Molekulare Biologie Zusammenfassung PDF

Zusammenfassung Master Semester 3 Modul: Bio 10 Dozent: Frau Prof. Dr. Kaufmann **Seminar/Vorlesung:** Molekulare Biologie Inhalt {#inhalt.TOCHeading} ====== [1. Grundlagen der Biochemie 4](#grundlagen-der-biochemie) [Biochemische Zusammensetzung der Zelle 5](#biochemische-zusammensetzung-der...

Zusammenfassung Master Semester 3 Modul: Bio 10 Dozent: Frau Prof. Dr. Kaufmann **Seminar/Vorlesung:** Molekulare Biologie Inhalt {#inhalt.TOCHeading} ====== [1. Grundlagen der Biochemie 4](#grundlagen-der-biochemie) [Biochemische Zusammensetzung der Zelle 5](#biochemische-zusammensetzung-der-zelle) [Wechselwirkungen in hydrophilen und hydrophoben Molekülen erläutern, Strukturen erkennen: 5](#wechselwirkungen-in-hydrophilen-und-hydrophoben-molek%C3%BClen-erl%C3%A4utern-strukturen-erkennen) [Phosphate und Fettsäuren und deren Bindungsarten erkennen und beschreiben 6](#phosphate-und-fetts%C3%A4uren-und-deren-bindungsarten-erkennen-und-beschreiben) [Hydrolyse und Katalyse 6](#hydrolyse-und-katalyse) [ATP und ADP 6](#atp-und-adp) [Fettsäuren 7](#fetts%C3%A4uren) [Kondensation und Hydrolyse 7](#kondensation-und-hydrolyse) [Umwandlung von ATP in ADP \> Hydrolyse 8](#umwandlung-von-atp-in-adp-hydrolyse) [Enzyme 8](#enzyme) [2. „Konserve" Nukleinsäuren: Grundlagen, Funktion, Bestandteile und Struktur 9](#konserve-nukleins%C3%A4uren-grundlagen-funktion-bestandteile-und-struktur) [2.1. Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären 9](#struktur-und-aufbau-der-dna-detailliert-erkl%C3%A4ren) [Nukleosid und Nukleotid 10](#nukleosid-und-nukleotid) [Nukleotide sind die Monomere der Nukleinsäuren 10](#nukleotide-sind-die-monomere-der-nukleins%C3%A4uren) [Wie genau ist die Base aber an den Zucker gebunden? 10](#wie-genau-ist-die-base-aber-an-den-zucker-gebunden) [Nucleotide: Base (WICHTIG) 10](#nucleotide-base-wichtig) [2.2. Unterschiede zwischen DNA und RNA (WICHTIG) 11](#unterschiede-zwischen-dna-und-rna-wichtig) [2.3. Nukleotide werden über Phosphodiesterbrücken verknüpft 11](#nukleotide-werden-%C3%BCber-phosphodiesterbr%C3%BCcken-verkn%C3%BCpft) [SingleStrand DNA - ssDNA besitzt Polarität 11](#singlestrand-dna---ssdna-besitzt-polarit%C3%A4t) [Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation 12](#ein-dna-einzelstrang-dient-als-matrize-bei-der-replikation) [Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation 12](#ein-dna-einzelstrang-dient-als-matrize-bei-der-replikation-1) [Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die DNA 12](#kovalente-kr%C3%A4fte-und-wasserstoffbr%C3%BCckenbindungen-stabilisieren-die-dna) [Wie war das nochmal? Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen 13](#wie-war-das-nochmal-kovalente-kr%C3%A4fte-und-wasserstoffbr%C3%BCckenbindungen) [Wasserstoffbrückenbindungen verbinden DNA-Doppelstränge (WICHTIG) 13](#wasserstoffbr%C3%BCckenbindungen-verbinden-dna-doppelstr%C3%A4nge-wichtig) [**Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden (DAS WICHTIGSTE AUF EINEN BLICK)** 14](#der-dna-doppelstrang-ist-zu-einer-helix-verwunden-das-wichtigste-auf-einen-blick) [Zellen übersetzen DNA in Proteine (WICHTIG) 15](#zellen-%C3%BCbersetzen-dna-in-proteine-wichtig) [Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Nukleotide sind die Bausteine für\... Alles 15](#zucker-aminos%C3%A4uren-fetts%C3%A4uren-und-nukleotide-sind-die-bausteine-f%C3%BCr...-alles) [2.4. Organismen haben unterschiedliche Genomgrößen 15](#organismen-haben-unterschiedliche-genomgr%C3%B6%C3%9Fen) [Und wer hat das größte? 15](#_Toc183172522) [Eukaryotische DNA befindet sich im Zellkern (Nukleus) und Mitochondrien (WICHTIG) 16](#eukaryotische-dna-befindet-sich-im-zellkern-nukleus-und-mitochondrien-wichtig) [Abschnitte auf der DNA (Gene) vererben Eigenschaften 16](#abschnitte-auf-der-dna-gene-vererben-eigenschaften) [3. „Konserve" Organisation des Genoms: Chromosomen und Gene 17](#konserve-organisation-des-genoms-chromosomen-und-gene) [3.1. Was ist ein Chromosom -- Blick in die Zelle 17](#was-ist-ein-chromosom-blick-in-die-zelle) [Wie werden Chromosomen angefärbt? 17](#wie-werden-chromosomen-angef%C3%A4rbt) [Was ist ein Chromosom -- Die „einfache" Antwort 18](#was-ist-ein-chromosom-die-einfache-antwort) [Begriffsklärung 18](#begriffskl%C3%A4rung) [Was ist ein Chromosom -- Im Detail! (Wichtig) 18](#was-ist-ein-chromosom-im-detail-wichtig) [Phasen des Zellzyklus: Übersicht (WICHTIG) 19](#phasen-des-zellzyklus-%C3%BCbersicht-wichtig) [DNA ist um Histone gewickelt: Struktur von Chromatin 19](#dna-ist-um-histone-gewickelt-struktur-von-chromatin) [3.2. Was ist ein Gen? (WICHTIG) 19](#was-ist-ein-gen-wichtig) [3.3. Was wir von Mendel gelernt haben: Uniformitäts- und Spaltungsregel 20](#was-wir-von-mendel-gelernt-haben-uniformit%C3%A4ts--und-spaltungsregel) [Die verschiedenen Blutgruppen 21](#die-verschiedenen-blutgruppen) [Vererbung der Blutgruppen 21](#vererbung-der-blutgruppen) [Der Rhesusfaktor 21](#der-rhesusfaktor) [Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben und Proteine synthetisiert 22](#proteincodierende-dna-wird-in-mrna-umgeschrieben-und-proteine-synthetisiert) [Gene bestehen aus Introns und Exons 22](#gene-bestehen-aus-introns-und-exons) [Genetische Aberrationen: Trisomie 21 23](#genetische-aberrationen-trisomie-21) [Genetische Aberrationen: XXY-Syndrom = Klinefelter-Syndrom 23](#genetische-aberrationen-xxy-syndrom-klinefelter-syndrom) [**Lernziele Chromosomen und Gene** 23](#lernziele-chromosomen-und-gene) [4. Zellzyklus und Replikation: DNA-Mutationen und 24](#zellzyklus-und-replikation-dna-mutationen-und) [Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation 24](#lernziele-zellteilung-zellzyklus-und-replikation) [4.1. Zwei Arten der Zellteilung: Mitose & Meiose 24](#zwei-arten-der-zellteilung-mitose-meiose) [Mitose 24](#mitose) [Meiose 24](#meiose) [4.2. DNA- Replikation 26](#dna--replikation) [Schritte der DNA-Replikation 26](#schritte-der-dna-replikation) [5. Zellzyklus und Replikation: DNA-Mutationen und 28](#dna-mutationen-und-reparatur) [6. Proteine: Aufbau, Faltung und Funktionen 28](#_Toc183172551) [7. Zellbiologie: Zellmembran 28](#_Toc183172552) [8. Zellbiologie: Membrantransport 28](#_Toc183172553) [9. Zellbiologie: Zellkommunikation 28](#_Toc183172554) [10. Zellbiologie: Zytoskelett 28](#zellbiologie-zytoskelett) [11. Zellbiologie: Apoptose 28](#zellbiologie-apoptose) [12. Aktuelle Themen der Molekularen Biologie: CRISPR/Cas und Drogen 28](#aktuelle-themen-der-molekularen-biologie-crisprcas-und-drogen) [13. Prüfungswoche 28](#_Toc183172558) Grundlagen der Biochemie ======================== +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Kohlenwasserstoffbindung | - chemische Verbindungen, die | | | ausschließlich aus | | | Kohlenstoff | | | und [Wasserstoff](https://app | | |.studysmarter.de/link-to?studyset | | | =3012960&summary=21827547&languag | | | e=de&amp_device_id=zlLBfXhtd3r0lQ | | | 7CLR7jW-) bestehen | | | | | | - unpolare Verbindung | +===================================+===================================+ | Einfach- und Doppelbindung | - einfache kovalente Bindung \> | | | C & C ein Elektronenpaar | | | teilen | | | | | | - Doppelbindung \> zwei | | | Elektronenpaare zwischen zwei | | | Atomen geteilt werden | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Ionische Bindung | - ein oder mehrere Elektronen | | | auf anderes Atom übertragen = | | | Ione (Kation, Anion) | | | entstehen = aufgrund der | | | Ladung \> Anziehung | | | | | | - Atom gibt Elektronen ab und | | | ein anderes nimmt sie auf, | | | wodurch positive und negative | | | Ionen entstehen, die sich | | | anziehen (z.B. NaCl). | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Kovalente Bindung | - 2 oder mehr Atome | | | (nichtmetallische Elemente) | | | teilen Elektronenpaare \> | | | stabile Moleküle | | | | | | - Atome teilen sich Elektronen, | | | um eine stabile Verbindung zu | | | bilden (z.B. in Wasser, H₂O). | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Metallische Bindung | - Atome geben äußerste | | | Elektronen ab \> sind frei | | | beweglich \> Elektronengas \> | | | umgibt die positiv geladenen | | | Atome | | | | | | - In Metallen teilen sich | | | Elektronen zwischen vielen | | | Atomen, was zu einer | | | \"Elektronensee\" führt, die | | | Metalltypische Eigenschaften | | | wie Leitfähigkeit verursacht. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Wasserstoffbrückenbindung | - nicht- kovalente Bindung | | | | | | - H- Atome an sehr elektroneg. | | | Atome (O~2~, N, F) gebunden | | | | | | - Basen der Doppelhelix | | | verbunden | | | | | | - Schwache Bindungen zwischen | | | einem Wasserstoffatom, das an | | | ein elektronegatives Atom | | | (z.B. Sauerstoff) gebunden | | | ist, und einem anderen | | | elektronegativen Atom. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Van der Waals Kräfte | - nicht kovalent | | | | | | - schwach | | | | | | - aufgrund kurzzeitiger | | | Ladungsverschiebung | | | | | | - Sehr schwache, temporäre | | | Anziehungskräfte zwischen | | | Molekülen, die durch | | | temporäre Dipole entstehen. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Nicht- kovalente Kräfte | - 2 große Moleküle können | | | miteinander agieren | | | | | | - Flexibel und können sich | | | leicht ändern = ermöglicht | | | Zellen Flexibilität | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | C-O Bindungen | Alkohol, Aldehyde, Keton | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | C-N Bindungen | Amine NH~3~^+^, Amide C=ONR~3~ | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Hydrophile Moleküle | - wasserlöslich | | | | | | - polare Moleküle | | | | | | - Ione | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Hydrophobe Moleküle | - Wasserabweisend | | | | | | - Die [Polarität](https://app.s | | | tudysmarter.de/link-to?studyset=3 | | | 013174&summary=21827772&language= | | | de&amp_device_id=zlLBfXhtd3r0lQ7C | | | LR7jW-) von | | | Wasser führt dazu, dass | | | Wasserstoffatome in | | | Wassermolekülen eine positive | | | Ladung haben, während | | | Sauerstoffatome eine negative | | | Ladung haben. Wenn eine | | | Substanz jedoch keine | | | polarisierten Ladungen | | | aufweist, kann sie keine | | | Bindungen mit den | | | Wassermolekülen eingehen und | | | bleibt ungelöst | +-----------------------------------+-----------------------------------+ ### Biochemische Zusammensetzung der Zelle - H, C, N, O \> 99% der Gesamtzahl der Atome im menschl. Körper \> 96,5% seines Gewichts - Na, Mg, K, Ca, P, S, Cl \> 0,9% der Gesamtzahl der Atome im Körper - Zn, Cu, I \> Spurenelemente - Chemie des Lebens besteht hauptsächlich aus der Chemie leichter Elemente Die Zelle besteht hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S). Diese Elemente bilden die Grundbausteine für: - Wasser (H2O): Hauptbestandteil der Zelle - Proteine: Aus Aminosäuren aufgebaut - Nukleinsäuren (DNA, RNA): DNA und RNA sind Nukleinsäuren, die für die Speicherung und Übertragung genetischer Information verantwortlich sind. - Lipide: Bestehen aus Fettsäuren und Glycerin - Kohlenhydrate: Aufgebaut aus einfachen Zuckern o Die prozentuale Verteilung dieser Moleküle variiert je nach Zelltyp, aber typischerweise macht Wasser etwa 70% des Zellgewichts aus, gefolgt von Proteinen (15-20%), Lipiden (5-10%), und kleineren Anteilen von Nukleinsäuren und Kohlenhydraten. o Diese Elemente bilden die Grundbausteine für alle organischen Moleküle und werden oft als CHNOPS zusammengefasst. ### Wechselwirkungen in hydrophilen und hydrophoben Molekülen erläutern, Strukturen erkennen: Hydrophile und hydrophobe Moleküle verhalten sich unterschiedlich in wässriger Umgebung: - Hydrophile Moleküle: - **Hydrophile Moleküle**: Diese \"lieben\" Wasser und lösen sich gut in Wasser (z.B. Zucker, Salze). - Ziehen Wasser an und lösen sich gut darin. - Beispiele sind Zucker, Ionen und polare Moleküle. - Sie bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen. - Hydrophobe Moleküle: - **Hydrophobe Moleküle**: Diese \"mögen\" Wasser nicht und lösen sich schlecht in Wasser (z.B. Öle). - Stoßen Wasser ab und lösen sich schlecht darin. - Beispiele sind Fette und unpolare Moleküle. - Sie tendieren dazu, sich in wässriger Umgebung zusammenzulagern. - Diese Eigenschaften sind wichtig für die Bildung von Zellmembranen und die Faltung von Proteinen. **\ ** ### Phosphate und Fettsäuren und deren Bindungsarten erkennen und beschreiben - Phosphate: - **Phosphate**: Bestehen aus einem Phosphoratom, das an vier Sauerstoffatome gebunden ist; wichtig für die Energieübertragung (z.B. in ATP). - Wichtige Bestandteile von DNA, RNA und ATP. - Tragen negative Ladungen und sind hydrophil. - Bilden Phosphodiesterbindungen in Nukleinsäuren. - Fettsäuren: - **Fettsäuren**: Lange Kohlenwasserstoffketten mit einer Carboxylgruppe (-COOH) am Ende; wichtig für Lipide. - Bestehen aus einer Kohlenwasserstoffkette (hydrophob) und einer Carboxylgruppe (hydrophil). - Bilden Esterbindungen mit Glycerin in Lipiden. - Wichtig für den Aufbau von Zellmembranen. - ### Hydrolyse und Katalyse - **Hydrolyse**: Eine chemische Reaktion, bei der Wasser verwendet wird, um Moleküle zu spalten (z.B. Zucker in Glukose und Fruktose). - **Katalyse**: Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch einen Katalysator, der die Reaktion nicht verbraucht. ### ATP und ADP - **ATP (Adenosintriphosphat)**: Molekül, das Energie speichert und überträgt. Es besteht aus Adenosin und drei Phosphatgruppen. - **ADP (Adenosindiphosphat)**: ATP wird zu ADP, wenn ein Phosphat abgespalten wird, was Energie freisetzt. ADP kann durch eine Reaktion mit einem weiteren Phosphat wieder zu ATP umgewandelt werden (Kondensation). **\ ** ### Fettsäuren +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ungesättigt | gesättigt | +===================================+===================================+ | - Mind. 1 DB zwischen C-C- | - keine DB zwischen C's | | Bindung \> Knick | | | | - lineare bzw, leicht | | - 1- fach ungesättigt oder | verzweigte Struktur | | mehrfach gesättigt (abhängig | | | von DB) | - Bsp.: tierische Produkte, | | | pflanzliche Öle | | - Bsp.: Olivenöl, Avocado, | | | Nüsse (1fach) Fisch, | - erhöht Cholesterinspiegel | | Leinsamen, Walnüsse | | | (mehrfach) | | | | | | - Können Cholesterinspiegel | | | senken | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ Untereinheiten(Monomere) Makromoleküle (Protein, RNA) komplexe Strukturen **[Konformation]**: Faltung von Proteinen und RNA-Molekülen bringt eine Stabilität rein \> entscheidend für biologische Fkt. \> versch. Teile des Moleküls so angeordnet, dass die spezifischen Aufgaben erfüllt werden können \> nicht- kovalente Bindungen sorgen für Stabilität \> geht 3D Faltung verloren = biologische Aktivität geht verloren ### Kondensation und Hydrolyse Makromoleküle werden mithilfe der Kondensation aus Monomeren aufgebaut und mithilfe von Hydrolyse gespalten.  ### Umwandlung von ATP in ADP \> Hydrolyse A diagram presents the interconversion of A T P and A D P. In the diagram, the A T P molecule is converted into the A D P molecule and an inorganic phosphate group in a cyclic form. The standard Gibb's free energy, delta G naught of the reaction is lesser than 0. The energy released during this reaction, is available to drive energetically unfavorable reactions. The A D P molecule and the inorganic phosphate group combine in the presence of the energy from sunlight or from the breakdown of food to form A T P molecule. The standard Gibb's free energy, delta G naught of the reaction is greater than 0. The structure of the A T P molecule has a ribose ring, which is bonded to an adenine group on the right and a methylene group on the left, which is further bonded to a phosphate group, which has three units of phosphate ion. The bond between each phosphate ion is labeled a phosphoanhydride bond. The structure of the A D P molecule has a ribose ring, which is bonded to an adenine group on the right and a methylene group on the left, which is further bonded to a phosphate group, which has two units of phosphate ion. The structure of the inorganic phosphate group has a central phosphorous atom, which is single bonded to two oxygen anions and double-bonded to oxygen atoms. ### Enzyme Funktionsweise - biologische Katalysatoren, die Substrate in Produkte umwandeln - erhöht Reaktionsgeschwindigkeit, ohne selbst verbraucht zu werden - in der aktiven Stelle findet eine chemische Reaktion statt „Konserve" Nukleinsäuren: Grundlagen, Funktion, Bestandteile und Struktur ========================================================================= Lernziele: - Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären - Unterschiede DNA/RNA aufzählen - Basen der Nukleotide erkennen, benennen und zuordnen - Genomgröße des Menschen und dessen Einheiten quantifizieren 1. Struktur und Aufbau der DNA detailliert erklären ------------------------------------------------ A. Die Einheiten der DNA =\> Zucker-Phosphat (zusammengesetzt aus Zucker in orange und Phosphat in gelb), der Grüne Kasten ist die Base (hier Guanin) = zusammengesetzt ist dies ein Nukleotid!  B. Der DNA-Strang besteht aus vielen miteinander verknüpften Nukleotiden. Zusehen sind oben die verschiedenen Basen (G/T/A/C) die an die Zucker-Phosphate gebunden sind. C. Eine Polymerisation eines neuen Stranges, als Matrize gilt der erste Strang aus (B). So wird Nukleotid für Nukleotid und Monomer für Monomer der komplimentere Strang zusammengesetzt.  D. Nun folgt die doppelsträngige DNA, die einzelnen Basen binden wie zusehen ist spezifisch aneinander (C mit G & A mit T) =\> auch als Zucker-Phosphat-Rückgrat zu bezeichnen. E. DNA-Doppelhelix, Zwei stränge die miteinander durch ihre Basen verbunden sind und somit die 3D Struktur bedingen. ### Nukleosid und Nukleotid +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Base + Zucker = | Base+ Zucker+ |  | | | | | |  | | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ ### Nukleotide sind die Monomere der Nukleinsäuren - **Nukleotide bestehen aus Zucker, Base & Phosphat** - Hier ein Beispiel für ein Nukleotid: Pentose ist der Zucker (rechts), (links) das Phosphat. - Jedes Nukleotid besteht aus einem **Zuckerphosphat** mit\ **stickstoffhaltiger Seitengruppe** oder **Base** - **Pyrimidin 6-Ring, Purin kondensierte Ringsys. aus einem 6-Ring mit einem 5-Ring dran.** - In der DNA sind dies Basen: Adenin/Guanin/Cytosin oder Thymin UND in der RNA wird Thymin durch Uracil ersetzt! - Bei der DNA ist der Zucker eine Desoxyribose, C2- ist also ein H gebunden! UND bei der RNA: Zucker = Ribose, an C2 ist ein OH gebunden! ### Wie genau ist die Base aber an den Zucker gebunden? Die Base ist durch die M-glycosidische Bindung an den Zucker gebunden! N weil Stickstoff, glycosidisch weil Zucker =\> diese Bindung ist immer am C1-Atom des Zuckers! ### Nucleotide: Base (WICHTIG) Unterschiede zwischen DNA und RNA (WICHTIG) ------------------------------------------- Nukleotide werden über Phosphodiesterbrücken verknüpft ------------------------------------------------------ +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **DNA** | [D]eoxyribo[n]{.under | | | line}ucleic | | | [a]cid = | | | Desoxyribonukleinsäure | | | | | | - Speicher für genetische | | | Information | | | | | | - Übertragung genetischer | | | Information von Mutter- auf | | | Tochterzelle | | | | | | - "Bauplan" für Proteine | | | | | | - Purine: Adenin, Guanin / | | | Pyrimidine: Cytosin, Thymin | | | | | | - Doppelstrang | +===================================+===================================+ | **RNA** | [R]ibo[n] | | | ucleic | | | [a]cid = | | | Ribonukleinsäure | | | | | | - Transkription und Transport | | | genetischer Information | | | | | | - Translation in Proteine | | | | | | - Kontrolle der Genexpression | | | | | | - Purine: Adenin, Guanin / | | | Pyrimidine: Cytosin, Uracil | | | | | | - Meist Einzelstrang | +-----------------------------------+-----------------------------------+ Nucleotide werden durch eine **Phosphodiesterbrücke** zwischen dem 5' und 3' Kohlenstoff- zu Nukleinsäuren verbunden - **5'-Ende: Phosphatrest / 3'-Ende: OH-Gruppe** - Die lineare Sequenz einer Nukleinsäurekette wird in einem **1-Buchstaben-Code** abgebildet, z.B. A-G-C-T-T-A-C-A, wobei das **5' Ende** der Kette am **links** steht -- in allen Sprachen unabhängig von der Leserichtung! - Diese Bindung wird als **Zucker-Phosphat-Bindung** bezeichnet ### SingleStrand DNA - ssDNA besitzt Polarität - **ssDNA** besteht aus Nukleotiden, die über **Zucker-Phosphat-Bindungen** verbunden sind - Die Zuckerphosphat-Einheiten sind **asymmetrisch** - **Wir haben ein 5' und ein 3' Ende** - Hierdurch entsteht definierte Richtung = **Polarität** - **5'-Ende: Phosphatrest / 3'-Ende: OH-Gruppe** - [Information wird **nur** von 5' nach 3' synthetisiert] ### Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation - Durch die **Polymerisierung** anhand des **Templates** (existierender DNA-Strang) wird die **Sequenz der neu synthetisierten Nukleotide** für den neuen DNA-Strang definiert - Sequenz des neuen Strangs ist **komplementär** zum Backbone - **A -- T / C -- G** - Der Backbone ist **entgegengesetzt** dem neu synthetisierten Strang.  ### Ein DNA-Einzelstrang dient als Matrize bei der Replikation Die Doppelhelix wird entwunden, um die Replikation möglich zu machen =\> beide Stränge werden als Template-Strand verwendet! (FRAGE: oben kann doch nicht von 5' zu 3' agieren, oder?) ### Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die DNA - Ein normales DNA-Molekül besteht aus **2 dieser komplementären Stränge** - **Nukleotide** sind durch **starke kovalente Kräfte** an backbone gebunden (der orangene Teil mit der Base!) - **Komplementäre Nukleotide** sind über **schwächere Wasserstoffbrückenbindungen**\ miteinander verbunden (die kleinen rote Striche) - Die Bindungen zwischen den Basen sind schwach, damit die Stränge für die Replikation voneinander getrennt werden können! - Die Bindung zwischen Base und Zucker-Phosphat Backbone ist stark, weil die DNA sonst instabile wäre und zerbrechen würde = das wäre für ein Speichermedium ungeeignet! ### Wie war das nochmal? Kovalente Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Bei einer **kovalenten Bindung** | **Wasserstoffbrückenbindung** = | | teilen sich Atome Elektronen, | **inter**molekulare | | indem ihre **Atomorbitale** | Anziehungskraft zwischen | | überlappen. | Molekülen uzw. Zwischen einem | | | **kovalent gebundenen | | Also wenn sie nah genug beisammen | Wasserstoffatom** und einem | | sind, können sich die Atome | **freien Elektronenpaar** eines | | einfach ihre Elektronen Teilen, | Atoms, das sich in einer | | das geschieht im sogenannten | **Atomgruppierung** befindet. | | äußeren Atomorbital! | | +===================================+===================================+ |  | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ ### Wasserstoffbrückenbindungen verbinden DNA-Doppelstränge (WICHTIG) \ Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden - Die beiden Stränge wickeln sich umeinander zu einer **Doppelhelix** - Sehr **robuste Struktur** - Abstand zwischen Basenpaare 0,34nm - Durch die zahlreichen Wasserstoffbrückenbindungen doch recht stabil! - ### ### **Der DNA-Doppelstrang ist zu einer Helix verwunden (DAS WICHTIGSTE AUF EINEN BLICK)** A. Die Einheiten der DNA =\> Zucker-Phosphat (zusammengesetzt aus Zucker in orange und Phosphat in gelb), der Grüne Kasten ist die Base (hier Guanin) = zusammengesetzt ist dies ein Nukleotid! B. Der DNA-Strang besteht aus vielen miteinander verknüpften Nukleotiden. Zusehen sind oben die verschiedenen Basen (G/T/A/C) die an die Zucker-Phosphate gebunden sind. Dieser Strang hat ein 5' und ein 3' Ende! C. In der doppestränging DNA, sind diese Stränge antiparallel, die Basen sind komlementäre. D. Dieser Doppel-Strang ist zu einer Doppelhelix verwunden! ssDNA = single stranded dsDNA = double stranded Antiparallel Stränge Komlementäre Basen Basen 0,34nm voneinander entfernt! ### Zellen übersetzen DNA in Proteine (WICHTIG) DNA ist der Speicher für genetische Informationen! Aber wofür brauchen wir die DNA? Kurz gesagt: um Proteine zu bilden! Wenn DNA repliziert, wird, also neue DNA synthetisiert wird, spricht man von einer DNA-abhängigen (woher es kommt) DNA-Synthese. Wenn DNA transkribiert, DNA wird zur RNA, spricht man von einer DNA-abhängigen RNA-Synthese! Wenn diese RNA translatiert wird und Proteine synthetisiert werden, dann spricht man von einer RNA-abhängigen Protein-Synthese. ### Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Nukleotide sind die Bausteine für\... Alles  Organismen haben unterschiedliche Genomgrößen --------------------------------------------- - Bakterien haben sehr kleine Genome (z.B. E.Coli) - Protozoen haben verschieden große Genome: Pflanzen größer als Pilze (z.B. Weizen 10\^10 Nukleotid Paare) - Menschen hat ein kleineres als Weizen zwischen 10\^9 und 10\^10 ### Eukaryotische DNA befindet sich im Zellkern (Nukleus) und Mitochondrien (WICHTIG) BITTE BEACHTE Nucleus und Nucleolus sind NICHT dasselbe! Im Blauen ist DNA! Achtung: **RNA im Zellkern**, im **Cytoplasma** und in den **cytoplasmatischen Organellen** (Ribosomen, Mitochondrien, Chloroplasten). ### Abschnitte auf der DNA (Gene) vererben Eigenschaften Wir haben einen Strang an DNA 5' bis 3' auf diesem Strang finden sich Gene (gelb markiert) diese Gene werden in RNA translatiert, aus diesen verschiedenen RNA-Molekülen können nun Proteine werden. **Zusammenfassung Nukleinsäuren** - Die DNA ist aus **komplementären Nukleotiden** in einer **Doppelhelix** aufgebaut - **DNA und RNA** unterscheiden sich in **Aufbau, Struktur, Vorkommen und Funktion** - Die Basen der Nukleotide sind **A, G, C und T (DNA), bzw. A, G, C und U (RNA)** - **Genomgröße, Anzahl der Gene, Struktur und funktionelle Einheiten**\ sind je nach Organismus **unterschiedlich** „Konserve" Organisation des Genoms: Chromosomen und Gene ======================================================== Lernziele Chromosomen und Gene - Struktur und Aufbau von Chromosomen erklären - Phasen des Zellzyklus benennen und Merkmale aufzählen - Strukturelle Organisation des Nukleosoms skizzieren - Den Begriff „Gen" definieren - Die drei Mendel'schen Regeln beschreiben - Aufbau von Genen und deren Funktion zusammenfassen - Beispiele für genetische Aberrationen benennen 5. Was ist ein Chromosom -- Blick in die Zelle ------------------------------------------- Links eine Zelle die sich teilt, in braun ein einzelnes Chromosom. Rechts eine nicht teilende Zelle  Links eine Zelle mit einem Zell mit einem Zellkern, dieser ist vom Nuclear envelope umschlossen. Die gezeigte Zelle befindet sich in der **[Interphase]**, daher liegen alle Chromosomen zerknäult im inneren vor. Zellen haben teilweise bevorzugte Stellen innerhalb des Zellkerns, wo sie sich vermehrt aufhalten (sehe rechts). ### Wie werden Chromosomen angefärbt? Chroma= Farbe und soma= Leib =\> sie werden durch die FISH eingefärbt, wie folgt: Fixierung der Zellen mit Chromosom auf Objektträger \> Denaturierung, die DNA-Doppelhelix in den Chromosomen wird durch Hitze denaturiert, sodass sie in einsträngige Abschnitte aufgespaltet wird \> Hybridisierung: die Fluoreszenz maskierten DNA-Sonden werden auf die spezifischen DANN Sequenzen aufgetragen. ### Was ist ein Chromosom -- Die „einfache" Antwort Auf dem Bild sehen wir nur sehr stark komprimierte DNA! Ein Dupliziertes Chromosom aus zwei Chromatiden, aus 2 Strängen! - **Histone** und andere **Proteine** lagern sich am\ DNA-Doppelstrang an = **Chromati[n]** - 1 DNA-Doppelstrang + Proteine = **1 Chromati[d (ALSO ohne Histone)]** - 1 Chromosom besteht je nach Phase des Zellzyklus aus 1 oder 2 **durchgehenden Strängen DNA-Doppelhelix = 1 oder 2 Chromati[d]en** - Enthält die meisten oder alle **Gene** (etwa\ 1.000 / Chromosom) **= Träger des Genoms** - **Mensch: 46 im diploiden Haplotyp (2n) = Jede Zelle besitzt 2 Kopien jedes Chromosoms! Jedes Chromosom kann etwa 1000 Gene enthalten!** ### Begriffsklärung - **Phänotyp = Menge aller Merkmale (Das was man sieht!)** - **Genotyp** = **Gesamtheit** der Gene = Gene der **Chromosomen** im Zellkern + **extrachromosomale DNA** (Gene der mitochondrialen DANN =\> kommt von der Mutter) + bei **Pflanzen** zusätzlich die DNA der **Chloroplasten (Das was im inneren ist!)** - **Haplotyp** = Haploider Genotyp = **Variante einer Nukleotidsequenz** auf ein- und demselben Chromosom - **Haploid = 1n = Einfacher Chromosomensatz**, z.B. im Zellkern einer Eizelle und den Spermien, jedes Gen in nur **1 Variante (Allel)** - **Diploid = 2n = Doppelter Chromosomensatz**, z.B. in Körperzellen, **homologe Gene** Was ist ein Chromosom -- Im Detail! (Wichtig) -------------------------------------------------------------------- Regulatorische DNA-Sequenz -- Start des Genes! Rot- Exon / Grau -- Introns (Schutz) Das Gen wird nun Expremier =\> in RNA umgeschrieben und zum Schluss in Proteine (gefaltet) ### Phasen des Zellzyklus: Übersicht (WICHTIG) Zelle mit Väterlichen und Mütterlichen Chromosomen (Interphase) Gen Expression =\> Chromosomen werden dupliziert M Phase =\> Mitose beginnt =\> Chromosomen werden an der äquatorial Ebene angeordnet und von den Spindefasern werden jeweils eine Hälfte des Chromosoms an die Pole gezogen. Zellteilung =\> Interphase mit zwei identischen Tochterzellen! ### DNA ist um Histone gewickelt: Struktur von Chromatin Histonen sind wie Garnspulen um die die DNA mehrfach herumgewickelt wird. (Buntes sind andere Proteine) =\> Sie dienen zum Schutz der „Nackten" DNA. Was ist ein Gen? (WICHTIG) -------------------------- - Ein Gen ist eine **lokalisierbare Region genomischer DNA-Sequenz**, die einer **Erbeinheit** entspricht und mit **regulatorischen, transkribierten** und/oder **funktionellen Sequenzregionen** assoziiert ist. - Ein Gen ist eine **Vereinigung genomischer Sequenzen**, die einen **zusammenhängenden Satz** von eventuell überlappenden **funktionellen Produkten** codiere 7. Was wir von Mendel gelernt haben: Uniformitäts- und Spaltungsregel ------------------------------------------------------------------ +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | **1. | **2. Spaltungsregel | **3.** | | Uniformitätsregel (1. | (2. Mendelsches | **Unabhängigkeitsrege | | Mendelsches Gesetz)** | Gesetz)** | l | | | | (3. Mendelsches | | | | Gesetz)** | +=======================+=======================+=======================+ | - Betrifft die | - Betrifft die | - Betrifft die | | F1-Generation | F2-Generation | Vererbung von | | (erste | | zwei oder mehr | | Tochtergeneration | - Wenn | Merkmalen | | ) | F1-Individuen | gleichzeitig | | | untereinander | | | - Wenn zwei | gekreuzt werden | - Die Vererbung | | reinerbige Eltern | | verschiedener | | mit | - Merkmale spalten | Merkmale erfolgt | | unterschiedlichen | sich im | unabhängig | | Merkmalsausprägun | Verhältnis 3:1 | voneinander | | gen | auf | | | gekreuzt werden | | - Bei zwei | | | - 3/4 zeigen | Merkmalen | | - Alle Nachkommen | das dominante | entstehen in der | | der F1-Generation | Merkmal | F2-Generation 16 | | sehen gleich aus | | verschiedene | | (uniform) | - 1/4 zeigt das | Kombinationsmögli | | | rezessive | chkeiten | | - Sie zeigen nur | Merkmal | | | das dominante | | - Es ergibt sich | | Merkmal | - Genotypisch | das | | | ergibt sich das | charakteristische | | - Sie sind alle | Verhältnis 1:2:1 | Spaltungsverhältn | | heterozygot | | is | | (mischerbig) | - 1/4 reinerbig | von 9:3:3:1 | | | dominant (RR) | | | | | | | | - 2/4 | | | | mischerbig | | | | (Rr) | | | | | | | | - 1/4 reinerbig | | | | rezessiv (rr) | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Beispiel: | Beispiel: | Beispiel: | | | | | | - Kreuzung: reine | - Kreuzung: F1 (Rr) | - Kreuzung von | | rotblühende (RR) | × F1 (Rr) | Erbsenpflanzen | | × reine | | mit zwei | | weißblühende (rr) | - F2-Generation: | Merkmalen: | | Pflanze | | | | | - 75% | - Samenfarbe: | | -  | |.png)F1-Generation: | (RR oder Rr) | dominiert | | Alle Pflanzen | | über grün (g) | | blühen rot (Rr) | - 25% | | | | weißblühend | - Samenform: | | | (rr) | rund (R) | | | | dominiert | | | | über | | | | runzlig (r) | | | | | | | | - F1-Generation: | | | | | | | | - Alle Pflanzen | | | | haben gelbe, | | | | runde Samen | | | | (GgRr) | | | | | | | | - F2-Generation | | | | (Spaltungsverhält | | | | nis | | | | 9:3:3:1): | | | | | | | | - 9/16 gelb und | | | | rund (G\_R\_) | | | | | | | | - 3/16 gelb und | | | | runzlig | | | | (G\_rr) | | | | | | | | - 3/16 grün und | | | | rund (ggR\_) | | | | | | | | - 1/16 grün und | | | | runzlig | | | | (ggrr) | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ ### Die verschiedenen Blutgruppen - **2 Allele der 3 Merkmale** A, B und 0 - Genotypen **AA, BB, 00, A0, B0, AB** - Allele **A und B** sind **gleichwertig** zueinander - A und B sind gegenüber dem **Allel 0 dominant** - Vererbung folgt **Mendel'schen Regeln** ### Vererbung der Blutgruppen ### Der Rhesusfaktor - Name: Gewinnung des ersten Testserums aus dem Blut von Kaninchen, die mit **Erythrozyten aus Rhesusaffen** (*Macaca mulatta*) behandelt worden waren - Rhesusfaktor = **Protein auf Zellmembran der Erythrozyten**, etwa 50 verschiedene - Protein vorhanden: **Rh+**, Protein nicht vorhanden: **Rh-** ### Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben und Proteine synthetisiert Proteincodierende DNA wird in mRNA umgeschrieben es werden Proteine synthetisiert, die wiederum in einem positiven Feedback-Loop die weitere Produktion von weiteren Proteinen beschleunigt. ### Gene bestehen aus Introns und Exons +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | **Exons:** | **Introns:** | **Prozess:** | | | | | | - Sind die | - Sind | 1. DNA enthält | | \"wichtigen\" | \"Unterbrechungen | beide: Introns | | Abschnitte eines | \" | und Exons | | Gens | zwischen den | | | | Exons | 2. Bei der | | - Enthalten die | | Transkription | | Information für | - Enthalten keine | werden beide in | | die | Information für | prä-mRNA kopiert | | Proteinherstellun | das Protein | | | g | | 3. Beim Spleißen | | | - Werden aus der | werden Introns | | - Bleiben in der | mRNA | entfernt | | mRNA erhalten | herausgeschnitten | | | | (Spleißen) | 4. Reife mRNA | | - Werden in | | enthält nur noch | | Aminosäuresequenz | - Werden vor der | Exons | | en | Proteinherstellun | | | \"übersetzt\" | g | 5. Nur die Exons | | | entfernt | werden in | | - Bestimmen die | | Proteine | | Eigenschaften des | - Ihre genaue | übersetzt (im | | entstehenden | Funktion ist noch | cytoplasma) | | Proteins | nicht vollständig | | | | geklärt | | +=======================+=======================+=======================+ | - **Exons: | - **Introns: | | | enthalten Bauplan | enthalten keine | | | für Proteine,\ | Baupläne,\ | | | sind also | sind nicht | | | programmiert** | programmiert,\ | | | | etwa 1,5 % des | | | | Genoms** | | | | | | | | - **Intronabschnitt | | | | e | | | | etwa 10 x so | | | | lang\ | | | | wie | | | | Exonabschnitte** | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ ### Genetische Aberrationen: Trisomie 21 - **Chromosom 21** oder Teile davon sind **dreimal** vorhanden = **Aneuploidie** - **Fehlerhafte Zellteilung in der Meiose** - **Wahrscheinlichkeit (Inzidenz):** - Alter der Mutter bis 25 Jahre: weniger als 0,1 % - 35 Jahre: 0,3 % / 40 Jahre: 1 % / 48 Jahre: 9 % - **Verbreitung (Prävalenz):** etwa 1:500 - Verkürzte **Lebensdauer**, physiologische\ und psychologische **Symptome** - **Pränataldiagnostik**, Schwangerschaftsabbruch ### Genetische Aberrationen: XXY-Syndrom = Klinefelter-Syndrom - Männer haben ein **X-Chromosom zu viel** - Vor der Zeugung: Nicht-Auseinanderweichen (**Non-Disjunction**) der Geschlechtschromosomen während der **Meiose** - **Erhöhte Wahrscheinlichkeit** bei Müttern über 40 - **Prävalenz: 1:1000** - Hodenunterfunktion (**Hypogonadismus**)\ + weitere Symptome - **Intersexualität**, „Wettkampf der Geschlechter" ### ### **Lernziele Chromosomen und Gene** - **Chromosomen enthalten (die meisten) Gene und bestehen aus 1 oder 2 Chromatiden** - **Menschen haben 46 Chromosomen (2n)** - **DNA ist um Histone gewickelt + weitere Proteine = Chromatin** - **Der „Verpackungsgrad" der DNA in einem Chromosom ist etwa 10.000** - **Die 3 Mendel'schen Regeln: Uniformität, Spaltung, Unabhängigkeit** - **Auch die Blutgruppe wird nach diesen Regeln vererbt** - **Gene bestehen aus Introns und Exons, die Transkription startet am Promotor** - **Genetische Aberrationen können zu dedizierter Symptomatik führen** Zellzyklus und Replikation: DNA-Mutationen und ============================================== ### Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation - Phasen des Zellteilung, bzw. Zellzyklus skizzieren - Mitose - Meiose - DNA-Replikation detailliert beschreiben 8. Zwei Arten der Zellteilung: Mitose & Meiose ------------------------------------------- +-----------------------------------+-----------------------------------+ | ### Mitose | ### Meiose | +===================================+===================================+ | Kern- und Zellteilung;\ | **Reifeteilung:** Kern- und | | aus 1 Mutterzelle entstehen\ | Zellteilung;\ | | **2 genetisch identische | aus 1 Mutterzelle entstehen | | [Tochter]zellen** | **genetisch unterschiedliche | | | [Keim]zellen** | +-----------------------------------+-----------------------------------+ |  | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Interphase | **Die Meiose dient Lebewesen also | | ist sehr wichtig! Sie ist die | vor allem:** | | Phase zwischen zwei Mitosen und | | | nimmt etwa 90% des Zellzyklus | 1. zur **geschlechtlichen | | ein! | Fortpflanzung** | | | | | | 2. zur **Neuverteilung des | | | elterlichen Erbguts** | | | (Rekombination) | | | | | | 3. zum **konstant halten | | | artspezifischer | | | Chromosomenzahl** (z.B. 2n), | | | weil Keimzellen haploid sind | | | | | | **Meiose I (Reduktionsteilung)** | | | | | | 1. Prophase I: | | | | | | - Chromosomen werden | | | sichtbar | | | | | | - Kernhülle und | | | Kernkörperchen lösen sich | | | auf | | | | | | - Spindelfasern bilden sich | | | | | | - Intrachromosomale | | | Rekombination | | | (Crossing-over) möglich | | | | | | 2. Metaphase I: | | | | | | - Chromosomenpaare ordnen | | | sich an der | | | Äquatorialebene an | | | | | | 3. Anaphase I: | | | | | | - Ganze Chromosomen werden | | | getrennt und zu den Polen | | | gezogen | | | | | | - Interchromosomale | | | Rekombination möglich | | | | | | 4. Telophase I: | | | | | | - Spindelapparat wird | | | abgebaut | | | | | | - Kernhülle und | | | Kernkörperchen bilden | | | sich neu | | | | | | - Chromosomen | | | entspiralisieren sich | | | | | | **Ergebnis**: Aus einer diploiden | | | Mutterzelle entstehen zwei | | | haploide Tochterzellen. | | | | | | **Meiose II (Äquationsteilung)** | | | | | | 1. Prophase II | | | | | | 2. Metaphase II | | | | | | 3. Anaphase II | | | | | | 4. Telophase II | | | | | | Diese | | | Phasen ähneln stark denen der | | | Mitose. **Ergebnis**: Aus zwei | | | haploiden Zellen entstehen vier | | | haploide Tochterzellen mit | | | Einchromatid-Chromosomen. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Die Interphase besteht aus drei | | | Hauptphasen:** | | | | | | 1. | | | | | | - - - - | | | | | | 2. | | | | | | - - - - | | | | | | 3. | | | | | | - - - - | | | | | | Wichtige Merkmale der Interphase: | | | | | | - - - - | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | 1. Prophase: | | | | | | - Chromatin kondensiert zu | | | sichtbaren Chromosomen | | | | | | - Kernmembran löst sich auf | | | | | | - Spindelapparat beginnt sich | | | zu bilden | | | | | | - Nucleolus verschwindet | | | | | | 2. Metaphase: | | | | | | - Chromosomen ordnen sich in | | | der Äquatorialebene an | | | | | | - Spindelfasern verbinden sich | | | mit den Centromeren | | | | | | - Max. Kondensation der | | | Chromosomen | | | | | | - Chromosomen als X-förmige | | | Strukturen sichtbar | | | | | | 3. Anaphase: | | | | | | - Chromatiden werden getrennt | | | | | | - Spindelfasern ziehen | | | Chromatiden zu den Polen | | | | | | - Bewegung erfolgt gleichmäßig | | | und synchron | | | | | | - Zelle beginnt sich leicht zu | | | strecken | | | | | | 4. Telophase: | | | | | | - Chromosomen entspiralisieren | | | sich | | | | | | - Neue Kernmembranen bilden | | | sich | | | | | | - Nucleoli erscheinen wieder | | | | | | - Spindelapparat löst sich auf | | | | | | 5. Cytokinese (Zellteilung | | | anfang anaphase): | | | | | | - Teilung des Cytoplasmas | | | | | | - Bildung der Zellmembran | | | zwischen den Tochterzellen | | | | | | - Entstehung von zwei | | | identischen Tochterzellen | | | | | | Wichtige Merkmale: | | | | | | - Entstehen zwei identische | | | Tochterzellen | | | | | | - Chromosomenzahl bleibt gleich | | | (diploid) | | | | | | - Dient dem Wachstum und der | | | Regeneration | | | | | | - Prozess wird streng | | | kontrolliert | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ DNA- Replikation ---------------- ### Schritte der DNA-Replikation 1. Auftrennung der DNA-Stränge: - Das Enzym Helikase trennt die zwei DNA-Stränge auf, indem es die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen spaltet (Mit hilfe von ATP dieses wird zu ADP +P) - Die Topoisomerase entwindet die DNA vor der Helikase, um das Fortschreiten zu ermöglichen - 2. Bildung der Replikationsgabel: - Die Stelle, an der die DNA-Stränge getrennt werden, nennt man Replikationsgabel - Einzelstrang-bindende Proteine stabilisieren die getrennten Stränge 3. Primer-Anlagerung: - Das Enzym Primase stellt kurze RNA-Primer her und lagert sie an die Mutterstränge an - Diese Primer dienen als Startpunkt für die DNA-Polymerase 4. DNA-Synthese: - Die DNA-Polymerase beginnt am Primer und fügt komplementäre Nukleotide hinzu - Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert - Kontinuierliche Synthese in 5\' → 3\' Richtung - Ein langer, durchgehender Strang wird gebildet - Der Folgestrang wird in kurzen Fragmenten (Okazaki-Fragmente) synthetisiert - Diskontinuierliche Synthese in 5\' → 3\' Richtung - Bildung kurzer DNA-Abschnitte (Okazaki-Fragmente) - Mehrere Primer nötig - Synthese erfolgt \"rückwärts\" zur Gesamtrichtung der Replikation - Um die einsträngigen DANN stränge legen sich schützende Proteine 5. Entfernung der Primer und Lückenschluss: - Das Enzym RNase H entfernt die RNA-Primer - Eine spezielle Polymerase füllt die Lücken mit DNA-Nukleotiden - Das Enzym Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Besonderheiten** | | | | | | - Am Ende entstehen zwei | | | identische DNA-Moleküle, | | | jeweils aus einem alten und | | | einem neuen Strang bestehend | | +===================================+===================================+ | **Bedeutung der Topoisomerase** | **Rolle der | | | Einzelstrang-bindenden Proteine** | | - Verhindert mechanische | | | Spannungen | - Verhindern die | | | Wiederanlagerung der | | - Schneidet DNA-Stränge | DNA-Stränge | | vorübergehend durch | | | | - Schützen vor dem Abbau durch | | - Ermöglicht das \"Entwinden\" | Nukleasen | | der DNA | | | | - Stabilisieren die | | | einzelsträngige DNA | +-----------------------------------+-----------------------------------+ DNA-Mutationen und Reparatur ============================ []{#_Toc183172551.anchor}**Lernziele Zellteilung, Zellzyklus und Replikation** - Proof- Reading-Mechanismen: Exonuklease, DNA-Polymerase - Fehlerrate und Anzahl der Schäden an der DNA: \~ 3 x 105/24 h - Mutationsmöglichkeiten der DNA: Hydrolyse, Oxidation, Methylierung, Desaminierung - Reparaturmechanismen: Base Excision Repair, Nucleotide Excision Repair 10. Fehlerhafte DNA-Reparatur kann zu Krankheiten führen ---------------------------------------------------- - Bei der DNA-Replikation kommt es zur Reparatur von Fehlern: Die DNA Polymerase ist hierbei dazu da, die entstandene Fehler durch ihr Proof Reading zu korrigieren. - DNA-Mutationen können zu einer Vielzahl an Krankheiten führen, nicht nur Krebs! - Hierbei liegt die Wahrscheinlichkeit für eine Krankheit höher, wenn der Fehler/ die Mutation in einem Exon auftritt - Brca1/2: eine Mutation hier führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Krebs (Brust-, Eierstock-, Prostata-, Pankreaskrebs) ### Für Mutationen anfällige Positionen in der DNA Summarization of alternations of the base in the nucleotide involved in the D N A repair. The molecular structure of nucleotide depicts the alternations of adenine to guanine by a break N-glycosyl linkage to deoxyribose, spontaneous hydrolysis in the phosphate group, and methylation in the nucleobase. The molecular structure of nucleotides with different nucleobases from right to left is given as follows. A five-carbon ring of ribose bonded to a phosphate group consisting of one phosphate and three oxygen where one of the oxygen is attached to the nitrogen base of the adenine comprising fusion of six-membered and five-membered ring with three nitrogen replaced in carbon place, one N H 3, and one C H. A five-carbon ring of ribose bonded to a phosphate group consisting of one phosphate and three oxygen where one of the oxygen is attached to the nitrogen base of the tyrosine comprising a six-membered ring with one C H 3, and two C O O H. A five-carbon ring of ribose bonded to a phosphate group consisting of one phosphate and three oxygen where one of the oxygen is attached to the nitrogen base of the adenine comprising a six-membered with one N H 2, C O O H. A five-carbon ring of ribose bonded to a phosphate group consisting of one phosphate and three oxygen where one of the oxygen is attached to the nitrogen base of the guanine comprising fusion of six-membered and five-membered ring with N H 2, N H, C H, and C O O H. - Je breiter der Pfeil, desto wahrscheinlicher ist hier ein Fehler! - Es gibt drei Arten von Schäden - Methylierung - Methylierung ist eine chemische Veränderung, die die Aktivität von Genen beeinflusst. Wenn sie falsch passiert, kann sie zu genetischen Veränderungen führen, die zur Entstehung von Krebs führen können. Normalerweise reguliert sie jedoch die Genexpression. - Oxidative Schäden - Oxidative Schäden entstehen durch reaktive Sauerstoffmoleküle, die die DNA-Basen oxidieren und verändern. Dies kann zu Mutationen führen, wenn die Zelle diese Schäden nicht repariert. Diese Schäden treten oft durch normale Stoffwechselprozesse oder UV-Strahlung auf - CH-Bindung anfällig - Hydrolytische Angriffe - Hydrolytische Angriffe sind chemische Reaktionen, die ohne Sauerstoffradikale ablaufen. Sie können zu Verlusten von Basen in der DNA führen, wie z.B. dem Entfernen von Adenin oder Guanin. Wenn diese Schäden nicht repariert werden, können sie zu Mutationen führen. - Die Zucker sind besonders anfällig ### Depurinierung und Desaminierung Depurinierung (oben): - Guanin wird durch die Anlagerung von Wasser von der DNA abgespalten - Zurück bleibt nur das Zucker-Phosphat-Rückgrat Desaminierung (unten): - Cytosin verliert seine Aminogruppe durch Wassereinwirkung - Wird zu Uracil umgewandelt - DNA kann nicht mehr gebildet werden, da U nur in RNA vorkommt! - DNA-Struktur bleibt erhalten, aber die genetische Information ändert sich +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Links (A) - Desaminierung: | Rechts (B) - Depurinierung: | | | | | - Cytosin wird zu Uracil (C→U) | - Adenin wird entfernt | | | | | - Bei Replikation entstehen | - Bei Replikation: | | zwei mögliche Stränge: | | | | - Ein Strang verliert das | | - Unveränderter Strang (G-C | A-T Basenpaar | | Paarung) | | | | - Ein Strang bleibt | | - Mutierter Strang (G→A | unverändert | | Änderung) | | | | | | | | | | | | - **Häufig gefunden da der | | | Schaden sehr auffällig ist!** | | +===================================+===================================+ | Beide Prozesse können zu | | | permanenten DNA-Mutationen | | | führen, wenn sie nicht repariert | | | werden. | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ ### DNA-Reparaturwege: Base Excision Repair = Basenausschneidungsreparatur - Basenausschneidungsreparatur =\> der Backbone wird durch die AP-Endonuclease/ Phosphodiesterase ausgeschnitten, damit die Base ausgetauscht werden kann! - Eine desaminierte Base (C→U) wird erkannt - Uracil-DNA-Glykosylase entfernt Uracil - AP Endonuklease/Phosphodiesterase entfernt Zucker-Phosphat - DNA-Polymerase füllt die Lücke mit korrektem Nukleotid - DNA-Ligase verschließt den Strang ### DNA-Reparaturwege: Nucleotide Excision Repair = Nukleotid-Exzisionsreparatur - Nukleotid-Exzisionsreparatur =\> Basen sind verklebt durch Pyrimidine dimer; großer Teil wird ausgeschnitten (Basen+ Backbone), Fehler wird behoben! - Pyrimidin-Dimer wird erkannt - Excisionsnuklease schneidet DNA beidseitig - DNA-Helicase entfernt geschädigten Bereich - DNA-Polymerase füllt Lücke - DNA-Ligase verschließt Strang ### Doppelstrangbruch-Reparatur: Nicht-homolge Endverbindung & homologe Rekombination +-----------------------------------+-----------------------------------+ | A. Nonhomologous End Joining | B. Homologe Rekombination: | | (NHEJ): | | | | - Nutzt unveränderte DNA als | | - Direkte Verknüpfung der | Vorlage | | Bruchenden | | | | - Langsamer aber präzise | | - Schnell aber ungenau | | | | - Rekombinase-Nuklease | | - Nuklease entfernt beschädigte | modifiziert Bruchstelle | | Enden | | | | - DNA-Polymerase nutzt | | - DNA-Ligase verbindet Stränge | unverändert DNA als Vorlage | | direkt | | | | - DNA-Ligase verbindet | | - Manchmal gehen Nukleotide | reparierte Stränge | | verloren | | | | - Keine verlorenen Nukleotide | +-----------------------------------+-----------------------------------+ ### Genmutationen und Krebs **Proto-Onkogene (1 Allel reicht, da dominant)** - Normale Funktion: Überleben und Proliferation der Krebszelle - Effekt: \"Gain of Function\", Unkontrolliertes Zellwachstum - Ursprung: Punktmutation, Chromosomale Translokation, Amplifikation **Caretaker-Gene (2 Allele da rezessiv)** - Normale Funktion: Schutz & Reparatur von DNA-Schäden - Effekt: \"Loss of Function\", Ansammlung von Mutationen und DNA-Veränderungen - Ursprung: Punktmutationen, Deletionen, DNA-Modifikationen (z.B. Methylierung) **Tumorsuppressor-Gene (2 Allele da rezessiv)** - Normale Funktion: Unterbinden Überleben und Proliferation der Krebszelle - Effekt: \"Loss of Function\", Unkontrolliertes Zellwachstum - Ursprung: Punktmutationen, Deletionen, DNA-Modifikationen (z.B. Methylierung) ### Onkogene wirken dominant, Mutationen in Tumorsuppressorgenen rezessiv **(A) Überaktivitätsmutation (Onkogene)** - **Gesunde Zelle:** In einer gesunden Zellen gibt es Gene, die das Zellwachstum fördern, und Gene, die es hemmen. - **Mutation:** Eine Mutation in einem Gen, das das Zellwachstum reguliert, kann dazu führen, dass dieses Gen zu einem *Onkogen* wird. Onkogene sind Gene, die durch die übermäßige Aktivierung das Zellwachstum stark fördern. - **Krebs:** Die übermäßige Förderung des Zellwachstums kann dazu führen, dass Zellen unkontrolliert wachsen und sich teilen -- ein zentraler Mechanismus in der Krebsentstehung **(B) Unteraktivitätsmutation (Tumorsuppressorgene)** - **Gesunde Zelle:** Tumorsuppressorgene wirken hemmend auf das Zellwachstum und verhindern, dass Zellen unkontrolliert wachsen. Sie sind eine Art \"Schutzmechanismus\". - **Erste Mutation:** Eine Mutation in einer Kopie eines Tumorsuppressorgens deaktiviert diese. Da die Zelle eine zweite funktionierende Kopie besitzt, bleibt die Hemmung des Zellwachstums zunächst intakt. - **Zweite Mutation:** Eine Mutation in der zweiten Kopie des Tumorsuppressorgens führt dazu, dass die Hemmung des Zellwachstums vollständig verloren geht. - **Krebs:** Ohne die Funktion der Tumorsuppressorgene gerät das Zellwachstum außer Kontrolle, was ebenfalls zur Entstehung von Krebs beiträgt. **Epigenetik:** Änderung der Genfunktion, die nicht auf DNA-Mutationen beruht: DNA-Methylierung, Histonmodifikation, Telomer-Abbau. **Wie Onkogene entstehen: Bcr-Abl** - **Translokation:** Jeweils ein Teil des **Bcr-Gens** (Chromosom 22) und des **Abl-Gens** (Chromosom 9) werden durch einen chromosomalen Bruch falsch zusammengesetzt. Es entsteht das **Bcr-Abl-Fusionsgen** auf Chromosom 22 (**Philadelphia-Chromosom**). - **Fusionsprotein:** Das Bcr-Abl-Fusionsgen wird in ein Protein mit daueraktivierter **Tyrosinkinasefunktion** übersetzt. - **Folge:** Das Protein fördert unkontrolliertes Zellwachstum und führt zur Krebsentstehung. **\ ** ### Tumorsuppressorproteins p53 **Eingangssignale für p53-Aktivierung** p53 wird durch verschiedene Stressfaktoren aktiviert: 1. **Hyperproliferative Signale:** Übermäßige Zellteilungssignale, wie sie bei Krebs häufig vorkommen. 2. **DNA-Schäden:** Z. B. durch UV-Strahlen, Chemikalien oder Replikationsfehler. 3. **Telomerverkürzung:** Verkürzte Telomere (Schutzkappen der Chromosomen) führen zu zellulärem Altern. 4. **Hypoxie:** Sauerstoffmangel in Zellen. **Ergebnisse der p53-Aktivität** p53 führt zu drei möglichen Reaktionen: 1. **Cell-Cycle Arrest (Zellzyklus-Arrest):** - Die Zellteilung wird angehalten, um Schäden zu reparieren. 2. **Senescence (Zellalterung):** - Die Zelle bleibt dauerhaft inaktiv und teilt sich nicht mehr. 3. **Apoptose (programmierter Zelltod):** - Irreparabel geschädigte Zellen werden sicher eliminiert, um u.a. Krebs zu verhindern. ### Zusammenfassung Krebs - **Mutation von Proto-Onkogenen, Caretaker-Genen und\ Tumorsuppressorgenen kann zu „Loss of Function" oder „Gain of Function" führen, was die Krebsentstehung begünstigt** - **Onkogene können durch Translokationen entstehen** - **Mutationen an Caretaker-Genen unterbinden Reparaturmechanismen** - **Mutationen an Tumorsuppressor-Genen kehren ihre Wirkung um** - **Durch die Zellzykluskontrolle wird der Zellzyklus angehalten,\ wenn Fehler vorliegen** Proteine: Aufbau, Faltung und Funktionen ======================================== []{#_Toc183172552.anchor}**Lernziele** - Schritte der Proteinbiosynthese (PBS) beschreiben - Funktionsweise der RNA-Polymerase skizzieren - Verschiedene RNA-Typen auflisten - PBS: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien benennen - Bedeutung des genetischen Codes für Aminosäurebildung erläutern - Bestandteile eines Proteins und Bindungsarten beschreiben - Strukturebenen benennen und erklären - Funktionen von Proteinen und Beispiele dazu aufzählen **Von der DNA zum Protein:** DNA wird replizier \> DNA wird in RNA transkribiert \> RNA wird in Proteine translatiert! Die genetische Information steuert die Proteinbiosynthese (PBS) --------------------------------------------------------------- - **DNA-Replikation (DNA synthesis):** - Dies ist der Prozess der DNA-Verdopplung - Die DNA-Doppelhelix wird aufgespalten und jeder Strang dient als Vorlage für einen neuen komplementären Strang - Dabei werden Nucleotide als Bausteine verwendet - Das Ergebnis sind zwei identische DNA-Moleküle - **Transkription (RNA synthesis) durch RNA-Polym.:** - Bei der DNA-abhängigen RNA-Synthese wird die genetische Information der DNA in RNA umgeschrieben - Ein DNA-Strang dient als Vorlage (Template) - Das Enzym RNA-Polymerase erstellt einen komplementären RNA-Strang - Die entstehende RNA ist eine Kopie der genetischen Information - Ein wichtiger Punkt ist, dass die RNA-Sequenz komplementär zum Template-Strang der DNA ist, aber identisch zum nicht-gezeigten Coding-Strang der DNA ist (nur mit U statt T). - Dies ist der erste Schritt der Genexpression, bei dem die genetische Information von der DNA in RNA übertragen wird, bevor sie später in Proteine übersetzt werden kann. - **Translation (Protein synthesis):** - Dies ist der letzte Schritt der Proteinbiosynthese - Die RNA-abhängige Protein-Synthese findet an den Ribosomen statt - Die messenger-RNA (mRNA) wird in Aminosäuresequenzen übersetzt - Jeweils drei Basen (ein Codon) codieren für eine bestimmte Aminosäure - Die Aminosäuren werden entsprechend der RNA-Sequenz zu einer Polypeptidkette verknüpft - Das Ergebnis ist ein funktionsfähiges Protein Gene werden mit verschiedener Effizienz exprimiert ------------------------------------------------------------------------- +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Gen A: | Gen B: | | | | | - Wird sehr effizient | - Wird weniger effizient | | exprimiert | exprimiert | | | | | - Nach der Transkription | - Nach der Transkription | | entstehen viele RNA-Kopien | entsteht nur eine RNA-Kopie | | (mehrere blaue Linien) | (eine blaue Linie) | | | | | - Bei der Translation werden | - Bei der Translation wird | | entsprechend viele Proteine A | entsprechend nur ein einziges | | produziert (viele grüne | Protein B produziert (ein | | Kreise mit \"A\") | grünes Quadrat mit \"B\") | | | | | - Das Endergebnis ist eine hohe | - Das Endergebnis ist eine | | Konzentration von Protein A | niedrige Konzentration von | | | Protein B | +-----------------------------------+-----------------------------------+ RNA-Polymerase transkribiert DNA -------------------------------- 1. **Initiation:** 1. Die RNA-Polymerase bindet an die DNA 2. Die DNA-Doppelhelix wird aufgewunden (\"entwickelt\") 3. Ein einzelner DNA-Strang wird als Vorlage (Template) verwendet 4. Ein Mg²⁺-Ion ist am aktiven Zentrum beteiligt 2. **Elongation (Verlängerung):** 5. Neue Nukleotide werden einzeln durch den \"ribonucleoside triphosphate uptake channel\" aufgenommen 6. Diese werden entsprechend der Basenpaarungsregeln zum wachsenden RNA-Strang hinzugefügt 7. Es bildet sich kurzzeitig eine DNA-RNA-Helix im Arbeitsbereich 8. Die Transkription läuft in einer bestimmten Richtung (direction of transcription) 9. Vor der Polymerase ist die DNA noch als Doppelhelix (downstream DNA double helix) 10. Hinter ihr fügt sich die DNA wieder zur Doppelhelix zusammen 3. **RNA-Synthese:** 11. Der entstehende RNA-Strang (newly synthesized RNA transcript) ist komplementär zum DNA-Template-Strang 12. Die RNA wächst in 5\' → 3\' Richtung 13. Der Prozess ist kontinuierlich, solange Nukleotide verfügbar sind 4. **Termination:** 14. Der gesamte Prozess endet, wenn die RNA-Polymerase ein Terminator-Signal erreicht 15. Dieses Signal ist eine spezifische DNA-Sequenz, die das Ende des zu transkribierenden Gens markiert Verschiedene RNA-Typen auflisten -------------------------------- Es gibt verschiedene RNA-Polymerasen, die „Familie" ist je nach Gen. z.B.... Vom Gen zum Protein: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien ------------------------------------------------------------------------------------------ +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Eukaryoten (A):** | **Bakterien (B):** | | | | | 1. Komplexe Struktur: | 1. Einfachere Struktur: | | | | | - DNA befindet sich im Zellkern | - - - | | (Nucleus) | | | | 2. Direkter Prozess: | | - Gene enthalten Introns | | | (nicht-codierende Bereiche) | - - - | | und Exons (codierende | | | Bereiche) | | | | | | - Die Transkription findet im | | | Kern statt | | | | | | 2. RNA-Prozessierung (RNA | | | PROCESSING): | | | | | | - Nach der Transkription | | | entsteht zunächst ein | | | \"primary RNA transcript\" | | | | | | - Dieses wird durch drei | | | Prozesse modifiziert: | | | | | | - 5\' CAPPING: Anhängen | | | einer Schutzkappe am | | | 5\'-Ende | | | | | | - RNA SPLICING: Entfernen | | | der Introns und Verbinden | | | der Exons | | | | | | - 3\' POLYADENYLATION: | | | Anhängen einer | | | Poly-A-Sequenz am | | | 3\'-Ende | | | | | | 3. Export: | | | | | | - Die fertige mRNA wird aus dem | | | Kern ins Cytoplasma | | | transportiert =\> wird durch | | | Kernporenkomplex ausgewiesen! | | | | | | - Erst dort findet die | | | Translation zu Proteinen | | | statt | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ mRNA: Unterschiede zwischen Eukaryoten und Bakterien --------------------------------------------------------------------------- +-----------------------------------+-----------------------------------+ | **Bakterielle mRNA:** | **Eukaryotische mRNA:** | | | | | 1. Einfachere Struktur: | 1. Komplexere Struktur mit | | | speziellen Modifikationen: | | - Hat nur eine | | | Triphosphat-Gruppe (PPP) am | - 5\' Cap: Eine spezielle Kappe | | 5\'-Ende | mit Methylgruppe (CH₃) und | | | G-Base | | - Keine spezielle Modifikation | | | am 3\'-Ende | - 3\' Poly-A-Schwanz: Eine | | | Kette von 150-250 | | - Kann mehrere codierende | Adenin-Basen (AAAAA) | | Sequenzen enthalten | | | (polycistronisch) | - Normalerweise nur eine | | | codierende Sequenz | | 2. Mehrere Proteine: | (monocistronisch) | | | | | - Eine mRNA kann für mehrere | 2. Ein Protein: | | verschiedene Proteine | | | codieren (α, β, γ) | - Eine mRNA codiert | | | typischerweise nur für ein | | - Die Proteine werden | einzelnes Protein | | nacheinander von derselben | | | mRNA abgelesen | - Bessere Kontrolle der | | | Genexpression | +-----------------------------------+-----------------------------------+ **Zusammenfassung:** - **Die PBS verläuft über Transkription und Translation** - **Transkription via RNA-Polymerase: Initiation, Elongation, Termination** - **Verschiedene RNA-Typen: mRNA, tRNA, rRNA, snRNA...** - **PBS in Eukaryoten: nur 1 Exon, Transkription im Zellkern, Ausschleusen der mRNA ins Cytoplasma, Translation im Cytosol** - **PBS in Bakterien: mehrere Exons, alles innerhalb des Cytosols** Der genetische Code: Codons für Aminosäuren ------------------------------------------- Wenn es für eine Aminosäure mehrere Varianten und Tripletts gibt, dann ist die Gefahr durch eine Punktmutation geringer, da selbst bei Änderung einer Base eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich die Aminosäure selbst nicht ändert. Der Leserahmen definiert, welche Aminosäure gebildet wird, daher können gravierende Fehler entstehen, sollte es zum Wegfallen eines Basenpaares kommen, da sich somit der Leserahmen verschieben würde und folglich die falschen Aminosäuren abgelesen werden würden. Von der Aminosäure-Kette zum funktionellen Protein (Protein-Reifung nach der Synthese) -------------------------------------------------------------------------------------- +-----------------------------------+-----------------------------------+ | 3. **Neu synthetisiertes Protein | 4. **Faltung und | | (newly synthesized | Cofaktor-Bindung:** | | protein):** | | | | - Das Protein faltet sich in | | - Zunächst liegt das Protein | seine dreidimensionale | | als lineare Kette von | Struktur | | Aminosäuren vor | | | | - Dies geschieht durch | | - Diese ungefaltete Form ist | nichtkovalente | | noch nicht funktionsfähig | Wechselwirkungen (noncovalent | | | interactions) =\> schwache | | | Bindung | | | | | | - Cofaktoren (rot dargestellt) | | | können gebunden werden | | | | | | - Diese Faltung ist essentiell | | | für die Proteinfunktion | +===================================+===================================+ | 1. **Kovalente Modifikationen:** | 2. **Bindung an andere | | | Proteinuntereinheiten:** | | - Das Protein kann verschiedene | | | chemische Modifikationen | - Viele Proteine funktionieren | | erhalten: | als Komplexe | | |