2. Gene und Vererbung

• Mendelsche Regeln = 1865 Mendel

• Entdeckung der Nukleinsäuren (Fischspermien) = 1869

• Chromosomen in der menschlichen Zelle = 1888

• Theorie Chromosomenpaare als Träger der Erbinformation = 1903 (Biologe Sutton)

• Erkrankungen mit Familiengeschichte = 1909 (Arzt Garrod)

• Nobelpreis für Medizin an Thomas Hunt Morgan = 1933

Gesamtmenge der Purine (A + G) gleich der Gesamtmenge der Pyrimidine (T + C)

• A = T (machen jeweils etwa 30% der vorkommenden stickstoffhaltigen Basen aus)

• G = C (jeweils 20%)

• früher 50er Jahre

• 
  

• Doppelhelix

• antiparallele Stränge

• rechtsgängige Helix

• große und kleine Furche

• 1953

• Watson/Crick/Franklin

• normal in B-Form

• in Gegenwart organischer Lösungsmittel = A-Form (breiter, kürzer, Basen stehen nicht senkrecht zur Helixachse)

• Z-Form: lingsgängig, (CG)n Abschnitte

Base + Zucker

Base + Zucker + Phosphat

Purin

Pyrimidin

Ribose

Desoxyribose

Mono-, Di-, Triphosphat

• Information zur Herstellung von Schlüsselenzymen des Energiestoffwechsels und der Translationsmaschinerie

• Funktion nur im Zusammenspiel mit Zellkern

• keine Introns

• Phosphatgruppe ist am 5´-Kohlenstoff befestigt

  • die des nächsten Nukleotids ist am 3´-Kohlenstoff befestigt

• Base ist am 1´Kohlenstoff befestigt

• Stränge verlaufen beide in der 5´ ➡️ 3´Richtung = antiparallel

• Paare aus komplimentären Basen bilden Wasserstoffbrücken,, welche die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zusammenhalten

  • G-C-Paare enthalten 3 Wasserstoffbrücken

  • A-T-Paare enthalten 2 Wasserstoffbrücken

• Semikonservative Replikation

• Konservative Replikation

• Dispersive Replikation

• enstehen zwei DNA-Moleküle, die sich jeweils aus einem komplett alten und einem vollständigen neuen Strang zusammensetzen

• Entspiralisierung der DNA (Trennung der Matrizenstränge)

• einige Nukleotide bilden mit der Matrizen-DNA komplementäre Basenpaare, mit Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft

• Nukleotide werden am 3´-Ende angehängt

• C paart mit G

• Das Enzym DNA-Polymerase III hängt das nächste Desoxyribosenuklotid an die OH-Gruppe am 3´-Ende des wachsenden Strangs und setzts Pyrophosphat frei

• Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen werden gelöst und die freiwerdene Energie treibt die Reaktion an

1. Die Primase bindet an den Matrizenstrang und synthetisiert einen RNA-Primer

2. sobald der Primer fertiggestellt ist, wird die Primase freigesetzt. Die DNA-Polymerase bindet und synthetisiert neue DNA

• verlängert beide Stränge

DNA-Polymerase III

• verknüpft neue Nukleotide und bildet so neue DNA-Stränge

DNA-Polymerase I

• tauscht zusätzlich den Primer gegen DNA-Nuklotide aus

• Einzelstrangbindende Proteine

• DNA-Helikase

• Primase

• Okazaki Fragment

• DNA-Ligase

zu Erhöhung der Effizienz

1. eine Klammer bindet an die DNA

2. die DNA-Polymerase bindet an den Klammer-DNA-Komplex

3. Die Klammer hält die Polymerase stabil an die DNA gebunden, sodass bei einem einzigen Bildungsereignis viele Nuklotide angehängt werden können

4. Die Klammer ist das aus drei Untereinheiten bestehende Protein PCNA

verbindet die fertigen Okazaki-Fragmente miteinander

1. Die Primase bildet den RNA-Primer

2. Die DNA-Polymerase III hängt am 3´-Ende des neuen OkazakiFragments ein neues Nukleotid an und setzt das so lange fort, bis sie auf den Primer des vorherigen Okazaki-Fragments stößt

3. Die DNA-Polymerase I hydrolysiert den Primer und ersetzt ihn durch DNA

4. Die DNA-Ligase katalysiert anschließend die Bildung der Phosphodiesterbrücke, wodurch schließlich die beiden Okazaki Fragmente verknüpft werden

• die Synthese des Leitstrangs erfolgt kontinuierlich

• Der Folgestrang wird in Form von Okazaki-Fragmenten synthetisiert

• Die Replikationsgabel wächst

entspiralisiert die Doppelhelix und trennt lokal die beiden Stränge

binden an die getrennten Stränge und verhindern, dass sich dort die Doppelhelix wieder bildet

erzeugt RNA-Primer

• Bei den meisten Zellen werden die entständigen, nichtreplizierten Nukleotide entfernt und das Chromosom verkürzt sich

• Bei Stammzellen verlängert die Telomerase mithilfe einer RNA-Matrize (die von der Primase erzeugt wird) die Telomere

• Die Telomerase wandert zum neuen Ende und die DNA-Polymerase füllt die Lücke. Dieser Vorgang kann sich mehrere Male wiederholen, sodass sich die Telomere verlängern

• DNA-Korrekturlesen

• Fehlpaarungsreparatur

• Excisionsreparatur

1. während der DNA-Replikation kann eine falsche Base in die wachsende Kette eingebaut werden

2. Die Proteine des Replikationskomplexes schneiden die falsche Base sofort heraus

3. Die DNA-Polymerase fügt die richtige Base ein und die Replikation wird fortgesetzt

1. Bei der DNA-Replikation kam es zu einer Basenfehlpaarung

2. Die Fehlpaarungsreparaturproteine schneiden die fehlgepaarte Base und einige benachbarte Basen heraus

3. Die DNA-Polymerase fügt die richtige Base ein

4. Im letzten Schritt repariert die DNA-Ligase den verbliebenen Strangbruch

1. Eine Base in der DNA wurde beschädigt und ist dadurch funktionslos

2. Die Excisionsreparaturproteine schneiden die beschädigte Base und einige benachbarte Basen heraus

3. Die DNA-Polymerase fügt die richtigen Basen durch 5´➡️ 3´- Replikation des kurzen DNA-Abschnitts ein

4. Im letzten Schritt repariert die DNA-Ligase den verbliebenen Strangbruch

1. Die DNA-Replikation beginnt am Replikationsursprung in der Mitte der Zelle

2. Die chromosomale DNA wird repliziert, während die Zelle wächst

3. Die Tochter-DNA Stränge trennen sich, der Bereich, der die ori-Region enthält, liegt dabei jeweils vorn

4. Die Cytokinese ist abgeschlossen, zwei neue Zellen sind entstanden

• Reproduktionssignale (Nährstoffangebot, Temperatur,…)

• Replikation der DNA (bei den meisten Prokaryoten ringförmig): ori ➡️ ter

• Segregation (Auftrennung)

• Cytokinese (eigentliche Teilung)

• Reproduktionssignale (spezialisierter, vom gesamten Organismus abhängig)

• Replikation der DNA (mehrere Chromosomen, auf einen bestimmten Zeitabschnitt innerhalb des Zellzyklus beschränkt)

• Segregation (Auftrennung der Schwesterchromatiden durch Mitose)

• Cytokinese (eigentliche Teilung)

Mitose (DNA der Tochterzelle identisch zur Ausgangszelle) ↔️ Meiose (bei Zellen, die an der sexuellen Fortpflanzung beteiligt sind, genetische Vielfalt durch Verschiebung des genetischen Materials)

• Die DNA windet sich um die Histone, die Bindung erfolgt durch ionische Wechselwirkungen, und es bildet sich eine riesige Zahl von Nucleosomen, die wie Perlen auf einer Schnur angeordnet sind

• Nucleosomen bilden eine komprimierte Spirale, die sich zu einer noch größeren Spirale verdrillt usw. So entstehen die kondensierten, überspiralisierten Chromatinfasern

• Die Fasern falten sich und bilden Schleifendomänen, die an einem Proteingerüst befestigt sind

• Die Schleifen verdichten sich im Interphasekern noch weiter und bilden so das Chromatin

• während der Mitose spiralisieren sich die Schleifen noch weiter und bilden ein hochkondensiertes Chromosom

DNA-Doppelhelix > Nucleosom (10:1) > Chromatin (50:1) > gerüstassoziiertes Chromatin (250:1) > kondensiertes Chromatin (5000:1) > verdichtetes Chromosom (8000:1)

der ursprüngliche Zellkern bringt 2 genetisch idente Töchterkerne hervor

Prophase

• keine Paarung von homologen Chromosomen

Metaphase

• die einzelnen Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an

Anaphase

• Die Centromere trennen sich. Während der Anaphase trennen sich die Schwetserchromatiden und werden so zu Tochterchromosomen

zwei Tochterzellen (jeweils 2n)

• Die Mitose ist ein mechanismus für Einheitlichkeit: Der ursprüngliche Zellkern bringt zwei genetisch identische Tochterkerne hervor

4 haploide Tochterzellen ➡️ genetische Vielfalt

• 2 Zellkernteilungen (Meiose I, Meiose II)

• nur 1 DNA Replikation

• Verringerung der Chromosomenzahl von diploid auf haploid

• Vollständiger Chromosomensatz in jeder haploiden Zelle

• Erzeugung von genetischer Vielfalt

Prophase I

• Paarung und Crossingover der homologen Chromosomen

Metaphae I

• Homologenpaare lagern sich in der Äquatorialebene aneinander

Anaphase I

• Die Centromere trennen sich nicht; in der Anaphase bleiben die Schwetserchromatiden zusammen; homologe Chromosomen trennen sich; DNA wird vor der Prophase II nicht repliziert

Telophase I

• Am Ende der Telophase sind die beiden homologen Chromosomen segregiert

vier Tochterzellen (alle n)

• Die Meiose II bringt vier haploide Tochterzellen hervor, die sich genetisch unterscheiden. Die Meiose ist also ein Mechanismus für die Erzeugung genetischer Vielfalt

• Zeitabschnitt zwischen den Zellteilungen

• 4 Abschnitte (G0/G1, S, G2, M)

  • Mitose (Am Ende der M-Phase kommt es zur Zellteilung (Cytokinese))

  • Interphase aus

    • G1-Phase (Länge unterschiedlich, oft Ruhephase G0) (Zellen, die sich nicht teilen werden normalerweise in der G1-Phase angehalten)

    • S-Phase (Replikation der DNA)

    • G2-Phase (Vorbereitung auf die Mitose)

S-Phase

• DNA und Centrosom (Zentralkörperchen) verdoppeln sich

G2/M-Übergange

• Centrosomen wandern an gegenüberliegende Enden der Kernhülle (bilden Pole)

• Chromatiden werden sichtbar (spiralisiert)

• Spindelapparat bildet sich aus

• Pol-Mikrotubuli

• Kinetochor-Mikrotubuli

• Centrosomen wandern zu den entegengesetzten Polen

• Kernhülle zerfällt

• Kinetochormikrotubuli bilden sich und verbinden Kinetochore mit den Centrosomen bzw. Polen

• Chromosomen ordnen sich an der Äquatorialebene an

• Trennung der Schwetserchromatiden

• Bewegung zu den Polen

• nach der vollständigen Trennung

• neue Zellkernhülle und Nucleoli wird gebildet

• Spindel verschwindet

• Furchung der Plasmamembran (kontraktiler Ring)

• Genau gleiche Verteilung der Chromosomen gewährleistet

• Ribosomen, Mitochondrien,… müssen nicht gleichmäßig aufgeteilt sein

• bei manchen Zellen keine Cytokinese ➡️ mehrkernige Zellen (Syncytium)

• vegetativ, asexuell

• beruht auf mitotischer Teilung

• generativ, sexuell

• genetisch keine vollständige Übereinstimmung mit Eltern

• erfordert Gameten (einfacher Chromosomensatz, haploid)

• Meiose zur Bildung haploider Zellen

• Pilze, einige Grünalgen

• ausgereifte Organismus = haploid

• Zygote ist das einzige diploide Stadium

• Pflanzen, einige Pilze

• Organismus durchläuft haploide und diploide Stadien, beide vielzellig

• Mensch, Tiere, Braunalgen, einige Pilze

• Organismus = diploid

• Gameten sind das einzige haploide Stadium

• das Chromatin beginnt nach der Interphase zu kondensieren

• bei der Synapse lagern sich homologe Chromosomen zu Paaren (Tetraden) zusammen

• die Chromosomen spiralisiern und verkürzen sich immer stärker. Die Ciasmata zeigen Crossing-over an, den Austausch von genetischem Material zwischen Nicht-Schwetser-chromatiden in der Tetrade. In der Prometaphase zerfällt die Kernhülle.

• die homologen Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle als Metaphaseplatte an

• die homologen Chromosomen (mit jeweils zwei Chromatiden) bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen der Zelle

• die Chromosomen sammeln sich in neu gebildeten Zellkernen und die ursprüngliche Zelle teilt sich

• die Chromosomen kondensieren wieder nach einer kurzen Interphase (Interkinese) in der die DNA nicht repliziert wird

• die Centromere ordnen sich in jeder Zell in der Äquatorialebene

• die Schwesterchromatiden trennen sich schließlich und werden eigenständige Tochterchromosomen, wobei sie zu den entgegengesetzten Polen gezogen werden. Aufgrund der Crossing-over und der unabhängigen Verteilung enthält jede neue Zelle eine andere genetische Ausstattung

• die Chromosomen sammeln sich in neue Zellkernen und die Zellen teilen sich

• bei allen 4 Tochterzellen trägt der Zellkern einen haploiden Chromosomensatz

• Aneuploidie ist relativ häufig (10-30%)

  • meit tödlicher Verlauf

  • nicht lethal zB. freie Trisomie vom Chromosom 21 (Down-Syndrom)

  • Monosomie

• Bindung von Cyclin and Cdk aktiviert den Cyclin-Cdk Komplex

• spezifische Proteine können nun binden und werden phosphoryliert

  • Retinoblastomprotein für G1/S Übergang

• Kontrollpunkte (G1/S Übergang, S-Phase, G2-Phase)

• das Cdk-Protein ist immer vorhanden, aber sein aktives Zentrum ist nicht zugänglich

• das Cyclin-Protein wird nur zu einem bestimmten Zeitpunkt im Zellzyklus produziert

1. Die Bindung von Cyclin verändert die Cdk, sodass das aktive Zentrum zugänglich wird

2. ein Proteinsubstrat und ATP binden an die Cdk. Das Proteinsubstrat wird phosphoryliert

3. Das phosphorylierte Protein reguliert den Zellzyklus. Zu jedem Cdk-Molekül gehören spezifische Zielproteine

• sind Proteine

• binden an spezifischen Rezeptoren an Zelloberfläche

• können Signalwege induzieren ➡️ Synthese von Cyclinen

• Aktivierung von Cdk

• PDGF (platelet derived growth factor)

  • von Thrombozyten produziert

• Interleukine

  • zur Bildung von roten und weißen Blutkörperchen aus hämatopoetischen Vorläuferzellen

• krankhafte Veränderung von positiven (Wachstumsfaktoren) oder negativen Regulatoren

• Onkogene Proteine (HER2: Humaner Epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor 2)

• Inaktive Tumorsuppressorproteine (Retinoblastom (RB)-Protein)

• Kreuzungsversuche (beobachtete Merkmale von 24 034 Nachkommen)

• Merkmal (Samenoberfläche)

• Merkmalausprägug (glatt/runzelig)

• Auswahl von “reinerbigen” Eltern

• Entferung der Staubgefäße

• Monohybridenkreuzung

= 1. Mendelsche Regel

• kreuzt man zwei reinerbige Eltern die sich nur in einem Merkmal unterscheiden, so sind die Individuen der F1-Generation phänotypisch und genotypisch gleich

1. Eine für S homozygote Pflanze wird mit einer Pflanze gekreuzt, die für s homozygot ist (Elterngeneration)

2. die elterlichen Gameten vereinigen sich und es entstehen F1-Pflanzen mit dem Genotyp Ss und dem Phänotyp des glatten Samens

3. Die heterozygote F1-Pflanze erzeugt haploide Gameten und bestäubt sich selbst

= 2. Mendelsche Regel

• kreuzt man Individuen der F1-Generation, so gehen daraus Nachkommen hervor, die sich in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufspalten

1. verschiedene kombinationen von Allelen der beiden Elternpflanzen führen zu zwei verschiedenen Phänotypen der Samen in der F2-Generation

2. Die Phänotypen der Samen treten in einem Verhältnis von 3:1 auf

DNA-Sequenz, die an einem bestimmten Ort (Locus) im Chromosom liegt

verschiedene Zustandsformen eines Gens

• entstehen aus dem Wildtyp durch Mutation

• es können auch mehrere Allele in einer Population vorhanden sein

• Fellfarbe von Kaninchen: 4 Allele des C-Gens (C, c^chd, c^h, c), Dominanz: C > c^chd > c^h > c

= 3. Mendelsche Regel

• Dihybridenkreuzungen aus F2-Generationen

• Unabhängige Segregation von S/s und Y/y

• Auftreten der Phänotypen im Verhältnis 9:3:3:1

• nicht mehr allgemein gültig

• beide Formen treten in der heterozygoten Form auf

• AB0-Locus (Glykoproteine, Oberfläche der Erythrozyten)

  
  

alle Chromosomen außer Geschlechtschromosomen

auf den Geschlechtschromosomen (X-chromosomal, Y-chromosomal)

beide Allele für ein Merkmal sind gleich

beide Allele für ein Merkmal sind unterschiedlich

ein dominantes Merkmal setzt sich auf jeden Fall durch

ein rezessives Merkmal setzt sich nur durch wen es homozygot ist

1 Mutationsträger (= krank)

➡️ 2 gesunde Kinder, 2 kranke Kinder (Mutationsträger)

Chorea Huntington

• Retinoblastom

• Familiäre Hypercholesterinämie

• Maligne Hyperthermie

• Marfan-Syndrom

• Myotone Dystrophie Typ I

• Osteogenesis imperfecta (Typ I)

• Sichelzellenanämie

2 Mutationsträger

➡️ 1 gesundes Kind 1:4

2 Mutationsträger 2:4

1 krankes Kind 1:4

• Albinismus

• Galaktosämie

• Lippen-Kiefer-Gaumenspalte

• Mukoviszidose bzw. zystische Fibrose

• Thalassämie

Konduktor (X-Chromosom) (Mutter)

➡️ je 1 gesunder Sohn + Tochter, 1 gesunde Tochter (Konduktor), 1 kranker Sohn

kranker Vater

➡️ 2 gesunde Söhne, 2 gesunde Töchter (Konduktor)

• G-6-PD-Mangel

• Hämophilie A und B (Bluterkrankheit)

• Muskeldystrophie

• Rot-Grün-Blindheit

kranker Vater

➡️ 2 Gesunde Söhne, 2 kranke Töchter

kranke Mutter

➡️ je 1 gesunder Sohn + Tochter und je 1 kranker Sohn + Tochter

• familiäre phosphatämische Rachitis