Mutationsarten
Mutationen sind Veränderungen im Erbgut. Ihre Träger bezeichnet man als Mutanten. Man unterscheidet 3 grundlegende Arten von Mutationen:
Genmutation, Chromosomenmutation und Genommutation.
Genmutation: auch Punktmutation.
1 Punkt = 1 Base, bzw. 1 Nukleotid der DNA und damit der m-RNA sind verändert. Manchmal wirkt sich das nicht aus. Und zwar dann, wenn die letzte Base im Triplett verändert ist. Da es 64 mögliche Tripletts gibt in der DNA, aber nur 20 in der Natur vorkommende Aminosäuren, so ist jede Aminosäure im Durchschnitt 3 mal codiert. Manchmal entsteht ein Eiweißstoff, der eingeschränkt oder anders wirksam ist.
Beispiele dafür liefert der Phenylalanin-Stoffwechsel:
In der Nahrung befindet sich Eiweiß. Dieses enthält auch die Aminosäure Phenylalanin. Unter gesunden Stoffwechselbedingungen kann die AS Phenylalanin durch ein Enzym (A) zu Tyrosin umgebaut werden. Das Tyrosin ist Ausgangsstoff für die Bildung des Haut- und Haarfarbstoffes Melanin und das Wachstumhormon Thyroxin. Das wird wieder ermöglicht durch Enzyme (B) und (C). Werden weder Melanin noch Thyroxin benötigt, so wird das Tyrosin umgebaut in Homogentisinsäure (=Alkapton).
Homogentisinsäure wird durch ein Enzym gespalten in die Endprodukte CO2 und H2O (NH2).
Ist nun eines dieser Enzyme durch eine Mutation verändert, so ist das Enzym entweder eingeschränkt oder gar nicht wirksam.
Das ist bei der PKU = Phenylketonurie der Fall. Die Menschen können die Aminosäure Phenylalanin nicht normal zu Tyrosin abbauen. Es entsteht Phenylbrenztraubensäure = Phenylketon. Und das ist giftig. Unerkannt füht es bei Kindern zu Debilität. Seit Mitte der 70er Jahre wird jedes Kind auf diese Krankheit hin untersucht. In Ostösterreich tritt diese Krankheit doppelt so oft auf, wie in Westösterreich, nämlich 1:8000. In England besonders häufig 1:4000, in Finnland besonders selten 1:80 000.
Oft entsteht ein Eiweißstoff, der unwirksam ist, z.B. bei Albinismus, Kretinismus, Alkaptonurie…).
Albinismus: Der Farbstoff Melanin kann nicht gebildet werden aus der Aminosäure Tyrosin. Die Folge ist eine Weiße Haut, weiße Haare und rote Augen, da man die Aderhaut des Auges sieht, weil die Pigmente der Iris fehlen. Besonders häufig ist diese Mutation in Ostafrika.
Kretinismus: Aus der Aminosäure Tyrosin kann kein Thyroxin = Wachstumshormon gebildet werden. Die Menschen bleiben klein (ca. 1,30 m) und das Gehirn kann sich nicht richtig entwickeln.
Alkaptonurie: Die Homogentisinsäure kann nicht zu CO2, H2O und NH2 abgebaut werden. Es entsteht dabei Alkapton. Dieses färbt den Harn bei Kontakt mit Sauerstoff schwarz. Die Betroffenen leiden gleichzeitig unter starken Gelenksschmerzen, weil das Alkapton in den Gelenkskapseln kristallisiert.
Manchmal ist die Mutation für den homozygoten Träger tödlich = Letalfaktor z.B. Sichelzellanämie: Die roten Blutkörperchen werden unter Sauerstoffmangel sichelförmig. Homozygot verläuft diese Krankheit tödlich. Heterozygote Träger dieses Gens sind gegen Malaria resistent. Daher tritt dieses Gen in Malariagebieten und ehemaligen Malariagebieten häufig auf. Die meisten Malariafälle gibt es heute in Afrika: ca. 480 Millionen infizierte Menschen, weltweit ca. 540 Millionen.
Davon sterben jährlich 2 – 3 Millionen. Ursache ist ein Sporentierchen (siehe Buch der 5.Klasse)
Progerie: Auf Grund eines fehlenden Eiweißstoffes altern die Kinder ab der Geburt. Lebenserwartung zw. 8 und 20 Jahren.
Fabismus: Genuss von Bohnen (Vicia faba) führt zu Hämolyse (Zerfall der roten Blutkörperchen). Tritt im Vorderen Orient auf, wo Bohnen die Hauptnahrung sind, bzw. waren.
Galaktosämie: Galaktose kann nicht verstoffwechselt werden. Galaktose ist für den Körper giftig. Hpts. Durchfälle und Erbrechen. Führte früher innerhalb weniger Wochen nach der Geburt zum Tod. Heute: Laktosefreie und galaktosefreie Ernährung.
Mukoviszidose = zystische Fibrose: Körper kann Enzym zur Verflüssigung des Schleimes der Schleimhäute nicht bilden – zäher Schleim, der die Atmungsorgane überzieht – langsames Ersticken, auch die Darmfunktion ist stark beeinträchtigt. Früher innerhalb weniger Jahre tödlich. Heute dank Gentechnik (neue Medikamente) Lebenserwartung bis zu 40 Jahre. Außerdem ist bei dieser tödlichen Krankheit Gentherapie erlaubt.
Dabei werden körpereigene Zellen entnommen, das entsprechende Gen eingesetzt und über den Blutkreislauf dem Körper wieder zurückgegeben. Einige Zellen erfüllen dann in der Lunge für etwa ½ Jahr ihre Funktion. Muss immer wieder erneuert werden.
Stoffwechselerkrankungen werden überwiegend rezessiv weitergegeben.
Körpermerkmale werden überwiegend dominant weitergegeben.
Beispiele: Kurzfingrigkeit, Syndaktylie (2 oder mehr Finger oder Zehen sind „zusammengewachsen“, besser gesagt, haben sich in der Embryonalentwicklung nicht getrennt)
Marfansyndrom: Wird unregelmäßig dominant oder rezessiv vererbt.
Dominante X-chromosomale Vererbung bei Nystagmus (erbliches Augenzittern), gelbbrauner Zahnschmelz, erbliche Nachtblindheit B (kann nicht durch ß-Karotin geheilt werden).
Insgesamt hat das Molekül bei höhern Wirbeltieren 104, Insekten 107, Pflanzen 112 Aminosäuren. Zwischen Menschen-Cytochrom und Hefe-Cytochrom stimmen immer noch mehr als die Hälfte der Stellen überein.
Blutgruppen sind ein Beispiel für multiple Allelie: 1 Gen liegt in mehreren Allelen vor. Rhesusfaktor Rh+ und Rh-. Blutgruppe und Rhesusfaktor sind beide Eiweißstoffe, die an die Membran der roten Blutkörperchen gebunden sind. Infusionen!???
Rh+ heißt, dass ich diesen Eiweißstoff habe, Rh- heißt, dass ich ihn nicht besitze! Problem Frau Rh- schwanger mit Rh+ -Kind. Bei 1. Schwangerschaft meist problemlos. 2. und jede weitere Schwangerschaft führte früher zum Tod des Kindes durch Hämolyse. Warum??? Beide Faktoren entdeckt von Karl Landsteiner, der dafür den Nobelpreis bekam. Warum???
Chromosomenmutation
Bei Chromosomenmutationen kann man eine Veränderung im Bau der Chromosomen feststellen, z.T. kann man sie im Lichtmikroskop sehen.
Duplikation, Deletion, Inversion und Translokation.
Duplikation:
Ein Teil des Chromosoms verdoppelt oder vervielfacht sich. Durch falsches Crossing over in der Meiose bei der Bildung der Geschlechtszellen entstehen Chromosomen, in denen Stücke doppelt sind, andere Chromosomen, in denen Stücke fehlen (Deletion). Im Genom fast aller Wirbeltiere, besonders aber der Säuger sind besonders viele Abschnitte nicht nur doppelt, sondern oft vielfach vorhanden (Pseudogene).
Oft werden sie aber nicht transkribiert. Sinn? Reserve für die Zukunft?!
Beispiele: Myoglobin, Sehpigmente für rot und grün (siehe oben). Manche Krebse besitzen 8 verschiedene Sehpigmente! Trypsin und Chymotrypsin S 92.
Stückverlust führt fast immer zu schweren oder tödlichen Störungen, v.a. bei Tieren. Beispiele: Eine Form der Bluterkrankheit,
Rezessive Gene, die auf dem X-Chromosom liegen:
Frauen mit einem kranken Gen sind gesund, aber Überträgerinnen, Männer sind krank: ihnen fehlt das 2. gesunde Gen.
Rot-grün Sehschwäche (Deletion). Bluterkrankheit (Deletion oder Inversion).
Katzenschreisyndrom: Stückverlust am kleinen Arm des Chromosoms Nr. 5. Kinder sterben früh. Eine der Ursachen: LSD. Führt allgemein zu Chromosomenbrüchen, auch in Körperzellen.
Inversion: Stück verkehrt eingebaut.
Inversionen führen bei Tieren ebenfalls fast immer zu schweren Störungen. Dabei liegen die Gene durch Schleifenbildung verkehrt im Genom.
Translokation: Übertragung eines Stückes auf ein anderes Chromosom.
Selbst wenn alle Gene vorhanden sind kommt es oft zur Veränderung des Aussehens oder Stoffwechsels (Positionseffekt). In der Menschheitsgeschichte hat Translokation incl. Deletion aber eine große Rolle gespielt. Alle Menschenaffen haben 48 Chromosomen, der Mensch nur 46. Welches Chromosom des gemeinsamen Vorfahrens wurde ganz übernommen? Welches hatte Stückverlust?
Genommutation
Euploidie und Aneuploidie.
Aneuploidie:
Einzelne Chromosomen im Satz sind überzählig oder fehlen. z.B.: 2n + 1, 2, 3… oder 2n – 1, 2, 3…, (zur Erklärung: 2n = diploid)
Mensch:
Im Zusammenhang mit den Geschlechtschromosomen:
Das sind Mädchen, die aufgrund des fehlenden 2. X-Chromosoms in der Embryonalentwicklung die Eierstöcke nicht völlig ausbilden konnten und damit auch über keine Eizellen verfügen. Sie kommen nicht in die Pubertät, da auch die weiblichen Geschlechtshormone nicht gebildet werden können. Sie werden nur ca. 1,5m groß.
Heute stellt man bereits bei der Geburt fest (Kindergynäkologe) ob alle Sexualorgane ausgebildet sind. Wenn nicht – so wie in diesem Fall – werden die Mädchen ab der Pubertät mit weiblichen Geschlechtshormonen versorgt, damit sie ein normales weibliches Aussehen bekommen. Häufigkeit ca. 1 : 4000
Klinefelter – Syndrom = XXY, XXXY
Das Y-Chromosom ist beim Menschen Geschlechts bestimmend, egal wie viele
Poly-X – Frauen = Superfemale-Syndrom XXX, XXXX
Sehr weibliche Formen, schwer von Begriff, mit zunehmender Zahl der X-Chromosomen zunehmend debiler. Selten.
Die große Zahl der X-Chromosomen, die viele Gene enthalten führt offensichtlich zu einer höheren Abortenrate, dasselbe gilt offensichtlich auch für das Turner-Syndrom.
Trisomie 21 = Down-Syndrom = Mongolismus:
Linder S 67 f, incl. Karyogramm
Die Kinder besitzen 3 Chromosomen Nr. 21. Da dies ein sehr kleines Chromosom ist, gibt es in der Schwangerschaft zwar manchmal Probleme, aber die überwiegende Zahl dieser Kinder wird – ohne künstlichen Schwangerschaftsabbruch – ausgetragen.
Mongolismus korreliert sehr stark mit dem Alter der Mutter: Mit 20 Jahren ist die Wahrscheinlichkeit ein mongoloides Kind zu bekommen 2– 4 von 10 000, zw. 40 und 45 sind es 18 von 1000 und steigt auf 3 von 100 bei Geburten von Frauen über 45 Jahren!
Die meisten anderen Trisomien führen von vornherein zu Aborten oder Fehlgeburten.
Trisomie 14 und Trisomie 18 werden – falls es nicht zu einem Abortus kam - meist lebend geboren, haben aber viele Anomalien (Pandan-Syndrom und Edwards-Syndrom – LKG-Spalte, verwachsene Finger und Zehen, Herzfehler, fehlende Speiseröhre…) und sterben oft bald nach der Geburt. Alle anderen Trisomien sind noch im Laufe der Schwangerschaft tödlich. Da diese Trisomien vom Alter der Mutter abhängig sind, wird es mit zunehmendem Alter (ca. 35 Jahre) immer unwahrscheinlicher ein gesundes Kind zu Welt zu bringen oder überhaupt schwanger zu werden.
Euploidie:
Ganze Chromosomensätze sind vorhanden.
Alle Chromosomensätze ab triploid bezeichnet man als polyploid.
Kommt bei Tieren und Menschen fast nicht vor, bzw. es kommt zu schweren Störungen.
Im Pflanzenreich gibt es sehr viele polyploide Pflanzen, es ist sogar der Regelfall!!!
Bei den Blütenpflanzen sind diploide Rassen meist Reliktpflanzen der letzten Eiszeit. „Neuere“ Arten, die nach der Eiszeit entstanden sind, sind fast ausschließlich polyploid. Sie vereinen mehrere Erbeigenschaften von den ursprünglichen Arten und sind daher besser anpassungsfähig. Meist auch größer, bei Gartenpflanzen ertragreicher.
Beispiel: Schafgarbe (Achillea millefolium). Sie ist tetraploid. (oder hexaploid, auch oktoploide Rassen sind bekannt).Sie kommt heute in ganz Europa vor in unterschiedlichen Ausprägungen und verschiedenen Inhaltsstoffen, je nach Standort. Entstanden ist diese „Allerwelts-Schafgarbe“ im Osten Österreichs nach der letzten Eiszeit. Dort gab (und gibt es) in den Sumpfwiesen eine diploide Sumpfschafgarbe.
Diese Kreuzung hat man als Experiment an der UNI-Wien nachvollzogen. Es kam dabei eine A. m. heraus.
Sind bei der Entstehung der Polyploidie mehrere Arten beteiligt, so spricht man von
Allo-Polyploidie (allos – der Andere). Hat sich ein einziges Genom vervielfacht, so spricht man von Auto-Polyploidie.
Bei Blütenpflanzen ist die Größe der Pflanze oft abhängig von der Anzahl der Chromosomensätze. Linder S 24.
Beispiel: Entstehung des Saatweizens (Schautafel)
Pflanzen mit 2 oder mehreren verdoppelten Genomen mit geraden Zahlen sind fruchtbar und können Samen bilden.
Pflanzen mit ungeradzahligen Chromosomensätzen sind unfruchtbar. Sie können entweder vegetativ vermehrt werden, oder in der Natur sich selbst durch Stecklinge, Ausläufer, Ableger… vermehren.
Man bezeichnet diesen Effekt als Heterosiseffekt. Solche Samen werden von Saatgutfirmen hergestellt und als sog. F1-Hybriden verkauft. Sie sind unfruchtbar. Ich muss sie jedes Jahr wieder kaufen, habe aber den Vorteil, dass ich bes. gute, süße, aromatische… Pflanzen, Früchte… erhalte. Machen sie ausnahmsweise doch Samen, so schlagen sie auf die meist kleinen Eltern zurück.
Die Eltern gewinnt man durch Inzuchtlinien: Sie werden mehrere Jahre nur in sich gekreuzt (meist 6x). Dann wird experimentiert, welche Rassen bei Kreuzung besonders gute Ergebnisse erzielen.
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