Genetik (Fach) / Struktur Nukleinsäuren (Lektion)

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• Was ist Genetik? Genetik ist der Bereich der Biologie welcher sichmit den Ursachen von Ähnlichkeiten undUnterschieden von Individuen befasst!
• Meilensteine der Genetik Mendel und die Gesetze der Vererbung von Merkmalen (1866) Watson&Crick und die Struktur von DNA (1953) Das humane Genomprojekt (2001)
• Chemie und Struktur von Nukleinsäuren Friedrich Miescher isoliert 1869 Nukleinsäuren - erhält beim Versuch Kerne zu isolieren ‘Nuclein’ - ‘Nuclein’ enthielt Phosphor und Stickstoff - ‘Nuclein’ enthielt keinen Schwefel
• Nukleinsäuren Deoxyribonukleinsäure:DNS oder DNA (deoxyribonucleic acid) RibonukleinsäureRNS oder RNA (ribonucleic acid)
• Bestandteile der Nukleinsäuren DNAdAdenosindGuanosindThymidindCytidinRNAAdenosinGuanosinUridinCytidin
• Pyrimidin-Basen Desoxythymidine monophosphate, dTMP Desoxycytidine monophosphate, dCMP Uracil
• Purin-Basen Desoxyadenosine monophosphate, dAMP Desoxyguanosine monophosphate, dGMP
• Biosynthese der Nukleotide Salvage Pathways überführen Basen undNukleoside wieder zurück in NukleotideActivated ribose (PRPP) + base → Nucleotide De Novo Pathway synthetisiert dieeinzelnen Basen neu aus Aminosäuren, ATPund CO2 und setzt sie dann mit ‘aktivierterRibose’ zu Adenosine, Guanosine, Uridine,Cytidine zusammenActivated ribose (PRPP) + amino acids + ATP + CO2 +... → Nucleotide
• Salvage Pathways verwerten Purin Basen und setzen sie wieder mit ‘aktivierter Ribose’ (PRPP, Phosphoribosylpyrophosphat) zu Adenosine, Guanosine zusammen - bzw. machen aus Thymidine, Cytidine, Uridine die entsprechenden Nukleotide -> Phosphoribosyl-Transferasen(z.B. HGPRT hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase)Base + PRPP -> Nucleosid-phosphat -> Nucleosid-Kinasen(z.B. TK thymidine kinase)Nucleoside + ATP -> AMP, GMP, UMP, CMP
• De Novo Pathway synthetisiert die einzelnen Basen neu aus Aminosäuren, ATP und CO2 und setzt sie dann mit ‘aktivierter Ribose’ zu Adenosine, Guanosine, Uridine, Cytidine zusammen unter höherem Energieaufwand neu aufgebaut
• Pyrimidin-de novo-Synthese 1 CarbamoylphosphatsyntheseHydrogencarbonat und Ammoniak bilden Ausgangsstoffe, die vom Enzym CPS2 unter Aufwendung von 2 ATP zu Carbamoylphosphat umgesetzt werden 2 Anbindung von Aspartat Carbamoylphosphat und L-Aspartat werden zu N-Carbamoylaspartat umgesetzt, was eine Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) katalysiert. 3 Ringschluss Das Enzym Dihydroorotase katalysiert die intramolekulare Kondensation von Carbamoylaspartat zu Dihydroorotat 4 Oxidation zu OrotatDas Enzym Dihydroorotat-Dehydrogenase (DHODH) oxidiert Dihydroorotat zu Orotat, wobei NAD+ als Oxidationsmittel zu NADH reduziert wird. 5 Ribosetransfer und DecarboxylierungDie Übertragung auf eine Ribosegruppe erfolgt mit Orotat-Phosphoribosyltransferase (OPRTase). Dabei reagiert Orotat mit Phosphoribosylpyrophosphat unter Abspaltung von Pyrophosphat zu Orotidinmonophosphat (OMP). Dieses wird von Orotidin-5′-Phosphat-Decarboxylase (auch Orotidylat-Decarboxylase) zu Uridinmonophosphat (UMP) decarboxyliert.
• Purinbiosynthese  Ausgangspunkt der Purinsynthese ist das α-D-Ribose-5-phosphat, ein Zwischenprodukt des Pentosephosphatzyklus. Das Endprodukt nach elf Schritten ist dasInosinmonophosphat (IMP), das Nukleotid des Hypoxanthins, welches in weiteren Schritten zu den Nukleotiden des Xanthinosins, Adenosins oder Guanosins umgebaut wird. Die Purinsynthese findet beim Menschen in allen Zelltypen statt, die einen aktiven Zellkernhaben.
• Medizinische Bedeutung der Nukleotidstoffwechselwege Spezifische Hemmer der Vermehrung von Viren (HIV, Herpes Simplex, CMV, etc.) -> ‘Tymidylat-Guanylat-Kinase’ vermittelt (Stichwort: Suizid-Substrate) Hemmer der Zellteilung -> Tumor Chemotherapie, Immunsuppression Bsp. AZT (Zidovudine) -> AZT-5’-triphosphat (Thymidin-Analog)- Hemmung der Reversen Transkriptase (HIV)- Hemmung der DNA Replikation (HIV) Ganc (Gancyclovir) -> Ganc-5’-triphosphat (Guanin-Analog)- Kettenabruch bei der DNA Synthese (Replikation) AZT -> PAZT -> PPAZT -> PPPAZT- Kettenabruch bei der reversen Transkription (Hemmung der Reversen Transkriptase) GANC -> PGANC -> PPGANC -> PPPGANC- Kettenabruch bei der DNA Synthese (Hemmung der Replikation)
• Lesch-Nyhan Syndrom (LSN, Nyhans Syndrom)  X-Chromosomal vererbte Erkrankung (Frequenz 1/400.000)  Defizienz der HGPRT (Hypoxanthine-guanine phosphoribosyl Transferase- Starker Anstieg der Harnsäure Produktion- Entwicklung des Nervensystems gestört- Angstzustände, Verwirrung, spastische Anfälle- spontaner Ausbruch von Autoaggression- Selbstverletzungen Behandlung: Symptomatisch (Allopurinol zur Hemmung derHarnsäureproduktion), Immobilisation des Patienten
• Chargaff Rules in der DNA ist Verhältnis von Adenin zu Thymin und Guanin zu Cytosin immer 1:1-> Konzentration G = C und A = T  in der DNA ist das Verhältnis von Purin Basen zu Pyrimidin Basen immer 1:1-> Konzentration A+G = C+T Das GC/AT Verhältnis kann aber von Organismus zu Organismus stark schwanken(Beispiel: Arginin kann durch AGG aber auch CGC codiert werden ...)
• Watson-Crick Base Pairing Gegenläufige Polarität der zwei Stränge H2O-Brückenbindung bei A-T und G-C Pasen Paaren
• Nukleinsäuren Bindung der polymere durch? Phosphorsäure-Ester
• Aufbau der DNA DNA ist ein Zucker-Phosphat Polymer, mit Purin-Pyrimidin Basen als Seitenketten In DNA können A-T und G-C Basen ‘paaren’ A-T und G-C Basen sind komplementär Der Zucker in DNA is Deoxyribose Die Struktur der DNA ist eine rechtshändige, gegenläufige Doppelhelix Das Zucker-Phosphat Rückgrat zeigt nach aussen, die Purin-Pyrimidin Basen nach innen Die Purin-Pyrimidin Basenpaare stabilisieren durch einen ‘Stapeleffekt‘ (stacking effect) die Doppelhelix In der Regel ergibt sich eine Periodizität von 10 Basenpaaren pro Umdrehung (B-Helix) DNA ist anfällig für (saure) Hydrolyse ! Ethidiumbromid interkaliert zwischen den hydrophoben Basenpaaren
• Aufbau der RNA In RNA wird Thymidin durch Uracil ersetzt. RNA bildet in der Regel keine Helix sondern vielfältige Sekundärstrukturen (Loops, Hairpins, Stem Loops, etc.). Der Zucker in RNA is Ribose.
• Doppelstrangtrennung = Aufschmelzen in Einzelstränge
• Struktur der DNA Doppelhelix ‘kleine Furche’ (Minor Groove) ist etwa 1.2 nm weit ‘große Furche’ (Major Groove) ist etwa 2.2 nm weit Basenpaare sind nur in der ‘Major Groove’ direkt zugänglich ->Proteine (z.B. Transkriptionsfaktoren) binden deshalb in der Regelan der ‘Major Groove’.
• (Tertitär-Quartär-)Struktur von DNA Chromatin
• Biosynthese der Nukleotide Nomenklatur Adenin (Base) + Zucker = Adenosin (Nukleosid) dThymidin (Nukleosid) + ATP = dThymidin-triphosphat (dTTP) (Nukleotid)
• Biosynthese der Nukleotide Nomenklatur Adenin (Base) + Zucker = Adenosin (Nukleosid) dThymidin (Nukleosid) + ATP = dThymidin-triphosphat (dTTP) (Nukleotid)
• Zidovudin Nukleotidstoffwechselweg Hemmung AZT -> AZT-5’-triphosphat (Thymidin-Analog) Hemmung der Reversen Transkriptase (HIV) Hemmung der DNA Replikation (HIV) Zelluläre Enzyme wandeln AZT in drei aufeinanderfolgenden Schritten in das wirksame 5'-Triphosphat (AZTTP) um. AZT-5'-Triphosphat entfaltet seine Wirkung auf zwei Wegen: - als Nukleosidanalogon und somit konkurrierendes Substrat zum Thymidintriphosphat bedingt es die kompetitive Hemmung der reversen Transkriptase (RT) des HI-Virus. - Durch seinen Einbau in die DNA stoppt es zum anderen die virale DNA-Synthese. Letzteres hat seine Ursache in der Abwesenheit einer 3'-Hydroxygruppe im AZT, die das Anfügen weiterer Nukleotide in die DNA-Kette unmöglich macht. Studien haben gezeigt, dass der Kettenabbruch der entscheidende Faktor der inhibitorischen Wirkung des AZT ist. AZT hemmt die virale RT etwa hundertmal effektiver als die zelluläre DNA-Polymerase. AZT hydrolysiert außerdem zum 3'-Amino-2'-desoxythymidin, dessen Triphosphat ein Substrat der DNA-Polymerase α ist.
• Gancyclovir Nukleotidstoffwechselweg Hemmung Ganc -> Ganc-5’-triphosphat (Guanin-Analog) Kettenabruch bei der DNA Synthese (Replikation) Ganciclovir ist ein Virostatikum, das zur Behandlung von Herpesviren verabreicht wird. Ganciclovir wird, nachdem es von infizierten Zellen aufgenommen wurde, durch verschiedene Kinasen phosphoryliert. Dies dient dem späteren Einbau in die virale DNS, da Ganciclovir dem DNS-Baustein Guanin, eine Nucleinbase, stark ähnelt. Dieser Fehleinbau resultiert jedoch in einem Kettenabbruch, da die virale Polymerase Ganciclovir als Baustein nicht erkennt, wodurch eine weitere Replikation der Viren-DNS und eine damit zusammenhängende Vermehrung des Virus ausbleibt.
• Ungewöhnliche Strukturen der DNA Haarnadel-Struktur - direkte Wiederholungen DNA-Entwindungselement - AT-reiche Regionen Tetraplex - Einzelstrang Oligo-G-Bereiche Dreifachhelix - RY spiegelbildliche Wiederholung Klebrige DNA - 2 GA-reiche Abschnitte direkte Wiederholungen

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