Genetik

• DNA steht für DesoxyriboNukleinSäure

• Die DNA besteht aus zwei Einzelsträngen, die in gegengesätzte Laufrichtung zu einem Doppelstrang zusammen geführt werden

• DNA besteht aus Nucleotiden, ein Nucleotid besteht aus Base, Zucker und Phosphat

• Es gibt im generellen 4 Basen und jeweils zwei davon passen nur zusammen: Adenin mit Thymin, Guanin mit Cytosin

• Zwischen den Basen entstehen Wasserstoffbrücken, die die Stränge zusammenhalten bei T & A sind es 2, bei C & G sind es 3

• Jede Strang hat ein 3 Strich und ein 5 Strich Ende

• nach dem verlassen des Zellkerns mRNA verändert werden

• RNA-Doppelstränge (Erbinformationen von Viren)

• von Häcksler-Enzym (Dicer) in 20 bp lange Abschnitte zerlegt

  • verhindert Translation

• entstandene micro-RNA wird in RISC (RNA-induced silencing complex) engebaut, dient als Muster zum schneiden

• komplementäre Bereiche werden zerschnitten -> mRNA verstummt endgültig

  
  

polymerasekettenreaktion

1. benötigt DNA-Probe

2. Denaturierung (94*C) -> Auftrennung in Einzelstränge

3. Abkühlung (60*C) und Hybridisierung (Anlagerung der Primer an die Einzelstränge)

4. Verlängerung (70*C) Polymerase ergänzt den Einzelstrang zum Doppelstrang

5. Schritt 2-4 werden meist 20- 30 mal wiederholt

• DNA wird über die semikonservative Replikation verdoppelt, also Doppelstrang aufgeteilt und jeweils der eine Repliziert

• konservative Replikation, immer der ganze Doppelstrang wird als Doppelstrang Repliziert (falsch)

• dispersive Replikation, beide Stränge komplett auseinander genommen und mit neuen Basen zusammengesetzt

• Zucker: Ribose

• kein Thymin, stattdessen Uracil

• meistens einzelsträngig (gelegentlich Doppelstrangbildung in Schleifen)

RNA-Typen

• mRNA (Messenger-RNA)

• tRNA (transfer-RNA)

• rRNA (ribosomale-RNA)

transferRNA

• kleinste RNA Moleküle

• bringen die Basentriplets und die einzelnen Aminosäuren zu den Ribosomen

RibosomaleRNA

• bilden mit Proteinen gemeinsam die beiden Untereinheiten der Ribosomen

Messenger RNA

• codieren für Proteine und transferieren die Informationen von der DNA zu den Ribosomen

Ist ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen nach Länge

• physikalische Mutagene

  • UV-Strahlung

  • Radioaktive Strahlung

  • Röntgenstrahlung

• Chemische Mutagene

  • Teerstoffe

  • Säuren

  • Farbstoffe

• Biologische Mutagene

  • Viren

Verschiedene Gene codieren verschiedene Enzyme die aus einem Edukt über Zwischenprodukte ein Produkt erreichen

• sind sowas wie genetische Scheren

  • erkennen bestimmte Basensequenzen auf der DNA und schneiden dort

  • Zwischen den Schnittstellen können z.B. neue Gene eingefügt werden

  EcoRI und Haelll

Durch das spezifische Trennen mancher Restriktionsenzyme an bestimmten Stellen entstehen verschieden lange DNA Abschnitte

Genommutationen: Ganze Chromosomen mutiert

Chromosomenmutationen: größere Teile von Chromosomen betroffen

Genmutationen: einzelne Basen betroffen

Aufteilung der Genmutation nach Ursache:

• Insertion (einfügen einer Base auf jedem Doppelstrang

• Deletion (löschen einer Base auf beiden Stränge

• Substitution (ändern einer Base)

• Duplikation (verdoppeln einer Base)

• Inversion (Drehung einiger Basen, umgekehrt aufgeschrieben)

Genmutationen nach Folge:

• stille Mutation (Änderung der Basen, aber keine Änderung der Aminosäurensequenz)

• Fehlsinn Mutation (Änderung einer Base, eine geänderte Aminosäure)

• Unsinn Mutation (Änderung einer Base, sodass ein Stopcodon entsteht)

• Leseraster Mutation (Änderung einer oder mehrerer Basen, sodass sich alle folgenden Basen verändern und auch alle Aminosäuren)

Da die Funktionen der Proteine aus ihrer Struktur folgt ist jede Veränderung der Aminosäuren potenziell mit Auswirkungen auf die Funktion verbunden

Porto-Onkogene

• Gene die für Proteine codieren, die an der Regulation von Zellwachstum, Zellteilung und Zelltod beteiligt sind.

Onkogene

• wenn Mutationen in den Proto-Onkogenen auftreten, kann sich die Funktion des Proteins so verändern, dass die Zellteilung stark angeregt wird und ein Tumor entsteht

Tumorsuppressoren

• ein Protein, dass durch fehlerhafte Zustände in der Zelle aktiviert wird und besonders an der Regulation des Zellzyklus beteiligt ist

• leitet Gegenmaßnahmen ein um die Zelle und umliegende Gewebe zu schützen

• Reparatur von DNA-Schäden, Stopp der Zellteilung oder Programmierter Zelltod (Apoptose)

Ein Transkriptionsfaktor bindet an die DNA (oft Promotor) und erleichtert so das Ablesen der DNA durch die RNA-Polymerase-> das Gen wird häufiger transkribiert-> mehr mRNA -> mehr Proteinmoleküle

können sie durch binden an Silencer hemmen

1. Die RNA-Polymerase bindet an die Promotor-Region und entwirrt die DNA

2. Mit dem codogenen Strang als Vorlage erstellt die RNA-Polymerase eine Komplementäre mRNA-Kopie des Gens

3. Die Polymerase arbeitet in 5’-3’-Richtung bis zum Terminator

4. Die mRNA ist fertig

1. Initiation: Die kleine Untereinheit des Ribosomen findet das Startcodon (AUG) (sucht entlang 5’ -3’ Richtung)

   • Die tRNA mit Methionin bindet unter ATP Aufwand

   • die große Untereinheit bindet auch

   • die erste tRNA befindet sich an der P-Stelle

2. Elongation: Die nächste passende tRNA bindet an der A-Stelle, die Aminosäuren verbinden sich und das Ribosomen rückt eine Stelle (ein Basen-trippelt) weiter

   • entladene tRNA verlässt das Ribosom

   • wiederholt sich bis 3.

3. Termination: trifft das Ribosomen auf ein Stoppcodon (für das es keine tRNA gibt) zerfällt der Komplex und das Protein wird als Aminosäureketten frei

Vor einer Zellteilung wird die DNA der Zelle verdoppelt (semikonservativ)

1. Helikase: entspiralisiert und öffnet den Doppelstrang

2. Einzelstrangbindungsproteine: sorgen dafür, dass der Doppelstrang geöffnet bleibt

3. Tropoisomerase: beseitigen die Verdrillungen

4. Primase: setzt Primer als Ansatzstelle für die DNA-Polymerase

5. DNA-Polymerase: synthetisiert sein neuen DNA-Strang vom 5’ in Richtung 3’ Ende. Am Leitstrang erfolgt dies kontinuierlich beim Folgestrang immer von Primer bis Primer (es entstehen Okazaki-Fragmente)

6. Ligase: verknüpft die Okasaki-Fragmente, nachdem die Primer entfernt wurden

• Durch Unwelteinflüsse veränderte Genaktivität, die jedoch nicht die DNA-Basensequenz selbst verändert

• Grundsätzlich werden Modifikationen nicht vererbt, aber …

  • Histone können Acetyliert werden (was die Gene leichter zugänglich macht -> sie werden öfter abgelesen -> mehr entsprechende Proteine vorhamden)

  • DNA kann methyliert werden, was im Zusammenspiel mit den Histonen die Gene spiralisiert und sie dadurch schlechter zugänglich macht

• Das gesamte Muster der Methylierungen und Acetylierungen eines Organismus nennt man Epigenom

• Dieses wird in der Meiose größtenteils gelöscht, sodass nur einige Teile des Epigenoms vererbt werden (Evolution: Lamarck)

• nur bei Eukaryoten

• Exons (wichtige Basensequenzen) und Introns (unnötige Basensequenzen)

  • Introns werden herausgeschnitten (spleißen)

• Exons können auch alternativ zusammengefügt werden oder einzelne Exone weggelassen werden (alternatives Spleißen)

• Dadurch lassen sich viel mehr Proteine codieren

• Prä-mRNA ist das vor'm spleißen und dann ist es die mRNA

• Proteinbiosynthese findet bei Prokaryoten im Cytoplasma statt, da es keinen Zellkern gibt.

  • ist schneller und auf gleichem Raum

• Prozessierung der DNA bei Eukaryoten um für viel mehr Proteine zu codieren

• Proteasomen schreddern nicht mehr gebrauchte Proteine

• Zu Polysomen verkettete Ribosomen beschleunigen die Proteinbiosynthese

• Der Enzymkomplex RISC erkennt anhand von RNA-Schnipseln stillzulegende RNA und lässt sie durch Zerschneiden “verstummen”

Mögliche Erbgänge:

• autosomal - dominant (Gen auf einem Autosom, Merkmal ist dominant) (Aa/AA)

• autosomal - rezessiv (aa)

• X- gonosomal - dominant (Xx/ XX)

• X - gonosomal - rezessiv (xx)

• Y- gonosomal (xY/ XY)

• nummerieren der Individuen

• könnten auch mehrere Erbgänge richtig sein

• weibliche Merkmalsträger -> nicht Y-gonosomal

• Kind Merkmalsträger, beide Eltern nicht -> nicht dominant

• Tochter Merkmal, Vater nicht -> nicht X-gonosomal

• beide Eltern Merkmal, Kind nicht -> nicht rezessiv

• nur männliche Merkmalsträger -> wahrscheinlich Y-gonosomal

• Vererbung von 2 oder mehr Merkmalen

• zwei Merkmale immer auf gleichem Chromosom -> Gene gekoppelt

• keine Neukombination möglich

  • außer bei `crossing over´ in der Meiose

• Bakterien werden so modifiziert, dass sie humaninsulin herstellen

• Ihnen wird Menschen DNA eingesetzt, die von ihren Ribosomen transkribiert und translatiert werden

  • so stellen sie automatisch Humaninsulin her

DNA-Hybridisierung

Serum-Präzipitin-Test

Sind Regeln der Vererbung von Merkmalen bei Kreuzung von Organismen.

1. Uniformitätsregel

   • Kreuzt man zwei homozygote Individuen einer Art mit unterschiedlichen Merkmalen,

   • sind alle Nachkommen genotypisch und phänotypisch uniform

   • Gilt nur, wenn das Merkmal dominant-rezessiv vererbt wird

   • Beispiel: RR (rot) × rr (weiß) → Rr (alle rot)

2. Spaltungsregel

   • Kreuzt man die F1-Generation untereinander,

   • spalten sich die Merkmale in der F2-Generation in einem festen Verhältnis auf

   • Bei dominant-rezessivem Erbgang:

     • Phänotypisch 3:1 (z. B. 3 rot : 1 weiß)

3. Neukombinationsregel

   • Kreuzt man Individuen, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden (Farbe -> grün, gelb, Beschaffenheit -> runzelig, glatt)

   • werden die einzelnen Merkmale unabhängig voneinander vererbt

   • Neue Kombinationen von Merkmalen können entstehen

   • Gilt nur, wenn die Gene für die Merkmale auf unterschiedlichen Chromosomen liegen

     
     

• Maß für den evolutionären Erfolg eines Individuums

• Gibt an, wie viele überlebensfähige Nachkommen ein Individuum produziert, die sich selbst fortpflanzen können

• Hängt ab von:

  • Überlebenswahrscheinlichkeit

  • Fortpflanzungsfähigkeit

  • Anzahl der Nachkommen

  • Qualität der Nachkommen (ob sie überleben & sich fortpflanzen)

  
  

• Verwendet zur Bestimmung des Alters von organischen Materialien (z. B. Holz oder Knochen)

• Lebewesen nehmen während ihres Lebens Kohlenstoff auf auch radioaktives C-14

• Nach dem Tod: Keine Aufnahme mehr → C-14 zerfällt langsam zu Stickstoff (N-14)

• Halbwertszeit 6000 Jahre

• Der Anteil von C-14 im Material nimmt mit der Zeit ab

• Anteil messen zur bestimmung des Alters

• Datierbar: Bis zu etwa 50.000–60.000 Jahre alt

• Genauigkeit nimmt bei sehr alten und neuen Proben ab

• C-14-Gehalt in der Atmosphäre war nicht immer konstant → muss korrigiert/ kalibriert werden

• Viele Vormenschen entstanden in Afrika -> starben wieder aus

  • Von Afrika ausgehend mehrere Besiedlungswellen dort entstandener Menschen-Arten.

• Erste vermutlich Homo erectus, vor über 1,9 Millionen Jahren begann Teile Europas und Asiens zu besiedeln

• Zweite Auswanderung, Homo heidelbergensis

  • In Afrika und Europa gefunden

  • Aus dem in Europa entwickelte sich später der Neandertaler -> besiedelte weite Teile Europas und Asiens.

• dritte Auswanderungswelle Homo sapiens.

  • Große Teile des afrikanischen Kontinents

  • Begann vor ungefähr 200.000 bis 100.000 Jahren mit der Ausbreitung in Nahen Osten

  • Von dort aus besiedelte er Europa, Asien, Australien und zuletzt Amerika

  • Traf auf andere, damals noch lebende Menschenarten: Im Nahen Osten und Europa auf den Neandertaler, in Asien auf Denisova-Menschen und möglicherweise auch auf den Homo erectus

3 Arten der natürlichen Selektion: gerichtete, stabilisierende und disruptive

Evolutionsfaktoren sind: Variabilität, Mutation, Rekombination, Selektion, Gendrift (Gründer- oder Flaschenhalseffekt) und geographische Isolation

Lamarck

• Lebewesen verändern sich aktiv, um sich an ihre Umwelt anzupassen

• Gebrauch von Organen stärkt sie – Nichtgebrauch schwächt oder lässt sie verschwinden

• Erworbene Eigenschaften (z. B. Muskeln, Halslänge) werden vererbt

• Beispiel: Giraffe streckt ihren Hals → Hals wird länger → langer Hals wird an Nachkommen vererbt

• Veränderung = zielgerichtet und bewusst

• Stichwort: Vererbung erworbener Eigenschaften (kurzfristig 2 Genreationen)

Darwin

• Es gibt natürliche Variation zwischen Individuen (z. B. Größe, Farbe, Stärke)

• Konkurrenz um Ressourcen führt zu Selektion – die bestangepassten überleben und pflanzen sich fort

• Zufällige Mutationen + natürliche Auslese führen zur Entwicklung neuer Arten

• Veränderung = zufällig und durch Selektion gesteuert, nicht zielgerichtet

• Stichwort: Survival of the fittest

• Es gibt zwei Arten der Isolation, geographische und Verhaltensisolation

• Sie beschränken den Genaustausch zwischen zwei Teilpopulationen der selben Art -> entwickeln sich auseinander -> neue Art entsteht

• Koevolution tritt meist bei Lebewesen auf, die in einer Rauber-Beute Beziehung oder Konkurrenz stehen auf

• es ist eine Art anpassen auf beiden Seite (Wettrüsten)

• Entwicklung von Toxinen und Resistenzen

X-Chromosom-Inaktivierung bei Frauen

• Frauen haben zwei X-Chromosomen → eines wird methylisiert und „stillgelegt“

• So wird doppelte Genexpression vermieden

• Beispiel für großflächige epigenetische Regulation

Viren DNA silencing

• Manche Viren integrieren ihr Erbgut in unsere DNA (z. B. Retroviren)

• Durch Methylierung kann die Zelle diese „stilllegen“, um Virusvermehrung zu verhindern

Methylierung in der Pflanzenwelt

• Pflanzen nutzen Methylierung zur Abwehr von Viren und zur Regulation des Wachstums

• Beispiel: Inaktivierung von Transposons (springenden Genen) durch Methylierung

Funktion

• CRISPR = ein kurzer DNA-Abschnitt im Bakterien-Erbgut

  • Speichert „Erinnerungen“ an Viren (wie eine Datenbank)

• Cas (z. B. Cas9) = Enzym, das DNA zerschneidet

• Mit Hilfe einer Leit-RNA (guide RNA) findet Cas9 die passende Stelle in der Ziel-DNA

• Cas9 schneidet die DNA dort präzise durch

  
  

• Die Zelle repariert den Schnitt – dabei kann man:

  • ein Gen ausschalten

  • ein neues Gen einfügen

  • bestehende Gene verändern

Verwendung

• zur Behandlung von Genetischen Krankheiten

• Für Designerkinder

• Zur Humaninsulin Herstellung

• Zur Genmodifikation von Pflanzen oder Tieren in der Landwirtschaft

  • für mehr Ertrag, oder Resistenz

✅ Vorteile:

• Früherkennung schwerer Krankheiten oder Behinderungen

• Planung medizinischer Maßnahmen vor/nach der Geburt

• Gibt Eltern Sicherheit oder Wahlmöglichkeiten

❌ Nachteile / Risiken:

• Psychische Belastung für die Eltern bei auffälligem Befund

• Entscheidungsdruck bei schwerwiegenden Diagnosen (z. B. Schwangerschaftsabbruch)

• Invasive Verfahren können zu Fehlgeburten führen

• Ethische Fragen (z. B. Selektion, Umgang mit Behinderung)

Bakterien-Typen:

• S-Stamm (smooth): mit Schleimkapsel, tödlich für Mäuse

• R-Stamm (rough): ohne Kapsel, ungefährlich

Avery

• Die abgetöteten S-Bakterien wurden mit verschiedenen Enzymen behandelt:

• Der „transformierende Faktor“ ist DNA, nicht Protein oder RNA

• → DNA ist Träger der Erbinformation

Allgemeine Ergebnisse:

• Griffith: zeigte erstmals das Phänomen der Transformation

• Avery: bewies, dass DNA das Erbmaterial ist

• → Grundstein für die moderne Molekulargenetik

• Ardipithicus ramidus “Ardi” (4,5 mio Jahre)

  • aufrechter Gang

  • bessere Übersicht in Gräsern & Hände frei zum tragen

• Australopithicus aferensis “Lucy” (4 mio Jahre)

  • verteidigen in Gruppen gegen Raubtiere

  • verwenden Stöcke zur verteidungung

• Homo habilis (2 mio Jahre)

  • größeres Gehirn und anpassungsfähiger

  • isst Fleisch (Aas)

  • nutzt Steine als Wekzeuge

  • ausgeprägtes Sozialverhalten

• Homo erectus (1,5 mio Jahre)

  • von Afrika nach Europa und Asien

  • an die Jagd und lange Distanzen angepasst

  • nutzt Speere, Stein-Werkzege, Feuer, …

  • Jagd Beute

• Homo neanderthalensis (200.000 Jahre)

  • Werkzeuge wie Pfeile und Bögen sowie Keulen und Klingen

  • waren an niedrige Temperaturen unter -30°C angepasst (letzte Eiszeit)

  • robust, muskulös, schlau (größtes Gehirn)

  • intelligente Jagdstrategien

  • aus Europa und in der ganzen Welt

• Homo sapiens (180.000 Jahre)

  • entwickelte Kultur -> Kunst und Schmuck (ohne Sinn für überleben)

  • entwickeltes Werkzeug

  • Verbreitung von Afrika in der ganzen Welt