Genetik
Passerelle 2020
Passerelle 2020
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Cartes-fiches
Grundprinzip der Replikation der DNA
- In der S-Phase während der Interphase
- Doppelstrang öffnet sich durch Enzym Helicase
- An jedem Strang lagern sich die komplementären Nucleotide an und werden mithilfe DNA-Polymerase untereinander zu einem neuen Strang verknüpft
- Imme nur eine mögliche Basenpaarung, deshalb haben die zwei neuen Stränge die gleiche Sequenz wie die ursprüngliche
- Semikonservativ, d.h., jeder der gebildeten Doppelstränge besteht aus einem alten und einem neuen Einfachstrang
Ablauf der Replikation der DNA
- Vom Replikationsursprung läuft Replikation in beide Richtungen
- Doppelhelix öffnet sich zu einer Replikationsblase. An jedem Ende des geöffneten Stücks liegt eine Replikationsgabel, an der die Einfachstränge durch Anlagerung der komplementären Nucleotide wieder zu Doppelsträngen ergänzt werden
- Bildung eines neuen Doppelstrangs durch Polymerase
- Passendes Nucleotid lagert sich an den Matrizenstrang an und wird von Polymerase mit zuvor angelagerten Nucleotid verknüpft
- Einzelstränge haben entgegengesetzte Polarität. Gegenläufigkeit hat Konsequenzen für die Replikation. Polymerase kann nämlich nur in eine Richtung arbeiten (vom 3’-Ende des neuen Strangs zum 5’-Ende). Bedeutet, dass von den geöffneten DNS-Strängen nur einer kontinuierlich durch Anfügen von Nucleotiden zum Doppelstrang ergänzt wird
- Am zweiten Strang: Einzelne Stücke (Okazaki-Fragmente) des neuen Strangs werden durch Ligase zu einem neuen Strang verknüpft
Unterschied Replikation Eukaryoten und Prokaryoten
- Prokaryoten: ringförmige DNS-Moleküle der Chromosomen und der Plasmide haben nur einen Replikationsursprung. Wenn sich die Replikationsgabeln wieder treffen, ist die Replikation beendet
- Eukaryoten: Replikation geschieht an vielen Stellen gleichzeitig. Jedes DNS-Molekül hat viele Replikationsursprünge
Fehlerkorrektur während der Replikation der DNA
- Falsch eingesetzte Nucleotide werden bei der nachfolgenden Überprüfung entdeckt und ausgewechselt
- Bei den Prokaryoten übernimmt das Korrekturlesen die DNS-Polymerase und bei den Eukaryoten verschiedene Proteine
- Reparaturenzyme: korrigieren auch andere Veränderungen der DNS
Wozu dient die Erbinformation?
- Primär zur Herstellung von Eiweissen die als Baustoffe und Enzyme verwendet werden
- Jedes Enzym löst chemischen Vorgang aus, was die Grundlage aller Lebensvorgänge und bestimmter Merkmale und Eigenschaften
Eiweisssynthese
- In der Zelle an den Ribosomen
- An vielen Ribosomen gleichzeitig
- Aus diesen zwei Gründen werden Transkripte (Abschriften) erstellt und als Boten-RNS oder mRNA zu den Ribosomen geschickt
- mRNA-Molekül enthält Rezept für Aufbau und dient an den Ribosomen als Matrize zur Synthese eines Eiweisses aus den Aminosäuren. Sie liefert Informationen für die Reihenfolge der verschiedenen Aminosäuren (Translation)
- Die Nucleotid-Sequenz der mRNA bestimmt die Sequenz der Aminosäuren im Eiweiss
Unterschied in der Eiweisssynthese zwischen Prokaryoten und Eukaryoten
Prokaryoten:
- Ribosomen lagern sich schon während der Transkription an den wachsenden mRNA-Strang an und beginnen mit der Translation
Eukaryoten:
- Transkription im Kern, Translation im Zellplasma
- Bei der Transkription wird eine prä-mRNA gebildet, die vor der Ablesung noch bearbeitet wird, da sie Abschnitte enthält, die nicht enthalten sein dürfen
Ribonucleinsäure
- Meist einsträngig
- Kann Schleifen bilden, die durch H-Brücken zwischen komplementären Basen stabilisiert sind
- Form und Funktion wesentlich vielfältiger als bei der DNA
- Aufgaben: Übertragung und Umsetzung der Erbinformation
- Werden laufend gebildet und schnell wieder abgebaut
- RNA-Klassen: Ribosomale RNA (rRNA), Messenger-RNA (mRNA); wird im Kern bei der Transkription gebildet, Transfer-RNA (tRNA); Übersetzer bei der Eiweisssynthese und bindet sich an die Boten-RNA
Transkription
- Meist wird nur ein Gen (also ein bestimmter Abschnitt) eines Stranges abgelesen
- Vor jedem Gen (3’-Ende) Promotor. Hier lagert sich RNA-Polymerase an
- Kurzes Stück des Doppelstrangs wird geöffnet
- Im geöffneten Bereich lagern sich die komplementären RNA-Nucleotide an den codogenen Einzelstrang an. RNA-Nucleotide werden durch die Polymerase miteinander verknüpft
- Am Ende Terminationsbereich. Dort löst sich die RNA-Polymerase wieder vom DNA-Strang
- Jedes Gen liegt auf einem der beiden Einzelstränge. Bei Transkription wird immer nur dieser Strang als Matrize genutzt. So wechseln sich codogene und nichtcodogene Abschnitte ab
- Am 5’-Ende: Ribosomenbindungsstelle. Kurz dahinter Triplett AUG (Starttriplett)
- Am 3’-Ende: Stopptriplett UAA, UAG, UGA
Translation; Transfer-RNA (tRNA)
- Dolmetscher für das Übersetzen
- Sind RNA-Einzelstränge mit etwa 80 Nucleotiden. Sind durch H-Brücken zwischen benachbarten Abschnitten stabilisiert
- Am 5’-Ende: Bindungsstelle für Basentriplett. Die tRNA lagert sich an das Triplett mit den drei komplementären Basen der mRNA an. Basentriplett der mRNA: Codon. Triplett der tRNA: Anticodon
- Verschiedene Sorten der tRNA-Moleküle, die alle mit der passenden Aminosäure beladen sind
Translation; Ribosomen
Neben der Bindungsstelle für eine mRNA hat jedes Ribosom zwei Bindungsstellen (A und P) für je eine beladene tRNA.
Prinzip der Translation
- Ribosom bewegt sich auf der mRNA zum 3’-Ende, liest dabei die Sequenz der mRNA ab und baut gemäss dieser Information Aminosäure-Moleküle zu einem Eiweiss-Molekül zusammen. Zeiht dabei wachsenden Eiweissstrang hinter sich her. Am 3’-Ende gibt sie das Eiweiss frei und löst sich von der mRNA.
- Es arbeiten meist 20-50 Ribosomen gleichzeitig hintereinander auf einer mRNA. Arbeitsgruppe: Polysomen
Ablauf der Translation
- Kleine Untereinheit des Ribosoms bindet sich am 5'-Ende
- Start-tRNA mit Anticodon UAC lagert sich an Start-Triplett AUG an
- Grosse Untereinheit lagert sich an
- Start-tRNA liegt in der P-Stelle. A-Stelle ist noch frei
- tRNA lagert sich an A-Stelle an. Bringt Aminosäure in die richtige Positin zur Aminosäure in der P-Stelle
- Aminosäuren in den beiden Bindungsstellen werden verknüpft
- Methionin löst sich. Dipeptid hängt nun an der tRNA in der A-Stelle
- Start-tRNA löst sich und verlässt die P-Stelle. Wird im Plasma wieder beladen
- Ribosom bewegt sich um ein Triplett weiter. Dipeptid rutscht von der A- in die P-Stelle
- A-Stelle ist frei. Hier wird nächste tRNA mit dem passenden Anticodon angelagert
Genetischer Code
- Schlüssel für Zuordnung
- Zahl der möglichen Diplett 42 = 16
Tripletts
- 64
- UAA, UAG oder UGA: Stopptriplett
- AUG: Startcodon
- Die anderen 61 für Einbau einer Aminosäure
- Code ist degeneriert: gibt für die meisten Aminosäuren mehrere Codons
- Translation einer mRNA führt immer zum gleichen Eiweiss
Von der DNA zum Protein
- Transkription
- Translation
- künstliche mRNA kann mithilfe der RNA-Polymerase aus den Nucleotiden gebildet werden
Faltung und Bearbeitung der Eiweisse
Faltung:
- schon während der Synthese
Bearbeitung:
- Nach der Synthese
- Manchmal werden mehrere Polypeptidketten zu einem Protein-Molekül kombiniert
- Gewisse Enzyme werden erst durch Abspaltung einer oder mehrerer Aminosäuren aktiv
- Anbau anderer Moleküle
- Manche Polypeptide werden in Stücke gespalten und dann neu kombiniert
Versand der Eiweisse
Eiweisse haben am Anfang ein als Signalpeptid bezeichnetes Stück. Dies veranlasst das Ribosom, sich ans ER zu setzen. Schiebt wachsende Eiweisskette durch Pore ins Innere des ER. Nach Abschluss wird Signalpeptid abgetrennt. Für den Export wird das Eiweiss im ER in ein Vesikel verpackt und zur Zelloberfläche gebracht.
Bearbeitung der prä-mRNA bei den Eukaryoten; Spleissen
- Nichtcodierende Abschnitte werden aus der prä-mRNA herausgeschnitten
- Introns werden entfernt. Enzyme zerschneiden die prä-mRNA am Anfang und am Ende jedes Exons und verkleben diese miteinander zur reifen mRNA
- Ribonucleinsäuren als Katalysatoren (Ribozyme)
Exons und Introns
- Exons: codierende Abschnitte
- Introns: nichtcodierende Abschnitte
Bearbeitung der prä-mRNA bei den Eukaryoten; Alternatives Spleissen
- Ermöglicht Bildung verschiedener Eiweisse aus einem Gen
- Möglicher Grund, warum der Mensch ca. 100 000 Eiweisse herstellen kann
- Könnte auch erklären, warum sich der Mensch z.B. von der Maus erheblich unterscheidet, obwohl das Genom des Menschen dem Genom der Maus sehr ähnlich ist
- Möglicher Nutzen: mit der Zahl der Introns steigt die Möglichkeiten des alternativen Spleissens
Zell-Differenzierung
Wenn verschiedene Zelltypen eine prä-mRNA unterschiedlich spleissen, bilden sich verschiedene Eiweisse, und das könnte erklären, warum sie sich unterschiedlich differenzieren, obowhl sie genetisch identisch sind
Punktmutation
- Eine Base eines DNA-Strang wird durch eine andere ersetzt
- Ein Triplett wird verändert
Stille Mutation: Wenn verändertes Triplett für die gleiche Aminosäure codiert wie das ursprüngliche -> keine Folgen
Fehlsinn-Mutation: Codiert für eine andere Aminosäure als das ursprüngliche. Dies führt zu einem Peptid mit einer falschen Aminosäure
Unsinn-Mutation: Wenn Triplett zu einem Stopp-Triplett wird, bricht Translation zu früh ab. Produziertes Eiweiss ist dann zu kurz und kann seine Funktion meist nicht erfüllen. Wenn Start- oder Stopp-Triplett verändert wird, kann Eiweiss nicht oder nicht korrekt gebildet werden
Einfügen oder Entfernen von Nucleotiden
Leseraster verschiebt sich, wenn die Zahl der eingeschobenen Nucleotide nicht durch drei teilbar ist.
Spontane Genmutationen
Fehler bei der Replikation der DNA oder chemische Veränderungen der DNA. Werden meist durch Reparaturenzyme korrigiert
Mutagene Stoffe
Können Basen verändern oder in die DNS eingebaut werden
Mutagene Strahlen
- Können DNA direkt schädigen oder indirekt wirken
- Mutagen wirken ionisierende Strahlen (Röntgenstrahlen, radioaktive Stoffe sowie kurzwellige UV-Strahlung)
- Ionisierende Strahlen lösen beim direkten Einwirken häufig Brüche des DNA-Doppelstrangs aus. Führen zu Chromosomenmutationen
- Kurzwellige UV-Strahlen verändern einzelne Basen. Wirken direkt auf den Zellen der Haut, weshalb sie Hautkrebs auslösen können