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.
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.
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.
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