PBI_HumBio_3.pdf (Gliederung, Genetik, etc.)

Gliederung ! Einführung ! Grundstrukturen biologischer Makromoleküle ! Zytologie ! Genetik Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkr...

Gliederung ! Einführung ! Grundstrukturen biologischer Makromoleküle ! Zytologie ! Genetik Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials 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 Mitose Erbanlagen werden in der Ruhephase des Zellkerns verdoppelt und bei der Zellteilung gleichmäßig auf Tochterzellen verteilt Zentriolenreplikation Zellteilung Mitose Mitose Cytokinese Zytokinese: Bildung pflanzlicher Zellwand Regulation der Zellteilung ist die Zelle groß genug? sind die Umweltbedingungen günstig? " Eintritt in die S-Phase sind alle Chromosomen an der Spindel angeheftet? " Beginn der Cytokinese wurde die gesamte DNA verdoppelt? sind die Umweltbedingungen günstig? " Eintritt in die Mitose Regulatoren der Zellteilung ! MPF: mitose promoting factor ! Cycline ! Cdk: cycline dependent kinases Programmierter Zelltod - Apoptose Proliferation - Zelltod Apoptose Nekrose ! geplanter ! Tod infolge Zelltod akuter Schädigung – ! geordnete „Unfalltod“ Kaskade (Verbrennung, ! DNA Vergiftung, kondensiert, Bestrahlung) wird abgebaut ! DNA kondensiert ! Zelle schrumpft nicht ! Beseitigung ! Zelle schwillt durch an Phagozytose ! Zelle zerplatzt ! " keine ! " Entzündung Entzündung Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen Fortpflanzung ! asexuelle Fortpflanzung: vegetative Vermehrung durch Teilungen, Nachfahren genetisch identisch ! sexuelle Fortpflanzung: - Genome zweier Individuen werden vermischt - Nachkommen genetisch unterschiedlich - Wechsel von haploiden und diploiden Phasen (Kernphasenwechsel, Generationswechsel) Diploider Chromosomensatz Kernphasenwechsel Kernphasenwechsel, Generationswechsel Haplonten Diplonten (viele Pilze, (Mensch, Tier) manche Algen) Diplohaplonten (höhere Pflanzen und manche Algen) Kernphasenwechsel beim Menschen Meiose ! zwei aufeinander folgende Teilungen ! aus 1 Zelle entstehen vier genetisch nicht identische Gameten mit haploidem Chromosomensatz Homologe Rekombination – crossing over ! crossing over: Austausch von Genabschnitten zwischen homologen Chromosomen ! an den Chiasmata ! es entstehen Mosaikchromosomen: tragen väterliches und mütterliches Erbgut Homologe Rekombination – crossing over Meiose Mitose vs. Meiose Zufälligkeit der Befruchtung Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen Genetik ! lebende Organismen sind zur Autoreproduktion befähigt ! die Genetik versucht zu beantworten - warum die Nachkommen die Merkmale der Vorfahren tragen - welche Gesetzmäßigkeiten bei der Merkmalsweitergabe entscheidend sind Genetik – grundlegende Erkenntnisse Charles Darwin (1809-1882) Evolution Genetik – grundlegende Erkenntnisse Gregor Mendel (1822-1884) Genetik - Begriffe ! Genom: Gesamtheit der Gene eines Organismus ! Gen: Erbfaktor, Abschnitt der DNA; enthält Information zur Produktion einer RNA ! Phän: Erscheinungsbild eines Merkmals ! Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, aus der Gesamtheit der Erbanlagen resultierend Genetik - Begriffe ! 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 Allele Mendels Versuche – reziproke Kreuzungen Ergebnisse reziproker Kreuzungen 1. Mendelsches Gesetz = Uniformitätsgesetz Die Nachkommen homozygoter Individuen sind untereinander gleich. 2. Mendelsches Gesetz = Spaltungsgesetz Die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen sind nicht mehr gleichförmig, sondern spalten ihr äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Intermediärer Erbgang Genotyp - Phänotyp Homozygot oder heterozygot? 3. Mendelsches Gesetz = Neukombinations-/Spaltungsgesetz 3. Mendelsches Gesetz ! nur bedingt gültig! ! Gene sind auf Chromosomen lokalisiert ! Gene, die auf gleichem Chromosom vererbt werden - folgen der Spaltungsregel nicht! - werden gekoppelt vererbt ! Chromosomen = Kopplungsgruppen ! Rekombination gekoppelter Gene erfolgt durch Crossing-over Menschliche Erbgänge - Stammbaumanalyse Menschliche Erbgänge - Stammbaumanalyse Rezessiv vererbt - Cystische Fibrose („Mukoviszidose“) ! häufigste letale genetisch bedingte Krankheit ! jedes 2.500ste Neugeborene ! 4 % heterozygote Träger in Bevölkerung ! funktionelle Genform A kodiert für lebenswichtiges Membranprotein ! krankmachende Genform a führt zum Verlust der Proteinfunktion ! starke Schleimbildung in Lungen von aa- Homozygoten führt ohne Behandlung zum Tod im Kindesalter Wahrscheinlichkeit einer Cystischen Fibrose 25 % 50 % 25 % Dominant vererbte Krankheiten ! Achondroplasie (Kleinwuchs): - nicht letal - Häufigkeit 1:10,000 (Aa- Heterozygote oder AA- Homozygote) - 99.99% der Menschheit normalwüchsig und aa- homozygot ! Chorea Huntington: - letale, degenerative Nervenkrankheit - Krankheitssymptome bei Aa- Heterozygoten erst spät erkennbar ! krank machendes Allel im Genom heute durch molekulare Methoden nachweisbar Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen Übertragung genetischen Materials bei Bakterien ! keine Meiose in Bakterien ! Prozesse bei Bakterien daher parameiotisch oder parasexuell ! Übertragung genetischen Materials (DNA) auf drei verschiedenen Wegen möglich ! in jedem Fall wird die DNA von einem Donor auf einen Rezeptor übertragen ! neben normaler ringförmiger DNA in Bakterien noch kleine ebenfalls ringförmige extra Stücke = Plasmide 1. Konjugation 1. Pilus sorgt für die Annäherung zwischen den Zellen 2. Ausbildung einer Konjugationsbrücke 3. nach Paarung von F+ und F-: Bruch des DNA- Doppelstranges des Plasmids 4. Übertragung des Einzelstranges 5. Neusynthese des 2. Stranges in Spender- und Empfängerzelle 1. Konjugation 1. F-Faktor kann auch in die Haupt-DNA integriert sein 2. nach Ausbildung einer Konjugationsbrücke: Bruch in einem Einzelstrang der DNA- Doppelspirale " entspiralisiert 3. gebrochener Einzelstrang mit F- Faktor und daran hängendem Genmaterial in Empfängerzelle transferiert 4. Stränge wieder verdoppelt 1. Konjugation ! häufig Übertragung von Antibiotikaresistenzen ! v.a. in Krankenhäusern: Auftreten multi- resistenter Stämme ! 1982 waren 0,02% der Stämme von Streptococcus pneumoniae resistent gegen Penicillin; heute: 40% ! heute: >90% aller Staphylococcus aureus Stämme resistent gegen Penicillin Antibiotika-Resistenzen ! bisher: Vancomycin letzte Rettung bei multiplen Resistenzen ! 2002: erster Fall von vollständig Vancomycin-resistenten St. aureus ! seit Ende der 1990-er Jahre einige Fälle Vancomycin-resistenter Enterococcus- Stämme ! zunehmende Zahl von Methicillin- resistenten Staphylokokken (MRSA) 2. Transformation 2. Transformation – experimenteller Einsatz 2. Transformation ! bei Eukaryonten als „Transfektion“ bezeichnet ! bei Pflanzen und Pilzen sind spezielle Methoden entwickelt worden, um die dicke Zellwand durchdringen zu können ! Pflanzen oder Tiere, die mit fremder DNA transformiert worden sind, werden „transgen“ genannt 3. Transduktion ! Übertragung von genetischem Material zwischen Bakterien mit Hilfe von Bakterienviren = Bakteriophagen = Phagen ! Phagen heften sich an ein Bakterium an und injizieren ihre DNA ! DNA im Bakterium vermehrt ! Bildung neuer Viren und Zerstörung des Bakteriums = Lyse 3. Transduktion Übertragung genetischen Materials bei Bakterien Veranstaltungshinweis Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen DNA Replikation ! identische Reduplikation der DNA, bevor sie bei einer Zellteilung weitergegeben werden kann: autokatalytische Funktion (DNA " DNA) ! Umsetzung der Information in Merkmale: heterokatalytische Funktion (DNA " RNA) DNA Replikation DNA Replikation Helicase DNA Replikation Helicase DNA Replikation Helicase DNA Replikation in Prokaryonten DNA Replikation in Eukaryonten Helicase ! Aufbrechen der Wasserstoffbrücken- bindungen unter Verbrauch von ATP ! SSB-Proteine (single strand binding proteins) binden, um Rückbildung der Wasserstoffbrücken- bindungen zu verhindern Anheftung der Nukleotide 3‘ 3‘ 5‘ Replikationsrichtung 3‘ " 5‘ neuer Matritze Strang Synthese der beiden Stränge DNA Polymerase benötig Starter - „primers“ DNA Replikation - Zusammenfassung Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen Transkription/Translation ! Übersetzung der Information (DNA) erfolgt in zwei Stufen ! Transkription: Umschreibung der DNA in Boten-RNA = mRNA ! Translation: Übersetzung der mRNA in ein Polypeptid Transkription/Translation Genetik ! Mitose ! Meiose ! Mendelsche Gesetze ! Übertragung genet. Materials bei Bakterien - Konjugation - Transformation - Transduktion ! DNA-Replikation ! Transkription ! Translation ! Mutationen Mutationen Mutationen ! bleibende Veränderung des Erbguts ! eine Mutation ist zufällig und nicht gerichtet ! eine der wesentlichen Voraussetzungen für Evolution ! spontane Mutationsrate eines Gens: 10-5 bis 10-9 pro Verdopplung Mutationen ! somatische Mutation: - betrifft normale Körperzelle - betrifft nur ein Individuum - wird nicht vererbt ! Mutation in der Keimbahn - Veränderung des Genotyps - findet sich in allen Zellen der Folgegeneration Gen-Mutationen: Punktmutationen stumme Mutation missense Mutation: falsche AS eingebaut nonsense Mutation: vorzeitiger Abbruch Gen-Mutationen Deletion: Verlust von Basen- paaren " verschobener Leserahmen Insertion: zus. Basenpaare, verschob. Leserahmen " vorzeitiger Abbruch Triplett-Deletion oder -Insertion: fehlende oder zusätzliche Aminosäure Beispiele für Gen-Mutationen ! Albinismus ! Xeroderma pigmentosum ! Sichelzellen- anämie Chromosomen-Mutationen ! Veränderung der Form und Struktur ganzer Chromosomen oder großer Chromosomen-Abschnitte ! Duplikation: Verdoppelung eines Chromosomen- Abschnitts ! Deletion: ein ganzer Abschnitt eines Chromosoms geht verloren Chromosomen-Mutationen ! Inversion: Verdrehung eines Chromosomenabschnitts um 180° " Gene nicht in ihrer ursprünglichen Reihenfolge abgelesen - parazentrisch: Centromer nicht betroffen - perizentrisch: Centromer betroffen ! Translokation: ein Stück eines Chromosoms verlässt seinen ursprünglichen Platz und lagert sich in ein anderes, nicht-homologes Chromosom ein oder an einer anderen Stelle des gleichen Chromosoms Genommutationen ! Aneuploidie: Veränderung einzelner Chromosomenzahlen - n-1 Monosomie - n+1 Trisomie ! Polyploidie: gesamter Chromosomensatz vervielfältigt Aneupleudie: Trisomien ! Trisomie 21, Down- Syndrom ! Häufigkeit abhängig vom Alter der Frau - unter 30 Jahren: 0,04% - 30-35 Jahre: 1,25% - 35-40 Jahre: 4% - über 40 Jahre: über 10% Polyploidie - Autopolyploidie ! multiple Chromosomen der gleichen Spezies ! im Pflanzenreich häufiger vorkommend ! 3n/triploid: - meist steril - z.B. Bananen, Wassermelonen ! 4n/tetraploid: - größere Blüten, bessere Erträge - z.B. Tabak ! in der Flora Grönlands: 86% der Pflanzen polyploid Polyploidie - Allopolyploidie ! Kombination der Chromosomensät- ze verwandter Arten ! z.B. Weizen Mutagene - physikalisch ! ionisierende Strahlen (a, b, g): - Strangbrüche - Peroxidbildung der Pyrimidine ! Hitze: Abspaltung von Basen ! UV-Licht - Dimerisierung von Thyminmolekülen, die in einem Strang benachbart sind - Ausbildung kovalenter Bindungen Mutagene - biologisch ! Virusinfektionen ® Tumore - Hepatitis B, C (HBV, HCV) - Humane Papillomaviren (HPV) - Epstein-Barr-Virus ! Chromosomenbrüche und schwere Missbildungen: Röteln Mutagene - chemisch ! Basenanaloga - 5-Bromuracil - 5-Fluoruracil ! Enolform von 5- Bromuracil: Paarung mit Guanin Mutagene - chemisch ! DNA-Quervernetzung durch Mitomycin C ! Vorkommen: Streptomyces caesopitosus und S. verticillatus ! bakterizid gegen gram+ und gram- Bakterien, Mycobakterien, Viren und Rickettsien ! stark toxisch Mutagene - chemisch ! interkalierende Agentien: Acridinderivate, Ethidiumbromid ! flache, basenähnliche Form ! schieben sich in die DNA zwischen zwei benachbarten Basen ! bei darauf folgender Replikation: Einschübe und Ausfälle von Basenpaaren " Leserastermutationen Mutagene - chemisch ! Desaminierung durch Salpetrige Säure (Adenin " Hypoxanthin " Paarung mit Cytosin) ! alkylierende Agentien (Aflatoxine, Dimethylsulfat): - alkylieren Stickstoff des Guanins - abnormale Basenpaarung mit Thymin - Spaltung des DNA-Stranges Mutagenitätstest: Ames-Test