Molekularbiologie Grundlagen Quiz

Molekularbiologie I - TM 12.6

• Das Thema der Vorlesung ist Molekularbiologie I, mit der Titelbezeichnung TM 12.6.
• Der Dozent ist Professor Dr. Heidi Olzscha.
• Die E-Mail-Adresse des Dozenten ist [email protected].
• Die Vorlesung findet an der Medical School Hamburg statt, an der Universität der angewandten Wissenschaften und der Medizinischen Universität.

Lernziele

• DNA-Replikation
• Mutationen
• DNA-Reparatur
• Immungenetik

Quervernetzung

• Die Vorlesung ist vernetzt mit anderen Lehrveranstaltungen der Biochemie und Zellbiologie (horizontale Vernetzung).
• Sie ist auch vernetzt mit Lehrveranstaltungen der klinischen Chemie, Pharmakologie, Mikrobiologie und Onkologie (vertikale Vernetzung).

Weiterführendes Material und Lehrbücher

• Löffler/Petrides, 10. Auflage, Kapitel 10, 44, 45, teilweise 70 (Immungenetik).
• Lehrbücher der Anatomie
• Lehrbücher der Biologie

DNA-Replikation

• Die DNA-Replikation ist die Vervielfältigung der Nukleinsäuremoleküle.
• Sie dient der Verdopplung der DNA in der Synthesephase.
• Die Replikation geht einer Mitose voraus und betrifft gewöhnlich den gesamten Chromosomensatz.
• Die DNA-Replikation ist die identische Verdoppelung der DNA durch DNA-Polymerasen.
• Die Reduplikation des Genoms: Aus 46 Chromatiden werden 92.

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie

• Es kann keine sequenzielle Information von Protein zu einem Protein oder Nukleinsäure übertragen werden. (Francis Crick, 1970)
• Es gibt allgemeine und spezielle Übertragungsarten der Genexpression, wie z. B. RNA-Replikation bei RNA-Viren.
• Es gibt auch noch unbekannte Übertragungsarten.

Wie wird DNA repliziert?

• Drei mögliche Szenarien: semikonservativ, konservativ und dispersiv.
• Bei der semikonservativen Replikation entstehen zwei DNA-Moleküle, bestehend aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang.

Das Meselson-Stahl-Experiment

• DNA wird semi-konservativ repliziert.
• Nachweis methodisch durch Experimente.

Die Verlängerung der DNA von 5' nach 3'

• Das Enzym DNA-Polymerase III hängt das nächste Desoxyribonucleotid an das 3'-Ende des wachsenden Strangs an.
• Freisetzung von Pyrophosphat (PPi) treibt Reaktion an.

Das Replikonmodell

• Prokaryotische Chromosomen: Eine einzige ori-Region.
• Eukaryotische Chromosomen: Viele ori-Regionen.
• Replikation initiiert an verschiedenen Punkten (ori)

Phasen der Replikation

• Initiation
• Elongation
• Termination

Initiation bei Prokaryoten

• Enzym DnaA, ATP, DnaB, DnaC, ATP
• Lokale Strangtrennung der DNA
• Bindung der Helicase
• Bindung der SSB's (Single-Strand-Binding-Proteins)

Topoisomerase I

• Löst Torsionsspannungen in der DNA

Verschiedene Klassen humaner Topoisomerasen

• Die verschiedenen Klassen, ihre DNA-Bindung, Mechanismus, Proteine und klinischer Einsatz werden beschrieben.

Initiation bei Eukaryoten

• ORC (origin recognition complex)
• Pränitiationskomplex
• Phosphorylierung von ORC
• Beginn der Replikation.

Initiationsfaktoren: Prokaryoten vs. Eukaryoten

• Die verschiedenen Faktoren für Prokaryoten (DnaA, DnaB, DnaC, Topoisomerasen, SSBs) werden mit den Eukaryonten-Faktoren (ORC, MCM-Komplex, Cdc6, Cdt1, Topoisomerasen, RPA) verglichen.

Elongationsphase

• DNA-Polymerasen katalysieren eine Reaktion, nach folgendem Schema: dNTP+(dNMP)n → (dNMP)n+1 + P~P→ (dNMP)n+1 + 2P

• RNA-Primer starten die Replikation

• Die DNA-Polymerase verlängert den RNA-Primer an dem 3'-Ende mit DNA-Nukleotiden.

Die Replikation der Doppelhelix: Führungsstrang vs. Folgestrang

• Führungsstrang kontinuierliche Synthese
• Folgestrang diskontinuierliche Synthese: Okazaki-Fragmente

Verankerung der DNA-Polymerase auf der DNA (Clamp-Prinzip)

• Verankerung der Polymerase durch Clamp und Clamp Loader.
• Start der DNA-Synthese nach Anheftung.

Posaunenmodell: Simultane Replikation von Führungs- und Folgestrang

• Die beiden DNA-Polymerasen arbeiten simultan.
• Die Schleife bildet sich durch ständige Veränderung der Größe der Replikationsblase.

Ersetzen der RNA-Fragmente am Beispiel von E. coli.

• Entfernen der Primer durch RNase H
• Auffüllen der Lücken durch DNA-Polymerase I
• Schließen der Lücken durch DNA-Ligase.

Verknüpfung der Fragmente (Ligation).

• Ligase bringt Fragmente zusammen.

Die wichtigsten humanen DNA-Polymerasen im Überblick.

• Informationen zu verschiedenen DNA-Polymerasen (α, δ, ε, β, γ) - Lokalisation und Funktion inklusive Molekülmasse in Da werden dargestellt.

Termination der Replikation

• In Pro- und Eukaryonten gibt es spezifische Terminationssequenzen.
• Terminationsproteine stoppen Replikation.
• Typ II Topoisomerasen sind für die Termination von ringförmigen Chromosomen benötigt.
• Bei bestimmten Eukaryoten werden Telomere durch die Telomerase verlängert.

Das Telomer-Problem

• Das Problem bei der Replikation an den Enden (Telomeren) der DNA.
• Primers sind nötig.

Die Lösung des Telomer-Problems: Die Telomerase

• Telomerase verlängert Telomere durch Hinzufügen von repetitivem DNA-Sequenzen (TTAGGG).
• DNA Polymerase füllt diese Stücke auf.

Zusammenfassung Replikation (in Echtzeit).

• Visualisierung der Replikationsprozesse.

Mutationen

• Eine dauerhafte Veränderung des Erbgutes.

Arten von Mutationen:

• Unterscheidung nach Erblichkeit, Ursache, Mechanismus, Größe, Veränderungort, Folgen für Proteine, Folgen für Organismus.

Mutationenen: Somatisches vs. Keimbahnmutationen

• Unterschiede zwischen somatischen und Keimbahnmutationen.
• Vererbung an Nachkommen.

Mutationsarten

• Chromosomenmutationen, Genommutationen und Genmutationen.
• Beschreibung der Mutationen.

DNA-Schäden: Wie Fehler entstehen können

• Spontane DNA-Schäden (z. B. Depurinierung, Desaminierung)
• Induzierte DNA-Schäden (z. B. durch Strahlung, Chemikalien)
• DNA-Schäden durch Fehler bei der Replikation.

Spontane DNA-Schäden

• Depurinierung
• Desaminierung von Cytosin
• Sauerstoffradikale und deren Folgen.

Induzierte DNA-Schäden

• Elektromagnetische Strahlung (z. B. UV-Strahlung)
• Alkylierung
• Interkalierende Substanzen

Bildung von Thymin-Dimeren

• Wirkung von UV-Strahlung und cis/trans-Thymindimere.

Angriffspunkte chemischer Agenzien an DNA

• Angriffspunkte von chemischen Agenzien auf DNA.

Interkalierende Substanzen

• Interkalierende Substanzen und ihre Wirkung auf DNA.

Zusammenfassung Mutationen

• Dynamisches genetisches Material
• Genommutationen, Chromosomenmutationen, Genmutationen
• Exogene Noxen (UV-Strahlung, radioaktive Strahlung, Chemikalien)
• Spontane Veränderung von DNA (z. B. Purinverlust oder Cytosin-Desaminierung)
• Basenfehlpaarungen durch diese Faktoren.

DNA-Reparatur und Immungenetik

• Überblick über die wichtigsten Prozesse.

Prinzip der DNA-Reparatur

• Schritte der DNA-Reparatur.

Übersicht über DNA-Reparatursysteme

• Verschiedene Reparatursysteme.
• Schäden, die repariert werden.

Basenexcisionsreparatur

• Ablauf des Prozesses.

Nucleotidexcisionsreparatur

• Ablauf des Prozesses (mit UvrABC-Komplex).

Mismatch-Reparatur

• Schrittweise Beschreibung des Verfahrens.

Die homologe Rekombination

• Schritte, Ausbildung von Bindungen, Spaltung, Holliday-Struktur.

Reparatur durch homologe und nicht-homologe DNA-Rekombination

• Unterschiedliche Wege der DNA-Rekombination
• Ablauf der Reparatur.

Beispiel für Variabilität: Die Antikörper

• Struktur und Funktion von Antikörpern.

Beispiel für Rekombination: Die Entstehung der Antikörpervielfalt

• Genetische Rekombination bei Antikörpern.

Beispiel für Rekombination: Die Entstehung der TCR-Vielfalt

• Beispiele zeigen die Rekombination bei T-Zellrezeptoren.

Zusammenfassung DNA-Reparatur und Immungenetik

• Zusammenfassung aller Prozesse (Schäden, Reparatursysteme inklusive direkt Reparatur, Basenexcision, Nucleotidexcision, mismatch, Rekombinationen)

Danksagung

• Dank für die Aufmerksamkeit.
• Kontaktinformationen für weitere Fragen.

Testen Sie Ihr Wissen über das zentrale Dogma der Molekularbiologie und verwandte Konzepte wie RNA-Replikation, Mutationen und DNA-Reparaturmechanismen. Beantworten Sie Fragen zu Translation und horizontalen Verbindungen in der Molekularbiologie. Dieses Quiz ist ideal für Studierende der Biowissenschaften.