Genetik - Biologie learn online

Biologie (Subject) / Genetik (Lesson)

Steop 2, Genetik

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Was ist ein Gen? Ein DNA- Abschnitt, welcher für die Bildung einer RNA verantwortlich ist
Genom = Erbgut eines Organismus
Kriterien von Genen Information muss stabil gespeichert sein Information muss genau replizierbar sein (Nachkommende Zellen haben gleiche Information wie deren Eltern) Information muss veränderbar sein (Mutationen), um Adaption und Evolution zu ermöglichen
Entdeckung der DNA Friedrich Miescher (Schweizer) isolierte erstmals DNA Nuklein gennant beinhaltete Kohlenstoff, Wasserstoff, Phosphor, Stickstoff
Experiment von Griffith S Stamm - Smooth - glatte Kolonien = pathogen R Stamm - Rough - raue Kolonien = nicht pathogen Vermischung von inaktivierten S Stämmen (nicht tödlich) mit lebendigen R Stämmen verursacht Übertragung von S Stamm Genmaterial auf lebendige R Stämme --> tödlich
RNAsen Enzym zur Spaltung von RNA Molekülen
DNAsen Enzyme zur Spaltung von DNA Molekülen
Hershey and Chase Experiment verwendung von T2 Bakteriophagen (Viren die Bakterienzellen befallen) Bakteriophagen werden makiert: Aminosäuren mit Schwefel Nukleinsäuren mit Phosphor in der Tochtergeneration wird kontrolliert welcher Stoff weitergegeben wurde --> Phosphor = DNA verantwortlich für Vererbung
Bestandteile der DNA Phosphorsäure Rest Zucker: 5 Kohlenstoffzucker (Ribose oder Desoxyribose) 4 Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin
Purine Basen: 2- Ring - Strukturen: Adenine (Aminogruppe- NH2) Guanine (Sauerstoff)
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Pyrimidine Basen: 1- Ring- Struktur: Cytosine (NH2 - Aminogruppe) Thymine (Sauerstoff, Thymingruppe) Uracile (Sauerstoff, fehlende Thymingruppe; in der RNA statt Thymin)
Nukleotide bestehen aus Zucker, Base, Phosphorsäurerest
Nukleosid besteht aus Zucker + Base
Polymere Sind chemische Verbindungen aus Ketten- oder verzweigten Molekülen, die wiederum aus gleichen oder gleichartigen Einheiten bestehen. (Bausteinsystem) zB.: DNA, RNA
Verbindungen der DNA / RNA Bausteine Bausteine sind über Phosphodiesterbrücken verbunden (unter Abspaltung von H2O) Jede DNA und RNA hat ein 5' Phosphat und 3' OH Ende RNA hat zusätztliches 2' OH (two-prime-hydroxyl)
"RNA- Welt" - zwei Funktionen der RNA RNA ( Zucker, Phosphorsäurerest, Basen) kann komplexe Strukturen ausbilden, welche katalytische Wirkung erzielen können. RNA kann genetische Information tragen RNA kann als Katalysator aktiv wirken (= Ribozyme- Vorläufer heutiger Enzyme ; zB.: Ribosom) zuerst: Ribozyme die zur Selbstreplikation befähigt sind später: Ribozymkomplexe welche einander in ihrer Aktivität unterstützen (Replikation anderer Ribozyme) Komplexe Ribozym unterstützen die Synthese von Aminosäureketten Im Laufe der Zeit: Entstehung von Proteinenzymen, die Replikation von DNA und RNA unterstützen Vorteil von DNA = chemisch stabiler, semikonservative Replizierbarkeit
Entdeckung der Struktur der DNA "Chargaff Regel": Basenzusammensetzung: in etwa gleich viele Adenosine wie Thymidine, bzw. Guanosine wie Cytosine Rosalind Frankling und Maurice Wilkins: Röntgenstrukturanalyse zeigten die Helicität der DNA Watson und Crick: eigene Karte!!
Die Struktur der DNA DNA besteht aus zwei sich rechtsdrehend umeinanderwickelnden Polynukleotidketten Die zwei Polynukleotidketten verlaufen antiparallel Das Zucker- Phosphat Rückgrat befindet sich auf der Außenseite der Helix, während die Basen in deren Inneren übereinander gestapelt sind Die Basen der zwei Ketten sind über schwache Wasserstoffbrücken miteinander verbunden. A-T Basenpaare und G-C Basenpaare passen in die Dimensionen der Doppelhelix Einzelne Basenpaare in der Helix sind 0,34 nm voneinander entfernt. Eine Drehung der Helix nimmt 10bp oder 3,4 nm ein. Die Helix ist 2nm im Durchmesser (breit). Das Rückgrat der DNA wird durch eine Phospho-Ribose Kette aufgebaut, welche die Helix asymetrisch umwindet. (Bildung von Minor- und Major- Groove)
Verpackung von DNA Viren: DNA oder RNA, linear oder zirkulär Prokaryoten: zirkuläre chromosomale DNA und extrachromosomale zirkuläre DNA- Plasmide. Eukaryoten: lineare DNA Chromosomen Organellen: zirkuläre DNA Genome In Bakterien oder Archea kann die chromosomale DNA eng als Nucleoid gepackt sein.
Supercoiling Beispiel Gummiringerl positives Supercoiling = mehr Windungen negatives Supercoiling = weniger Windungen Topoisomerasen - spalten DNA, winden oder entwinden und verknüpfen sie wieder. zusätzlich sind bakterielle Chromosomen in Loops organisiert!
Histone sind basische Protein und Bestandteile des Chromatins; dienen zur Verpackung der eukaryoten DNA, 2x: H2A, H2B,H3, H4 = Nukleosom / Oktamer - kleinste Verpackungseinheit, DNA ist 2 mal um ein Oktamer gewickelt = 10nm Struktur H1 dient zur stärkeren Verpackung der DNA = 30nm Struktur
Euchromatin Im Euchromatin befinden sich die meisten Gene und fast die gesamte Genaktivität (codierende Gene) = weniger dicht verpackt um effizient ablesen zu können während der Interphase ist das Euchromatin dekondensiert!
Heterochromatin = verdichtetes Chromatin im Zellkern, stark Histon gebundene Form, gut einfärbbar zB.: DNA im Centrumer ist nicht kodierend, ermöglicht aber ein Andocken des Spindelapperates
Chromatin Chromatin ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen. Es handelt sich um einen Komplex aus DNA und speziellen Proteinen, von denen wiederum etwa die Hälfte Histone sind
DNA Polymerisation erfordert..? Desoxynucleotidtriphosphate (Bausteine) DNA Polymerase (Enzym) ein freies 3'OH Ende (Startpunkt) Template (Vorlage zum Ablesen/ Ergänzen) DNA Replikation verläuft IMMER von 5' nach 3'
Topoisomerasen = Enzyme die zur Kompaktierung der DNA (Supercoiling) notwendig sind
Helikasen = Enzyme die die Strukturen doppelsträngiger Nukleinsäuren (DNA / RNA) verändern. In der Regel lösen sie die Basenpaare von doppelten DNA / RNA - Strängen auf. unentbehrlich bei der Replikation, der Transkription, DNA- Reperatur und der Rekombination
Primase = RNA- Polymerase, synthetiesiert ein Stück RNA (Primer = freies 3' OH Ende), als Startsignal zur DNA Replikation.
DNA Polymerase Aktivitäten (Möglichkeiten) 5' ---> 3' Polymerase Aktivität = Neusynthese von DNA 3' ---> 5' Exonuklease Aktivität = entfernt soeben eingebauten Nukleotide vom 3' Ende, falls diese nicht korrekt (zB falsche Baasenpaarung) = Proofreading Aktivität 5' ---> 3' Exonuklease Aktivität = Entfernt DNA oder RNA Stränge von deren 5' Ende (Primer Entfernung) Bakterielle DNA Polymerase I kann 1 + 2 + 3 Aktivität Bakterielle DNA Polymerase III kann nur 1 + 2 Aktivität
Leading strand synthese wird kontinuierlich in Richtung 5' ---> 3' verlängert (synthetisiert) nur EIN RNA Primer wird benötigt durch DNA Polymerase III
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Lagging strand synthese wird diskontinuierlich verlängert, weil gegen "Laufrichtung" benötigt viele RNA Primer = viele kurze DNA Abschnitte (Okazaki Fragmente), die später miteinander verbunden werden müssen (ligiert) DNA Polymerase III synthetisiert die kurzen DNA Stücke von Primer zu Primer DNA Polymerase I ersetzt Primer mit DNA DNA Ligase verknüpft die einzelnen DNA Stücke miteinander
Okazaki Fragment = RNA Primer + Stückchen DNA welches entsteht bei der Lagging strand synthese
Sigma Faktor Sigma-Faktoren (σ-Faktoren) sind bakterielle Proteine, welche für die Initiation der Transkription notwendig sind. Kann an 2 Stellen an die DNA binden ( -35 Region und -10 Region = Promotor-Regionen)
3 Phasen der Transkription (bei Bakterien) Initiation Elongation Termination
Initiation Sigma Faktor bindet an TATA-Box / Pribnow-Box (Bakterien) des Promoters und erhöht dramatisch die Bindungswahrscheinlichkeit der DNA- Polymerase an dieser Stelle. Elongation startet --> Sigma Faktor wird abgespalten
Elongation Der Elongationskomplex (mehrere Proteine) "wandert" die DNA ab (DNA wird entwunden/zugänglich gemacht) und schreibt die DNA Information in eine mRNA um
Termination (der Transkription bei Prokaryoten) 1. Durch terminale Hairpins reguliert = "fertige" RNA bildet eine "Haarnadel" und bremmst somit die RNA- Polymerase, gleichzeitig wird die RNA/DNA Verbindung (9 Basenpaare) instabil, RNA- Polymerase fällt in die elongierte Form zurück und die DNA schließt sich wieder 2. Rho- Abhängige Termination Rho-Faktor (= Helikase) bindet an C - Reiche Sequenz und folgt der RNA-Polymerase. Entwindet RNA von DNA --> DNA kann sich wieder schließen --> Polymerase in elongierte Form --> dissoziiert
GEN der Transkription (Bakterien) ein codierendes GEN besitzt eine Promotorregion, die den Startbereich kennzeichnet, einen codierenden Abschnitt und eine Terminationssequenz.
Promotorregion Promotorregion (Startsignal) besitzt häufig zahlrieche AT Basenbindungen = Pribnow -Box(weil AT nur 2 Wasserstoffbrücken = leichter zu entwinden) liegt vor dem RNA codierenden Bereich (-35 Bereich und -10 Bereich konserviert) wird bei Bakterien durch bestimmte Sigma Faktoren erkannt, die daran binden und die Initiation einleiten = Polymerase kann einsteigen
eukaryotische Polymerasen und ihre Aufgaben Polymerase I synthetisiert die rRNA = ribosomale RNA = 90% der zellulären RNA, aus rRNA werden Ribosomen gebildet Polymerase II synthetiesiert die mRNA = Messanger RNA --> codiert für Proteine (Translation von mRNA in Ribosomen) Polymerase III synthetisiert kleine nicht codierende RNA's mit katalytischer und regulatorischer Funktion (snRNA's, tRNA's, snoRNA's)
Promotorregion (Eukaryoten) Polymerase II benötigt Enhancer und Promotoren Promotoren können bis zu 200 bp (Basenpaare) upstream (-50 bis -200) entfernt von der codierenden Sequenz liegen (Schleifenbildung) es gibt zahlreiche Transkriptionsfaktorbindungsstellen (zB. TATA-Box) TATA- Box = TA reiche Sequenz (-25) an welche Transcription Binding Protein binden können (TBP) TF's = Transcription Factors (=Protein-Komplex) (TF II --> RNA Polymerase II) TBP und TF's ermöglichen den Einstieg der RNA Polymerase II
Kinase = Enzym, das Phosphatreste (zB.: von ATP) auf andere Substrate übertragen kann zB.: Transkription bei Eukaryoten TF II H (Trancription Faktor) phosphoryliert den "Ringelschwanz" der RNA Polymerase II und ermöglicht den Initiationsstart
Teile der mRNA besteht aus: 5' untranslatierte Region (5' UTR) Proteincodierende Sequenz 3' untranslatierte Region (3' UTR) UTR Regionen bestimmen die Stabilität und Translatierbarkeit der RNA
Unterschied der Translation bei Eukaryoten / Prokaryoten bei Prokaryoten: wird die transkripierte RNA noch während der Transkription (kotranskriptionell) translatiert. 3' Ende noch nicht fertig transkripiert --> 5' Ende wird bereits durch Ribosomen translatiert. bei Eukaryoten: mRNA wird synthetisiert ---> modifiziert ---> prozessiert (Introns entfernen) ---> aus dem Zellkern ins Zytoplasma gebracht und erst dort translatiert.
mRNA Modifikationen vor Export aus dem Kern nachdem ca 20 Nukleotide der RNA synthetisiert wurden, wird ein 5' invertiertes methyl- Guanosin Cap durch ein "capping Enzym" angefügt + die zucker von Nukleotid 1 & 2 werden methyliert (CH3 wird angehängt) AAUAAA - Sequenz und GU / U Sequenz werden erkannt und Proteine (CPSF und CstF) binden daran --> rekrutieren cleavage factor I und II (CF I , CFII) --> spalten RNA Polyadenylation erfolgt durch Poly -A Polimerase (PAP) --> 70 bis mehrere Hundert A werden ans 3' Ende gehängt (Poly - A - Schwanz)
prä- mRNA Spleissen eukaryotische Gene sind mit nicht codierenden Sequenzen durchzogen (= Introns) Introns werden im Zellkern entfernt Exons können modifiziert werden bzw. umgeordnet werden Exon1 + Exon 2 +Exon 3 ... usw. oder verschiedene Proteine entstehen Exon 1 + Exon 3 + Exon 4 ... usw.
wobble- basepairs ermöglichen es, dass eine tRNA mehrer Codons ablesen kann Wobble- basepair = letzte position im basen tripplet zB.: GC-AU-GC ----> wooble-pairing GC-AU-GU
Inosine = RNA- Base (=Adenin ohne Aminigruppe) kann mit U, A und C ein Basenpaar bilden
tRNA die transfer RNA nimmt durch eigene Basenpaarung ihr typische "Kleeblattform" ein sie bringen Aminosäuren zu den Ribosomen das Anticodon basenpaart mit dem Codon der mRNA jede tRNA besitzt an ihrem 3'-Ende eine CCA Sequenz, welche posttranskriptionel angefügt wird
Aminoacyl- tRNA Synthethase ENZYM; belädt die tRNA unter Verbrauch von ATP für jede Aminosärue gibt es eine eigene Aminoacyl- tRNA Synthethase Vorgang: Aminosäure und ATP binden an das Enzym --> aus ATP wird AMP (2 Phosphatreste werden abgespalten) tRNA bindet aufgrund ihrer einzigartigen Form an ihre spezifische Synththase die Aminosäure bindet an das 3' oder 2' Ende (ACC-Ende) der tRNA und das AMP wird verdrängt --> Estherbrückenbindung zwischen Carboxy terminalem Ende der Aminosäure und dem 2' oder 3' OH- Ende der tRNA <--