Bio-PHZH | Themenkreis 8: Genetik

Das DNA-Molekül besteht aus zwei parallel liegenden Polynucleotidketten.

Jedes Nucleotid der DNA besteht aus einem Zucker (Desoxyribose), einem Phosphat und einer organischen Base (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin).

Die beiden Doppelstränge bilden eine Doppelhelix: Sie winden sich gemeinsam um eine gedachte zentrale Achse. Das Molekül hat die Form einer gewundenen Strickleiter, in der die Zucker-Phosphat-Ketten die tragenden Stricke und die Basen die Sprossen bilden. Eine Windung eines Strangs besteht aus 10 Nucleotiden.

Alle Sprossen sind gleich breit. Sie bestehen entweder aus Adenin (A) und Thymin (T) oder aus Guanin (G) und Cytosin (C). – Die Basen A und T bzw. G und C sind komplementär.

Die bei den Stränge der Doppelhelix werden zusammengehalten durch zwischenmolekulare Kräfte (Wasserstoftbrücken) zwischen den komplementären Basen.

Lebewesen speichern ihre gesamte Erbinformation in Form der Nucleinsäure DNA.

Jede Zelle enthält dabei die komplette Erbinformation.

Die Sequenz der Nucleotide speichert die genaue Erbinformation.

Ribonucleinsäuren dienen bei der Umsetzung der genetischen Information als Boten (mRNA) und Übersetzer (tRNA). Ihre Nucleotide enthalten den Zucker Ribose und die Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U).

Länge:

• Sehr lang (lOOOde Gene lang)

Nukleinsäure:

• Desoxyribonukleinsäure

Bausteine:

• Nukleotide (Zucker + Phophat+ Base)

Basen:

• A,T,G,C

Zucker:

• Desoxyribose

Anzahl Stränge:

• doppelsträngig

Stabilität/Lebensdauer:

• Sehr stabil (ein Leben lang)

Enthält welche Information?

Enthält alle Informationen für gesamten Organismus

Aufenthaltsort:

• Bleibt im Kern

Art der Information:

Informationsspeicher

Generelles Vorkommen:

• Im Zellkern, in den Mitochondrien und Plastiden

Länge:

• Nur sehr kurz (ein Gen lang)

Nukleinsäure:

• Ribonukleinsäure

Bausteine:

• Nukleotide (Zucker + Phophat+ Base)

Basen:

• A,U,G,C

Zucker:

• Ribose

Anzahl Stränge:

• einzelsträngig

Stabilität/Lebensdauer:

• Zerfällt rasch (Min - Std)

Enthält welche Information?

Enthält Info von einem Gen

Aufenthaltsort:

• Verlässt den Kern → Plasma

Art der Information:

Informationsüberträger

Generelles Vorkommen:

• Zellkern, Plasma, Mitochondrien und Plastiden

Zu den grundlegenden Merkmalen lebender Zellen zählt die Fähigkeit, sich zu teilen. Damit beide Tochterzellen die ganze Erbinformation erhalten, muss die DNA vor der Teilung verdoppelt werden. Diese Verdoppelung oder Replikation der DNA geschieht im Zellzyklus in der Synthese-Phase während der Interphase.

Eine menschliche Zelle braucht für die Verdoppelung ihrer DNA mit ca. 6 Milliarden Nucleotiden etwa 9 Stunden." In einer Sekunde werden ca. 200'000 Nucleotide verknüpft.

Der Aufbau der DNA aus zwei komplementären Einzelsträngen (sich ergänzende Einzelstränge ) bildet eine ideale Grundlage für ihre Verdoppelung.

Die Replikation verläuft nach dem folgenden Prinzip:

Der Doppelstrang öffnet sich durch die Wirkung des Enzyms Helicase.

An jedem Strang lagern sich die komplementären Nucleotide an und werden mithilfe des Enzyms DNA-Polymerase untereinander zu einem neuen Strang verknüpft. Jeder der beiden Einfachstränge wird zu einem Doppelstratig ergänzt.

Da es immer nur eine mögliche Basenpaarung gibt, haben die zwei neuen Stränge die gleiche Sequenz wie der ursprüngliche.

Die Replikation ist semikonservativ, d.h., jeder der gebildeten Doppelstränge besteht aus einem alten und einem neuen Einfachstrang.

Jeder der gebildeten Doppelstränge besteht aus einem alten und einem neuen Einfachstrang.

Die DNA enthält die Rezepte für die Herstellung der Eiweisse (= Proteine), die meistens als ENZYME die chemischen Reaktionen in den Zellen ermöglichen. Die Lebensvorgänge werden so über die Enzyme gesteuert. Ein Gen enthält die Information . für den Aufbau eines Eiweisses aus den Aminosäuren.

Die Herstellung eines Eiweisses umfasst zwei Schritte:

Durch Transkription eines DNA-Abschnitts wird eine mRNA (Messenger-RNA, Boten-RNS) erstellt und zu den Ribosomen geschickt, wo die Eiweisssynthese (Translation) erfolgt.

Die mRNA enthält das Rezept für den Aufbau eines Eiweisses und dient bei der Translation als Vorlage für die Verknüpfung der Aminosäuren zum Eiweiss. Die Nucleotid-Sequenz der mRNA bestimmt die Aminosäuren-Sequenz im Eiweiss. Moleküle der tRNA (Transfer-RNA, Transport-RNS) bringen Aminosäuren zum Ribosom.

Bei der Transkription wird die Information eines bestimmten Abschnitts eines Einzelstrangs (meist ein Gen) abgelesen. Anfang (Promotor) und Ende (Terminationsstelle) des Gens sind durch bestimmte Nucleotidsequenzen gekennzeichnet.

Die RNA-Polymerase bindet sich an den Promotor, ein kurzes Stück des DNADoppelstrangs öffnet sich, die komplementären RNA-Nucleotide lagern sich nacheinander an den codogenen Strang und werden miteinander verknüpft. Als komplementäre Base zu Adenin dient Uracil. Die Polymerase bewegt sich auf dem Matrizenstrang und zieht den wachsenden mRNA-Strang hinter sich her. An der Terminationsstelle löst sie sich von der DNA und die mRNA wird freigesetzt.

Bei der Translation werden an den Ribosomen Aminosäuren zu einem Eiweiss verknüpft. Die Basensequenz der mRNA bestimmt die Aminosäure-Sequenz im Eiweiss.

Die tRNA-Moleküle sind Einzelstränge aus etwa 80 Nucleotiden. Entscheidend für ihre Funktion als Übersetzungsmoleküle sind ein Basentriplett, das sich als Anticodon an das komplementäre Codon der mRNA anlagert, und eine Bindungsstelle für die passende Aminosäure, mit der sie von einem Enzym beladen wird. Der Schlüssel, nach dem einem Codon eine Aminosäure zugeordnet wird, ist der genetische Code.

Die Start-tRNA mit dem Anticodon UAC lagert sich an das Start-Triplett AUG an. Sie trägt die Aminosäure· Methionin. Eine t-RNA nach der anderen bringt ihre Aminosäure zum Ribosom. Beim Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) gibt es keine tRNA mit passendem Anticodon. Das Eiweiss löst sich von der tRNA und diese löst sich von der mRNA.

Basentripletts als Codons

Die Sequenz der Nucleotide in der mRNA bestimmt die Sequenz der Aminosäuren im Eiweiss. Der Schlüssel für diese Zuordnung bezeichnet man als den genetischen Code.

Wie die Zahl der Bausteinsorten in den Eiweissen höher ist als in den Nucleinsäuren: (20 Aminosäurensorten gegenüber 4 Nucleotidsorten), muss das Codon für den Einbau einer Aminosäure aus mehreren Nucleotiden bestehen. Es ist ein Triplett aus drei Nucleotiden bzw. Basen. Das ist plausibel, weil die Zahl der möglichen Dipletts aus zwei Nucleotiden nur 4² = 16 wäre somit zur Bildung von 20 Codons für die 20 Aminosäuren nicht ausreichen würde.

Aus den vier Basen lassen sich 64 (4³) verschiedene Tripletts bilden. Das sind mehr, als für die 20 Aminosäuren benötigt würden. Der Code ist degeneriert.

Von den 64 Tripletts dienen drei (UAA, UAG oder UGA) als Stopptripletts. Die anderen 61 codieren für den Einbau einer Aminosäure. Es gibt also im Durchschnitt für jede Aminosäure drei Codons. Tatsächlich sind es je nach Aminosäure 1 bis 6. Wie Sie aus der nachfolgenden Abbildung ersehen, unterscheiden sich Tripletts, die für die gleiche Aminosäure codieren, meist in der dritten Base. Diese spielt eine untergeordnete Rolle, weil das Codon der mRNA und das Anticodon der tRNA primär in den ersten zwei Basen übereinstimmen müssen.

AUG ist das Codon für die Aminosäure Methionin und gleichzeitig das Startcodon. Jedes neu hergestellte Eiweiss beginnt mit der Methionin. Oft wird diese nachträglich entfernt.

Im Gegensatz zu unserer Sprache, in der die Buchstaben zu Wörtern gruppiert sind, gibt es in der mRNA keine solche Gruppierung der Nucleotide. An einem Ausschnitt der mRNA ist nicht erkennbar, wie die Nucleotide zur Tripletts geordnet werden müssen. Die richtige Interpretation der Sequenz setzt voraus, dass die Nucleotide von Anfang bis Ende in Dreiergruppen abgelesen werden. Die Co dons überlappen sich nicht und es gibt keine Lücken. Verschiebt sich das Leseraster um eine nicht durch drei teilbare Anzahl von Nucleotiden, werden alle folgenden Nucleotide zu falschen Tripletts gruppiert.

Polymerase-Chain-Reaction

Was geschieht?

Es wird in kurzer Zeit ein bestimmtes Stück DNA in grossem Masse vervielfältigt.

Wofür?

Für die Erkennung von Erbkrankheiten und Virusinfektionen, für das Erstellen und Überprüfen genetischer Fingerabdrücke (= DNA-Fingerprint), für das Klonieren von Genen oder für Abstammungsgutachten, z.B. Vaterschaftsnachweis.

Die Apperatür enthält:

DNA, alle 4 Nucleotidsorten, DNA-Polymerase (hitzebeständig), chemisch hergestellte DNA-Primer (die genau auf die Strangenden passen)

Zyklus 1:

Schritt 1: Erhitzung auf 94°C, Doppelstrang wird aufgebrochen, 2 Einzelstränge entstehen

Schritt 2: Abkühlen auf 60°C zur Bindung der Primer an den beiden gegenläufigenden Enden

Schritt 3: DNA-Polymerase ergänzt bei 72°C DNA-Einzelstrang zu Doppelstrang (Replikation) → aus 1 DNA-Stück sind 2 entstanden

Zuklus 2:

aus 2 DNA-Stücken sind 4 entstanden

Zyklus 3: 8 DNA-Stücke

Zyklus 4: 16 DNA-Stücke

Zyklus 5: 32 DNAStücke

Zyklus 6: 64 DNA-Stücke

…

Zyklus 25: 33'554'432 DNA-Stücke

Pro Abkühlung verdoppelt sich also die Anzahl der gewünschten DNA-Doppelstränge. Diesen Prozess lässt man in automatischen Geräten etwa 25- bis 50-mal ablaufen. Nach 30 Zyklen, sind 230 Kopien entstanden, die nun zu weiteren Untersuchungen z.B. für ein DNA-Fingerprinting zur Verfügung stehen.

Im Unterschied zur Replikation in Lebewesen, läuft der Prozess der Verdoppelung also hier mehrfach nacheinander ab und der Doppelstrang wird nicht durch ein Enzym (die Helicase) getrennt, sondern durch Hitze!

Die Reihenfolge der einzelnen DNA-Bausteine in einem Gen lässt sich durch die Kettenabbruch-Methode bestimmen.

Für die PCR werden dabei von einer Bausteinsorte zusätzliche «Stopper» beigemischt, z.B. Stopp-Guanin. Stopper sind Nukleotide, die dazu führen, dass nach ihrem Einbau kein nächstes Nukleotid angehängt werden kann.

Baut die Polymerase nun zufällig statt eines normalen Guanin ein Stopp-Guanin ein, bricht der Kopiervorgang ab.

Nach der PCR liegen vom zu untersuchenden DNA-Stück viele verschiedene Kopien unterschiedlicher Länge vor, die alle mit einem Stopp-Guanin enden.

Dasselbe macht man in einer anderen PCR mit demselben DNA Stück mit Stopp-Adenin, sodass hier alle Stücke unterschiedlicher Länge mit Adenin enden. In einer dritten PCR gibt man Stopp-Cytosin und in einer vierten Stopp-Thyrnin dazu.

Nun werden die vier Mischungen je in ein Gel gespritzt, durch das Strom fliesst.

Da die DNA-Stücke negativ geladen sind wandern sie im Gel Richtung Pluspol. Dabei wandern die kurzen DNA Stücke weiter als die langen.

Nach der PCR liegt jedes Stück tausendfach vor und man kann im Gel Banden erkennen. Jede Bande steht in der mit Stopp-Guanin behandelten Lösung für ein Teilstück, das mit Guanin endet.

Liegen zwei Banden unmittelbar beieinander bedeutet das, dass zwei Guanins aufeinander folgen, sind die Banden weiter auseinander, bedeutet das, dass hier entsprechend viele andere Basen dazwischen sind. Durch den Vergleich mit den Banden bei den «Gelelektrophoresen» der drei anderen mit Stopp-Adenin, Stopp-Thymin und Stopp-Cytosin versetzten PCRs kann man die genaue Sequenz der Basen ermitteln.