Biologie Kapitel Zellzyklus und Genetik

Gliederung

• Einführung
• Grundstrukturen biologischer Makromoleküle
• Zytologie
• Genetik

Genetik

• Mitose
• Meiose
• Mendelsche Gesetze
• Übertragung genetischer Materialien bei Bakterien
  • Konjugation
  • Transformation
  • Transduktion
• DNA-Replikation
• Transkription
• Translation
• Mutationen

Mitose

• Teilung = Knospung
• ungeschlechtliche Vermehrung
• geordnete Kette von Ereignissen zur Verdopplung des Zellinhalts und seiner Teilung
• → Tochterzellen mit gleichem Inhalt und gleicher genetischer Information

Zellzyklus

• INTERPHASE (G1, S, G2)
• MITOTIC PHASE (M)
  • Mitose
  • Cytokinese

Mitose (Detail)

• Erbanlagen werden in der Ruhephase des Zellkerns verdoppelt
• und bei der Zellteilung gleichmäßig auf Tochterzellen verteilt

Zentriolenreplikation

• G1
• S
• G2
• M
• G1

Zellteilung (Stadien)

• Interphase (G2)
• Frühprophase
• Spätprophase
• Metaphase
• Anaphase
• Telophase
• Interphase (G1)

Mitose (weitere Details)

• Centrosomen (mit Zentriollenpaaren)
• Aster (frühe mitotische Spindel)
• Chromatin (dupliziert)
• Fragmente von Kernhülle
• Kinetochor-Mikrotubuli
• Spindelapparat
• Kinetochor-Mikrotubuli
• Chromosomen, bestehend aus zwei Schwester-Chromatiden
• Metaphase-Platte
• Schwester-Chromatiden trennen sich während der Anaphase
• Kernhülle bildet sich um die Tochterchromosomen
• Cytokinese (Teilung des Zytoplasmas)

Cytokinese

• (a) Cytokinese bei Tierzellen: Einschnürung durch einen Einschnitt, kontraktiler Ring aus Mikrotubuli
• (b) Cytokinese bei Pflanzenzellen: Bildung einer Zellplatte aus Vesikeln, die Golgi-Material enthalten

Zytokinese: Bildung pflanzlicher Zellwand

• Präprophase-Band aus Mikrotubuli und Aktinfilamenten
• Vakuole
• Mutterzellwand
• Golgi-abgeleitete Vesikel
• Cytokinese
• Phragmoplast-Mikrotubuli
• Neue Zellwand

Regulation der Zellteilung

• G1-Checkpoint: Ist die Zelle groß genug? Sind die Umweltbedingungen günstig? Eintritt in die S-Phase
• M-Checkpoint: Sind alle Chromosomen an der Spindel angeheftet? Beginn der Cytokinese
• G2-Checkpoint: Wurde die gesamte DNA verdoppelt? Sind die Umweltbedingungen günstig? Eintritt in die Mitose

Regulatoren der Zellteilung

• MPF: Mitose-promoting Faktor
• Cycline
• Cdk: Cyclin-abhängige Kinasen

Programmierter Zelltod - Apoptose

• geplanter Zelltod
• geordnete Kaskade
• DNA kondensiert, wird abgebaut
• Zelle schrumpft
• Beseitigung durch Phagozytose
• keine Entzündung

Proliferation - Zelltod

• Nekrose: Tod infolge akuter Schädigung (Verbrennung, Vergiftung, Bestrahlung). DNA kondensiert nicht, Zelle schwillt an, Zelle zerplatzt, Entzündung
• Apoptose (siehe oben)

Fortpflanzung

• asexuelle Fortpflanzung: vegetative Vermehrung durch Teilungen, Nachkommen genetisch identisch
• sexuelle Fortpflanzung:
  • Genome zweier Individuen werden vermischt
  • Nachkommen genetisch unterschiedlich
  • Wechsel von haploiden und diploiden Phasen (Kernphasenwechsel, Generationswechsel)

Diploider Chromosomensatz

• Zentromer
• Schwester-Chromatiden
• Paar homologer Chromosomen
• 5 µm

Kernphasenwechsel

• Haploide verschmelzen zu diploiden
• Diploide teilen sich durch Meiose zu haploiden

Kernphasenwechsel, Generationswechsel

• Diplonten (Mensch, Tier)
• Haplonten (viele Pilze, manche Algen)
• Diplohaplonten (höhere Pflanzen und manche Algen)

Kernphasenwechsel beim Menschen

• Haploid (n): Haploide Gameten (n = 23)
• Diploid (2n): 2n = 46

Meiose

• zwei aufeinander folgende Teilungen
• aus einer Zelle entstehen vier genetisch nicht identische Gameten mit haploidem Chromosomensatz

Homologe Rekombination - crossing over

• Austausch von Genabschnitten zwischen homologen Chromosomen
• an den Chiasmata
• Mosaikchromosomen: tragen väterliches und mütterliches Erbgut

Meiose (Stadien)

• Interphase I
• Prophase I
• Metaphase I
• Anaphase I
• Telophase I und Cytokinese
• Prophase II
• Metaphase II
• Anaphase II
• Telophase II und Cytokinese
• Zwei haploide Zellen; Chromosomen sind immer noch doppelt.
• weitere haploide Tochterzellen entstehen, jede mit einzelnen Chromosomen

Mitose vs. Meiose

• Mitose: Zwei diploide Tochterzellen
• Meiose: Vier haploide Tochterzellen

Zufälligkeit der Befruchtung

• Eizelle: 2^23 = 8 Millionen mögliche Chromosomen-Kombinationen
• Spermium: 2^23 = 8 Millionen mögliche Chromosomen-Kombinationen
• Befruchtungsmöglichkeiten: 8 Millionen x 8 Millionen = 64 Billionen
• enorme genetische Variabilität
• minimale Wahrscheinlichkeit für genetisch identische Nachkommen

Genetik (Zusammenfassend)

• lebende Organismen zur Autoreproduktion befähigt
• Genetik beantwortet
  • warum die Nachkommen Merkmale der Vorfahren tragen
  • Gesetzmäßigkeiten der Merkmalsweitergabe

Genetik – grundlegende Erkenntnisse

• Charles Darwin (1809-1882)
• Gregor Mendel (1822-1884)

Evolution

• Populationsvariationen mit vererbten Eigenschaften
• Eliminierung von Individuen mit bestimmten Merkmalen
• Reproduktion von Überlebenden
• Erhöhung der Häufigkeit von Merkmalen, die das Überleben und die Reproduktion verbessern

Genetik – Begriffe

• Genom: Gesamtheit der Gene eines Organismus
• Gen: Erbfaktor, Abschnitt der DNA, enthält Informationen für die Produktion einer RNA
• Phän: Erscheinungsbild eines Merkmals
• Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, resultierend aus der Gesamtheit der Erbanlagen

Genetik – Begriffe (weiter)

• homologe Chromosomen: sich entsprechende Chromosomen eines diploiden Organismus
• Allel: Ausprägung eines Gens
• homozygot: beide Eltern haben das gleiche Gen in Bezug auf ein bestimmtes Merkmal
• heterozygot: beide Eltern haben unterschiedliche Gene für die Ausbildung eines Merkmals

Mendels Versuche – reziproke Kreuzungen

• P-Generation (reinerbige Eltern)
• F1-Generation (Hybride)
• F2-Generation (Verhältnis 3:1)

1. Mendelsches Gesetz

• Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Individuen sind untereinander gleich

2. Mendelsches Gesetz

• Spaltungsgesetz: Nachkommen mischerbiger Individuen spalten ihr Äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf

Intermediärer Erbgang

• Mischform der Merkmale: Beispielsweise Rosa Blüten bei der Kreuzung von roten und weißen Blüten
• F2-Generations-Verhältnisse unterscheiden sich von den Verhältnissen bei dominanten und rezessiven Erbgängen

Genotyp - Phänotyp

• Genotyp: die genetische Ausstattung eines Organismus
• Phänotyp: das beobachtbare Merkmal des Organismus; resultiert aus dem Genotyp

Homozygot oder Heterozygot?

• Bestimmt, ob ein Organismus homozygot (gleiche Allele) oder heterozygot (verschiedene Allele) für ein Merkmal ist

3. Mendelsches Gesetz

• Neukombinations-/Spaltungsgesetz: Unabhängige Vererbung verschiedener Gene
• Gene sind auf Chromosomen lokalisiert
• Rekombination gekoppelter Gene erfolgt durch Crossing over
• Chromosomen = Kopplungsgruppen

Menschliche Erbgänge – Stammbaumanalyse

• Stammbäume zeigen die Vererbung von Merkmalen über mehrere Generationen
• Analyse des Stammbaums zur Bestimmung der Art der Vererbung

Rezessiv vererbt – Cystische Fibrose

• häufigste letale genetisch bedingte Erbkrankheit
• jedes 2.500. Neugeborene ist Träger
• heterozygote Träger in 4% der Bevölkerungs
• lebenswichtiges Membranprotein, dessen Fehlfunktion zu starken Schleimbildungen in Lunge führt
• ohne Behandlung Todesursache im Kindesalter

Wahrscheinlichkeit einer Cystischen Fibrose

• Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass zwei Träger der Krankheit treffen
• engere Verwandtschaft erhöht die Wahrscheinlichkeit der Krankheit im Nachwuchs

Dominant vererbte Krankheiten

• Achondroplasie (Kleinwuchs)
• Chorea Huntington (Nervenkrankheit)
• Merkmale oft erst spät ersichtlich

Übertragung genetischen Materials bei Bakterien

• Keine Meiose
• Prozesse bei Bakterien daher parameiotisch oder parasexuell
• Übertragung genetischen Materials (DNA) auf drei verschiedene Arten möglich: Konjugation, Transformation, Transduktion
• Plasmide: ringförmige DNA

1. Konjugation

• Pilus zur Annäherung von Zellen
• Ausbildung einer Konjugationsbrücke
• Bruch des DNA-Doppelstranges (Plasmid)
• Übertragung des Einzelstranges
• Neusynthese des zweiten Stranges in Spender- und Empfängerzelle

1. Konjugation (F-Faktor)

• F-Faktor in die Haupt-DNA integriert
• nach Ausbildung der Konjugationbrücke Bruch eines Einzelstranges der DNA
• Entspiralisierung
• transferierter gebrochener Einzelstrang mit F-Faktor und damit verknüpftes Genmaterial
• Stränge verdoppeln

1. Konjugation (Anwendung)

• Häufiger Übertrag von Antibiotikaresistenzen (v.a. in Krankenhäusern)
• Multiresistenz bei Bakterien-Stämmen

Antibiotika-Resistenzen

• Vancomycin als letzte Rettung, wenn mehrere Resistzen vorliegen
• Vancomycin-resistente Stämme ab 2002
• Zunahme von Methicillin-resistenten Staphylokokken (MRSA)

2. Transformation

• Aufnahme freier DNA von toten Bakterienzellen
• Experimenteller Einsatz (z.B. Calciumchlorid)
• Eukaryoten: "Transfektion"
• Pflanzen/Pilze: spezielle Methoden, um Zellwände durchzudringen
• Transgene Pflanzen/Tiere

3. Transduktion

• Übertragung genetischen Materials zwischen Bakterien durch Bakteriophagen (Bakterienviren)
• Phagen befestigen sich an Bakterium, injizieren ihre DNA
• Bildung neuer Viren, Zerstörung des Bakteriums (Lyse)

DNA-Replikation

• identische Reduplikation der DNA vor Zellteilung
• autokatalytische Funktion (DNA → DNA)
• heterokatalytische Umsetzung der Information in Merkmale (DNA → RNA)

DNA-Replikation in Prokaryoten

• Kreisförmige DNA
• Replikation beginnt an einem Punkt
• Zwei neue DNA-Moleküle entstehen

DNA-Replikation in Eukaryonten

• Lineare DNA, mehrere Replikationsursprünge
• Replikation beginnt in sog. Blasen, die sich ausdehnen
• Tochter-DNA-Moleküle entstehen

Helicase

• Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den DNA-Strängen
• Energieverbrauch (ATP)
• Trennung der DNA-Stänge
• SSB-Proteine verhindern Rückbildung

Anheftung der Nukleotide

• Komplementäre Basenpaarung (A-T, G-C)
• Nukleosidtriphosphate an die Matrize
• Abspaltung von Pyrophosphat (2P)

Replikationsrichtung 3' → 5'

• neue Stränge nur in 5' → 3' Richtung synthetisiert werden
• Matrize dient der Anheftung der neuen Nukleotide
• Matrize wird in 3’ → 5' Richtung abgelesen

Synthese der beiden Stränge

• Leading Strand: kontinuierliche Synthese
• Lagging Strand: diskontinuierliche Synthese in Okazaki-Fragmenten, die später verknüpf werden
• DNA-Polymerase, Primasen, Ligase

DNA-Polymerase benötigt Starter – „primers“

• Primer (RNA-Primer) werden benötigt, damit DNA-Polymerase Nukleotide zu den Strängen anheften kann
• Primase synthetisiert RNA Primer
• DNA-Polymerase ersetzt RNA durch DNA

DNA-Replikation – Zusammenfassung

• DNA-Polymerase, Primase, Replikationsgabel, Matrize
• Okazaki-Fragmente, DNA-Ligase
• Leitstrang und Folgestrang
• Replikationsrichtung 3' → 5'

Transkription/Translation

• Übersetzung der Information auf 2 Stufen: Transkription und Translation
• Transkription: Umschreiben der DNA in Boten-RNA (mRNA)
• Translation: Übersetzung der mRNA in ein Polypeptid

Transkription/Translation – Prokaryoten/Eukaryoten

• Prokaryoten: Transkription und Translation finden im Zytoplasma statt
• Eukaryoten: Transkription im Zellkern, Translation im Zytoplasma

Mutationen

• bleibende Veränderungen des Erbguts
• zufällig und nicht gerichtet
• eine der wesentlichen Voraussetzungen für Evolution
• spontane Mutationsrate: 10⁻⁵ bis 10⁻⁹ pro Verdopplung

Mutationen – somatisch/Keimbahn

• Somatische Mutationen betreffen Körperzellen, werden nicht vererbt
• Mutationen in der Keimbahn betreffen Keimzellen, werden in der Folgegeneration vererbt

Gen-Mutationen: Punktmutationen

• stumme Mutation: keine Veränderung der Aminosäure
• missense Mutation: Veränderung einer Aminosäure
• nonsense Mutation: vorzeitiger Abbruch des Proteins (Stopp-Codon)

Gen-Mutationen – Deletion/Insertion

• Deletion: Verlust von Basenpaaren → Verschiebung des Leserasters
• Insertion: zusätzliche Basenpaare → Verschiebung des Leserasters

Beispiele für Gen-Mutationen

• Albinismus
• Xeroderma pigmentosum
• Sichelzellen-Anämie

Chromosomen-Mutationen

• Veränderung der Form und Struktur ganzer Chromosomen oder großer Chromosomen-Abschnitte
• Duplikation
• Deletion
• Inversion
• Translokation
• Aneuploidie
  • Monosomie (n-1)
  • Trisomie (n+1)
• Polyploidie

Aneuploidie - Trisomien

• Vorkommen der Trisomie 21 (Down-Syndrom) abhängig vom Alter der Frau (z.B. über 40 Jahren erhöhtes Risiko)

Polyploidie - Autopolyploidie

• Multiple Chromosomen der gleichen Spezies (z.B. 3n/triploid, 4n/tetraploid)
• Häufiger im Pflanzenreich (z.B. Bananen, Wassermelonen)
• Oft steril oder mit veränderter Merkmalsausprägung

Polyploidie - Allopolyploidie

• Kombination von Chromosomensätzen verwandter Arten (z.B. Weizen)

Mutagene - physikalisch

• Ionisierende Strahlen (α, β, γ): Strangbrüche, Peroxidbildung, Abspaltung von Basen
• Hitze: Abspaltung von Basen
• UV-Licht: Dimerisierung von Thyminmolekülen, Ausbildung kovalenter Bindungen

Mutagene - biologisch

• Virusinfektionen können Tumorbildung hervorrufen (z.B. Hepatitis B, C, HPV, Epstein-Barr-Virus)
• Chromosomenbrüche und schwere Missbildungen (z.B. Röteln)

Mutagene - chemisch

• Basenanaloga (z.B. 5-Bromuracil, 5-Fluoruracil)
• Interkalierende Agentien (z.B. Acridinderivate, Ethidiumbromid)
• Desaminierung (z.B. durch Salpetrige Säure)
• Alkylierende Agentien (z.B. Aflatoxine, Dimethylsulfat)
• DNA-Quervernetzung (z.B. Mitomycin C)

Mutagenitätstest: Ames-Test

• Testverfahren zur Ermittlung der Mutagenität von Substanzen
• Verwendung von histidindefizienten Bakterien
• Nachweis mutierter Bakterien auf histidinhaltigen Nährböden