Genetik und Molekularbiologie

= verschiedene Zustandsform eines Gens

• Chorea Huntington
• Retinoblastom
• Familiäre Hypercholesterinämie
• Maligne Hyperthermie
• Marfan-Syndrom
• Myotone Dystrophie Typ I
• Osteogenesis imperfecta (Typ I)
• Sichelzellenanämie
• ...

• Albinismus
• Galaktosämie
• Lippen-Kiefer-Gaumenspalte
• Mukoviszidose
• zystische Fibrose
• Thalassämie
• ...

• Allele entstehen aus dem Wildtyp durch Mutation
  
• Es können auch mehr Allele in einer Population vorhanden sein

• Watson / Crick / Franklin
• Doppelhelix
• Antiparallele Stränge
• Rechtsgängige Helix
   
• Nucleotidbasen im Inneren
• Chargaff-Regel (Anzahl Purine= Anzahl Pyrimidine)
  --> Pyrimidin - Purin

• Paare aus komplementären Basen bilden Wasserstoffbrücken, welche die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zusammenhalten
• G-C-Paare enthalten DREI Wasserstoffbrücken
• A-T-Paare enthalten ZWEI Wasserstoffbrücken
• Phosphatgruppe am 5´-Kohlenstoff befestigt
• Base am 1´-Kohlenstoff befestigt
• Phosphatgruppe des nächsten Nucleotids ist am 3´-Kohlenstoff befestigt
• Die Stränge laufen beide in der 5´-->3´-Richtung
  • sie sind antiparallel

• Entstehen zwei DNA-Moleküle, die sich jew. aus einem alten und einem neuen Strang zusammensetzen

• Alter DNA-Doppelstrang bleibt erhalten, neuer entsteht

• Entstehen zwei DNA-Moleküle, alte und neue DNA verteilt sich entlang aller vier Stränge

• erfolgt in 2 Schritten
   
• Entspiralisierung der DNA (Trennung der Matrizenstränge)
• Einige Nucleotide bilden mit der Matrizen-DNA komplementäre Basenpaare, mit Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft

• Nucleotide werden am 3´-Ende angehängt
• C paart mit G
   
• Das Enzym Polymerase III hängt das nächste Desoxiribonucleotid an die -OH-Gruppe am 3´-Ende des wachsenden Stranges und setzt Pyrophosphat frei
• Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen werden gelöst, und die freiwerdende 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.
3. Die DNA-Polymerase bindet und synthetisiert neue DNA.

• Die DNA-Polymerase verlängert beide Stränge
• Einzelstrangbindende Proteine halten die Matrizenstränge getrennt.
• Die DNA-Helikase entspiralisiert die Doppelhelix.
• Die Primase synthetisiert einen Primer.

• Die Synthese des Leitstrangs erfolgt kontinuierlich.
• Der Folgestrang wird in Form von Okazaki-Fragmenten synthetisiert.
• Die Replikationsgabel wächst.

1. Die Primase bildet den RNA-Primer
2. Die DNA-Polymerase III hängt nur am 3´-Ende des neuen Okazaki-Fragments ein neues Nucleotid an und setzt das so lange fort, bis sie auf den Primer des vorherigen Okazaki-Fragments stößt
3. Die DNA-Polymerase I hydrolisiert 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.

• Zur 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 Bindungsereignis viele Nucleotide angehängt werden können.
4. Die Klammer ist das aus drei Untereinheiten bestehende Protein PCNA

• 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.

Embryonalentwicklung

Schwanz der Eidechse

1. Reproduktionssignale
   (Nährstoffangebot, Temperatur, ...)
2. Replikation der DNA
   (bei den meisten Prokaryoten ringförmig): ori--> ter
3. Segregation
   (Auftrennung)
4. Cytokinese
   (eigentliche Teilung)

1. Reproduktionssignale
   (spezialisierter, vom gesamten Organismus abhängig)
2. Replikation der DNA
   (mehrere Chromosome, auf einen best. Zeitabschnitt innerhalb des Zellzyklus beschränkt)
3. Segregation
   (Auftrennung der Schwesterchromatiden durch Mitose)
4. Cytokinese
   (eigentlche Teilung)

Mitose: DNA der Tochterzellen identisch zur Ausgangszelle

Meiose: bei Zellen, die an der sexuellen Fortpflanzung beteiligt sind, genetische Vielfalt durch Verschiebung des genetischen Materials

Zeitabschnitt zwischen den Zellteilungen

Mitose + Interphase

aus

• G1-Phase (länge unterschiedlich, oft Ruhephase G0)
• S-Phase (Replikation der DNA)
• G2-Phase (Vorbereitung auf Mitose)

• Bindung von Cyclin an 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)

= Proteine

• Binden an spezifischen Rezeptoren an Zelloberfläche
• Induzieren Signalwege --> Synthese von Cyclinen
• Aktivierung von Cdk
   
• PDGF: von Thrombozyten produziert
  --> Wundheilung
• Interleukine, zur Bildung von roten und weißen Blutkörperchen aus hämatopoetischen Vorläuferzellen

• Viele Zellen unterliegen einer Beschränkung der Anzahl der Teilungen
• "replikative Zellalterung"
• Veränderung der Telomerstruktur (repititive Wiederholung an den Enden der DNA)
• Bei Zellen ohne Telomerase werden Telomere immer kürzer (Hayflick Limit)
• Als Zellschaden erkannt --> Zellzyklusstillstand

• Krankhafte Veränderung von positiven (Wachstumsfaktoren) oder negativen Regulatoren
• Onkogene Proteine (HER2 Wachstumsfaktorrezeptor)
• Inaktive Tumorsuppressorproteine (RB-Protein)

= passiver Zelltod --> betrifft: Zellgruppe

• Mangel an Nähr- od. Sauerstoff
• Auflösung der Zellmembran
• Mangel an ATP in der Zelle
• Zellenzyme bewirken Entzündung

= aktive Selbstzerstörung --> betrifft: isolierte Einzelzelle

• Auslösung des Todesprogramms
• Zerlegung der Zelle in Vesikel
• intrazellul. Signalweg (Caspasen)
• Phagozytse durch Nachbarzellen

• Interphase: Chromosomen = fadenförmige Strukturen
   
• Vor der Mitose wird die DNA in kompakte Chromosomen verpackt

DNA  und Centrosom (Zentralkörperchen) verdoppeln sich

Centrosomen wandern an gegenüberliegende Enden der Kernhülle (bilden Pole)

• Chromatiden werden sichtbar
• Spindelapparat bildet sich aus
• Pol-Mikrotubuli
• Kinetochor-Mikrotubuli

• Kernhülle zerfällt
• Kinetochormikrotubuli bilden sich und verbinden Kinetochore mit den Polen

• Chromosomen ordnen sich an der Äquatorialebene an.