Zellkern
Kernmembran
Außenmembran
Innenmembran
NukleOLus (Kernkörperchen)
Nucleoplasma
Chromatin
Heterochromatin
Euchchromatin
Ribosome
Kernporen
Zellkern Aufgaben
DNA Lokalisation (die ganze genetische Information des Erbguts aufbewahrt)
Ort der DNA-Replikation
Ort der genetischen Kontrolle der Zellaktivitäten
im NucleOLus beginnt der Zusammenbau der Ribosomenunterheiten aus Proteinen und rRNA-Molekülen ➡️ Transkription
NukleOLus
Kernkörperchen
ein nicht membranumhüllt aber trotzdem ein distinktes Organell
enhält die aktiv transkribierten ribosomalen Gene und ca. 100 Proteine
besteht aus
fibrillären Zentrum (Transkription der rDNA)
dichte fibrilläre Umhüllung (rRNA Prozessierung)
granuläre Komponenten (pre-ribosomale Partikel und Ribosomen-Untereinheiten)
Synthese der rRNAs
DNA
Träger genetischer Information/Erbgut
einzigen Moleküle in lebenden Zellen, welche die Bildung ihrer selbst insturieren können
im Zellkern der Eukaryota
im Kernäquvalent der Prokaryota
doppelsträngig
a-helix (rechtsgewunden)
RNA
dient der Realisierung des genetischen Programms, das in der DNA im Zellkern gespeichert ist
einsträngig
Gen/Genom Definitionen
Gen = definierter DNA-Abschnitt ➡️ Info für Proteinsynthese
Genom = Gesamtheit aller Gene in einem biologischen System
Proteinbiosynthese
RNA gelangt ins Cytoplasma ➡️ setzt dort das Programm des Zellkerns in “Eiweißsprache” um
findet in den Ribosomen statt
Ribosom bestehen aus RNA
kleinste Organellen einer Zelle
DNA, RNA Aufbau
Phosphorsäure
am C5: Alkoholische Gruppe (C-OH) ➡️ Veresterung mit Phosphorsäure negativ gelandener Phosphatrest
OH-Gruppe von 3´ + Phosphorsäure von 5´Nachbar Nucleotid
verestert
Polymer
Basen
Adenin + Thymin (Uracil)
Guanin + Cytosin
Basenpaarung über H-Brücken
Pentose oder Desoxyribose
Nucleosid
Pentose + organische Base
Nucleotid
Pentose + organische Base + Phosphorsäure
Nucleinsäuren
Polynucleotide (DNA, RNA)
Nucleosom
Aggregat aus DNA und Histonen
Histon-DNA-Komplex
filamentöse Komplex aus DNA und Proteinen
DNA + Proteine, Histone, kondensiert zu Chromosomen
Chromosom
Chromatinfaser zu Bündeln verdichtet (vor Zellteilung)
Histone
= basische Strukturproteine
Verpackungsproteine
bilden somit ein Histon-DNA-Komplex (Nucleosom)
Komprimierung
Histone ➡️ positiv geladen
DNA-Rückgrat ➡️ negativ geladen
in eukaryotischen Zellen ist die DNA in Proteine, sogenannte Histone, verpackt, um die Instabilität der Struktur zu verhindern
werden im Cytoplasma an freien Ribosomen synthetisiert und in großer Zahl zum Zellkern transportiert
So liegt ein DNA-Proteinkomplex vor, das sogenannte Chromatin. Das Chromatin verpackt in diesem Sinne die große Menge eukaryotischer DNA
Proteinsynthese
Information der DNA:
Proteinbildung im Cytoplasma
Verdopplung der DNA für Mitose und Meiose
Info aus dem Zellkern aus der DNA
Info wird durch RNA abgeschrieben (Transkription) und im Cytoplasma in “Eiweißsprache übersetzt” (Translation)
Bildung der AS im Cytoplasma
DNA ➡️ mRNA ➡️ Protein
DNA - Transkription - mRNA - Ribosom - Translation (tRNA)
Vorbereitung für die Proteinbiosynthese im Cytoplasma
Transkription = Abschreiben der genetischen Information im Zellkern
RNA-abhängige RNA-Polymerasen (I, II, III)
3 verschiedene RNA-Hauptklassen werden gebildet
RNA liest Information von DNA (genetischer Code) ➡️ im Zellkern
Information wird durch 3 RNA-Hauptklassen weitergegeben ➡️ aus Zellkern ins Cytoplasma
Funktionen von Proteinen
Enzymproteine
Motorproteine (zB. Myosin)
Transportproteine (zB. Ionenpumpen)
Rezeptorproteine
Strukturproteine (zB. Kollagenfasern, Filamente des Cytoskeletts)
Speicherproteine (zB. Muskelprotein, pflanzliche Speicherproteine)
Proteolyse - Abbau von Proteinen
Kontrollierter Proteinabbau der Zelle
regulatorischer Proteinabbau
Abbau falsch gefalteter, mutierter, beschädigter Proteine
im Proteasom (essenzielle Rolle für den kontrollierten Abbau von Proteinen in der Zelle und sind damit integraler Bestandteil der Proteinqualitätskontrolle in Zellen)
Abbau von Nahrung/Speicherproteinen
durch Proteasen
Tier:Verdauungstrakt, Abbau von Nahrungsprotein
Pflanze: in Zellen, Abbau von Speicherprotein für Metabolismus
Denaturierung
zB. in stark saurer Lösung/Erhitzen
3 RNA Klassen
mRNA (messenger RNA)
bringt Info für Eiweißbau verschlüsselt aus Zellkern ins Cytoplasma
tRNA (transfer RNA)
liefert einzubauende Aminosäuren aus Cytoplasma
rRNA (ribosomale RNA)
Aufbau von Ribosomen (Zellorganellen der Eiweißsynthese im Cytoplasma)
Transkription - Elemente
RNA = Steuerlement
codierende RNA (für die Proteinherstellung)
mRNA
nicht-codierende (nc)RNA
tRNA
rRNA
miRNA (micro RNA) regulieren Zellzyklus, Zelltod, Zelldifferenzierung
snNRPs (small nuclear ribonucleoproteins) beseitigen Introns der Prä-mRNA
Transkription
➡️ Abschreiben der DNA in mRNA
RNA-Polymerase entwindet DNA Doppelstrang, bewegt sich am abzulesenden DNA-Strang und fügt RNA-Nukleotide von 5´zu 3´an mRNA-Kette im Zellkern
RNA-Prozessierung
Prä-mRNA (Eukaryota): 5´-G-Cap und Poly-A-Schwanz ist notwendig für Export aus Zellkern ins Cytoplasma sowie die Bindung an Ribosomen im Cytoplasma
Splicing (Herausschneiden von Introns, Zusammensetzung von Exons)
mRNA Transport ins Cytoplasma
Abfolge von Nukleotiden eines Abschnitts der DNA wird umgeschrieben in die Nukleotidsequenz einer RNA und auf dieser Grundlage die mRNA hergestellt.
Ribosomen
im Cytoplasma und in semiautonomen Zellorganellen (Plastiden und Mitochondrien)
keine Biomembran
in allen Lebewesen vorkommende Zellorganellen
Translation läuft hier im Rahmen der Proteinbiosynthese statt
ovale bis runde Körperchen
aus einer komplexen Verbindung von Ribonukleinsäuren und ribosomalen Proteinen
Vorraussetzung für funktionierenden Zellstoffwechsel
“Eiweißproduzeten” der Zelle, Eiweißverbindungen sind die Buchstaben der Zellsprache
Das katalytische Zentrum des Ribosoms führt dir Übertragung der in Synthese befindlichen Polypeptidkette auf den Aminosäurerest einer an das Ribosom gebundenen Aminoacyl-tRNA unter Knüpfung einer Peptidbindung durch
im Funktionszustand mit … assoziiert
mRNA-Molekülen
jeweils wechselnden tRNA-Molekülen
in Synthese befindlichen Polypeptidkette
Ribosomen - Aufbau
Grundbaustein
spezielle Eiweißkörper und die ribosomale RNA (eine spezifische Ribonukleinsäure = rRNA)
aus 2 morphologisch und funktionell verschiedenen Untereinheiten
Prokaryonten: 70S-Ribosomen aus einer 50S und einer 30S
Eukaryonten: 80S-Ribosomen aus einer 60S- und einer 40S-Untereinheit
gelangen durch die Kernporen ins Cytoplasma wo sie zu fertigen Ribosomen (80S) verschmelzen
während Proteinbiosynthese entstehen am Ribosom aus den einzelnen AS langkettige Polypeptide
Ribosomen Funktion
Untereinheiten erfüllen parallel unterschiedliche Aufgaben
die Übersetzung der Erbinformation aus der mRNA zu AS
jedes einzelne Ribosom arbeitet als eigenständige und unabhängige Produktionsstätte zu synthetisierenden Eiweiße
große Untereinheit: Verknüpfung der einzeln vorliegenden Eiweißbausteine zu langen Ketten - Proteine. Dieser Prozess wird als Peptidyl-Transferase-Aktivität bezeichnet.
kleine Untereinheit: Erkennung der mRNA. Nur so kann die richtige Reihenfolge für die Kombination der AS realisiert werden
Translation
tRNAs binden spezifische AS
tRNAs binden an mRNA
tRNA-Ribosom Wechselwirkung
Funktion:
Zu Beginn: mRNA bindet an die kleine ribosomale Untereinheit
Als Präinitiationskomplex scannt die kleine Unterinheit dann die mRNA bis zum Starcodon. Hier bindet die große Untereinheit, unterstützt durch diverse Initiationsfaktoren. Die bei der Fusion beider Ribosomenteile entstehende Rinne dient der Durchspulung der RNA-Kette, daneben entstehen 3 Bindungsstellen mit teilweise katalytischer Aktivität
Aminosäure-Stelle (A-Stelle)
Polypeptid-Stelle (P-Stelle)
Exit-Stelle (E-Stelle)
Translation - Übersetzung der mRNA in AS
tRNA + AS (Aminoacyl-tRNA) durch Synthetase + Energie
mRNA Bindung an Ribosom (Initiation)
Bindung tRNA Anticodon + mRNA Codon (A-Seite am Ribosom)
Verknüpfung von AS - Bildung einer Polypeptidkette (Elongation) (P-Seite am Ribosom)
Stop-Codon (Termination): tRNA verlässt Ribosom, E-Seite am Ribosom
Polypeptidkette, mRNA, Ribosom freigesetzt
wird von RNa-Polymerase III hergestellt
kleeblattförmig
besitzt Anticodon (= 3 ungepaarte Basen)
Translation - Ablauf
kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an mRNA
funktionsfähiges Ribosom hat 3 Bindungstellen
P-Seite: Peptidylstelle (= Bindungsstelle für Start-Codon)
Star-Codon: AUG (auf mRNA) codiert Methionin
A-Seite: Aminoacyl-Stell (Akzeptor), neue, passende tRNA + AS
E-Seite: Exit-Stelle (Donator)
frei gewordene tRNA gelant in E-site
tRNA wird abgespalten, gelangt ins Cytoplasma
Initiation
Initiationskomplex aus beladener tRNA, kl. Untereinheit an mRNA gebunden
Elongation (= Kettenverlängerung)
Peptidbindung (unter H2O Abspaltung)
Termination
wenn Stop-Codon an A-site tritt
release Factor
Polypeptid trennt sich von Ribosom
Im Cytoplasma werden die Nukleotidsequenzen der mRNA an den Ribosomen übersetzt in die AS-Sequenz der dabei gebildeten Polypeptidkette
Codesonne
schematische Darstellung des genetischen Codes und dient dazu die Basentripletts der mRNA in die entsprechende AS zu übersetzen
Zuordnung der jeweilogen Basentripletts (Codons) der mRNA zu AS/Stop-Codon
Eine Abfolge von 3 Basen, ein Triplett, entspricht dem Codon für eine bestimmte der proteinogenen AS oder einem Stop-Codon
bei Prokaryoten nicht korrigiert
bei Eukaryoten korrigiert duch
zuerst Prä-mRNA
Exons (Info)
Introns (ohne Info)
Introns werden herausgeschnitten (Spleißen/Splicing)
mRNA ➡️ Cytoplasma
je 3 Basen ergeben 1 Codon kodiert 1 AS
Spleißosom
besteht aus SNURPS (= small nuclear ribonucleoprtoein particles)
Zellzyklus
Mitose und Interphase wechseln sich am
Zellteilung lässt genetisch identische Tochterzellen entstehen
Eukaryota: besitzen molekulares Kontrollsystem zur Steuerung
Prokaryota: kein echter Zellkern, daher keine Mitose / DNA Replikation - heftet sich an Zelmembran - Membraneinschnürung - Cytokinese
Interphase
Arbeitsphase der Zelle ➡️ Volumenzusahme, DNA Verdopplung
Zyklusphase zwichen 2 Mitosen
G1-Phase
Zelle nimmt an Größe zu
hohe Stoffwechselaktivität
Vermehrung von Organellen, Membransystemen, …
hohe Proteinsyntheserate
S-Phase
DNA-Verdopplung + DNA-assoziierte Proteine (Histone)
G2-Phase
letzte Vorbereitungen für Mitose
Centrosom verdoppelt
Chromatin verdoppelt (S-Phase)
Mitose
Kernteilung, 1 Kern auf 2 identische Tochterzellen
Cytokinese
Cytoplasmateilung, Teilung der Mutterzelle in Tochterzellen
Zellzyklus - Kontrolle
Kontrollpunkte:
Check ob Bedingungen für Eintritt in nächste Phase passen
JA: weiter
NEIN: Pause, G0 (Teilungsruhestand)
G1-Kontrollpunkt
DNA intakt?
G2-Kontrollpunkt
DNA vollständig repliziert?
Schäden repariert?
Metaphase/Anaphase-Kontrollpunkt
Chromosomen an Mitosespindel angeheftet?
korrekte Anordnung in Teilungsebene?
Zellzyklus Zusammenfassung
G1
S
G2
Prophase
Prometaphase
Metaphase
Anaphase
Telophase
Rolle der Mitose
ermöglicht die Entwicklung eines vielzelligen Organismus aus einer Zygote
produziert Zellen für Wachstum und Geweberegeneration
Bildung von Somazellen = Körperzellen
Evolution?
aus prokaryotischer Zellteilung
Zwischenstadien mit Erhaltung der Kernmembran während Zellteilung
ungeschlechtliche Vermehrung
Bildung von Geweben
vegatative Vermehrung
genetisch identische Tochterzellen (= Klone)
ungeschlechtliche Fortpflanzung
Kernteilung erfolgt in
4 Phasen ohne Ruhephasen
gefolgt von Cytokinese
die Chromosomen verkürzen und verdicken sich, kondensieren, werden sichtbar
a. frühe Prophase
werden die 4 Chromosomen als lange, über den ganzen Zellkern verstreute Fäden sichtbar
b. weiterer Verlauf
Chromosomen verkürzen und verdicken sich, bis man erkennt, dass sie aus 2 Fäden (Chromatiden) bestehen, die am Centromer miteinander verbunden sind
c. Ende der Prophase
zu je 2 Seiten am Centromer jedes Chromosoms wird je ein Kinetochor gebildet. Schließlich lösen sich Nucleolus und Kernhülle auf
Auftreten einer Kernteilungsspindel im Bereich des früheren Zellkerns
Chromosomen wandern zur Äquatorialebene der Spindel
am Höhepunkt der Metaphase liegen die Centromere aller Chromosomen genau in der Äquatorialebene
beginnt wenn sich die Centromere teilen und die Schwesterchromatide (= Tochterchromosomen) wandern zu den Polen der Spindel.
Bildung der Kernhülle
Spindelapparat zieht Schwesterchromatiden zu den Polen:
Tochterchromosomen beenden ihr Wanderung
Abwicklung der Chromosomen
Chromosomen dekondensieren wieder
Bildung neuer Kernhülle und Nucleolus
Teilung des Zellplasmas
beginnt während der späten Anaphase und der frühen Telophase
Teilung der Mutterzelle in zwei Tochterzellen
Mitose - Tierzellen
Teilungsfurche
kontraktiler Ring aus Aktinfilamenten
Mitose - Pflanzenzelle
Phragmoplast
“Wandbilder”
Zylinder/Komplex aus Mikrotubuli, Mikrofilamenten, ER
bildet die Zellplatte, welche die Zelle in 2 Tochterzellen teilt.
entsteht in der Telophase
Meiose
geschlechtliche Fortpflanzung
zwei Elternorganismen bringen gemeinschaftlich Nachkommen mit einzigartigen Allelkombinationen an den homologen Genorten ihres diploiden Genoms hervor
Reduktionsteilung, Gametenbildung
gewährleisten, dass nachfolgende Generation wieder diploiden Chromosomensatz hat
Austauch des genetischen Materials (Rekombination des Erbguts)
Fusion von weiblichen und männlichen Gameten
2 Gameten (haploid) verschmelzen zu Zygote (diploid)
Zweck der sexuellen Reproduktion
Erhöhung der genetischen variabilität
Genetische Rekombination, Neukombination von Erbinformationen
Verbreitung von rezessiven, positiven Mutationen
Veränderungen im Erbgut: führen zu voneinander abweichenden, alternativen Versionen der Gene = Allele
Zygote
durch Verschmelzung zweier haploiden Gameten entstandene diploide Zelle, befruchtete Eizelle
Gameten werden nach Eintritt der Geschlechtsreife durch Meiose (Reduktionsteilung) gebildet
haploider Chromosomensatz
Meiose findet nur in Gonaden (=Keimdrüsen) statt
DNA-Replikation
eine replikative DNA-Polymerase beginnt mit der DNA-Synthese
der strikte 5´➡️3´-Mechanismus der DNA-Polymerasen führt dazu, dass die DNA-Synthese nur auf einem Strang, dem Leitstrang, kontinuierlich erfolgt
auf dem anderen Strang (Folgestrang) enstehen beim Fortschreiten der Replikationsgabel immer neue Lücken, da die DNA-Polymerase in entgegengesetzter Richtung synthetisiert. Die DNA-Synthese muss daher regelmäßig erneut durch die Primase initiiert werden. Die Lücken werden dann durch kurze Abschnitte gefüllt, die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden
Die RNA-Primer werden aus der DNA entfernt und das Rückgrat der DNA durch eine Ligase verschlossen
Meiose Phasen
Prophasen
Metaphase I
Anaphase I
Metaphase II
Anaphase II
Telophase II
Meiose I
im ersten Teilungsschritt trenn sich die homologen Chromosomen und wandern zu entgegengesetzten Polen
Prophase I
die Chromosomen werden als lang gestreckte Fäden sichtbar
die DNA jeder dieser Fäden ist bereits verdoppelt, eine tatsache, die aber erst in der späten Prophase I lichtmikroskopisch sichtbar ist, dann erkennt man das jedes Chromosom aus 2 Schwesterchromatiden besteht
die homologen Chromosomen paaren sich, umschlingen einander und die gepaarten Chromosomen verkürzen sich sehr stark
die gepaarten Chromosomen (je 2 Schwesterchromatiden) ordnen sich mit ihren Cetromeren gleichmäßig beiderseits der Äquatorialebene der Spindel an
die gepaarten Chromosomen trennen sich und wandern zu entgegengesetzten Polen
Meiose II
zweite Teilungsschritt
verläuft im wesentlichen wie eine normale Mitose
die Chromosomen haben ihre Wanderung beendet. Es bilden sich 4 neue Kerne mit je einem haploiden Chromosomensatz
Ploidiegrad
Haploidie
einfacher Chromosomensatz in Zellen
1n oder auch n
Chromosomensatz in Gameten
Diploidie
doppelter Chromosomensatz, homologe (mütterliche und väterliche) Chromosomen in Zellen
2n
Ergebnis der Verschmelzung zweier haploider Gameten zur diploiden Zygote bei der Befruchtung
beim Menschen alle Körperzellen (= somatische Zellen)
Polyploidie
es gibt Lebewesen mit 3n, 4n (gewöhnlicher Löwenzahn), 6n (Saatweizen) und mehr
Chromosomenzahl
ist dieselbe in allen Zellen eines Organismus (außer Gameten)
Mensch: 23 Chromosomenpaare (46 Chromosomen)
Zellen von männlichen und weiblichen Induviduen einer Spezies
Karyogramm
Darstellung von Chromosomen
zur Feststellung von Chromosomenanormalien
Karyotyp
Erscheinungsbild des gesamten Chromosomensatzes dargestellt in eimem Karyogramm ➡️ Anzahl der Chromosomen einer Zelle
lässt sich im kondensierten Zustand beobachten
homologe Chromosomen
strukturgleiche Chromosomen von väterlicher bzw. mütterlicher Herkunft
können als unterschiedliche Allele vorliegen (in diploider Zelle können sich Chromosomen väterlicher bzw. mütterlicher Herkunft unterscheiden)
Allel
Varianten eines Gens
homologe Chromosomen haben auf identischen Abschnitten definitionsgemäß immer die gleichen Gene, entweder als identische Allele (Homozygotie) oder durch verschiedene Allele vertreten (Heterozygotie)
Chromatiden
am Centromer
zusammenhängende Spalthälften der Chromosomen
ein Chromosom kann aus einem (ein-Chromatid-Chromosom) oder aus 2 Chromatiden (zwei-Chromatid-Chromosom) bestehen, je nach Stadium des Zellzyklus vor/nach Zellteilung
genetische Vielfalt
Variabilität der Nachkommen
unabhängige Verteilung der Chromosomen
Rekombination durch Crossing-Over
Gametfusion bei Befruchtung
Chiasmata
Nachweis eines genetischen Austausch zwischen 2 Chromatiden
Vererbung
unabhöngige Verteilung
16 möglichen Kombinationen der Gameten ➡️ 9 unterschiedlichen Genotypen
vier Phänotypen da R und Y dominater sind als r und y
(9:3:3:1)
beiden Gene segregieren unabhängig voneinander
Vergleich von Mitose und Meiose
Die Meiose
Tetradenbildung homologer Chromosomen
fortdauernde Assoziation der Schwesterchromatiden am Ende der Metaphase I
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