Kapitel 08.12: Molekulare Grundlagen der Vererbung (Molekulargenetik)

Kapitel 08.12 Molekulare Grundlagen der Vererbung (Molekulargenetik)

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Inhalt Kapitel 08.12: Molekulare Grundlagen der Vererbung (Molekulargenetik)............................................ 1 Inhalt.................................................................................................................................................. 2 Genübertragung und Genaustausch bei Sexualvorgängen höherer Lebewesen............................... 5 Der Birkenspanner als Beispiel für Mimese.................................................................................... 5 Der Birkenspanner............................................................................................................................. 6 Der Birkenspanner ist auf weißen Birken gut getarnt:..................................................................... 6 Wdh. DNA & Chromosomen.............................................................................................................. 7 Feinstruktur der Chromosomen......................................................................................................... 8 Extrachromosomale Vererbung......................................................................................................... 9 Zur Geschichte der Entdeckung der DNA........................................................................................ 10 1928 - Erste Versuche von Frederick Griffith:............................................................................... 10 Streptococcus pneumoniae - ein Erreger der Lungenentzündung................................................... 11 1944 - Die Transformationsversuche von Avery........................................................................... 12 Übersicht: Averys Transformationsversuche.................................................................................... 13 Genaustausch durch parasexuelle Vorgänge bei Bakterien............................................................ 14 Informationen zum Thema Penicillin ............................................................................................ 14 Ein Bakterium (Protocyte):............................................................................................................ 14 Vermehrung der Bakterien............................................................................................................... 15 1. Einfaches Schema der Plasmidübertragung in einer Konjugation............................................ 16 2. Schematische Übersicht zur Bedeutung von parasexuellen Vorgängen................................... 17 Konjugation mit hfr-Stämmen.......................................................................................................... 18 Übungsaufgabe: Konjugation mit hfr-Stämmen............................................................................... 19 Zwei Arten des Einbaus von Plasmidgenen..................................................................................... 20 Exkurs: Was sind Viren?.................................................................................................................. 21 Gentransfer durch Bakteriophagen.................................................................................................. 22 Einsatz von Phagen:..................................................................................................................... 22 Entwicklung und Vermehrung von Bakteriophagen:..................................................................... 23 Angriff der Bakteriophagen.............................................................................................................. 25 DNA-Extraktion von DNA aus Zwiebeln........................................................................................... 26 Aufbau der DNA.............................................................................................................................. 27 Quantitative Analyse der DNA durch saure Hydrolyse................................................................. 27 Die Bausteine der DNA im Detail..................................................................................................... 28 Die vier Nukleinbasen (sowie Uracil)............................................................................................ 28 Was bedeuten die Begriffe Purin und Pyrimidin?............................................................................. 29 Nucleosid & Nukleotid...................................................................................................................... 30 Nucleosid (selten verwendet!):..................................................................................................... 30 Nucleotid (häufig verwendet!):...................................................................................................... 30 Ein Nucleotid im Detail (am Beispiel eines Thymidin-Nukleotiden): ............................................. 30 Verschiedene weitere Darstellungsformen (am Beispiel von Adenin):.......................................... 31 Geschichte der Entschlüsslung des Erbguts.................................................................................... 32 1951 Alexander Robert Todd........................................................................................................ 32 1952 Maurice Wilkins................................................................................................................... 32 1953 Watson und Crick entschlüsseln die DNA............................................................................ 32 Biographie James Deway Watson (*1928).................................................................................. 32 Biographie: Francis Harry Crick (1916- 2004).............................................................................. 32 Was ist nun die DNA?...................................................................................................................... 33 a) Die Verknüpfung der Basen..................................................................................................... 33 Erstelle einen DNA-Abschnitt der Sequenz AGCTGTCA................................................................. 35 Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen................................................................. 36 Zusammenfassung:...................................................................................................................... 37 Die identische Verdopplung der DNA (= Replikation bzw. Reduplikation)........................................ 38 a) Vorüberlegungen zur identische Verdopplung der DNA........................................................... 38 1958 Meselson/ Stahl: Versuche zur Bestimmung des tatsächlichen Replikationsmechanismus. 39 Übersicht über Meselson & Stahls Experiment................................................................................ 41 Zusatzinformationen zu den Experiment von Meselsohn und Stahl (1958)...................................... 42
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3 Zusatzinformationen zu Meselson & Stahl: Die Methode der Dichtegradienten-Zentrifugation........43 Kleiner Exkurs: ATP, GTP, TTP, CTP.............................................................................................. 44 Tatsächlicher Ablauf der Replikation durch Enzyme........................................................................ 45 Aufgaben......................................................................................................................................... 47 Lösungen......................................................................................................................................... 48 Die Replikationsblase...................................................................................................................... 49 DNA Replikationsunterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten....................................................... 50 Übung zur DNA Replikation............................................................................................................. 50 Die DNA-Polymerase....................................................................................................................... 51 Polymerase-Aktivität..................................................................................................................... 51 Exonuklease-Aktivität................................................................................................................... 51 Was sind Primer?............................................................................................................................ 52 Was ist die Primase?....................................................................................................................... 52 Gentechnik: Untersuchung von DNA............................................................................................... 53 Die Polymerase Kettenreaktion (=PCR).......................................................................................... 53 Ablauf der PCR................................................................................................................................ 55 PCR-Ablauf...................................................................................................................................... 56 Primer für die PCR........................................................................................................................... 57 Welche PCR-Primern sind wann geeignet?.................................................................................. 57 Länge des Primers und Wahrscheinlichkeit des Misspriming:...................................................... 57 Gelelektrophorese........................................................................................................................... 58 Genetischer Fingerabdruck.............................................................................................................. 60 PCR-Anwendungsgebiete II: Vaterschaftstest................................................................................. 62 PCR-Anwendungsgebiete III: Erkennung von Krankheiten.............................................................. 63 PCR-Anwendungsgebiete IV: Mutagenese...................................................................................... 63 PCR-Anwendungsgebiete V: Analyse alter (fossiler) DNA............................................................... 63 PCR-Anwendungsgebiete VI: Geschlechtsbestimmung.................................................................. 63 PCR-Anwendungsgebiete VII: Klonierung von Genen..................................................................... 63 DNA-Sequenzierung (nach Sanger)................................................................................................ 64 Übersicht DNA-Sequenzierung nach Sanger................................................................................... 66 DNA Hybridisierung......................................................................................................................... 67 Primerhybridisierung........................................................................................................................ 67 Vom Gen zum Merkmal................................................................................................................... 68 Aufbau der Proteine...................................................................................................................... 68 a) Grundbausteine der Proteine: die Aminosäuren (AS)............................................................... 69 b) Die Peptidbindung.................................................................................................................... 69 c) Struktur der Proteine................................................................................................................ 71 Zusatzinformationen..................................................................................................................... 71 Übersicht über die vier Proteinstrukturebenen:............................................................................. 72 d) Wechselwirkung innerhalb eines Proteins................................................................................ 73 e) Bedeutung von Proteinen......................................................................................................... 73 f) Einteilung der Proteine.............................................................................................................. 74 f) Zum Vergleich - Proteide........................................................................................................... 74 Systematik der Proteine geordnet nach deren Funktion.................................................................. 75 Ein Vergleich: Wie viele AS-Kombinationsmöglichkeiten gibt es?.................................................... 75 Ort der Proteinbiosynthese.............................................................................................................. 76 Die Aminosäuren (=AS)................................................................................................................... 77 Übersicht über die 20+2 Aminosäuren......................................................................................... 77 Übersicht über die essentiellen Aminosäuren.................................................................................. 78 Proteinbiosynthese bei Eukaryonten: „Vom Gen zum Protein“........................................................ 79 a) Transkription:........................................................................................................................... 80 Ablauf der Transkription im Detail:................................................................................................ 80 Übung: Vervollständige den Strang................................................................................................. 80 b) Ablauf der Translation:............................................................................................................. 81 Die tRNA - „Übersetzerin des Codes“.............................................................................................. 82 a) Aufbau der t-RNA..................................................................................................................... 82 b) Das Codon ist das „Wort“ der tRNA.......................................................................................... 82 Die Translation im Detail.................................................................................................................. 83 Kettenabbruch:............................................................................................................................. 84
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4 Transskrption................................................................................................................................... 85 Translation nach dem 3 Stufenmodell.............................................................................................. 85 Das Ribosom................................................................................................................................... 86 Das Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten:........................................................................... 87 Das (neuere) allosterische Dreistellenmodell der Ribosomenfunktion............................................. 88 Das Ribosom verfügt über drei tRNA-Bindungsstellen:................................................................ 88 Die Wobble Hypothese zum degenerierten Code der DNA............................................................. 89 Übersetzung der mRNA in Triplettcodons........................................................................................ 89 Darstellungen einer tRNA................................................................................................................ 90 Übersicht der Translation................................................................................................................. 91 Genexpression................................................................................................................................ 92 Unterschiede von RNA und DNA..................................................................................................... 93 Unterschiede zwischen DNA und RNA............................................................................................ 94 Aufgaben zu den Unterschieden von DNS & RNS........................................................................... 95 Ist der genetische Code universell gültig für alle Lebewesen?......................................................... 96 In welche Richtung laufen Transskription und Translation ab?........................................................ 97 Aufgaben......................................................................................................................................... 97 Übung zur Translation..................................................................................................................... 98 Erkläre die Bedeutung der folgenden Grafik.................................................................................... 98 Zentrales Dogma der Molekulargenetik........................................................................................... 99 Der genetische Code..................................................................................................................... 100 Die Codonsonne............................................................................................................................ 101 Der genetische Code..................................................................................................................... 102 Genexpression bei Eukaryoten...................................................................................................... 104 a) Exons & Introns...................................................................................................................... 104 b) Spleißen (Splicing)................................................................................................................. 104 c) Alternatives Spleißen.............................................................................................................. 105 Übersicht über das Splicing........................................................................................................... 106 DNA Reparatur.............................................................................................................................. 107 Transposons.................................................................................................................................. 108

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Genübertragung und Genaustausch bei Sexualvorgängen höherer Lebewesen Der Birkenspanner als Beispiel für Mimese Mimese (Griechisch = Nachahmung) ist eine Tarnungsform, bei der Objekte wie z.B. Rinden, Böden, Steine usw. durch Pflanzenteilen oder Tiere zur Überlistung von Fressfeinden imitiert werden. Der Birkenspanner ist ein weißer Schmetterling, der durch seine Farbe gut auf Birken getarnt ist. Durch eine Mutation gibt es allerdings auch eine (seltenere) fast schwarze Variante.

Lebewesen in seiner Urform

Mutation & Rekombinationen Befruchtungsvorgänge (Genübertragung)

genetische Varianten

Umweltänderungen

Selektion der Umwelt

Verrußung der Birken durch Industrieabgase

Birkenspanner (Hellform)

Birkenspanner (Dunkelform) ⇒ v.a. die Dunkelform gibt ihre Gene weiter!

Quelle Bilder: CC-BY-SA-2.5 and GNU FD by Wikicommonsuser Olaf Leillinger - Danke! Birkenspanner weiß: http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.7200.jpg Birkenspanner schwarz: http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.f.carbonaria.7209.jpg

Wirkung der natürlichen Selektion: ● Die Selektion kann benachteiligend wirken ⇒ Aussterben der Variante ● Die Selektion kann vorteilhaft wirken ⇒ Vermehrung, Verbreitung und Weiterentwicklung der Variante

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Birkenspanner http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Lichte_en_zwarte_versie_berkenspanner.jpg

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Der Birkenspanner

Quelle Bilder: CC-BY-SA-2.5 and GNU FD by Wikicommonsuser Olaf Leillinger - Danke! Birkenspanner weiß: http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.7200.jpg Birkenspanner schwarz: http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.f.carbonaria.7209.jpg

Der Birkenspanner ist auf weißen Birken gut getarnt: (siehe: http://www.weloennig.de/BistonA.html) Bild: http://www.weloennig.de/pic/BisonGr.jpeg
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Wdh. DNA & Chromosomen • • • • • • • • Das Wort Chromosom ist vom Griechischen („chromos“ = Farbe) abgeleitet. Bitte beachten: Der Plural ist Chromosomen! Das Wort „Chromosome“ existiert nicht. Ein Abschnitt auf einem Chromosom wird Gen genannt. Der Mensch verfügt über rund 30000 Gene Thomas Hunt Morgan beweist durch Experimente 1910, dass die Chromosomen Träger der Erbinformation sind. Außerdem erstellte er erste Chromosomenkarten. Es liegen in der Regel zwei homologe Chromosomenpaare vor (diploider Chromosomensatz). In den Keimzellen gibt es aber auch haploide Zellen mit einfachem Chromosomensatz. Aussagen über die Entwicklungshöhe eines Lebewesens können nicht durch die Anzahl an Chromosomen getroffen werden! Bei Bakterien gibt es keine Chromosomen, da ihre ringförmige DNA nicht spiralisiert werden kann. Menschen, Tiere sowie fast alle Pflanzen haben 2 Geschlechtschromosomen (XX= weiblich; XY= männlich). Sie werden auch Gonosomen genannt. Die Autosomen hingegen sind die restlichen 22 homologen Chromosomenpaare. Sie werden auch Körperchromosomen genannt. Eine Ausnahme besteht bei Vögeln. Hier ist das Männchen homogametisch (XX) und das Weibchen heterogametisch (XY). Die Enden der Chromosomen werden als Telomere bezeichnet. Sie sind durch eine bestimmte, sich wiederholende DNA-Sequenz gekennzeichnet. Bei jedem Mitosedurchgang wird das Chromosomen dabei ein kleines Stück an den Telomeren kürzer. ⇒ Nach ca. 100 Zellteilungen nimmt die Qualität der neu entstandenen Zellen und des Erbgutes ab. ⇒ Nicht jede Zelle ist somit beliebig teilungsfähig. ⇒ Telomere sind ausschlaggebend für Alterungsprozesse im Körper (u.a. der Haut). Mitose: Bildung von Körperzellen mit diploidem Chromosomensatz. Meiose: Bildung von Keimzellen (=Gameten) mit haploidem Chromosomensatz. „Einstrang-Hypothese“: Chromosomen bestehen aus zwei Chromatiden. Jede Chromatide ist nur von einem einzigen DNA-Doppelstrang durchzogen (mittlerweile wissenschaftlich belegt durch Autoradiographie - die Hypothese ist also im Grunde keine mehr *g*). Der Elementarfaden (=Chromatinfaden) ist pro menschliche Zelle ca. 2.2m lang. Damit er überhaupt in die Zellen passt, ist er durch Schraubung 1., 2. und 3. Grades verkürzt. Der eigentliche Elementarfaden des Erbguts besteht aus DNA, die um Histonkomplexe gewickelt ist. Die blau beschriftete 10nm Fiber (DNA mit Nucleosomen) ist spiralförmig zur nächsthöheren Faltungsstruktur aufgewickelt (30nm Fiber), welche wiederum spiralförmig aufgewickelt ist. ⇒ 3 fache Spiralisierung der DNA.

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Chromosomen kann man (z.B. für lichtmikroskopische Untersuchungen) färben. Man erkennt dann auf dem Chromosom verschieden helle Abschnitte (=Banden). Die Färbbarkeit bestimmter Regionen des Chromosoms hängt vom Grad der Spiralisierung ab.

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Feinstruktur der Chromosomen

Quelle Bild: Public Domain by www.genome.gov & Wikicommonsuser Phrood; Thank you http://www.genome.gov/Pages/Hyperion//DIR/VIP/Glossary/Illustration/chromosome.shtml http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Chromosom.svg

Achtung: Zeichnerische Ungenauigkeit! Das Telomer ist als Ende des Chromosoms definiert, folglich kann aus ihm keine Chromatinfiber mehr hervorkommen!

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Extrachromosomale Vererbung Unter dem Begriff extrachromosomaler Vererbung (auch zytoplasmatischer Vererbung) versteht man die Weitergabe von Genen, welche bei Eukaryoten außerhalb des Zellkern liegen. Extra bedeutet soviel wie „außerhalb“ und bedeutet in diesem Sinne soviel wie „Dan, außerhalb des Zellkerns). Extrachromosomale DNA findet man bei Bakterien in Plastiden und bei Eukaryoten z.B. in Mitochondiren und Chloroplasten. Letzte werden als semiautonome Organellen. Sie verfügen über eine eigene DNA und in der regel über eigene Zellteilung. Evolutionsbiologisch sind diese Organellen vermutlich einigen Milliarden Jahren als Einzeler von größeren Enzellern aufgenommen, aber nicht verdaut worden. Stattdessen lebten sie in einer symbiose gemeinsam, zum gegenseitigen Nutzen, bis nach vielen Millionen Jahren, die Organellen ihre Eigenständigkeit zum Teil einbüßten. Die Theorie, die dies erklärt ist die „Endosymbiontentheorie“. Untersuchungen von extrachromosomaler DNA ist für Anthropologen und Archaelogen von größter Bedeutung. Durch die geringe Veränderung dieser DNA kann man Stammbäume über lange Zeiträume hinweg aufstellen. Die Besonderheit der exrachromosomalen Vererbung liegt in der Tatsache, das diese Gene nur von Frauen weitergegeben werden. Der Grund ist offensichtlich: Weiblichen Keimzellen enthalten immer deutlich mehr Cytoplasma als Spermien und wenn ein Spermium in diese eindringt, dann ohne Mitochondiren. Extrazelluläres Erbgut befindet sich in z.B. Mitochondiren und Chloroplasten und wird immer nur über die mütterliche Linie vererbt (bei Tier und Pflanze). Die Mitochondrien der Spermien dringen nicht in die Eizelle ein. Somit gelten für diesen Vererbungstyp die Mendelschen Regeln nicht.

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Zur Geschichte der Entdeckung der DNA 1928 - Erste Versuche von Frederick Griffith: Der britische Mediziner und Bakteriologe führte Versuche mit Pneumokokken durch. Diese Bakterien bestehen aus zwei Zellen (Doppelkokken). Es gibt sie in zwei verschiedenen Formen, mit und ohne Schleimkapsel. Die S-Form verfügt über eine intakte Schleimkapsel (=Polysaccharidkapsel). Ihre Oberfläche ist glatt (deshalb smooth - S-Form). Diese hochinfektiösen Bakterien lösen bei Mäusen eine Form der Lungenentzündung aus, welche in der Regel tödlich endet. Das Immunsystem der Mäuse kann die bakteriellen Erreger nicht erkennen, da diese durch ihre Schleimkapsel gut vor dem Erkennen durch die Immunabwehrzellen geschützt sind. ⇒ Die S-Form der Pneumokokken ist infektiös. Durch eine Mutation ist ein weiterer Stamm entstanden, der diese Polysaccharidkapsel nicht bildet. Die Oberfläche der Bakterien ist rauer (rough - R-Form). Diese Bakterien werden leicht vom Immunsystem identifiziert, da ihre Oberflächeneiweiße gut erkannt werden können. Einmal erkannt, werden sie von Makrophagen (=Fresszellen) gefressen. Es kommt nicht zum Ausbruch einer Infektion ⇒ Die R-Form der Pneumokokken ist nicht infektiös. S-Form (smooth): R-Form (rough): infektiös (=pathogen) nicht infektiös

V1: Griffith injizierte lebenden Mäusen nun beide Bakterienstämme. B1: Er stellte fest, dass die Impfung mit dem S-Stamm eine tödliche Lungenentzündung auslöste. Die R-Form löst keine Krankheit aus. V2: Griffith impfte nun eine Mischung aus lebenden R-Stamm und (durch Hitze) abgetöteten S-Bakterien lebenden Mäusen. Er vermutete, dass es zu keiner Infektion kommt, da ja keine lebenden pathogenen Keime geimpft wurden. B2: Er beobachtete nun, dass die Gabe von einem abgetötetem S-Stamm und dem lebenden R-Stamm sehr wohl die Versuchsmäuse auch tötet! Die gemeinsame Gabe brachte die Versuchstiere schnell um.

Schlussfolgerung: Zuerst wunderte sich Griffith sehr. Er folgerte dann aber, dass etwas von der S-Form auf die R-Form übertragen worden sein muss, was zur Ausbildung einer Schleimkapsel bei der noch lebenden r-Form ermöglicht haben muss und was so die R-Form nun auch infektiös macht. Er fand aber darauf keine schlüssige Antwort, was das sein könnte. Er vermutete dass entweder DNA oder Proteine zwischen den Bakterien übertragen wurden. Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokokken http://de.wikipedia.org/wiki/Streptokokken http://de.wikipedia.org/wiki/Frederick_Griffith http://commons.wikimedia.org/wiki/Streptococcus_pneumoniae
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Streptococcus pneumoniae - ein Erreger der Lungenentzündung

Quelle Bild: public domain by Wikicomonsuser Encephalon & Centers for Disease Control and Prevention's Public Health Image Library Photo Credit: Janice Carr, Content Provider Dr. Richard Facklam, CDC image no 262 - Thank you; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Streptococcus_pneumoniae.jpg

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1944 - Die Transformationsversuche von Avery Der Amerikanische Arzt Oswald Avery überprüfte 1944 das Experiment von Griffith und wandelte es ab. V: Er gab zu kapsellosen R-Bakterien in zwei Versuchen einmal die DNA der S-Form und einmal die Proteine der S-Form. Er wollte so die Frage klären, ob nun die DNA oder die Proteine die Information zur Schleimkapselbildung an die R-Form weitergaben. B: Die DNA der infektiösen S-Form in Kombination mit lebenden R-Form-Bakterien führte zur Bildung einer neuen Generation von Bakterien mit Schleimkapsel. Die Zugabe von Zellproteinen zur R-Form brachte hingegen keine keine Änderung!

S: ⇒ Die DNA gibt die Informationen weiter, nicht die Proteine. Als Transformation bezeichnet man die Übertragung von nackter DNA von einem Bakterienstamm auf den anderen und damit die Weitergabe vererbbarer Eigenschaften.

Zusatzinformationen http://de.wikipedia.org/wiki/Frederick_Griffith http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumokokken http://de.wikipedia.org/wiki/Oswald_Avery http://de.wikipedia.org/wiki/Transformation_%28Genetik%29

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Übersicht: Averys Transformationsversuche

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Genaustausch durch parasexuelle Vorgänge bei Bakterien Informationen zum Thema Penicillin 1929 entdeckte Alexander Fleming das erste Antibiotikum. Es ist das ausgeschiedene Stoffwechselprodukt eines Schimmelpilzes der Gattung Penicillium. Flemming nannte dieses Stoffwechselprodukt Penicillin. Es verursacht Wachstumshemmung bei vielen Bakterien, die eine große Zahl menschlicher Infektionskrankheiten wie Halsentzündungen, Lungenentzündung, Haut- und Wundinfektionen, Scharlach usw. verursachen. Die genaue chemische Zusammensetzung konnte man allerdings erst 1945 bestimmen. 1945 erhielten Fleming, Chain und Florey dafür den Nobelpreis. Was ist ein Plasmid? In Bakterien gibt es nicht nur die ringförmige, kernlose DNA, sondern zusätzlich auch kleine, ebenfalls ringförmige DNA-Moleküle. Sie werden Plasmide genannt. Plasmide sind durch Zweiteilung in einer Region, die man Replikationsbereich nennt, selbstreplizierend. Die DNA der Bakterien ist ringförmig geschlossen. In manchen Büchern steht , Bakterien hätten Chromosomen - Dies ist schlicht falsch, da sich die ringförmige DNA der Procyten nicht spiralisieren kann! Chromosomen kommen nur bei Eucyten vor. Plasmide enthalten mehrere Gene. Ein bekanntes Beispiel ist z.B. die Antibiotikaresistenz von einigen Bakterienstämmen. Ein Bakterium (Protocyte):

Zellwand Zellmembran mit Einstülpungen Zellplasma

Ribosomen Schleimkapsel ringförmige DNA Granulum Reservestoffe Plasmid

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Vermehrung der Bakterien

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1. Einfaches Schema der Plasmidübertragung in einer Konjugation Bei dem Darmbakterium E. coli kennt man viele verschiedene Plasmide (z.B. die F-Plasmide mit 25 Genen oder die R-Plasmide mit bis zu 10 Genen). Das F-Plasmid ist u.a. für die Ausbildung einer Proteinröhre (welche auch Plasmabrücke genannt wird (=Sexualpilus)) verantwortlich,über die DNA von einer Zelle zu einer anderen übertragen werden kann. Man unterscheidet zwischen Zellen, die kein F-Plasmid enthalten (F-) und solchen die es enthalten (F+). Die F+-Zellen („männlich“) können nun durch Konjugation den FZellen („weiblich“) eine Kopie des Plasmids übertragen. ⇒ nach der Konjugation sind beide Zellen F+. Anmerkung: Oft wird allerdings nicht die gesamte DNA übertragen. Ein Bruch der Proteinröhre, sorgt dann nur für einen teilweisen Gentransfer. Das R-Plasmid (=Resistenz-Plasmid) enthält bis zu 10 Resistenzgene. Sie sorgen für eine Resistenz gegenüber Penicillin. Ebenfalls durch Konjugation kann sich so eine Antibiotikaresistenz auf verschiedene Bakterien übertragen. Artgrenzen spielen dabei keine Rolle! So können antibiotikaresistente Darmbakterien diese Eigenschaft leicht an Krankheitserreger weitergeben. Genauso können Bakterien im Mund, welche resistent sind, diese Informationen weitergeben. Dies ist besonders wichtig, da im Mund Milliarden von Bakterien sind, welche durch gemeinsames benutzen von Getränken sowie durch Küssen schnell ihre Resistenz weitergeben können. Gründe für die Resistenz sind vielfältig. Es kommt zum Teil zu einer Ausbildung einer tarnenden Schleimkapsel. Manchmal finden Bakterien aber auch einen neuen Stoffwechselweg, der es ihnen erlaubt mit dem für sie giftigen Penicillin zurechtzukommen. Bedeutung erhält dieser Vorgang, da sonst harmlose Darmbakterien (wie E-coli) manchmal das RPlasmid tragen, somit gegen Penicillin resistent sind und durch Konjugation diese Eigenschaft an krankheitserregende Bakterien weitergeben. Auch diese sind dann gegen das Antibiotikum immun! Zum Beispiel gibt es in speziell in Krankenhäusern multiresistente Bakterienstämme, die manchmal schlimme Krankheiten wie Lungenentzündung auslösen können. Die Bekämpfung dieser Krankheiten ist dann sehr schwierig, da die Ärzte ja auch nicht sofort wissen, gegen welche Antibiotika ein Bakterienstamm Patient bereits resistent ist. Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Konjugation_(Biologie)

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2. Schematische Übersicht zur Bedeutung von parasexuellen Vorgängen
Mutationen Konjugation (Genübertragung) Rekombination durch Plasmideinbau

Lebewesen in seiner Urform: Bakterium

genetische Variante: rekombinante Bakterien mit zusätzlichen Plasmiden E. coli (mit Plasmiden, welche das Resistenzgen für Penicillinase enthalten)

Umweltänderungen

Selektion der Umwelt

E. coli (ohne Plasmide), also auch ohne Resistenz

AntibiotikumAusscheidung durch einen Schimmelpilz

⇒ Überleben der rekombinanten Bakterien mit Penicillinase. Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Plasmid http://de.wikipedia.org/wiki/Resistenz http://de.wikipedia.org/wiki/Antibiotikum-Resistenz http://de.wikipedia.org/wiki/Antibiotikum http://de.wikipedia.org/wiki/Bakterien http://de.wikipedia.org/wiki/Parasexualität http://de.wikipedia.org/wiki/Penicillin

Aufgaben: 1. Was genau sind Plasmide? Welche biologische Bedeutung haben sie? 2. Beschreibe den Vorgang der Konjugation für beide Plasmide 3. Warum kann man Konjugation als Gentausch bezeichnen? Begründe 4. Die zufällige Ausbildung einer Antibiotikaresistenz beträgt ca. 1: 107. Die Wahrscheinlichkeit für den Austausch einer Resistenz bei E coli liegt bei ca. 1: 106. Welche Konsequenzen ergeben sich daraus, wenn man bedenkt, dass Bakterien im Schnitt alle 20-40min. eine komplette Mitose durchlaufen?

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Konjugation mit hfr-Stämmen

Nicht benötige sowie unvollständige DNA wird von der Zelle abgebaut!

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Übungsaufgabe: Konjugation mit hfr-Stämmen Für einen Versuch werden, ähnlich, wie es 1946 der Genetiker Joshua Lederberg mit E. coli Doppelmutanten gemacht hatte, zwei Bakterienstämme (beide auf Vollmedien gewachsen!) zusammengegeben. Diese Stämme gehören zwar zur gleichen Art, unterscheiden sich in den Genen und somit in ihren Fähigkeiten. Jedes Bakterium kann zwei von ihm benötige Aminosäuren selbst herstellen: Stamm 1: : his – thr – trp + val + – Stamm 2: F : his + thr + trp – val – his = Histidin thr = Threonin trp = Tryptophan val = Valin Beide Stämme werden gemischt und dann eine zeitlang in einem Vollmedium gehalten. Anschließend werden sie von diesem isoliert und gemeinsam auf einen Minimalnährböden ausgestrichen. Einem Minimalnährboden enthält neben Nährstoffen auch Stickstoff als Element, aber keine Aminosäuren! Normalerweise dürfte keiner der beiden Stämme auf einem solchen Minimalnährboden wachsen, da sie alle vier Aminosäuren zum Wachstum brauchen. Nach einiger zeit, kann man aber auf dem Minimalnährböden einige wenige Bakterienkolonien beobachten. Weitere Untersuchungen ergaben, 1. dass es sich dabei um F–-Zellen handelt. 2. dass der „neue“ Bakterientyp mit einer Häufigkeit von 10-6 auftritt 3. Viren zu keiner Zeit in an dem Prozess beteiligt waren! a) Was genau ist ein Minimalnährboden b) wie kann man mithilfe von solchen Nährböden Doppelmutanten finden und identifizieren? c) Welche genauen zellulären Vorgänge sind abgelaufen, die eine solche Beobachtung erklären? Gehe bei der Erklärung auch auf die Ergebnisse der nachfolgennde Untersuchungen ein.

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Zwei Arten des Einbaus von Plasmidgenen Betrachte die Grafik und erkläre beide Möglichkeiten:

hfr-Zelle

hfr-Zelle

Quelle Bild: Creative Commons Attribution ShareAlike 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/) by Wikicommonsuser Spaully; http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Plasmid_replication_(english).svg

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Exkurs: Was sind Viren? Für genauere Informationen bitte Kapitel „07.02 Feinde des Körpers“ lesen. Virus [lat.: Gift]: kleinste Erreger (0,02-0,7 µm), bestehend aus genetischem Material (RNA), welches von einer Schutzhülle umgeben ist. Sie verfügen nicht über die zur Reproduktion notwendigen Enzyme. ⇒ Viren dringen in den Körper ein, befallen Zellen und programmieren diese, neue Viren zu produzieren, d.h. Viren können sich nicht selbst vermehren, da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben und auch keine Lebewesen sind1. Auf ihrer Oberfläche tragen Viren sogenannte Hüllproteine (Eiweiße), diese verändern sich in ihrer dreidimensionalen Form meist geringfügig von Generation zu Generation. Viren dringen in eine Wirtszelle (z.B. eine Muskelzelle) ein, schleusen ihr Viruserbgut ein und „programmieren“ das Erbgut der Wirtszelle um. So bringen sie die Wirtszelle dazu, neue Viren zu produzieren. Viren können sich ohne Wirtszelle nicht vermehren2. Die Wirtszellen sind oft spezifisch, d.h. sie können meist nur eine Art befallen. So kann ein Pflanzenvirus nicht auf Menschen übergehen. Selbst der Wechsel zwischen recht verwandten Arten ist oft nicht möglich (z.B. Schimpansen/ Gorillas). Allerdings gibt es Beispiele für derartige Wechsel zwischen den Arten. Die Vogelgrippe kann z.B. auf Menschen übergehen, Tollwut und auch das HIVirus soll vom Affen auf den Menschen übergegangen sein. Typische Virenkrankheiten bei Menschen: Erkältungen, Grippe (=Influenza), Pocken & Windpocken, Masern, Herpes, Kinderlähmung (=Polio), AIDS, Röteln, Ebola, Tollwut, Mumps, Warzen, Hepatitis, Enzephalitis. Virenerkrankungen bei Tieren: Maul- und Klauenseuche, Tollwut, Kuhpocken Viren bei Pflanzen: Tabakmosaikkrankheit
Oberflächenproteine Virushülle Erbgut (RNA)

1 2

Eigentlich bestehen sie nur aus Erbgut, welches in einer Hülle verpackt ist Durch diese Form von Parasitismus könnte man Viren auch als Zellpiraten bezeichnen. 05.12.2010

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Gentransfer durch Bakteriophagen Viren können nicht nur Menschen, sondern auch Pflanzen und Bakterien befallen. Solche Viren, die Bakterien befallen, nennt man Bakteriophagen (griechisch phagein = fressen). Bakteriophagen sind Viren, welche Bakterien als Wirt nutzen. Es gibt verschiedene Arten von Bakteriophagen. Alle „missbrauchen“ die Bakterien (welche sie zufällig durch die Brownsche Molekularbewegung finden), neue Phagen zu produzieren. Sie sind keine Organismen, haben keinen Stoffwechsel und anstelle einer begrenzenden Membran verfügen sie nur über eine Proteinhülle. Ihre Größe beträgt ca. 20-300nm. Im Unterschied zu anderen Viren, dringen Phagen nicht ganz in ihre Wirtszellen ein. Stattdessen transferieren sie nur ihr Erbgut in den Wirt. Die Vermehrung von Bakteriophagen findet in bakteriellen Wirtszellen statt.

Quelle Bild: GNU Free Documentation License, Version 1.2 & Creative Commons Attribution ShareAlike license versions 2.5 by Wikicommonsuser Y_tambe; Domo Arigato; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Bacteriophage_structure.png; http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

Einsatz von Phagen:
● ●

Übertragung von DNA zwischen Bakterien. Einschleusen von DNA für Virenhüllprotein in Bakterien ⇒ Produktion von Impfstoffen

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Entwicklung und Vermehrung von Bakteriophagen: 1. Adsorption (=„Andocken“) an Bakterienzellwand: Die Phage setzt sich mit ihrer Endplatte auf Rezeptor der Bakterienwand 2. Injektion der Phagen-DNA in das Bakterium: Das bakterienwandauflösende Enzym „Lysozym“ zerstört Zellmembran. Die Phagen-DNA gelangt ins Innere. 3. Enzymsynthese: Spaltung des Bakterienchromosoms und Einbau der Phagen-DNA: Auf Befehl der Phagen-DNS bauen Enzyme die Bakterien-DNA ab und replizieren Phagen. 4. DNA-Replikation: Bildung von Phagen-DNA durch das Bakterium Die Phagen-DNA schließt sich zu einer Ringform zusammen. Die Vermehrung geschieht aus den Nukleotiden des Bakteriums heraus. 5. Proteinbiosynthese: Bildung von Phageneiweißen durch das Bakterium: Die unterschiedlichen Proteine des Phagen werden an verschieden Orten gebildet. 6. Reifungsphase: Phagenköpfe werden mit neuer DNA gefüllt. Anschließend findet die Anlagerung des Schwanzes statt. Durch zwischenmolekulare Kräfte setzen sich die Moleküle zur neuen Bakteriophage zusammen. 7. Lyse/ Freisetzung - Lyse (= Auflösen der Bakterienzellwand) und Ausschleusen der neuen Phagen: das Lysosom (auf Befehl des Phagen von Bakterium gebildet) setzt Lysozym frei, welches die Zellmembran auflöst, so das die gebildeten Phagen austreten können.

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2 Arten der Vermehrung bei Bakteriophagen: 1. Lytischer Vermehrungszyklus: ● zerstört Wirtszelle ● virulent (giftig) genannt ● Bei der Transduktion kann nun Bakterien-DNA „ausversehen“ von Phagen aufgenommen und so an die nächste Bakterie weitergegeben werden, wenn diese befallen wird. http://de.wikipedia.org/wiki/Lytischer_Zyklus 2. Lysogener Zyklus: ● DNA wird in die DNA des Wirts eingebaut (von nun an auch Prophage genannt) ● Begriffsklärung: eine Prophage ist eine Bakterienzelle in deren DNA Phagen-DNA integriert wurde. ● Die Bakterie wird durch Injektion der Phagen DNA zur Prophage. Also, die Bakterien-Prophage vermehrt sich weiter, weil das Bakterien nunmal tun. Wenn nun einer die vielen neuen Bakterien „Pech hat“ und sich deren Lebensbedingungen ändern, dann wird das Phagengenom aktiv (also lytisch), und diese Bakterie hat echt Pech... ;-) Das heißt, die Phagen beginnen sich zu vermehren, die Bakterien platzt auf und setzt Phagen frei. Beim Übergang in den lytischen Zyklus, muss natürlich die vorher mühsam integrierte Phagen-DNA wieder aus der Bakterien DNA rausgeschnitten werden. Das geht aber nicht so schnittgenau! Deswegen wird auch immer ein wenig Bakterien-DNA „mitgenommen“. Befallen nun die neuen Phagen wieder eine andere Bakterie, so bekommt diese auch Bakterien-DNA, und zwar welche, die sie vorher nicht hatte. ⇒ die neu befallene Bakterie hat ja 100% eigenes Erbgut, dazu kommt die Phagen-DNA und nur ein minimaler Rest vom der alten Bakterien-DNA ● ⇒ der lysogener Zyklus kann lytisch werden! ● Dieser Zyklus wird auch „temperent“ (=enthaltsam) genannt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Lysogener_Zyklus

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25 Bild 2:

Bild 1:

Quelle Bild1: GNU Free Documentation License by Lawrence paladine; thank you; http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Bakteriophage_T2_geschnitten.png

Quelle Bild2: Creative Commons Attribution ShareAlike license versions 2.5 by Wikicommonsuser Ayacop & Hans-Wolfgang Ackermann; http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371%2Fjournal.pbio.0030182&ct=1; http://en.wikipedia.org/wiki/Public_Library_of_Science; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Phage_S-PM2.png; http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

Aufgaben: 1. Die Begriffe „Virus“ und „Bakteriophage“ sind eigentlich falsch gewählt. Begründe. 2. Vergleiche die Vermehrung der Bakteriophagen und der übrigen Viren miteinander. Nenne Gemeinsamkeiten und Unterschiede. 3. Erkläre, was mit dem Satz „Bakterien leben - Viren lassen leben“ ausgedrückt werden soll. 4. Weshalb benutzt man in der Informatik den Begriff „Computerviren“? Finde Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Bakteriophagen http://de.wikipedia.org/wiki/Lysosom http://de.wikipedia.org/wiki/Lysozym

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Angriff der Bakteriophagen

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Graham Colm - Thank you; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Phage.jpg

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DNA-Extraktion von DNA aus Zwiebeln Material: ● 5-10ml Spülmittel, ● ½ Teelöffel Kochsalz ● 75ml Wasser, ● eine mittelgroße Zwiebel, ● ein schmales Becherglas & ein Reagenzglas ● ein Wasserbad (Becherglas oder Topf mit Wasser), Gefäß mit kaltem Wasser und evtl. Eiswürfeln, ● Mörser, ● Trichter mit Filterpapier ● Feinwaschmittel, ● gekühlter Brennspiritus (-18°C) (anstelle reinem Ethanol,welches zu teuer ist ● Glasstab oder Holzstab V: Mische Wasser, Spülmittel und Kochsalz in dem Becherglas. Dann schneide die Zwiebel in sehr kleine Stückchen (je kleiner, desto besser). Gib die Zwiebelstücke in die Lösung. Stelle das Becherglas mit der Lösung nun in das 60°C warme Wasserbad. Nach 15 Minuten nimm es heraus und kühle es einige Minuten in kaltem Wasser, so dass Du weiterarbeiten kannst. Um an die DNA zu gelangen, zermörsere die Zwiebeln (nicht zu stark, sonst wir die DNA zu stark beschädigt!), bis ein körniger Brei entsteht. Nun wird alles abfiltriert. Von dem Filtrat (der Flüssigkeit!) werden ca. 2ml mit einigen Körner Feinwaschmittel vermischt. Dieses enthält das Enzym Protease, welches weitere Zellproteine zersetzt. Nachdem alles gut vermischt ist, wird das Gemisch vorsichtig mit eiskaltem Alkohol (Spiritus) überschichtet. Nun kann man beobachten, wie die DNA schlierenartig aus der Alkohollösung nach unten als Feststoff ausfällt. Sie kann mit einem Stab entnommen werden.

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Aufbau der DNA DNA = Desoxyribonucleinacid (auf gut deutsch: DNS = Desoxyribonukleinsäure) *g* Bausteine: - Phosphorsäure - C5-Zucker Desoxyribose - 4 organische stickstoffhaltige Basen

Quantitative Analyse der DNA durch saure Hydrolyse Hydrolysiert man DNA und durch Kochen und Zugabe von Säuren, entsteht ein Hydrolysat aus den Bestandteilen Zucker, Phosphorsäure (eigentlich Phosphat in der DNA!) und 4 verschiedenen organischen Basen. Das Molverhältnis von Zucker : Phosphorsäure ist dabei 1 : 1. Der Wiener Erwin Chargaff zeigte 1950 experimentell, dass zwischen den Basen Adenin und Thymin ein Verhältnis von A : T = 1: 1 sowie von Guanin : Cytosin = 1: 1 vorliegt. Er folgerte daraus, dass die jeweiligen Paare zu so genannten Basenpaaren miteinander kombiniert sind. Er stellte genau Regeln auf, welche die Grundlage zum späteren Verständnis des DNA-Aufbaus waren: Die vier Chargaff-Regeln: 1. Die Basenzusammensetzung der DNA ist von Spezies zu Spezies unterschiedlich. Die DNA jeder Spezies besteht nur aus den vier Grundnukleotiden Adenosin, Thymidin, Guanosin, Cytidin (=dAMP, dCMP, dGMP und dTMP) Deren Anordnung ist unterschiedlich. 2. Verschiedene DNA-Proben aus unterschiedlichen Geweben eines Individuums sind gleich. 3. Die Basenzusammensetzung der DNA einer Spezies ist unabhängig von Alter, Ernährungszustand und Lebensraum. 4. In allen DNA-Molekülen gilt: A=T und C=G und A+G=T+C ⇒ Ein Basenpaar besteht immer aus 2 Basen. Es verbinden sich immer Adenin mit Thymin sowie Guanin mit Cytosin (und umgekehrt).

Aufgaben: 1. Erkläre den Ablauf und das Ergebnis einer sauren Hydrolyse von DNA 2. Was besagen die „Chargaff-Regeln”? Was kann an der vierten Regel leicht missverstanden werden?

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleinsäure http://de.wikipedia.org/wiki/Erwin_Chargaff

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Die Bausteine der DNA im Detail
H | O | H–O –P–O–H || O

Phosphorsäure Kurzform: Kurzform:
5’ 1’ 3’

P

Die vier Nukleinbasen (sowie Uracil3)

3

Uracil findet man nicht in DNA, aber in Ribonukleinsäure (=RNA). Dort ersetzt sie als Pyrimidin-Base Thymin. Somit wird sie durch zwei zwei Wasserstoffbrücken an Adenin gebunden. 05.12.2010

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Was bedeuten die Begriffe Purin und Pyrimidin? Ganz einfach, so werden zwei Verbindungen in der organischen Chemie genannt, welche zum einen cyklisch sind, aber auch außer Kohlenstoff noch Stickstoff in der Hauptkette enthalten. Man spricht auch von „heterocyclischen Kohlenwasserstoffen“. Beide Verbindungen tauchen in der Natur auf und sind im menschlichen Organismus in viele Abwandlungen zu finden. Aus ihnen leiten sich die DNABasen ab.

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Pyrimidin http://de.wikipedia.org/wiki/Purin

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Nucleosid & Nukleotid Nucleosid (selten verwendet!): Die Verknüpfung von Zucker und Base wird als Nucleosid bezeichnet. Die Namen der Basen sind (zur Unterscheidung) minimal dadurch verändert!
5´ 3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 1´

A = Adenosin T = Thymidin G = Guanosin C = Cytidin

1´

1´

1´

Nucleotid (häufig verwendet!): Die Verknüpfung von Nucleosid + Phosphorsäurerest wird als Nucleotid bezeichnet. Ein Nucleotid im Detail (am Beispiel eines Thymidin-Nukleotiden): Thymidin-DNA-Nukleotid Thymidin-RNA-Nukleotid

Kurzform für beide Bei DNA befindet sich anstelle der Ribose eine Desoxyribose. Diese unterschiedet sich v.a. durch das fehlende Hydroxid am 2. Kohlenstoff! Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribose
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Verschiedene weitere Darstellungsformen (am Beispiel von Adenin):

5´ 3´

1´

⇒ Das Nucleotid ist der eigentliche DNA-Baustein. Die Verknüpfung der Nukleotide findet jeweils über ein Phosphat am 3‘ Kohlenstoff der Ribose statt. Da Phosphat selbst am 5‘ Kohlenstoff verbunden ist, spricht man auch von er 3‘ - 5‘ Kettenform.

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Geschichte der Entschlüsslung des Erbguts 1951 Alexander Robert Todd Er bewies 1951, dass die Primärstruktur der DNA eine Folge von Nucleotiden ist. Wenige Nucleotide miteinander verbunden nennt man dabei Oligonukleotid. Primärstruktur eines Oligonukleotids:
5´

3´

1952 Maurice Wilkins Der Neuseeländer zeigte durch Röntgenstrukturanalyse: „Die DNA ist eine Doppelschraube“ 1953 Watson und Crick entschlüsseln die DNA Der Amerikaner James Watson ging 1951 nach Cambridge um mit Francis Crick ein Strukturmodell der DNA zu entwickeln. Für ihre Entdeckung bekamen sie zusammen mit Wilkins 1953 den Nobelpreis. Biographie James Deway Watson (*1928) ● Amerikanischer Biochemiker ● entdeckte zusammen mit Crick und den Röntgenphysikern Maurice Wilkins und Rosamund Franlin die Molekularstruktur der DNA ● 1950 erste Arbeit an der Universität über Bakteriophagen promoviert ● 1951 Übersiedlung nach England und zur Forschung an der DNA- Struktur ● Veröffentlichung der Ergebnisse 1953 im Naturwissenschaftsmagazin „Nature“ ● 1962 Nobelpreis in Medizin für die Entschlüsslung des Erbguts ● 1961-1976 Professor an der Harvard University ● 1976- 2007 Direktor des Cold Spring Habor Labor auf Long Island ● 2007 Suspension aufgrund rassistischer Äußerungen Biographie: Francis Harry Crick (1916- 2004) ● Englischer Physiker und Biochemiker ● 1937 Abschluss eines Physikstudiums ● Tätigkeit bei der Marine als Entwickler von Seeminen ● 1947 Spätes Studium der Biochemie ● 1951-1953 Zusammenarbeit mit Watson, Welkins und Franklin beim Molekularmodell der DNA ● 1962 Nobelpreis in Medizin für die Entschlüsslung des Erbguts ● Übersiedlung nach Amerika und Tätigkeit am kalifornischen Institut La Jolla ● 2004 Tod durch Darmkrebs
Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Nukleinbasen http://de.wikipedia.org/wiki/Adenin http://de.wikipedia.org/wiki/Cytosin http://de.wikipedia.org/wiki/Guanin http://de.wikipedia.org/wiki/Uracil
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Was ist nun die DNA? a) Die Verknüpfung der Basen

Wie man deutlich erkennt, verläuft eine Kette in die entgegengesetzte Richtung. Man sagt, die DNA besteht aus zwei miteinander verknüpften antiparalell verlaufenden Einzelsträngen. Diese bestehen aus Nukleotiden, welche je ein Zuckermolekül (Desoxiribose), ein Phosphat (am 5’ Ende gebunden) und einer Purin- oder Pyrimidinbase (A, G bzw. T, C) enthalten. Die Basen eines Stranges sind komplementär zu denen des zweiten Stranges. A ist mit T sowie C immer mit G verknüpft.

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b) Informationen zur DNA • Chromosomen bestehen aus DNA, welche aus besteht aus zwei Polynucleotidsträngen besteht. • die DNA besteht aus zwei langen Molekülketten, welche ein zu einer Doppelschraube gewundener Polynukleotid-Doppelstrang (=Doppelhelix) darstellen - entsprechend den Eiweißen kann man auch hier von einer Sekundärstruktur sprechen. • Die beiden Ketten der DNA sind rechtsgewunde Molekülketten. Sie verlaufen antiparallel. • Vergleicht man die DNA mit einer Strickleiter, so wären die „Holme“ von regelmäßigen Folgen aus Phosphat-Zucker-Ketten gebildet • Das Phosphat eines Nucleotids ist am 5’-Ende des Zuckers gebunden und knüpft mit dem 3’Ende eines weiteren Nucleotids eine feste Bindung. • die „Sprossen“ der „Strickleiter“ bestehen aus komplementären Basenpaaren (Adenin - Thymin, Thymin - Adenin, Guanin - Cytosin und Cytosin - Guanin). Das heißt die Reihenfolge der Basen in der einen Kette bestimmt die Abfolge der Basen in der zweiten Kette! • Ein Basenpaar besteht immer aus einer Purin- und einer Pyrimidinbase • Die zueinander passenden Basen bezeichnet man als komplementäre Basenpaare. • Die Einzelstränge sind komplementär („umgekehrte“ Entsprechung) • in jedem Teilstrang liegt ein bestimmter Richtungssinn vor. Es gibt ein 3’-Ende und ein 5’-Ende) ⇒ beide Teilstränge sind antiparallel angeordnet. • Die Desoxyribosemoleküle stehen senkrecht zu den Basen. • Im Grunde besteht die ganze Kette aus abwechselnd angeordneten Phosphorsäureresten und Desoxyribosemolekülen (von denen die Basen abgehen). Untereinander sind Phospat und Zucker durch 3’, 5’-Phosphodiesterbindungen verbunden. • Die Basensequenz (=Reihenfolge der Basenpaare) ist die eigentlich Codierung des Erbgutes und der Gene eines Lebewesens. • Ca. 1000 Basenpaare (Bp) entsprechen 1 Gen. • Die Ebenen der Zuckermoleküle sind immer 0,34 nm voneinander entfernt. Die Ebenen der Zuckermoleküle stehen in einem Winkel von 36°. Für eine vollständige Drehung der DNA sind also 10 Basenpaare notwendig. Somit erfolgt eine vollständige Windung (Drehung) nach 10 Basen, (360°). Eine Windung hat dann die Länge von 3,4 nm. • unter Sekundärstruktur versteht man die Zusammenlagerung von 2 Polynucleotidketten zu einer Doppelhelix. • die Doppelhelix wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den der Basenpaaren AT bzw. CG und Stapelkräfte stabilisiert (Bindung durch die Purin- bzw. Pyrimidinbasen). • Da Phosphat in der DNA noch zwei negative Ladungen besitzt, ist die DNA negativ geladen! • Neben der DNA gibt es eine weitere Form, die RNA (RiboNucleinAcid). Sie wird innerhalb der Zelle, z.B. beim Versenden von Botschaften (=messenger-RNA) oder als so genannte transferRNA bei der Proteinbildung (in den Ribosomen) verwendet. • RNA unterscheidet sich durch den Zucker (Ribose) und durch eine Base. Thymin wird hier durch Uracil ersetzt.

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Alexander_Robert_Todd http://de.wikipedia.org/wiki/Maurice_Wilkins http://de.wikipedia.org/wiki/James_Watson http://de.wikipedia.org/wiki/Francis_Crick

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Erstelle einen DNA-Abschnitt der Sequenz AGCTGTCA

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Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen Die Wasserstoffbrücken entstehen spontan immer zwischen einer Purinbase und ihrer entsprechenden Pyrimidinbase. Sie wird gebildet zwischen einem am Stickstoff verbundenem Wasserstoff und dem gegenüberliegendem Sauerstoff. In der Chemie gilt immer, das die Bildung von Bindungen Energie freisetzt. Im Gegenzug wäre also das trennen der Wasserstoffbrückenbindungen ein Vorgang, der Energie benötigt. (Vergleichbar mit dem auseinander ziehen zweier Magnete). Voraussetzungen für das Zustandekommen von Wasserstoffbrückenbindungen sind polare Atombindungen zwischen Atombindungen z.B. Kohlenstoff und Stickstoff sowie Kohlenstoff und Sauerstoff (Fluor wäre auch denkbar, hat aber in der Biologie kaum in diesem Zusammenhang Bedeutung). Die zweite Voraussetzung ist ein Wasserstoffatom, welches an das polar gebundene N oder O Atom gebunden ist. Beim Bindungspartner muss nun noch, als dritte Voraussetzung ein ein freies Elektronenpaar vorhanden sein. Zwischen dem Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar kommt es aufgrund des Dipols nun zu einer schwachen Anziehung. Beachte: Zwischen Adenin und Thymin bilden sich zwei WBBs, zwischen Guanin und Cytosin bilden sich drei WBBs. Das Vorhandensein von Wasserstoffbrückenbindungen (WBB) führt zu einer Veränderung der Eigenschaften. So haben Moleküle typischerweise einen höheren Schmelz- und Siedepunkt, je mehr WBB sie ausbilden. O H O H H H H O H H H O H O H

WBBs im Wasser erklären den vergleichsweise hohen Schmelz- und Siedepunkt des Wasser

Aufgaben: 1. Zwischen Adenin und Thymin kommen nur zwei Wasserstoffbrückenbindungen zustande - obwohl sich auch dreimal Stickstoff und Sauerstoff gegenüberstehen. Wenn Du in der Skizze oben schaust, was vermutest Du, warum kommt keine Bindung zwischen den unteren N des Adenins und dem unterem O des Thymins zustande? 2. Siehe die Namen der Grafik: Was ist der Unterschied zwischen Adenin und Adenosin, bzw. Thymin und Thymidin?

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Zusammenfassung: • Die DNA ist aufgebaut aus: Zucker, Phosphat und vier Basen (Thymin, Cytosin, Adenin, Guanin) • Der Grundbaustein der DNS ist das Nukleotid. • Die DNA bildet einen helixartig gewundenen Doppelstrang (=Doppelhelix)

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleinsäure

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Die identische Verdopplung der DNA (= Replikation bzw. Reduplikation) a) Vorüberlegungen zur identische Verdopplung der DNA Nachdem man nun wusste, wie die DNA aufgebaut ist, stellte sich die Frage, wie sich die DNA, z.B. bei der Mitose, vervielfältigt. 3 mögliche Mechanismen könnte man vermuten:

• Konservativer Mechanismus:

Dabei werden die zwei neuen Stränge komplett gleichzeitig kopiert und zu einem Molekül zusammengesetzt.

alt

neu

• Semikonservativer Mechanismus:

Der DNA Doppelstrang wird getrennt. Dann wird er strangweise, gleichzeitig kopiert und neu ergänzt.

neu

neu

• Disperser Mechanismus:

Die DNA wird abschnittsweise kopiert.

Beide Stränge sind teilweise aus neuen und alten Bestandteilen entstanden.

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1958 Meselson/ Stahl: Versuche zur Bestimmung des tatsächlichen Replikationsmechanismus Ernährung von wenigen E. coli Zellen mit „schwerem Stickstoff 15N (das ist ein schwereres Isotop des Stickstoffs. Dies kann leicht durch seine Masse nachgewiesen werden). Die Zellen nehmen den schweren Stickstoff auf und bauen ihn in ihre DNA ein. Der schwere Stickstoff wurde in Form von Ammoniumchloridlösung zugefügt (15NH4Cl). Dann, kurz vor Versuchsbeginn erfolgte eine Umstellung der Bakterienernährung auf normalen Stickstoff 14N (durch normales Ammoniumchlorid 14NH4Cl). Nun wartet man genau solange, bis sich die Bakterien einmal geteilt haben (also eine Verdopplung stattfindet). Dann, nach der 1. Zellteilung, erfolgte eine Entnahme von DNS-Proben. Diese Proben wurden anschließend zentrifugiert. Durch die Zentrifugation findet eine Trennung innerhalb des Gefäßes nach der Masse statt. Je weiter unten ein Stoff ist, desto schwerer ist er. Es wurde in einem zweiten Versuch doppelt so lange gewartet - solange bis die zweite Zellteilung komplett abgeschlossen war. Erneut wurde eine Probe zentrifugiert und untersucht. Beobachtungen: a) So sieht das Ergebnis einer Zentrifugation der Bakterienkultur aus, welche nur mit 15N gefüttert wurde:

-

-

heavy: Nur Bakterien mit schwerem 15N
Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren

b) Eine Zentrifugation nach Umstellung auf 14N und der ersten Zellteilung:

hybrid: Nur Bakterien mit mittlerem Gewicht
Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren

c) Eine Zentrifugation nach der zweiten Zellteilung (Vervierfachung der Bakterien) ergab:

light: 50% Bakterien mit geringem Gewicht 14N hybrid: 50% Bakterien mit mittlerem Gewicht
Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren Bakteriensuspension vor dem Zentrifugieren

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Schlussfolgerungen: Die Leistung von Meselson und Stahl bestand darin, durch logische Rückschlüsse der Gewichtsverhältnisse Aussagen zur DNA zu treffen - Hut ab! Bezieht man nun die tatsächlichen Verhältnisse auf ein Abschnitt der DNA, so ist dieser schwer, solange die Bakterien kein 14N bekommen haben. Nach der ersten Zellteilung und Gabe von 14N ist das Gewicht geringer, da eine Mischung aus alter und neuer DNA vorliegt. Dies wäre bei allen drei möglichen DNA-Replikationsmechanismen so. Eine Aussage zum Mechanismus ist noch nicht möglich! Nach der zweiten Zellteilung findet man hingegen ein Gemisch aus leichten Bakterien (also leichter DNA, welche nur aus 14N besteht und mittlerer DNA, da diese aus einem Gemisch aus 14N und 15N besteht.
14 14

N/15N
15

N

N

Welches Ergebnis wäre zu erwarten gewesen, wenn sich die DNA konservativ replizieren würde? 14 15 N N Bei konservativem Mechanismus wäre folgendes Ergebnis zu erwarten:

⇒ Der neue Stickstoff wird strangweise eingebaut. ⇒ Die DNA wird mit dem semikonservativer Mechanismus repliziert!

Aufgaben: 1. Welche Ergebnisse erwartest Du nach einer dritten Replikation?

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Übersicht über Meselson & Stahls Experiment

Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser LadyofHats, Marina Ruiz - Muchas gracias; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Meselson-stahl_experiment_diagram_en.svg

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Zusatzinformationen zu den Experiment von MESELSOHN und STAHL (1958)

Meselsohn und Stahl ließen Bakterien auf Nährboden wachsen, welcher als Stickstoffquelle 14N zugegeben ist (also Stickstoff mit 7 Protonen und 7 Neutronen). Wie zu erwarten nahm die Anzahl der Bakterien durch mitotische Zellteilungen zu. Der vorliegende Stickstoff wird von den Bakterien in die DNA eingebaut. Eine mit Suspension der Bakterien-DNA wird anschließend zentrigugiert (Dichtezentrifugation) und zeigt das „normale“ Ergebnis: Nun züchteten die beiden Bakterien über mehrere Generationen hinweg auf einem Nährboden, welcher ausschließlich den sogenannten schwerern Stickstoff, einem Isotop, 15N (Stickstoff mit 7 Protonen und 8 Neutronen) enthielt. Die beiden Isotope 14N und 15N unterschieden sich in ihrem Atomgewicht und sind somit auch im Labor durch ihre verschiedene Masse unterscheidbar. Durch Zentrifugation zeigten die beiden, dass diese Bakterien in ihre Bakterien-DNA nun nur 15NStickstoff eingebaut hatten. Die Bakterien aus dem zweiten Ansatz wurden nun nach einem langen Wachstum auf 15N-Nährböden auf ein Nährmedium mit 14N überführt. Die Wissenschaftler ließen die Bakterien auf diesen Böden für die Dauer eines Replikationszyklusses. Aufgaben: 1) Beschreibe die Beobachtungen der ersten beiden Versuche mit eigenen Worten 2) a) Welche Ergebnisse sind nun zu erwarten, wenn man von einer (!) semikonservativen Replikation ausgeht. Zeichne die Banden nach einer Dichtegradientenzentrifugation ein. b) Welche Banden sind nach dem ersten Replikationszyklus einer konservativen Replikation zu erwarten?

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Zusatzinformationen zu Meselson & Stahl: Die Methode der Dichtegradienten-Zentrifugation Eine stark konzentrierte Cäsiumchloridlösung wird 48h (!) zentrifugiert. Dabei werden selbst die enthaltenen lonen zum Boden des Zentrifugenröhrchens gedrückt. Daraus folgt ein Konzentrationsgradient (=Konzentrationsunterschied von unten nach oben) der Ionen. Dem entgegen stehen Diffusionskräfte, welche diesen Unterschied wieder ausgleichen würden. Es stellt sich also ein Gleichgewichtszustand zwischen Diffusionskraft und Zentrifugalkraft ein (Ionen diffundieren nach oben, werden aber durch die Zentrifugation wieder nach unten gedrückt). Wenn man nun, nach Einstellung des Gleichgewichts einen Stoff zufügt, so lagern sich dessen Teilchen in der Schicht an, welche eine entsprechende Dichte hat. Dies ist dann als Bande sichtbar. ⇒ Schwerere Teilchen haben eine höhere Dichte und sind tiefer wiederzufinden als Teilchen mit geringerer Dichte.

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Kleiner Exkurs: ATP, GTP, TTP, CTP ATP ist der wichtigste Energielieferant der Zelle. Erinnere Dich mal daran, das die meiste chemische Energie in Atombindungen steckt. ATP ist nichts anderes als ein Adenosin verbunden mit drei Phosphaten (=Adenosintriphosphat). ATP wird z.B. während der Zellatmung gebildet. Dazu wird Energie benötigt!

ATP
Quelle Bilder: Public domain by Wikicommonsuser Neurotiker - thank you; http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Adenosintriphosphat_beschriftet.svg http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Adenosindiphosphat_protoniert.svg

ADP

ATP kann nun ein oder mehrere Phosphate abgeben. Bei jeder Abgabe wird für die Zelle Energie frei: ATP ——> ADP + P + freiwerdende Energie (ΔH AMP + PP + (deutlich mehr) freiwerdende Energie (ΔH10 AS) Makropeptide (> 100 AS) noch mehr AS ⇒ Proteine

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Kapitel 08.12 Molekulare Grundlagen der Vererbung (Molekulargenetik)

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Die Peptidbindung in sehr bunten Farben *g*:

Der Einfachheit halber sind in dieser Grafik (und auch in den oberen, die AS linear dargestellt. Bei einer 100%ig korrekten Darstellung müsste die NH2-Gruppe allerdings nach oben zeigen.
Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser YassineMrabet - Thank you; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Peptidformationball.svg

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c) Struktur der Proteine Bei 2 AS ⇒ es gibt 2 Möglichkeiten der Verknüpfungen! (Gly - Arg oder Arg - Gly) ⇒ primäres Problem ist die AS-Sequenz d.h. bei einer Anzahl n an verschiedenen AS ⇒ 23n mögliche Proteine (beim Menschen 20n bzw. 21n) 1. Primärstruktur Die Primärstruktur ist die reine Abfolge der AS-Bausteine (=AS-Sequenz) 2. Sekundärstruktur Sie bezeichnet die räumliche Anordnung der AS-Sequenz als: - α-Helix oder - β-Faltblatt 3. Tertiärstruktur Durch Disulfid-Brücken und andere Wechselwirkungen kommt es zu einer dreidimensionalen Anordnung der Helix- bzw. Faltblattabschnitte ⇒ „Proteinknäul“

-SS4. Quartärstruktur Die Zusammenlagerung mehrerer Peptidketten zu einer biologisch wirksamen Einheit (=Enzym). (z.B. 4 Untereinheiten im Enzym des Hämoglobins - vgl. Briefmarkenblock) Störungen und Zerstörungen • Bei Temperaturen von über 60°C kommt es zur Zerstörung der Disulfidbrücken und der hydrophoben Wechselwirkungen ⇒ Das Enzym ist denaturiert und unwirksam5 • Beim Kochen wird die Tertiär- und Quartärstruktur zerstört. Eiweiß gerinnt, fällt aus. • Bei Fieber über 42 °C wird die Funktion der Enzyme gestört. • Weitere Möglichkeiten der Proteindenaturierung: Kochen, Alkohol, Schwermetalle, Dauerwelle Zusatzinformationen
Eiklarproteine 2 Gruppen Keratin hart völlig unlöslich chemisch verhältnismäßig reaktionsträge (=inert) und widerstandsfähig weich leicht wasserlöslich recht reaktionsfähig

5

je nach Quelle (und Protein) liegt der Denaturierungspunkt zwischen 43°C und 60°C 05.12.2010

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Übersicht über die vier Proteinstrukturebenen:

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d) Wechselwirkung innerhalb eines Proteins Wechselwirkung Wasserstoffbrücken Ionische WW Disulfidbrücken unpolare WW Stabilisierung Sekundärstruktur Tertiärstruktur

e) Bedeutung von Proteinen - biologisches Leben ist ohne Proteine und Enzyme nicht möglich - Transportproteine (z.B. im Hämoglobin) - kontraktile Proteine ermöglichen Muskelkontraktion (Actin, Myosin) - Schutzproteine (z.B. Antikörper  Immunsystem) - Strukturproteine (Bsp. Membranproteine = Corrin, Kollagen) - Speicherproteine (Ferritin in Leber) - Enzyme (Hormone) - Toxine (Pilzgifte, Schlangengifte) Für die selbstständig ablaufende Faltung eines Proteins („self-assembly“) zur Tertiärstruktur ist allein die Primärstruktur verantwortlich. Die Tertiärstruktur entscheidet über Funktion und Spezifität eines Proteins. Beachte: Auf der DNA sind lediglich AS-Sequenzen verschlüsselt.

Beispiele für Peptide: ● Neuropeptide des ZNS z.B. Endorphine, welches als Neurotransmitter an Rezeptoren bindet und so Schmerzsignale unterdrücken kann. An die gleichen Rezeptoren bindet auch das Schmerzmittel Morphin.
●

Peptidhormone (bestehend aus 3-84 AS) - Insulin (Hormon zur Steuerung des Blutzuckerhaushalts) - Proinsulin - FSH (weibliches Zyklushormon) - LH (weibliches Zyklushormon) - Glycagon Peptid-Antibiotika Penicillin Gifte (Toxine) - Amanitin (Gift des Knollenblätterpilzes) - Bienengift (Gemisch aus mehreren Peptiden) - viele Schlangengifte

●

●

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f) Einteilung der Proteine 1. Skleroproteine im Wasser unlöslich besitzen Faserstruktur dienen als Stütz- und Gerüstsubstanzen Kollagene (Bindegewebe), Keratine (Haare, Nägel, Federn) 2. Spiroproteine (Globuläre Proteine) im Wasser oder verdünnter Salzlösung löslich Moleküle sind sphärisch Proteine des Blutserums, Eiklarproteine, die meisten Enzyme 3. Proteide Komplexe aus Proteinanteil und einer nicht proteinartigen prosthetischen Gruppe → Glycoproteine Lipoproteine Phosphorproteine Metallproteine Aufgaben: 1. Wie werden Proteine im Körper überall synthetisiert? 2. Welche Funktion haben die Ribosomen bei der Proteinbiosynthese? f) Zum Vergleich - Proteide Proteide sind zusammengesetzt aus einem Proteinanteil (Eiweißanteil) und andere Bestandteilen (Nichteiweißanteile). Diese anderen Bestandteile können Zucker (dann hat man ein Glykoprotein), Fette ( dann hat man ein Lipoprotein) oder Nucleinsäuren (dann hat man ein Nucleoprotein) sein. Der Nichteiweißanteil des Moleküls bestimmt maßgeblich dessen biologische und chemische Funktion. Er wird deshalb auch als prosthetische Gruppe bezeichnet.(z.B. Häm in Cytochromen wie dem Hämoglobin). Proteide sind für biologische Vorgänge von entscheidender Bedeutung: Nucleoproteide - sie bestehen aus einem Proteinanteil und einer Nucleinsäure Lipoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und einem Lipid (Fett) Phosphoproteide: - bestehen aus einem Proteinanteil und Phosphat (bzw. Phosphorsäure) z.B. das Casein, welches zur Käseherstellung dient ● Glykoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und Kohlenhydraten z.B. Lysozym - in der Tränenflüssigkeit) ● Chromoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und einem Farbstoff bzw. einem Metallion z.B. o Häm im Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, dient dem Sauerstofftransport) o Myoglobin für die Sauerstoffspeicherung o das Cytochrom c für den Elektronentransport in der Photosynthese
● ● ●

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Proteide

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Systematik der Proteine geordnet nach deren Funktion
● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Transportproteine Kontraktile Proteine (Actin & Myosin - zu finden in Muskeln) Oberflächenproteine weitere integrale Zellmembranproteine Leberproteine Speicherproteine Schutzproteine und Schutzenzyme (z.B. Lysozym aus dem Schweiß zersetzt Bakterienwände) Enzyme (Biokatalysatoren) Hormone (z.B. Peptidhormone der Hypophyse) Toxine (z.B. Schlangengifte)

Ein Vergleich: Wie viele AS-Kombinationsmöglichkeiten gibt es? H2O Moleküle in den Weltmeeren: 1046 Teilchen im Universum (nach einer Schätzung von A. Einstein) 1076 Peptid mit 100AS ⇒ 20100

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Ort der Proteinbiosynthese Die Ribosomen sind Ort der Proteinbiosynthese. Dazu benötigen sie andere Stoffe zur Hilfe (Nukleotidsequenzen mit Basen, tRNA). Ein Versuch beweist, dass die Ribosomen ausschlaggebend sind.

Die genetische Information sitzt aber im Erbgut des Zellkerns. Wie gelangt Die Information zu den Ribosomen? Es wird ein Bote eingesetzt, ein „Messenger“ (m-RNA). Damit dem Zellkern keine Informationen verloren gehen, muss genetische Information abgeschrieben werden. Die RNA ist das Transportmolekül der genetischen Information. Die DNA einer Zelle enthält viele Gene. Nur benötigte Gene werden „abgeschrieben“ (=transkribiert). Vorteile der Herstellung einer Kopie:
• • • • •

Die Information wird transportabel (vgl. Virus, Gentechnik) Es entsteht die Kopie eines einzelnen Gens („handlich“ für die Zelle) gezielte Ausprägung/ Aktivierung einzelner Gene und somit Eigenschaften ist möglich mehrere Kopie der DNA können gebildet werden ⇒ die Synthese ist an vielen Ribosomen möglich Die Kopien können ohne Verluste an wichtigem Erbgut abgebaut werden

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Die Aminosäuren (=AS) Aminosäuren werden vom Körper zum Aufbau von Proteinen verwendet. Diese sind als Enzyme z.B. an allen Stoffwechselvorgängen des Körpers beteiligt. 20 Aminosäuren sowie Selenocystein kommen in menschlichen Eiweißen vor. Davon müssen 12 AS in Form von Eiweißen mit der Nahrung aufgenommen bzw. vom Körper produziert (Dies kann auch von Darmbakterien geschehen) oder aus anderen AS umgewandelt werden. So kann beispielsweise Methionin aus Cystein synthetisiert werden. Die restlichen 8 Aminosäuren heißen auch essentielle AS, da sie über die Nahrung aufgenommen werden müssen (Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin). Fehlen Sie, z.B. bei Mangelernährung, einseitiger Ernährung oder Nahrungsmittelallergien), so können bestimmte Proteine nicht gebildet werden, was zur Folge hat, das die entsprechenden Stoffwechselvorgänge nicht funktionierenden. Die AS Tyrosin wird erst bei erwachsenen Menschen gebildet. Aus diesem Grunde ist sie für Kinder essentiell. Sie muss Bestandteil der Nahrung sein.

Übersicht über die 20+2 Aminosäuren L-Alanin Ala L-Arginin Arg L-Asparagin Asn L-Asparaginsäure Asp L-Cystein Cys L-Glutamin Gln L-Glutaminsäure Glu Glycin Gly L-Histidin His L-Isoleucin Ile L-Leucin Leu L-Lysin Lys L-Methionin Met L-Phenylalanin Phe L-Prolin Pro L-Selenocystein Sec L-Serin Ser L-Threonin Thr L-Tryptophan Trp L-Tyrosin Tyr L-Valin Val L-Pyrrolysin L-Selenomethionin Pyl - kommt im Menschen nicht natürlich vor SeMet - kommt im Menschen nicht natürlich vor

Für weitere Informationen bitte zuerst Kapitel 08.13 Aminosäuren und Eiweiße lesen! Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Aminosäuren
Quelle Bild: GNU Free Documentation License, (http://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Free_Documentation_License) & Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) by Wikicommonsuser MarkusZI; http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aminosaeuren.png

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Übersicht über die essentiellen Aminosäuren

Essentiell
Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Threonin Tryptophan Valin

Können vom Körper synthetisiert werden
Alanin Asparagin Aspartat Cystein Glutamat Glutamin Glycin Prolin Serin Tyrosin Arginin Histidin

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Proteinbiosynthese bei Eukaryonten: „Vom Gen zum Protein“ Die Proteinbiosynthese (griech. proteos = von äußerster Wichtigkeit) ist der Vorgang in den Ribosomen jeder Zelle, der für die Herstellung von Eiweißen (=Proteine) verantwortlich ist. Proteine bestehen aus Ketten von Aminosäuren. Die Länge der Aminosäureketten reicht von 2 bis über weit 1000 Aminosäuren (Titin, das größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30.000 Aminosäuren).6 Die Zusammensetzung und der Aufbau eines Proteins sind im Erbgut des jeweiligen Lebewesens kodiert. Mit Hilfe dieses Bauplans können die Ribosomen einer Zelle Proteine produzieren. Verschiedene Proteine unterscheiden sich in der Abfolge ihrer AS-Sequenzen.

Die Proteinbiosynthese gliedert sich in zwei Phasen: a) Transkription: Umschreiben von DNA in Messenger-RNA (=Abschrift der DNA), der beweglichen Form des Erbguts. Die m-RNA wird mit Hilfe des Endoplasmatischen Reticulums zu den Ribosomen befördert. Ribosomen könne hunderttausendfach in Zellen auftreten. b) Translation: In diesem Schritt wird die angelieferte RNA-Information in den Ribosomen in eine Aminosäurekettensequenz übersetzt. Die AS werden untereinander verbunden. Ribosomen Messenger-RNA erkennbar an Ribosezucker und der Base Uracil (als Thyminersatz)

Erbgut DNA
- besteht aus Basen - codiert Eigenschaften (=Gene)

- „Eiweißproduzenten“ - erstellen nach dem Plan der DNA entsprechende Proteine.
Fertige Proteine bilden dann sozusagen das „Merkmal“ aus, indem sie einen Stoffw echselw eg durchführen oder z.B. einen Farbstoff synthetisieren. In diesem Beispiel w ird das Enzym Alkoholdehydrogenase in den Ribosomen der Leberzelle gebildet.

Beispiel: Alkoholaufnahme in den Körper
Folge : Ve rgiftungse rs che inunge n

Alkoholdehydrogenase erkennbar an Ribosezucker und der Base Uracil (als Thyminersatz)

Alkohol wird oxidativ abgebaut.
(erst zu Ethanal, dann zu Ethansäure, letztlich in Wasser und Kohlenstoffdioxid.

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Alkoholdehydrogenase http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol

6

Bedenke: Bei einer Kettenlänge von 100AS, ergibt bei 21 verschiedenen Aminosäuren die unvorstellbare Zahl von 10 132 Verknüpfungsmöglichkeiten. Diese Zahl übersteigt bei weitem die Anzahl aller Atome des Universums („nur“ 6∙10 79 Teilchen)! 05.12.2010

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a) Transkription: Sie findet bei Eukaryoten (Zellen mit Zellkern) im Zellkern statt, bei Prokaryoten (z.B. Bakterien) schwimmt die DNA frei im Zellplasma. Also findet die Transkription dort im Cytoplasma statt (oft auch zeitgleich mit der Translation). Die Transkription ist der Vorgang des Abschreibens der DNA zu RNA. Dabei werden die Nucleotidsequenzen der DNA zu neu gebildeten RNA-Ketten kopiert. Ablauf in der Übersicht: Dazu wird die DNA entspiralisiert (durch Bindung einer RNA-Polymerase an einen Promotor wird der DNA-Strang entspiralisiert). Dann wird die Information der DNA durch das Enzym RNA-Polymerase in mRNA (messenger-RNA bzw. Boten-RNS) umgeschrieben. Dazu wird die DNA Doppelhelix kurzzeitig geöffnet und mit passenden, komplementären RNA-Nucleotiden ergänzt Die reife mRNA wird dann durch aktiven Transport aus dem Zellkern zu den Ribosomen transportiert.

Ablauf der Transkription im Detail: Zuerst bindet das Enzym RNA-Polymerase an Startstelle der DNS Bildung eines Promotorbereichs zwischen Polymerase und DNS ⇒ Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen ⇒ Entstehung eines offenen Promotorkomplexes ⇒ RNA liest nur den Matrizenstrang (codogener Strang) Elongation: Start der RNA-Synthese ⇒ komplementäre Anlagerung der ersten Nucleosidtriphosphate und Verknüpfung unter Freisetzung von Pyrophosphat ⇒ Wanderung der RNA-Polymerase entlang des codogenen Stranges in 3’ -> 5’ Richtung!!! Daher wächst die RNA von 5' nach 3'! Termination: Stopp der Transkription durch Terminatorsequenzen ⇒ Ablösen des Transkriptes von der DNS ⇒ Lösen der RNA-Polymerase ⇒ Bindung der DNS-Einzelstränge zur Doppelhelix Prozessierung: Die gebildete Primärtranskripte durchlaufen im Zellkern des Eucyten einen Reifungsprozess (chemischer Prozess) zu funktionsfähigen, d. h. translationsfähigen mRNA Molekülen. Initiation:

Übung: Vervollständige den Strang

Bedenke: Codogener Strang = Matrize

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b) Ablauf der Translation: Die Translation ist die Übersetzung des genetischen Codes in eine AS-Folge. Sie ist die eigentliche Synthese des Proteins an den Ribosomen. Um die Translation zu verstehen, muss man wissen, dass Ribosomen aus zwei Untereinheiten aufgebaut sind. Sie werden als kleine und große Untereinheit bezeichnet. Entsprechend ihres Gewichts, haben sie Namen, nach ihrer Sedimentierungsgeschwindigkeit. Ribosomen unterscheiden sich bei Pro- und Eukaryoten. (Details dazu unter der Überschrift: „Das Ribosom“). In den Ribosomen „stehen“ bereits die notwendigen Aminosäuren sowie ein Helfer, die so genannte transfer-RNA (=tRNA) bereit. Ablauf der Translation in der Übersicht: - m-RNA bindet an Ribosomen. - Beladen der t-RNA mit einer AS durch Synthetase (ATP-Verbrauch). - Paaren von Anticodon der t-RNA mit Codon der m-RNA. - Bildung einer neuen Peptidbindung (Peptidkette hängt an t-RNA). - Ablösung der t-RNA des vorherigen Codons. - Beendigung der Translation am Stop-Codon (keine t-RNA vorhanden). - Bei der Translation bewegt sich das Ribosmon vom 5’ zur 3’ Ende der mRNA. Für jedes Codon existiert eine Transfer-RNA (t-RNA).

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Die tRNA - „Übersetzerin des Codes“ a) Aufbau der t-RNA

Das Anticodon besteht aus 3 Basen die zum Basentriplett der m-RNA komplementär sind. b) Das Codon ist das „Wort“ der tRNA Der genetische Code ist jeweils in Dreiergruppen aufeinanderfolgender Nukleotide (auch Tripletts oder Codons genannt) geschrieben. Dem entsprechen die Anticodons der tRNA, Wie kann eine Folge von Basen (Basensequenz) eine Aminosäuresequenz codieren? Es gibt nur 4 Basen aber 20 AS! Wörter (= Codons) mit 1 Buchstaben ⇒ 4 verschiedene AS codierbar. Wörter (= Codons) mit 2 Buchstaben ⇒ 42 = 16 verschiedene AS codierbar. Wörter (= Codons) mit 3 Buchstaben ⇒ 43 = 64 verschiedene AS codierbar. ⇒ Je 3 Basen bilden ein „Codon“ und entsprechen somit einer AS
● ● ● ●

Es gibt 64 mögliche Codons, im Menschen davon 61 für die 20 AS Für fast alle AS gibt es mehrere Codons. Das heißt der genetische Code ist degeneriert7. Codons einer AS unterscheiden sich in der Regel nur in der dritten Base. Ein bestimmtes Codon bedeutet in allen bisher untersuchten Organismen die selbe AS ⇒ der genetische Code ist also universell.

Das Ribosom hat drei Bindungsstellen: Eingang: A-Stelle : P-Stelle Ausgang: E- Stelle (E = Exit) Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/TRNA

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(Ausnahmen: Methionin, Tryptophan) 05.12.2010

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Die Translation im Detail Translation: Übersetzen der genetischen Information aus der Basensequenz der m-RNA in die AS-Sequenz des Proteins. Initiation: Bildung des Initiationskomplexes durch Vereinigung von der ersten mRNA (Startcodons AUG) mit der kleineren ribosomalen Untereinheit. Dann dockt anschließend die große ribosomale Untereinheit an. Die Start-t-RNA (mit Anticodon UAC/beladen mit F-Met) tritt an die P-Stelle. Elongation: In der Kettenwachstumsphase kommt es zur zyklischen Wiederholung von 3 Reaktionsschritten: 1. Bindung einer beladenen tRNA (Aminoacyl-tRNA) in der A-Stelle (CodonAnticodon [Schlüssel-Schloss-Prinzip]). 2. Polypeptid wird durch eine Peptidbindung auf die Aminosäure in der AStelle übertragen (=Peptidyltransfer). 3. Translokation, die Peptidyl-tRNA rückt mit der mRNA um ein Triplett in die P-Stelle weiter. Die entladene tRNA rückt in die E-Stelle und wird dort abgegeben (=> freie tRNA). Die frei gewordene A-Stelle kann erneut besetzt werden und ein weiterer Elongationszyklus beginnt.

Termination: Wenn nach erfolgter Translokation eines der 3 Terminationscodogene (Stoppcodone: UAA, UAG, UGA) in der A-Stelle auftritt, wird die Proteinsynthese abgebrochen. Die letzte t-RNA wird abgespalten und das Polypeptids wird freigesetzt. Es kommt zur Dissoziation (Molekülzerfall) des Translationskomplexes (also des ganzen Ribosoms in seine beiden Untereinheiten).

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Beachte: An einem mRNA-Molekül werden gleichzeitig mehrere Polypeptide synthetisiert. Ein Beispiel: DNA Strang: Matrizenstrang mRNA: 3‘ A T G 5‘ T A C 3‘ A U G U A C G A A C T T G A A C U U A T G T A C A T A 5‘ - nicht abgelesener T A T 3‘ - codogener Matrizenstrang

A U G A U A 5‘ - Codon U A C U A U - Anticodon

fM et

Glu

M et

Ile

Zusammengefasst: Die Translation ist die Übersetzung des genetischen Codes in eine AS-Folge. Sie ist die eigentliche Synthese des Proteins an den Ribosomen. Dazu bindet mRNA an Ribosomen, tRNA bindet mit AS und verknüpft sich entsprechend kurzzeitig mit dem Codon der mRNS, Bildung einer neuen Peptidbindung, Beendigung der Translation am Stop-Codon Kettenabbruch: Es gibt insgesamt 3 verschiedene Stoppcodon, die früher nach Farben benannt wurden. Für diese Stoppcodons gibt es keine entsprechenden tRNA mit entsprechenden Anticodons. Sobald also ein Stoppcodon an die A-Stelle des Ribosoms gelangt, öffnet sich dieses in seine beiden Untereinheiten und gibt die fertige Aminosäuresequenz frei. Zusatzinformation: http://de.wikipedia.org/wiki/Codon http://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Code http://de.wikipedia.org/wiki/Translation_(Biologie)

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Transskrption

Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, http://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2c_large.gif; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_transcription.gif

Translation nach dem 3 Stufenmodell

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsueser LadyofHats (Marina Ruiz) - muchas gracias; http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

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Das Ribosom Ribosomen sind Zellorganellen, welche aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (rRNA) bestehen. Sie kommen im Zellplasma aller Zellen (Prokaryoren und Eukaryoten) vor. Ihre Funktion liegt in der Synthese von Eiweißen (Proteinen), welche sie nach der Vorlage einer mRNA herstellen. In jeder Zelle sind enorm viele Ribosomen enthalten - je nach Funktion der Zelle, können es Hunderttausende sen. So findet man in dem Darmbakterium Escherichia coli (E-coli) ca. 15000 Ribosomen. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, welche weiter unterteilt werden können (aber nicht in der Schule ;-) ). Die größere der beiden Untereinheiten verknüpft während der Proteinbiosynthese die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette. Die kleinere Untereinheit hingegen bindet die dazu notwendige mRNA. Beide Untereinheiten bestehen aus Proteinen und rRNA (ribosomale RNA). Die rRna hat v.a. eine Funktion als Gerüstsubstanz, dient aber auch dem Erkennen von mRNA. a) Prokaryoten Sie haben 70S Ribosomen, welche sich aus einer kleinen 30S und einer größeren 50S Untereinheit8 zusammensetzen. Ribosom 70 S Untereinheit rRNAs Proteine 23 S (2904 nt) 50 S 34 5 S (120 nt) 30 S 16 S (1542 nt) 31

S gibt den Sedimentierungkoeffizienten an nt = Nukleotide b) Eukaryonten Höhere Zellen haben etwas schwerere Ribosomen. Diese 80S Ribosomen setzten sich aus kleinen 40S und einer großen 60S Untereinheit zusammen. Ribosom Untereinheit rRNAs Proteine 28 S (4718 nt) 60 S 5,8 S (160 nt) 49 80 S 5 S (120 nt) 40 S 18 S (1874 nt) 33

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Ribosom

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S ist de Maßeinheit der Sinkgeschwindigkeit in Flüssigkeiten. Sie dient dem Unterscheiden der Ribosomen. 05.12.2010

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Das Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten:

30S Untereinheit

50S Untereinheit

Quelle Bild: Public domain by Protein data Bank - David S. Goodsell of The Scripps Research Institute & Wikicommonsuser Giac83 - Thank you http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Ribosome_(bacteria).jpg; http://www.pdb.org/pdb/static.do? p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb10_1.htm

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Ribosom http://de.wikipedia.org/wiki/Sedimentationskoeffizient

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Das (neuere) allosterische Dreistellenmodell der Ribosomenfunktion

Ribosom von vorn Das Ribosom verfügt über drei tRNA-Bindungsstellen:
● ● ●

Ribosom „geöffnet“

die A-(Aminoacyl-)-Stelle die P-(Peptidyl-)-Stelle die E-(Exit-)- Stelle

- hier bindet die mit AS beladene tRNA an das Ribosom. - hier sitzt die tRNA mit der wachsenden Aminosäurekette. - hier verlassen die entladenen tRNAs das Ribosom.

Das Ribosom startet am Startcodon (m-RNA: AUG - Methionin) an der Eingangstelle A. Die nächstebeladenen t-RNA kommt an die A Stelle, während die t-RNA mit Methionin schon weiter gerückt ist. Jede t-RNA trägt nur eine AS. Während die Elongation abläuft, wechselt das Ribosom immer zwischen den beiden Zuständen, welche durch die Anknüpfung der Aminosäuren gekennzeichnet sind. In beiden Zuständen sind immer zwei der drei tRNA-Bindungsstellen mit einer tRNA besetzt. Sobald eine t-RNA abgeworfen wurde, rückt die nächste an die A-Stelle des Ribosoms. Dabei wandern beide Untereinheiten immer eine Triplett weiter (von 5‘ zu 3‘ Richtung). Im prätranslationalen Zustand sind die A- und P-Stelle besetzt, wobei die P-Stelle die tRNA mit der Polypeptidkette trägt und die A-Stelle von der neu hinzugekommen tRNA besetzt ist. Im Ribosom wird nun die Polypeptidkette von der P-Stellen-tRNA auf die A-Stellen-tRNA übertragen. Der posttranslationale Zustand schließt sich an. Das Ribosom bewegt sich um drei Basen auf der mRNA weiter. Dabei wird die vorherige A-Stellen-tRNA zur P-Stellen-tRNA. Diese entladene PStellen-tRNA verlässt über die E-Stelle das Ribosom. Entladene t-RNAs werden abgespalten und können durch ATP-Verbrauch wieder neu beladen werden, indem sie wieder die zum Anticodon passende AS aufladen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Ribosom an eine Stopptriplett gelangt. Das Ribosom zerfällt daraufhin in seiner Untereinheiten, die m-RNA wird frei und das neue Polypeptid windet sich nach und nach zur Tertiärstruktur auf.

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Die Wobble Hypothese zum degenerierten Code der DNA Noch nicht fertig: siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Wobble-Hypothese

Übersetzung der mRNA in Triplettcodons

Quelle Bild: Public Domain by www.genome.gov: "Courtesy: National Human Genome Research Institute." Thank you; http://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/Images/

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Darstellungen einer tRNA

Tertiärstruktur der t-RNA

Sekundärstruktur der t-RNA

Anticodon
Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Vossman - thank you! http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:3d_tRNA.png Quelle Bild: GNU-Lizenz für freie Dokumentation by Wikipedia user tetamin & lliaca; http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:TRNA.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Lizenzbestimmungen

Farbgebung: • orange: CCA Ende • violett: Acceptor Stamm • rot: D-Arm • blau: Anticodon Arm • schwarz: Anticodon • grün: T-Arm Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:TRNA.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/TRNA

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Übersicht der Translation

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Sverdrup & ToNToNi & www.genome.gov: "Courtesy: National Human Genome Research Institute." Thank you http://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/mrna.cfm ; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:MRNA-interaction.png; Lizenz: http://www.genome.gov/12514471

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Chb & www.genome.gov: Thank you http://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/mrna.cfm; http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Ribosom_funktion.png

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Genexpression Genexpression ist ein Ausdruck, der meist, aber nicht immer, synonym für die Proteinbiosynthese verwendet wird. Die Genexpression ist die Ausprägung des Genotyps (also der genetischen Information der DNA) zum Phänotyp eines Lebewesens. Dies wird durch die Proteinbiosynthese ermöglicht.

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Genexpression

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Unterschiede von RNA und DNA
● ● ● ●

RNA ist meist nur ein Einzelstrang m-RNA ist viel kürzer (nur 1 Gen) Ribose statt Desoxyribose als Zucker Statt Thymin wird Uracil als Base verwendet

Ähnlich der Replikation wird die DNA Doppelhelix lokal aufgewunden. Es erfolgt eine Strangtrennung. An einem der beiden DNA-Stränge lagern sich komplementäre Ribonukleotide an. Diese werden durch die RNA-Polymerase miteinander verknüpft.
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Entwindung der DNA-Doppelhelix. Strangtrennung. Anlagerung von freien Ribonukleosidtriphosphaten an den codogenen-Strang. Verknüpfung durch RNA-Polymerase (von 5´nach 3´). Erhalt eines RNA-Einzelstranges.

Zusatzinformationen ● Bei bestimmten Viren findet eine Umkehrung der Transkription statt. ● Die so genannten Retroviren besitzen eine Reverse Transkriptase, mit der sie ihre RNA (genetische Information) in DNA umschreiben können. (normale Zellen lesen von DNS ab --> Virus stellt sein Überleben sicher und benutzt Transkriptase des Wirts) ⇒ Die Viren-DNA wird von den Zellenzymen repliziert (z.B. HI-Virus)

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Unterschiede zwischen DNA und RNA DNA RNA

Zucker: Desoxyribose Basenpaare: G≡C A=T Doppelstrang langkettig viele Gene Informationsspeicher Matrize für RNA-Synthese Funktion / Aufgabe

Zucker: Ribose Basenpaare: G≡C A=U In der Regel nur ein Einfachstrang kurzkettig wenige Gene (wenn überhaupt) v.a. Informationsüberträger m-RNA: Code-Transport r-RNA: Gerüstsubstanz des Ribosoms t-RNA: AS-Übertragung Nur die RNA-Viren (häufigste Virenart) nutzt RNA anstelle der DNA als Speichermedium Vorkommen

- Zellkern - Mitochondrien - Chloroplasten Sonstiges
● ●

- Ribosomen - Cytoplasma - Zellkern m-RNA ist kurz - oft nur nur 1 Gen lang RNA Doppelstränge sind möglich - sie ähneln dann der DNA-Doppel-Helix (antiparallele Anordnung und rechtsgewunden)

Verhältnis der verschiedenen RNA-Typen (bei E.coli): r-RNA t-RNA m-RNA % DNA 0,5 % 0,2 % 99 % % in Zelle 80 % 10 % 1-2%

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/RNA http://de.wikipedia.org/wiki/MRNA http://de.wikipedia.org/wiki/Ribosomale_RNA http://de.wikipedia.org/wiki/TRNA http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:RNA-comparedto-DNA.PNG (schönes Bild)
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Aufgaben zu den Unterschieden von DNS & RNS 1. Ca. 99% des genetischen Codes der DNS codieren m-RNA! In Zellen findet man aber nur ca. 1% mRNA. Man findet prozentual mehr rRNA und tRNA. Welche Ursachen und welche Auswirkungen (Vorteile) hat dies für die Zelle? 2. Die Endosymbiotenhypothese vermutet, dass Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten dadurch entstanden sind, dass sie vor Milliarden von Jahren als Bakterien von anderen Zellen durch Endocytese aufgenommen und nicht verdaut wurden. In ihren Wirten haben sie ein weiteres eigenständiges Leben geführt. Welche heute bekannte Tatsachen stützen diese Theorie ?

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Ist der genetische Code universell gültig für alle Lebewesen? Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden sehr viele Lebewesen untersucht. Mittlerweile weiß man, dass der genetische Code (fast) universell ist. Doch auch einige Ausnahmen sind bekannt: a) Prokaryoten: Bei dem sehr ursprünglichem Prokaryoten Mycoplasma capricolum codiert das Triplett UGA nicht ein Stoppsignal, sondern die AS Tryptophan (Trp) b) Eukaryoten: ● Bei allen Cilliaten (Wimperntierechen, wie z.B. das Pantoffeltierchen Paramecium) sind die Tripletts UAA und UAG ebenfalls keine Stoppcodone. Sie codieren hier die AS Glutamin (Glu). ● In Mitochondrien und Chloroplasten gibt es ebenfalls geringe Abweichungen vom üblichen genetischen Code. Die Gemeinsamkeit des genetischen Codes (fast) aller Lebewesen kann als Beweis für eine Verwandtschaft der Lebewesen und einen gemeinsamen Ursprung dienen.

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In welche Richtung laufen Transskription und Translation ab? a) Transskription Der Codogene Strang der DNA ist der Strang, welcher von der RNA-Polymerase abgelesen wird. Dazu wird der codogene (3‘ -> 5‘) Strang der DNA abgelesen. Die RNA-Polymerase arbeitet dann (so wie immer) vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende. Die Nukleosid-Triphosphate werden also immer (unter Abspalten der beiden Phosphate) an das freie 3‘ Ende der wachsenden mRNA-Kette zugefügt.

b) Translation Die mRNA wird vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende bearbeitet. Dabei gilt dann für die Tripletts: Die erste Base eines Triplettscodons der mRNA ist komplementär zur dritten Base des Anticodons der tTNA.

Aufgaben 1. Durch Gentechnik werden heute Medikamente wie das Insulin hergestellt (Hormonproteinen). Dazu werden Bakterienzellen umprogrammiert, Insulin herzustellen. Dies ist ein sehr komplexer Vorgang. Warum reicht es nicht, wenn man einfach das menschliche Gen zu Insulinsynthese in Bakterien eingeschleust? Genauso wenig kann man einfach die entsprechende menschliche Insulin-mRNA einschleusen. Erkläre diese Befunde. 2. Eine Form der Blutkrankheit ist die „Thalassämie“. Sie wird durch das Fehlen eines Proteins verursacht. Thalassämieerkrankte haben in ihrem Blut anstelle des normalen Proteins ein sonst nicht in Menschen vorkommendes Protein. Vergleicht man das entsprechende Protein, so ist bei gesunden Menschen und bei Erkrankten der Anfang des Proteins identisch. Im mittleren Teil des Proteins kommt es aber zu einer enormen Abweicheung, ausgelöst durch eine völlig an der Aminosäurensequenz. Weiterhin ist das Protein der Erkrankten wesentlich länger. Nenne Ursachen.

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Übung zur Translation

Erkläre die Bedeutung der folgenden Grafik

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Zentrales Dogma der Molekulargenetik Die Vorgänge der Replikation, Transkription und der Translation bilden das „Zentrale Dogma“ der Molekulargenetik.

Geschwindigkeit der Ablesung Replikation: 40.000 Bp/min Trankription: 1.500 N/min Translation: 600 AS/min (= 1.800 N/min) Wie kann man herausbekommen, welches Codon für welche Aminosäure steht? ⇒ Einsatz definierter DNA-Fragmente und anschließende Untersucung des neuen AS-Strangs
Poly-AAA Poly-UUU Poly-CCC Poly-GGG

⇒ Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Lys entsteht ⇒ Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Phe entsteht ⇒ Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Pro entsteht ⇒ Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Gly entsteht

Poly-AC⇒ Thr, His, Thr, His usw. ⇒ Beweis für Codons mit ungerader Buchstabenzahl

Zusatzinformationen: ● Bakterien haben etwas andere Ribosomen als Eukaryontenzellen. ● Einige Antibiotika behindern die Proteinsynthese der Bakterien, da sie die Funktion speziell diese Ribosomen stören. ● http://de.wikipedia.org/wiki/M-RNA ● http://de.wikipedia.org/wiki/t-RNA ● http://de.wikipedia.org/wiki/Proteinbiosynthese ● http://de.wikipedia.org/wiki/Proteine

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Der genetische Code Der genetische Code aller Lebewesen ist ein so genannter Triplettcode. Je drei Basenpaare entsprechen dann einer Aminosäure. Das heißt, das alle für Lebewesen wichtigen Aminosäuren (20+1) von nur vier Basen codiert weder. ⇒ ein Triplett der m-RNA (Codon) steht für eine bestimmte Aminosäure. ⇒ 64 Tripletts bestimmen 20 verschiedene Aminosäuren.
●

Der Ausfall eines Tripletts verändert Dreierableserhythmus nicht. Fällt aber eine Base aus, geschieht dies schon (=Punktmutation). Der genetische Code ist eindeutig und zweifelsfrei! ⇒ eine bestimmte Nucleotidsequenz definiert eine unveränderliche Aminosäuresequenz. Als Beweis dient ein Versuch aus dem Jahre 1961: Man stellte eine künstliche m-RNA, bestehend nur aus Uracil her. In der Proteinbiosynthese wurden nur die Aminosäure Phenylalanin (UUU) gefunden. Zwei verschiedene Basentripletts codieren in der Regel verschiedene AS. Da dieser genetische Code bei allen Organismen gilt, ist dies ein Beweis für den gemeinsamen Ursprung aller Lebewesen. Man sagt, der genetische Code ist „degeneriert“, da zwar jedes Triplett eindeutig für eine bestimmte Aminosäure steht, aber umgekehrt, nicht jedes Aminosäure auch nur einem Triplett entspricht. Der genetische Code ist „kommafrei“. Die Tripletts sind lückenlos miteinander verbunden. Eine fehlende (oder eine überschüssige) Base verschiebt den Triplettcode. Nukleotide überlappen nicht! (d.h., ein Nucleotid ist immer nur Bestandteil eines Tripletts.) Der genetische Code wird vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende abgelesen.

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Der genetische Code
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ist ein Triplett-Code ist eindeutig ist universell ist degeneriert ist kommafrei ist nicht überlappend

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Die Codonsonne Zum Entziffern des Erbguts ist eine Übersetzungstabelle (im Grunde ein Wörterbuch) notwendig. Die Codonsonne übersetzt zwischen der Basensequenz eines Tripletts und den dazugehörigen Aminosäuren. 61 Codons stehen für 21 Aminosäuren. 3 weitere Codons sind so genannte Stoppcodons. Sie beenden die Proteinsynthese. Innen ist das 5‘ Ende und außen das 3‘ Ende!

5‘

Eukaryoten verwenden als Startcodon fast immer AUG! AUG codiert gleichzeitig für die Aminosäure Methionin. Also steht Anfangs an einer Polypeptidsequenz erstmals Methionin. Dieses wird dann aber enzymatisch abgespalten. Bei Prokaryoten treten neben AUG auch GUG und UUG als Startcodons auf. So nutzt beispielsweise Escherichia coli die Codons AUG (77 %), GUG (14 %), UUG (8 %) sowie wenige weitere! .

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Der genetische Code

Alanin Arginin Asparagin Asparaginsäure Cystein Glutamin Glutaminsäure Glycin Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Prolin Serin Threonin Tryptophan Tyrosin Valin START STOPP

Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

⇒ GCU, GCC, GCA, GCG ⇒ CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG ⇒ AAU, AAC ⇒ GAU, GAC ⇒ UGU, UGC ⇒ CAA, CAG ⇒ GAA, GAG ⇒ GGU, GGC, GGA, GGG ⇒ CAU, CAC ⇒ AUU, AUC, AUA ⇒ UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG ⇒ AAA, AAG ⇒ AUG ⇒ UUU, UUC ⇒ CCU, CCC, CCA, CCG ⇒ UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC ⇒ ACU, ACC, ACA, ACG ⇒ UGG ⇒ UAU, UAC ⇒ GUU, GUC, GUA, GUG ⇒ AUG, GUG ⇒ UAG, UGA, UAA

grau ⇒ hydophob (wasserabweisend, unpolar) grün ⇒ hydrophil (wasserlöslich, polar) und neutral hellblau ⇒ hydrophil und alkalisch rot ⇒ hydrophil und sauer Zusatzinformation ● Eine Besonderheit liegt bei der Sequenz AUG vor. Sie dient sowohl als Codon für Methionin sowie als Startcodon der Translation
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Es gibt drei Stopp-Codons. Sie wurden früher nach ihrem Entdecker „Bernstein“ nach Farben benannt (UAG = amber, UGA = opal, UAA = ochre)

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Aufgaben: 1. Was ist ein Primer, was macht die Primase? 2. Was ist der Unterschied zwischen einem Promoter und einem Primer 3. Was hat die Polymerase mit dem Primer zu tun? 4. Welche Arten der Polymerase gibt es? 5. Was bezeichnet der Genetiker als Matrizenstrang? 6. Was ist ein Codon, was ein Anticodon? 7. a) Übersetze den codogenen DNA Strang in mRNA: AAATGCGCG b) nenne die entsprechenden Anticodonender drei tRNA Moleküle, die sich bei der Proteinbiosynthese an diese Moleküle anlagern würden. 8. Wann und wo findet die Transkription statt? 9. Erstelle ein Schema, welches die Transkription und den Transport der mRNA erklärt 10. Erkläre die Translation 11. Stelle die AS-Sequenz des Proteins aus, welches sich aus der folgenden m-RNA ergibt: Beginn 5' Ende 3' AUG GCA GCA UCG AAG UAG 12. Bestimme das Peptid, das in folgendem DNA-Abschnitt codiert ist: 5' TTT CAC ATG GCA AAA TTG 3' codogener Strang 3' AAA GTG TAC CGT TTT AAC 5'

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Genexpression bei Eukaryoten Grundsätzlich unterschiedet sich die Proteinbiosynthese der Prokaryoten und der Eukaryoten nicht wesentlich voneinander. Die ablaufenden Mechanismen sind die gleichen. Bei Eukaryoten gibt es aber Unterschiede in der mRNA. Kurz nach ihrer Entstehung ist sie länger als nach Ablauf einiger Zeit und als es dazu zu synthetisierende Protein erfordern würde. Diese Vorläufige mRNA wird auch Precursor mRNA (auch Prä-mRNA) genannt. Sie ist ein identisches komplementäres Abbild der Eukaryoten DNA. Und hier liegt auch die Ursache! a) Exons & Introns Eukaryotische DNA enthält nicht nur informationstragende Abschnitte (=Exons), sondern auch Bereiche, welche keinerlei Informationen tragen (=Introns). Diese Introns sind zwischen 50 und 30000 Nukleotiden lang. Introns können als Schleifen aus dem eigentlichen Strang hinausragen. b) Spleißen (Splicing) Die Precursor mRAN enthält noch alle Introns. Diese müssen nun in einem „Reifungsprozess“ durch Schneideenzyme hinausgeschnitten werden. Am Ende des Vorgangs steht die nur aus Exonen bestehende funktionsfähige RNA. Der Vorgang des Hinausschneidens der Introns wird als Spleißen (engl. to splice = verbinden) bezeichnet. Splicing erfordert keine Energie (es wird kein ATP benötigt!). Die benötigte Energie entsteht durch das Spalten und Knüpfen von Bindungen. Das Herausschneiden der Introns heißt RNA-Splicing. Je komplexer ein eukaryotischer Organismus ist, desto umfangreicher sind die Introns in seinen Gene. Prokaryoten-DNA enthält übrigens keine Introns.

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, http://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2i_large.gif; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_exons_introns.gif

Aufgaben: 1. Was versteht man unter Exons und Introns? 2. Erkläre den Vorgang des Spleißens. Bei welchen Lebewesen tritt er auf. 3. Was versteht man unter „mRNA-Reifung“?

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c) Alternatives Spleißen Die Exons eines Gens müssen übrigens nicht immer in der gleichen Reihenfolge zusammengesetzt werden. So wird die Prä-mRNA eines Gens in Schilddrüse und Hypothalamus unterschiedlich gespliced (sorry für diesen Anglizismus *g*). In der Schilddrüse werden vier Exone zur „CalcitoninmRNA“ zusammengesetzt, welche das Peptidhormon Calcitonin codieren (das Hormon ist für die Regelung des Calcium- und Phosphathaushalt des Körpers verantwortlich). Im Hypothalamus wird einfach das letzte Exon durch ein anderes ersetzt, wodurch eine mRNA entsteht, welche ein Enzym zum Aufnehmen von Geschmacksstoffen codiert.

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, http://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2j_large.gif, http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_alternative_splicing.gif

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Spleißen_(Biologie) http://de.wikipedia.org/wiki/Calcitonin

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Übersicht über das Splicing

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsueser LadyofHats (Marina Ruiz) - muchas gracias; http://commons.wikimedia.org/wiki/File:RNA_splicing_diagram_en.svg

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DNA Reparatur Durch verschiedene Auslöser (z.B. mutagener Substanzen (z.B. Gifte & Radioaktive Stoffe), extremer Wärme, UV-Strahlen oder ionisierender Strahlung) kommen gelegentlich Mutationen der DNA zustande. Diese können als schadhafte Veränderungen der DNA zu falschen Replikation der DNA in der Mitose führen. IN der Folge werden Proteine nicht mehr bzw. falsch synthetisiert. Damit solche Schäden der DNA nicht die genannten Auswirkungen haben, gibt es komplexe Reperaturmechanismen der Zelle. Erst wenn zu viele Schäden vorliegen, (z.B. durch dauerhafte Exposition der Zelle zu Zellgiften wie Teer aus Zigarette, freie Radikale oder hohen Strahlendosen usw.) kommt die Zelle mit der Reparatur nicht mehr nach. Solche häufigen „Krebsereignisse“ führen dazu dass die Zellfunktion gestört ist. Solche Zellen werden soweit es geht vom Körper durch Apoptose entfernt. Wird die Zelle aber nicht als defekt erkannt, kann sie bei weiteren Teilungen außer Kontrolle geraten und so zur Bildung von Tumoren führen. Mediziner schätzen, dass der menschliche Körper ca. bis zu 200-300 solcher Krebsereignisse am Tag (je nach Verfassung, Alter und Gesundheitszustand des Menschen) handhaben kann. Aber alleine der Genuss von 20 Zigaretten täglich, bei sonst gesunder Ernährung, führt zum Ansteigen auf einen Wert von über 1500 Krebsereignissen täglich!

Quelle Bild: Public domain by Wikicommmonsuser Lady Of Hats - Muchas Gracias; http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Dna_repair_base_excersion_en.svg

Zusatzinformationen: http://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Reparatur
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Transposons

Biologen haben beobachtet, dass sich sowohl bei Proals auch bei Eukaryoten bestimmte DNA Abschnitte von selbst aus ihrem Position im Chromosom lösen und an anderer Stelle wieder einfügen. Solche definierten und beweglichen DNA-Abschnitte, welche sich von selbst ablösen, nennt man Transposons oder springende Gene. Sie machen beim Menschen ca. 3% des Genoms aus. Durch den erneuten Einbau an einer neuen Stelle, verändert sich dort die Sequenz der Basenpaare, was in der Regel eine Inaktivierung des betreffenden Gens zur Folge hat. Treten die Transposons wieder aus, wird das Gen wieder aktiv. Transposons wurden zuerst von der amerikanischen Botanikerin Barbara Mc Clintock bei Maiskolben entdeckt. Der Einbau eines Transposons verhindert die Bildung des braunen Kornfarbstoffes - es entstehen helle Maiskörner. Tritt das Transposon wieder aus dem Gen aus, so färbt sich das Korn dunkel. Zusatzinformationen http://de.wikipedia.org/wiki/Transposon http://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Transposon http://de.wikipedia.org/wiki/Barbara_McClintock

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