nonsens-Mutation.  Gebildetes Polypeptid ist funktionslos.

Durch Insertion oder Deletion von Nucleitiden in einem Gen verschiebt sich das Leseraster und es entstehen andere Aminosäuren. à Rastermutation (Protein mit veränderter Aktivität)

Wenn ein Stück aus DNA-Doppelhelix rausgenommen und umgekehrt wieder eingesetzt wird ist das Inversion.  Beim Menschen Mutationsrate bei 1:10^5

Genetik der Bakterien und Viren

1. Bau der Bakterien

Sind Prokaryoten: keinen membranumhüllten Zellkern; Zellwand (Murein), Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten fehlen

Bakterienchromosom=frei im Cytoplasma liegender DNA-Doppelstrang

Zusätzlich Plasmide: DNA in Form kleiner Ringe

Bakterien sind ca. 1µm lang

 

Ungeschlechtlich durch Zellteilung

Verdopplung des Ringchromosoms geht der Teilung voran

Phagen: Viren

          Sind noch kleiner und einfacher aufgebaut als Bakterien

          Werden nicht als vollwertige Organismen angesehen, da sie keinen eigenständigen Stoffwechsel besitzen

 

          2 verschiedene Wege der Vermehrung

          Virulente Phagen: lytischer Vermehrungszyklus

          Temperente Phagen: lysogener Zyklus

          Lytischer Zyklus

          Adsorption: Phage heftet sich mit dem Schwanzteil an spezifische Rezeptoren auf der Zellmembran der Wirtszelle

Injektion: Schwanzstift durchdringt die Zellwand des Bakteriums und die Phagen-DNA wird injiziert

Synthese von Phagenenzymen: Expression der Phagen-Gene zum Abbau des Bakterienchromosoms und für die Replikation der Phagen-DNA

 

Synthese von Phagenproteinen: für Kopf, Schwanz und andere Bestandteile der Phagen

Zusammensetzen der Phagen und Lyse: Auflösen der Bakterienzellwand durch Enzyme; Austreten von neuen Phagen

Temperente Phagen bauen ihre DNA in das Wirtsgenom ein

Das Bakterium wird dabei nicht zerstört

Phagen-DNA wird in das Bakterium integriert, wodurch der Phage als Prophage im Bakterium weiterlebt

Bei Zellteilungen wird Prophage mit vermehrt und weitergegeben

Kann in lytischen Zyklus übergehen

Versuch von Griffith und VERY

Graffith:

Versuchsbeschreibung:
1. Eine Maus, die mit einem R-Stamm (d.h. ein Stamm mit einer rauen Oberfläche) von Pneumokokken infiziert wird, überlebt dieses, da ihre Enzyme diesen Stamm abtöten können. Werden ihr jedoch Pneumokokken eines S-Stammes (d.h., er hat eine glatte Oberfläche wegen einer Schleimkapsel, die ihn umhüllt) injiziert, so stirbt sie, da diese Pneumokokken Lungenentzündung hervorrufen.

2. Werden die Pneumokokken des S-Stammes vor der Injektion hitzeabgetötet (Inhaltsstoffe bleiben erhalten), so richten auch diese keinen Schaden an.

3. Die erhitzten Pneumokokken des S-Stammes zusammen mit den Pneumokokken des R-Stammes haben wiederum tödliche Folgen für die Maus.

Interpretation:
1. Bei Injizierung von Pneumokokken des S-Stammes stirbt die Maus, da ihre Enzyme die Schleimkapsel nicht angreifen können.
2. Die Pneumokokken des S-Stammes sterben bei der Erhitzung ab und können der Maus somit nicht mehr schaden.
3. Bestimmte Inhaltsstoffe der abgestorbenen S-Zellen müssen auf die R-Zellen übertragen worden sein, so dass diese die Information zur Schleimkapselbildung erhalten haben und sie dadurch pathogen (krankheitserregend) wurden. Man nennt dies eine Transformation (Übertragung von Erbinformation).

 

Very:

Durchführung: In vier verschiedenen Reagenzgläsern, die alle R-Pneumokokken und ein Filtrat von hitzeabgetöteten S-Pneumokokken enthalten, wird jeweils ein Enzym hinzugefügt:
1. Amylase (Stärke spaltendes Enzym)
2. Protease (Protein spaltendes Enzym)
3. DNase (DNA spaltendes Enzym)
4. RNase (RNA spaltendes Enzym)

Versuchsbeschreibung: Bei allen vier Reagenzgläsern bis auf dem mit der DNase kommt es nach einiger Zeit zur Bildung von S-Pneumokokken.

Interpretation: Da es bei allen vier Versuchen bis auf den dritten zur Bildung von
S-Pneumokokken kommt, muss die DNA die  nötige Information für die Schleimkapselbildung enthalten.

 

Humangenetik

2. Chromosomen und DNA des Menschen

2.1 Einteilung der Chromosomen

Menschliche Körperzelle enthält 46 Chromosomen. 22 Autosomenpaare und 1 Genosomenpaar.

Chromosomensatz ist diploid.  Jedes Gewebe, was sich zur Mitose eignet kann zur Untersuchung verwendet werden.  Zuerst einfärben, dann werden die Chromosomen der länger nach sortiert (im Metaphasen-Stadium.  Man erstellt also ein Karyogramm. Alle Centromere müssen auf einer Linie liegen und kürzester Abschnitt muss oben sein.  Der kürzeste Abschnitt heißt p-Arm  und der längere q-Arm. Wenn man mit Giemsa-Lösung angefärbt hat lassen sich weitere Chromosomenabschnitte unterteilen, diese werden mit Zahlen gekennzeichnet.  Bei Menschen 400 G-Banden bekannt. Bei anderer Gimsa Variante genau umgekehrt à R-Banden.  In den R-Banden sind vor allem Gene die in jeder Zelle aktiv sind und Stoffwechselprozesse steuern.  In den G-Banden sind Gene, die spezifische Merkmale und Eigenschaften codieren.

Jedes Metaphase-Chromosom besteht aus zwei Chromatiden und während durch Centomer zusammengehalten. Die Enden heißen Telomere, sie schützen vor Nucleasen und verhindern dass sich Chromosomen verbinden.  An 5 der autosomen eines Chromosomensatzes sind am p-Arm  ein Nucleolus-Organisator-Region (NOR). Sie trägt Merkmale für die ribosomale RNA. In der Interphase bilden die NOR´s den Nucleolus à Zellkern. 

Größe, Bandmuster und NOR´s erlauben eindeutige Identifikation. à PC Vergleicht Muster und Übereinstimmungen.

2.5 Stammbaumanalysen

Auch beim Menschen interessant ob ein Merkmal durch ein dominantes oder rezessives Allel vererbt wurde. 

Rezessiver Erbgang à Merkmal nur bei Homozygoten in Erscheinung. 

Ein dominantes Allel à prägt immer dieses Merkmal aus auch bei Heterozygoten. (siehe Mendel)

Ziel der Stammbaumanalyse: durch Beobachtungen des Phänotyps mehrerer Generationen auf den Genotyp zu kommen.

Den dreieckigen Haaransatz (Wittwenspitz) lässt sich als Monogener Erbgang bestimmen, da ihn nur ein Gen codiert.  Bei der Analyse werden verschiedene Möglichkeiten durchgespielt. Annahme: alle Familienmitglieder ohne Witwenspitz homozygot rezessiv (ww). Bei Großeltern nachgucken. Wenn da einer mit und einer ohne ist und die Eltern (Kinder) sowohl einen haben als auch ohne sind muss müssen die Großeltern heterozygot sein (Ww) weil das sonst nicht geht. Auch merkmalsträger Eltern sind heterozygot und wenn jetzt wieder nachkommen kommen die keinen witwenspitz haben ist die Annahme bestätigt. à homozygote Nachkommen (ww)

ALSO: Witwenspitz = dominanter Erbgang

4 Genetische Analysen

Genetischer Fingerabdruck

Moderne gerichtsmedizinische Methode um Vaterschaftstest durchzuführen.

DNA von Menschen weitgehende Übereinstimmung aber leichte Sequenzunterschiede. à Sequenzpolymorphismen (alle 100 Basenpaare) und im Bereich nicht codierter DNA. Diese Sequenzen haben keine nachteiligen Auswirkungen aber durch Mutation veränderte Sequenzen werden weiter vererbt.  Manche Sequenzen betreffen Schnittstellen für Restriktionsenzyme.  Wird DNA isoliert und Restriktionsenzyme dazu getan  so wird die DNA in unterschiedlich lange Stückchen geteilt.  Zerschneidet man jetzt die DNA eines anderes mit dem gleichen Restikitionsenzym sind die DNA Stückchen anders lang als die ersten.  Vater oder eben nicht.

Vorgehen:

DNA aus Probe isolieren à durch spezifische Restriktionsenzyme zerschnitten à Gemisch aus DNA Fragmentenà Durch Gelelektrophorese der Länge nach aufgeteilt à  mitlaufen von DNA-Standartfragmenten à denaturierung à DNA-Fragmente auf Gel in einzelstränge à SOUTHERN-Blotting aufgetrennte Fragmente werden mit einem abdruck auf eine Folie übertragen. à auf Folie mehrere Millionen unterschiedliche Einzelstrang DNA-Banden à um einzelne Banden zu erkennen zugabe von radioaktiv makierten DNA-Sonden à Binden durch Hybridisierung nur an komplimentäre Sequenzen bestimmter DNA-Banden à überschüssige Sonden abwaschen à Folie mit Röntgenfilm beschichten à Film entwickeln à erkennung des charakteristischen Bandenmuster von Restriktionsfragmenten unterschiedlicher Längen.

Alternative à PCR

PCR

Eines dieser "Phänomene" ist die Entwicklung von Polymerasen, die die extreme Hitze innerhalb der Quelle widerstehen können. "Normale" Polymerasen würden ab ca. 40°C denaturieren (verklumpen), die Polymerasen der "deep vent" Bewohner behalten selbst bei Temperaturen von 100°C ihre 3-D-Struktur, können also ihre enzymatische Funktion weiterhin ausüben. Diese Polymerasen werden deswegen als thermostabil bezeichnet.

Eine weitere Grundlage der PCR ist die Tatsache, daß DNA bei Temperaturen über 60°C ihre Doppelhelix-Struktur verliert und als Einzelstrang vorliegt, man nennt diesen Vorgang "Schmelzen" der DNA. Durch geschicktes manipulieren der Temperatur kann man zwischen Bereichen hin und her springen, in denen die DNA als Einzelstrang oder als Doppelstrang vorliegt.

Wenn diese beiden natürlichen Vorkommnisse kombiniert werden, ist der Funktions-Rahmen der PCR bereits abgesteckt. Durch den Einsatz thermostabiler Polymerasen und geschicktes wechseln der Temperaturen im Versuchsansatz, wird ein System etabliert, das wie von selbst DNA exponentiell vervielfälltig


Dieses simple Schema gibt einen vereinfachten Ablauf einer PCR wieder.
Die "Grund-Mixtur" (Ansatz) enthält eine thermostabile Polymerase, die vier Desoxynukleotide (ATP, CTP, GTP, TTP), einen Primer in hoher Konzentration, der komplementär zu einem Teilstück der zu untersuchenden DNA ist, und die eigentliche DNA (häufig "Template" genannt).
Dieser Mix wird zuerst auf 96°C erhitzt, damit gewährleistet ist, das alle DNA-Bereiche einzelsträngig vorliegen.
Annealing:
Darauf erfolgt ein schnelles Runterkühlen auf ca. 50°C. Jetzt kann sich der komplementäre Primer an die passende Stelle der DNA anlagern (annealen). Der ca. 25 Basenpaare große Primer lagert sich sehr schnell an die entsprechende Stelle an, so das in späteren Zyklen bereits angereicherte DNA (die wesentlich größer ist) keine Möglichkeit findet den Primer zu verdrängen.
Polymerisation:
Die Temperaturerhöhung auf 72°C bringt die thermostabile Polymerase auf ihr Temperaturoptimum. Sie kann nun den an der DNA haftenden Primer verlängern, indem sie Desoxynukleotide komplementär zum Template einbaut. Das Ende der DNA ist nach kurzer Zeit erreicht und hier stoppt die Polymerisation.
Denaturierung:
Ein erneutes Aufkochen auf 96°C trennt nun die entstandene DNA-Doppelhelix wieder in zwei Einzelstränge, von denen der eine wieder als Vorlage für eine erneute Runde der Polymerisation zur Verfügung steht.

Diese Polymerase-Ketten-Reaktion kann 20 - 50 Zyklen umfassen, ganz nach verwendeter Polymerase, Temperatur oder Template-Länge. In jedem Fall erfolgt eine exponentielle Vermehrung der DNA, wenn (anders als im obigen Schema) zwei Primer verwendet werden, die jeweils den anzureichernden Bereich flankieren. Der eine den 5'-3'-Bereich, der andere den 3'-5'-Bereich.

2.2 Methoden des Gentransfer

Fremd-DNA wird mit Gentaxis, den Vektoren in Empfängerzelle übertragen.

Vektoren für Prokaryoten sind Pasmide.

Vorteile: leicht zu isolieren

                Können mir Fremd-DNA rekombniert werden

                Weil klein lassen sie sich leicht in Wirtsorganismen transformieren à extrachromosomal

 Replizieren

Plasmide wurden für Genetik umgebaut, enthalten folgende Elemente

-         Ori, an dem die DNA-Polymerase mit der Replikation beginnt

-         Marker-Gene, dienen der Selektion z.B Antibiotika-Resistenten bei Genen

-         Nur eine Schnittstelle für bestimmte Restriktionsenzyme die MCS,

Wenn Gewünschte DNA in MCS interiert ist, so wird die Funktion des Marker Gens inaktiviert dadurch wird die Selektion möglich.

7.1 Diagnostik und Risikoabschätzung

- Stammbaum aufstellen und gucken ob ein Wiederholungsrisiko besteht àberechnen

- Zufall hat kein Gedächniss à Zygotenbildung unabhängiges Ereignis

- Pränatale Diagnostik à invasive und nicht invasive Methoden

Nicht Invasive Methoden:

-         Ultraschalluntersuchung à man erkennt die Entwicklung und evt. Fehlbildungen

-         Alpha-Fetoprotein kann ab 14.Woche im Blut nachgewiesen werden. Wenn Wert hoch

Größeres Risiko an Wirbelsäulenerkrankung des Fetus.

Invasive Methoden:

-         Fetale Zellen werden entnommen. à Fruchtwasserpunktion (Amniozentese)

Es werden etwa 10 ml Fruchtwasser entnommen Zellen werden in Kultur vermehrt.

Mit diesen Zellen werden Tests auf Enzym und Chromosomanalysen

Zellen werden durch Colchicin behandlung in der Methaphase angereichert.

à hypotone Behandlung Zellen schwellen an plazen auf auf Objektträger

Chromosomen werden frei à Karyogramm

-         In Zentrifugiertem Fruchtwasser können Stoffwechselerkrankungen (Mukoviszidose erkannt werden.

-         Chorionzottenpunktion in 9-12 SSW durch Scheide Choriozotten sind schnellwachsend deshalb nicht schlimm. Chromosomenanalyse à hohe Fehlgeburtenrate

-         Nabelschnurpunktion es wird Fetales Blut entnommen und untersucht.  Ab 19 SSW anwendbar.

 

5.1 Genregulation bei E-Coli-das Operon Modell

Operon-Modell beschreibt die Genregulation bei Prokaryoten auf Molekularer Ebene. Ecoli kann auf änderungen der Umwelt eingehen. Lactose statt Glucose als Energiebringer. Konzentration eines Enzyms wird im Bakterium wird von 5 bis 5000 Molekülen erhöht.  à Induktion

Besitzt 3 Enzyme zur Verwertung von Lactose entsprechend 3 Gene:

-         lacY-Gen codiert die Lactose-Permease, die Lactose in Zelle transportiert

-         lacZ-Gen codiert ß-Galactosidase, spaltet Lactose in Galactose und Glucose

-         lacA-Gen codiert eine ß-Galsctosid-Transacetylase, deren Funktion bei der Lactosespaltung noch unklar ist.

= Strukturgene weil jeweils ein Polypeptid codieren.

Bilden eine Transkriptionseinheit durch gemeinsame DNA-Region kontolliert und  in ein einziges mRNA-Molekül transkribiert wird.  Aber trotzdem 3 getrennte Polypeptide weil immer start und Stopp.Codon vorhanden ist.

Kontroll-Region besteht aus Promotor und Operator. Werden zusammen als Operon bezeichnet.

Promotor stellt Startstelle der Transkription dar.  In anschließender Operatorregion darf aber kein Repressorprotein gebunden sein. Es blockiert das Weiterwandern der RNA-Polymerase.  Wenn Substrat Lactose fehlt. nAlso ist lac-Operon blockiert sodass nur wenige Kopien der enzyme in der Bakterienzelle gebildet werden.  Repressor-Protein is das Produkt des Gens und heißt Regulatorgen. à leigt auserhalb des Operon. Wird es Mutiert entsteht ein inaktives Repressor-Protein und das lac-Operon bleicbt auch ohne Lactose aktiv.

Substratinduktion: Lactose bindet an Repressor-Protein à verändert dessen Raumstruktur à Repressorgen kann nicht mehr an Operon bindenà  Die Blockade der RNA-Polymerase wird aufgehoben à die Strukturgene abgelsen und Lactose Enzymatisch abgelesen.

Tryptophan-Operon: umfasst 5 Strukturgene. à 5 Enzyme und diese werden zu Tryptohan.  Wenn Bakterie selbst Tryptophan herstellen muss wird Tryptophan-Operon aktivert- Der gebildete Repressor bleibt inaviv und kann keine Bindung mit Operon eingehen. Tryptophanoperon wird exprimiert.

Zu Viel Tryptophan in der Zelle hemmt die Synthese weil mit Repressor-Protein reagiert und aktiviert. So bindung an Operator und schaltet so Operon ab. Mit Tryptophan wird das Endprodukt eines Syntheseweges die Genregulation ausgeübt wird, heißt es  à Endproduktrepression. (negative Rückkopplung)

 

Antibiotika

Hemmung des Bakterienwachstums unter den Begriff des Antibiotika.

Wirken auf Genetischen Apparat von Prokaryoten und hemmen die Translation.

Resistenzfaktoren auserhalb des Bakterienchromosoms in Plasmiden.  Schleusen geziehlt Antibotika aus Membranprotein.  R-Faktor enthält auch, die Übertragung von Faktoren von Zelle zu Zelle.  Die Antibiotika Resistenz kann auf spontaner Mutation oder der Übertragung von R-Faktoren beruhen.

 

Gensonde


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