Kapitel 08.12: Molekulare Grundlagen der Vererbung (Molekulargenetik)

Ein Ausschnitt aus der DNA

 

Variabilität der Phänotypen

Lebewesen unterscheiden sich in ihren Phänotypen. Vergleiche mal die Blätter eines Ahorns oder die der Schneebeere.

Bei Blättern liegt eine unterschiedliche Größe und eine verschiedene Ausprägung (Heterophyllie) vor. Diese Ungleichheit kommt zum Teil durch unterschiedliches Wachstum, unterschiedliche Schwerkraft und Lichteinflüsse zustande. Die Unterschiede sind zum Teil auch im Erbgut bereits vorbestimmt.

Weitere Beispiele bei Pflanzen: Licht- und Schattenblätter der Rotbuche, Blätter der Linde, Zweige der Rosskastanie oder des Spitzahorns, Blätter des Efeus usw.
Aber nicht nur Pflanzen unterschieden sich. Auch Menschen, Hunde, Katzen usw...

Jedes Lebewesen ist eine Variation innerhalb seiner Art. Kommen die Unterschiede durch Umwelteinflüsse zustande spricht man auch von Modifikationen.

Der Schwede W. Johanson fand zu Beginn des 20Jh. heraus, dass die sowohl kleine, wie auch große Gartenbogensamen Nachkommen hervorbringen, welche ebenfalls wieder große und kleine Samen trugen. Ursprünglich versuchte er Darwins Selektionstheorien zu widerlegen. Eine Korrelation kleine Bohnen bringen Pflanzen mit kleine Samen und große Bohnen bringen großsamige Pflanzen hervor konnte er allerdings nicht belegen, so dass er sich geschlagen gab und Darwins Theorien anerkannte. Er definierte darauf hin den Begriff „Genotyp“ (=Erbbild).

Schülerversuch:

Vergleiche Zweige und Blätter von Schneebeere, Stechpalme, Ginko oder anderen Pflanzen. Gemeinsamkeiten und Unterschiede werden in eine Tabelle eingetragen

 

Art	Artmerkmale (unveränderlich)	Unterschiede & Modifikationen
Ginko	Strauch, Blätter glänzend, immergrün, Blütenfarbe weiß, Früchte rot	Blätterrand mal gezähnt, mal glatt
Schneebeere	Strauch, Sommergrün, weiße Früchte	Blattform unterschiedlich.

=> Phänotyp - Erscheinungsbild (Phän = Merkmal)

=> Genotyp - Gesamtheit der Erbinformation

 

Was sind Modifikationen?

Vergleiche die Blätter der Schneebeere:

 

Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts bemerkten Biologen, dass die Größe der Nachkommen einer Bohnenpflanze zwischen 10 und 19mm variieren kann. Ein aussähen von großen oder kleinen Bohnen brachte nicht etwa nur große oder nur kleine Bohnen hervor, sondern wieder ein Gemisch aus Bohnen verschiedener Größen. Man nannte dieses Phänomen „Modifikation“.

Modifikationen sind Phänotypänderungen der Form und Gestalt, welche nicht auf Vererbungs­vorgänge zurückzuführen sind. Vielmehr stellen sie die Variationsbreite eines Merkmales dar, welches durch eine erblich bedingte Reaktionsnorm festgelegt ist. Faktoren wie Licht, Temperatur, der Boden, der generelle Standort und Nahrung/ Ernährung sind dabei entscheidende Einflussfaktoren.

In der Tierzucht kann man dieses ebenfalls beobachten. Nur eine optimale Haltung, gute eiweißreiche Nahrung, saubere Haltungsbedingungen, vitaminreiche Nahrung, ausreichend Bewegung usw. sorgen für maximale Qualität des Fleisches.

Aufgaben

1. Wie erklärst Du eigentlich die Tatsache, das heute die Schüler im Schnitt 10-15cm größer sind als vor 30 Jahren?

 

Genübertragung und Genaustausch bei Sexualvorgängen höherer Lebewesen

Der Birkenspanner als Beispiel für Mimese

Mimese (Griechisch = Nachahmung) ist eine Tarnungsform, bei der Objekte wie z.B. Rinden, Böden, Steine usw. durch Pflanzenteilen oder Tiere zur Überlistung von Fressfeinden imitiert werden.

Der Birkenspanner ist ein weißer Schmetterling, der durch seine Farbe gut auf Birken getarnt ist. Durch eine Mutation gibt es allerdings auch eine (seltenere) fast schwarze Variante.

 

	Mutation & Rekombinationen Befruchtungsvorgänge (Genübertragung)		Umweltänderungen
Lebewesen in seiner Urform		genetische Varianten		Selektion der Umwelt
Birkenspanner (Hellform)	--------------------->	Birkenspanner (Dunkelform)	-------------------->	Verrußung der Birken durch Industrieabgase

 

=> v.a. die Dunkelform gibt ihre Gene weiter!

 

Wirkung der natürlichen Selektion:

• Die Selektion kann benachteiligend wirken => Aussterben der Variante
• Die Selektion kann vorteilhaft wirken => Vermehrung, Verbreitung und Weiterentwicklung der Variante

 

Der Birkenspanner

 

Quelle Bilder: CC-BY-SA-2.5 and GNU FD by Wikicommonsuser Olaf Leillinger - Danke! Birkenspanner weiß: https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.7200.jpg, Birkenspanner schwarz: https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Biston.betularia.f.carbonaria.7209.jpg

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Birkenspanner

https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Lichte_en_zwarte_versie_berkenspanner.jpg

 

 

DNA & Chromosomen

• Der Elementarfaden (=Chromatinfaden) ist pro menschliche Zelle ca. 2.2m lang. Damit er überhaupt in die Zellen passt, ist er durch Schraubung 1., 2. und 3. Grades verkürzt.
• Meiose: Bildung von Keimzellen (=Gameten) mit haploidem Chromosomensatz.
• Die Enden der Chromosomen werden als Telomere bezeichnet. Sie sind durch eine bestimmte, sich wiederholende DNA-Sequenz gekennzeichnet. Bei jedem Mitosedurchgang wird das Chromosom dabei ein kleines Stück an den Telomeren kürzer.
  => Nach ca. 100 Zellteilungen nimmt die Qualität der neu entstandenen Zellen und des Erbgutes ab.
  => Nicht jede Zelle ist somit beliebig teilungsfähig.
  => Telomere sind zum Teil ausschlaggebend für Alterungsprozesse im Körper (u.a. der Haut).
• Bei Bakterien gibt es keine Chromosomen, da ihre ringförmige DNA nicht spiralisiert werden kann.
• Es liegen in der Regel zwei homologe Chromosomenpaare vor (diploider Chromosomensatz). In den Keimzellen gibt es aber auch haploide Zellen mit einfachem Chromosomensatz.
• Ein Abschnitt auf einem Chromosom wird Gen genannt. Der Mensch verfügt über rund 30000 Gene
• Das Wort Chromosom ist vom Griechischen („chromos“ = Farbe) abgeleitet.
• Bitte beachten: Der Plural ist Chromosomen! Das Wort „Chromosome“ existiert nicht.
• Thomas Hunt Morgan beweist durch Experimente 1910, dass die Chromosomen Träger der Erbinformation sind, außerdem erstellte er erste Chromosomenkarten.
• Aussagen über die Entwicklungshöhe eines Lebewesens können nicht durch die Anzahl an Chromosomen getroffen werden!
• Menschen, Tiere sowie fast alle Pflanzen haben 2 Geschlechtschromosomen (XX= weiblich; XY= männlich). Sie werden auch Gonosomen genannt. Die Körperchromosomen hingegen sind die restlichen 22 homologen Chromosomenpaare. Sie werden auch Autosomen genannt. Eine Ausnahme besteht bei Vögeln. Hier ist das Männchen homogametisch (XX) und das Weibchen heterogametisch (XY).
• Mitose: Bildung von Körperzellen mit diploidem Chromosomensatz.
• „Einstrang-Hypothese“: Chromosomen bestehen aus zwei Chromatiden. Jedes Chromatid ist nur von einem einzigen DNA-Doppelstrang durchzogen (mittlerweile wissenschaftlich belegt durch Autoradiographie - die Hypothese ist also im Grunde keine mehr *g*).
• Der eigentliche Elementarfaden des Erbguts besteht aus DNA, die um Histonkomplexe gewickelt ist.
  Die blau beschriftete 10nm Fiber (DNA mit Nukleosomen) ist spiralförmig zur nächsthöheren Faltungsstruktur aufgewickelt (30nm Fiber), welche wiederum spiralförmig aufgewickelt ist.
  => 3 fache Spiralisierung der DNA.
  
  

• Chromosomen kann man (z.B. für lichtmikroskopische Untersuchungen) färben. Man erkennt dann auf dem Chromosom verschieden helle Abschnitte (=Banden). Die Färbbarkeit bestimmter Regionen des Chromosoms hängt vom Grad der Spiralisierung ab.

 

Feinstruktur der Chromosomen

 

Quelle Bild: Public Domain by www.genome.gov & Wikicommonsuser Phrood; Thank you https://www.genome.gov/Pages/Hyperion//DIR/VIP/Glossary/Illustration/chromosome.shtml https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Chromosom.svg

Achtung: Zeichnerische Ungenauigkeit: Das Telomer ist als Ende des Chromosoms definiert, folglich kann aus ihm keine Chromatinfiber mehr hervorkommen!

 

Extrachromosomale Vererbung

Unter dem Begriff extrachromosomaler Vererbung (auch cytoplasmatischer Vererbung) versteht man die Weitergabe von Genen, welche bei Eukaryoten außerhalb des Zellkerns liegen. Extra bedeutet soviel wie „außerhalb“ und bedeutet in diesem Sinne soviel wie „DNA, außerhalb des Zellkerns. Extrachromosomale DNA findet man bei Bakterien in Plastiden und bei Eukaryoten z.B. in Mitochondrien und Chloroplasten. Letztere werden als semiautonome Organellen bezeichnet. Sie verfügen über eine eigene DNA und in der Regel über eigene Zellteilung.

Evolutionsbiologisch sind diese Organellen vermutlich einigen Milliarden Jahren als Einzeller von größeren Einzellern aufgenommen, aber nicht verdaut worden. Stattdessen lebten sie in einer Symbiose gemeinsam zum gegenseitigen Nutzen, bis nach vielen Millionen Jahren die Organellen ihre Eigenständigkeit zum Teil einbüßten. Die Theorie, die dies erklärt ist die „Endosymbiontentheorie“.

Untersuchungen von extrachromosomaler DNA ist für Anthropologen und Archäologen von größter Bedeutung. Durch die geringe Veränderung dieser DNA kann man Stammbäume über lange Zeiträume hinweg aufstellen.

Die Besonderheit der exrachromosomalen Vererbung liegt in der Tatsache, das diese Gene nur von Frauen weitergegeben werden. Der Grund ist offensichtlich: Weibliche Keimzellen enthalten immer deutlich mehr Cytoplasma als Spermien und wenn ein Spermium in diese eindringt, dann ohne Mitochondrien.

Extrazelluläres Erbgut befindet sich in z.B. Mitochondrien und Chloroplasten und wird immer nur über die mütterliche Linie vererbt (bei Tier und Pflanze).
Die Mitochondrien der Spermien dringen nicht in die Eizelle ein.

Somit gelten für diesen Vererbungstyp die Mendelschen Regeln nicht.

 

DNA-Extraktion von DNA aus Zwiebeln

Material:

• gekühlter Brennspiritus (-18°C) (anstelle reinem Ethanol,welches zu teuer ist
• Trichter mit Filterpapier
• ein Wasserbad (Becherglas oder Topf mit Wasser),
  Gefäß mit kaltem Wasser und evtl. Eiswürfeln,
• eine mittelgroße Zwiebel,
• ½ Teelöffel Kochsalz
• 5-10ml Spülmittel,
• 75ml Wasser,
• ein schmales Becherglas & ein Reagenzglas
• Mörser,
• Feinwaschmittel,
• Glasstab oder Holzstab

 

V: Mische Wasser, Spülmittel und Kochsalz in dem Becherglas. Dann schneide die Zwiebel in sehr kleine Stückchen (je kleiner, desto besser). Gib die Zwiebelstücke in die Lösung. Stelle das Becherglas mit der Lösung nun in das 60°C warme Wasserbad. Nach 15 Minuten nimm es heraus und kühle es einige Minuten in kaltem Wasser, so dass Du weiterarbeiten kannst. Um an die DNA zu gelangen, zermörsere die Zwiebeln (nicht zu stark, sonst wird die DNA zu stark beschädigt!), bis ein körniger Brei entsteht.Nun wird alles abfiltriert. Von dem Filtrat (der Flüssigkeit!) werden ca. 2ml mit einigen Körnern Feinwaschmittel vermischt. Dieses enthält das Enzym Protease, welches weitere Zellproteine zersetzt. Nachdem alles gut vermischt ist, wird das Gemisch vorsichtig mit eiskaltem Alkohol (Spiritus) überschichtet.

Nun kann man beobachten, wie die DNA schlierenartig aus der Alkohollösung nach unten als Feststoff ausfällt. Sie kann mit einem Stab entnommen werden.

 

Aufbau der DNA

Quantitative Analyse der DNA durch saure Hydrolyse

Hydrolysiert man DNA und durch Kochen und Zugabe von Säuren, entsteht ein Hydrolysat aus den Bestandteilen Zucker, Phosphorsäure (eigentlich Phosphat in der DNA!) und 4 verschiedenen organischen Basen. Das Molverhältnis von Zucker : Phosphorsäure ist dabei 1 : 1.

 

Bausteine der DNA:

• vier organische stickstoffhaltige Basen
• Phosphorsäure
• C₅-Zucker Desoxyribose

 

Die vier Chargaff-Regeln:

Der Wiener Erwin Chargaff zeigte 1950 experimentell, dass zwischen den Basen Adenin und Thymin ein Verhältnis von 1: 1 (A : T) sowie von Guanin : Cytosin = 1: 1 (G:C) vorliegt. Er folgerte daraus, dass die jeweiligen Paare zu so genannten Basenpaaren miteinander kombiniert sind. Er stellte genau Regeln auf, welche die Grundlage zum späteren Verständnis des DNA-Aufbaus waren:

• Die Basenzusammensetzung der DNA ist von Spezies zu Spezies unterschiedlich. Die DNA jeder Spezies besteht nur aus den vier Grundnukleotiden Adenosin, Thymidin, Guanosin, Cytidin (=dAMP, dCMP, dGMP und dTMP). Deren Anordnung ist unterschiedlich.
  Liegt als Zucker dabei Desoxyribose vor, so kann das Nukleotid durch ein vorangestelltes d dieses symboilisieren: dAMP, dCMP, dGMP und dTMP).
  
  
• Verschiedene DNA-Proben aus unterschiedlichen Geweben eines Individuums sind gleich. Die Basenzusammensetzung der DNA einer Spezies ist unabhängig von Alter, Ernährungszustand und Lebensraum.

• In allen DNA-Molekülen gilt: A=T und C=G und A+G=T+C
  
  

=> Ein Basenpaar besteht immer aus 2 Basen. Es verbinden sich immer Adenin mit Thymin sowie Guanin mit Cytosin (und umgekehrt).

Merke: Purin-Nukleoside enden auf -osin, Pyrimidin-Nukleoside auf -idin.

 

Aufgaben:

1. Erkläre den Ablauf und das Ergebnis einer sauren Hydrolyse von DNA

2. Was besagen die „Chargaff-Regeln”? Was kann an der vierten Regel leicht missverstanden werden?

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleinsäure

https://de.wikipedia.org/wiki/Erwin_Chargaff

 

Die Bausteine der DNA im Detail

1. Phosphorsäure: H₃PO₄ bzw. Phosphat: (PO₄)^3-

2. Desoxyribose

 

 

3. Die vier Nukleinbasen (sowie Uracil¹)

 

Was bedeuten die Begriffe Purin und Pyrimidin?

Ganz einfach, so werden zwei Verbindungen in der organischen Chemie genannt, welche zum einen cyklisch sind, aber auch außer Kohlenstoff noch Stickstoff in der Hauptkette enthalten. Man spricht auch von „heterocyclischen Kohlenwasserstoffen“. Beide Verbindungen tauchen in der Natur auf und sind im menschlichen Organismus in viele Abwandlungen zu finden. Aus ihnen leiten sich die DNA-Basen ab.

 

 

Nukleosid & Nukleotid

Die Verknüpfung von Zucker und Base wird als Nukleosid bezeichnet.
Die Verknüpfung von Nukleosid + Phosphorsäurerest wird als Nukleotid bezeichnet.

 

Beachte:

• Man spricht meistens entweder von Basen oder von Nocleotiden.
• Der Begriff Nukleosid wird hingegen etwas weniger oft verwendet.
• Nukleotide werden manchmal auch als Nukleosid-mono-Phosphat bezeichnet.
• Die Namen der Basen sind (zur Unterscheidung) minimal dadurch verändert!
  C = Cytidin
  T = Thymidin
  A = Adenosin
  G = Guanosin
• Es gibt DNA und RNA Nukleotide

 

Ein Nukleotid im Detail (am Beispiel der Thymidin-Nukleotiden):

Thymidin-DNA-Nukleotid Thymidin-RNA-Nukleotid

 

 

Uracil-RNA-Nukleotid

 

Bei DNA befindet sich anstelle der Ribose eine Desoxyribose. Diese unterschiedet sich v.a. durch den fehlenden Sauerstoff am 2. Kohlenstoff! Siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribose

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Pyrimidin

https://de.wikipedia.org/wiki/Purin

 

Geschichte der Entschlüsslung des Erbguts

1951 Alexander Robert Todd

Er bewies 1951, dass die Primärstruktur der DNA eine Folge von Nukleotiden ist.

Wenige Nukleotide miteinander verbunden nennt man dabei Oligonukleotid.

 

1952 Maurice Wilkins

Der Neuseeländer zeigte durch Röntgenstrukturanalyse: „Die DNA ist eine Doppelschraube“

 

1953 Watson und Crick entschlüsseln die DNA

Der Amerikaner James Watson ging 1951 nach Cambridge, um mit Francis Crick ein Strukturmodell der DNA zu entwickeln. Für ihre Entdeckung bekamen sie zusammen mit Wilkins 1953 den Nobelpreis.

 

Biographie James Deway Watson (*1928)

• Amerikanischer Biochemiker,
• entdeckte zusammen mit Crick und den Röntgenphysikern Maurice Wilkins und Rosamund Franklin die Molekularstruktur der DNA
• 1950 erste Arbeit an der Universität über Bakteriophagen promoviert
• 1951 Übersiedlung nach England und zur Forschung an der DNA- Struktur
• Veröffentlichung der Ergebnisse 1953 im Naturwissenschaftsmagazin „Nature“
• 1961-1976 Professor an der Harvard University
• 1962 Nobelpreis in Medizin für die Entschlüsslung des Erbguts
• 1976- 2007 Direktor des Cold Spring Habor Labor auf Long Island
• 2007 Suspension aufgrund rassistischer Äußerungen

 

Biographie: Francis Harry Crick (1916- 2004)

• Englischer Physiker und Biochemiker
• 1937 Abschluss eines Physikstudiums
• Tätigkeit bei der Marine als Entwickler von Seeminen
• 1947 Spätes Studium der Biochemie
• 1951-1953 Zusammenarbeit mit Watson, Welkins und Franklin beim Molekularmodell der DNA
• 1962 Nobelpreis in Medizin für die Entschlüsslung des Erbguts
• Übersiedlung nach Amerika und Tätigkeit am kalifornischen Institut La Jolla
• 2004 Tod durch Darmkrebs

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Nukleinbasen

https://de.wikipedia.org/wiki/Adenin

https://de.wikipedia.org/wiki/Cytosin

https://de.wikipedia.org/wiki/Guanin

https://de.wikipedia.org/wiki/Uracil

 

 

Ablauf der PCR

Quelle Bild: GNU Free Documentation License, Version 1.2 & Creative Commons Attribution ShareAlike license versions 2.5; https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:PCR.svg

 

PCR-Ablauf

 

Vergleich von PCR und DNA-Replikation

PCR	DNA-Replikation
findet außerhalb der Zelle statt (in Vitro)	findet innerhalb von Zellen statt (in Vivo)
Findet statt, wenn im Thermocycler die passende Temperatur erreicht wurde und alle notwendigen Stoffe bereitstehen.	findet in der S-Phase des Zellzyklus statt
Künstlicher Vorgang bei verschiedenen Temperaturen, welcher in einem Thermocycler durchgeführt wird.	Natürlicher Vorgang bei Körpertemperatur des jeweiligen Lebewesens, mit dem Ziel, Zellen zu vermehren und Erbgut zu reproduzieren.
DNA-Taq-Polymerase führt die komplementäre Ergänzung durch	Körpereigene DNA-Polymerase führt die komplementäre Ergänzung durch.
Taq-Polymerase aus Bakterien heißer Quellen ist hitzeunempfindlich und somit kann die Reaktion bei Temperaturen bis ca. 90°C stattfinden.	Bei Temperaturen >43°C ist die natürliche Replikation in der Regel nicht möglich. Bei allen Tieren und Pflanzen denaturieren ab dieser Temperatur die beteiligten Eiweiße/ Enzyme.
Zwei künstliche Primer werden nach Bedarf hergestellt und verwendet.	Die Primase synthetisiert passende Primer. Am Folgestrang liegen sehr viele verschiedene Primer vor.
Die Primer bestehen aus DNA-Nukleotiden.	Die Primer bestehen aus RNA-Nukleotiden.
Es wird nur ein Ausschnitt der DNA repliziert (Amplifikation).	Die DNA wird komplett repliziert.
Es werden viele hunderttausend Kopien erzeugt.	In der Regel wird nur eine DNA-Kopie erzeugt
Die Einzelstränge werden durch Hitze (Denaturierung) voneinander getrennt	Die Einzelstränge werden durch die DNA-Helicase voneinander getrennt.
Phasen: Initiation (Denaturierung) - Hybridisierung - Elongation (Polymerisation)	Phasen: Initiation – Elongation - Termination
Nur kontinuierliche Ergänzung und somit keine Okazaki-Fragmente	Kontinuierliche und diskontinuierliche Ergänzung an beiden Strängen
	Korrektur durch DNA-Reparatur-Polymerase
Freie Nukleotidtriphosphate müssen vorliegen	Freie Nukleotidtriphosphate müssen vorliegen
Ergänzung erfolgt immer vom 3‘ zum 5‘-Ende	Replikation erfolgt immer vom 3‘ zum 5‘-Ende

 

 

Primer für die PCR

Wie unterschieden sich die Primer der PCR von den natürlichen Primern der Eukaryoten?

Da der Primer bestimmt, welcher DNA Abschnitt repliziert werden soll, ist er das wichtigste Werkzeug der PCR. Der synthetische Primer, ist also maßgeschneidert für eine bestimmte Sequenz, welche den Bereich markiert, der dahinter liegt und somit vervielfältigt werden soll.

Dazu werden zuerst Nukleotidsequenzen, die am Rande des zu vermehrenden Stranges liegen bestimmt und dann die entsprechenden Primersequenzen künstlich hergestellt. Diese synthetischen DNA-Primer enthalten in der Regel zwischen 18 und 30 Nukleotide. Diese synthetischen Primer werden zu Beginn zugegeben der PCR.

Wichtig: es liegen zwei verschiedene Primer vor, wovon einer, jeweils den gegenläufigen Strang zu seinem „Primerpartner“ repräsentiert.

Seit einigen Jahren kann man maßgeschneiderte Primer für spezielle gentechnische Anwendungen kaufen.

 

Welche PCR­-Primer sind wann geeignet?

Ein Primer muss so gewählt werden, dass er spezifisch genau an eine bestimmte Stelle bindet. Da das menschliche Genom aus ca. 3 Milliarden Basenpaaren besteht, muss also darauf geachtet werden, dass man eindeutige Primer, welche nur an eine einzige Stelle binden verwendet. Außerdem stellte sich heraus, dass die PCR besser abläuft, wenn der Primer am 3'­Ende mindestens zwei Basen hat, welche drei Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden (also G oder C).

 

Weitere wichtige Kriterien zum Primerdesign

- beide Primer dürfen keinesfalls komplementär zueinander sein (=> sonst bilden sich Dimere!)

- beide Primer sollten eine ähnliche Schmelztemperatur haben (=> sonst ist keiner spezifische Hybridisierung beider Primer möglich)

- das 5'­-Ende des Primers darf nicht komplementär zum 3'-­Ende sein (=> sonst findet eine so genannte Haarnadel-­Bildung statt).

 

Länge des Primers und Wahrscheinlichkeit des Misspriming:

Für ein Dinukleotid gibt es bei 4 Basen 4² Kombinationsmöglichkeiten.

Für ein Trinukleotid gibt es bei 4 Basen 4³ Kombinationsmöglichkeiten.

Statistisch ist so für ein Trinukleotid alle 4³ = 64 Basen eine Hybridisierungsmöglichkeit gegeben.

 

Auf das menschliche Genom (3∙10⁹ Nukleotiden) bezogen bedeutet dies: Ein Trinukleotid kann an 3∙10⁹ ∙ 64^-­1 = 4,6875∙10⁷ Stellen hybridisieren!

 

Aufgaben:

1. Bestimme die Kombinationsmöglichkeiten und die Anzahl der möglichen Bindestellen im menschlichen Genom für folgende Primer:

a) Primer aus 8 Basen bestehend:

=> Kombinationsmöglichkeiten: 4⁸ = 65536

=> mögliche Hybridisierungsstellen im menschlichen Genom: 45776

 

b) Primer aus 17 Basen bestehend:

=> bindet rein rechnerisch alle 4¹⁷ = 17 179 869 184 bp.

=> mögliche Hybridisierungsstellen im menschlichen Genom: kleiner eins!!!

Schlussfolgerung: Ab einer Länge von 17 Nukleotiden ist ein Primer spezifisch, bezogen auf das menschliche Ge­nom.

 

Gelelektrophorese

Ist die PCR abgeschlossen, kann die vervielfältigte DNA bei ca. 4°C gut aufbewahrt werden. Im Anschluss findet in der Regel eine Gelelektrophorese statt, dazu wird die vervielfältigte DNA auf eine Gelplatte aufgetragen, an deren Ende sich der Plus- und Minuspol eines elektrischen Gleichstromkreises befinden. Die Gelplatte ist mit festem Agar bestrichen. Durch dessen Moleküle wirken wie ein bremsendes Geflecht, durch das die Moleküle hindurch müssen. Je kleiner sie sind, desto schneller gelingt ihnen dies und desto weiter können sie also wandern.

Gelelektrophorese: fertig replizierte DNA wird auf ein Gel, innerhalb eines Stromkreises aufgetragen und Gleichspannung angelegt. Es findet eine DNA-Aufspaltung statt.
Die kürzeren DNA-Stränge bewegen sich bei der Gelelektrophorese schneller als die langen. Beide wandern auf den Pluspol zu.

 

Aufgaben:

1. Warum können verschiedene Primer, bei gleicher Anzahl an Basen unterschiedliche Hybridisierungstemperaturen haben?

2. Was ist die Taq-Polymerase - und warum verwendet man sie?

3. Das Ergebnis einer DNA-Analyse lautet:

5'- A C T T A C T A G G A C T A G T T C T A G G A C T T T A C T A G G A C T T T A G C - 3'

Man möchte den fettgedruckten Bereich replizieren. Erstelle die beiden passenden Primer

4. Bei einer PCR wird folgende Matrizen-DNA verwendet.

5`ATG CCA-------------------------TAG GCA 3`
3`TAC GGT-------------------------ATC CGT 5`

a) Bestimme die notwendigen Primer.

b) Zeichne die jeweilige Laufrichtung der DNA-Polymerase ein.

5. Bei der PCR trennt man die DNA durch Denaturierung in die beiden Einzelstränge. Warum verwendet man nicht „einfach“ das Enzym Helicase?

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Gelelektrophorese

 

Übersicht über die PCR Anwendungsgebiete:

• Analyse alter (fossiler) DNA
• Klonierung von Genen
• Vaterschaftstest
• Genetischer Fingerabdruck
• Erkennung von Krankheiten
• Mutagenese
• Geschlechtsbestimmung

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Taq-Polymerase

https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerase-Kettenreaktion

https://de.wikipedia.org/wiki/Primer

 

Primerhybridisierung

Als Primerhybridisierung (primer annealing) bezeichnet man den die Anlagerung eines Primers an DNA-Sequenzen.

 

Annealing­ und Schmelztemperatur (T_m)

Um eine gute und vollständige Hybridisierung zu erhalten, muss die richtige Hybridisierungstemperatur (Annealingtemperatur) vorliegen. Bei genau dieser Temperatur muss einerseits die Hybridisierung von Primer und Matrize stattfinden, andererseits darf es nicht zu fehlgepaarten Hybriden kommen, was bei zu hohen Temperaturen der Fall ist. Die ideale Temperatur kann man abschätzen indem man zuerst die Schmelztemperatur (Tm) des Hybrids aus Primer und Matrize feststellt und dann einfach 1-2°C darunter bleibt! So bilden sich nur die richtigen Verbindungen. Zu Berechnung von Tm kann folgende Formel verwendet werden:

Tm = 4 ∙ (G+C) + 2 ∙ (A+T) [°C]

 

PCR-Anwendungsgebiete I: PCR zur Aufklärung von Verbrechen

Die PCR ist heute ein wertvolles Hilfsmittel in der Kriminalistik. Sie dient als Beweismittel und hat schon so manchen Täter überführt.

Informiere Dich, wie der genetische Fingerabdruck funktioniert und was er genau ist.:

https://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Fingerabdruck

 

Aufgaben:

1. Was versteht man unter dem genetischen Fingerabdruck genau?

2. Kannst Du bestimmen, wer der Gärtner ist? ;-)

 

Genetischer Fingerabdruck

Eine praktische Anwendung der PCR ist die Ermittlung von Tätern. Hinterlassen diese am Tatort genetische Spuren, wie Blutzellen, Mundschleimhautzellen im Speichel an der Zigarette, Kleidung mit Hautzellen, verlorene Haare mit Haarwurzelzellen, Hautabriebzellen an einer Tatwaffe bzw. unter dem Fingernagel eines Opfers oder gar Spermienzellen, dann ist die eindeutige Zuordnung eines Täters (wenn man zum Beispiel eine DNA-Probe eines Verdächtigen entnimmt) zu dieser gefundenen DNA möglich.

Der so genannte genetische Fingerabdruck wird aber auch in der Lebensmittelindustrie verwendet. Gesundheitsämter können damit genaue Zuordnungen von verwendeten Fleischsorten zu den Herstellern und Bauern treffen. Steht z.B. auf einer Packung Putensalami und es befindet sich nur Schweinefleisch darin, hat der Produzent schnell ein Problem ;-)

Der genetische Fingerabdruck ist ein DNA-Profil und wird z.B. zur Identifikation von Personen eingesetzt, indem eine Probe DNA mit einer vorhandenen DNA-Probe verglichen wird.

Zur Untersuchung genügt theoretisch ein einziger DNA-Strang. Er kann z.B. aus den oben genannten Zelltypen gewonnen werden. Dazu wird im Reagenzglas von dem Enzym „Proteinase“ die Zellenmembranen und der Zellkern aufgelöst. Dabei wird die DNA freigesetzt und anschließend gereinigt. Diese wird wie üblich per PCR vervielfältigt und anschließend durch Gelelektrophorese getrennt. Das so gewonnene DNA-Profil wird auch als Fingerprinting bezeichnet. Alec Jeffreys entdeckte 1984 durch Zufall dieses Verfahren.

Die Besonderheit des Verfahrens liegt darin, dass nicht die einzelnen Gene der Personen untersucht werden, sondern Bereiche, welche KEINE Informationen enthalten und somit auch keine Proteine kodieren. Solche Bereiche werden auch Junk-DNA genannt. Die DNA eines Säugetiers enthält zu ca. 95% nichtinformative DNA.

Davon kommen zur Zeit 8-15 Abschnitte (= Loci (=Orte)) der DNA in Frage. Diese werden als Fragment mithilfe der PCR-Methode vervielfältigt. Das besondere an diesen Abschnitten ist, dass sie repetetiv sind - also aus kleinen, sich wiederholende Abschnitten bestehen. Diese tandemartige Wiederholungen einer bestimmten Sequenz (Repeats) kommen im Genom aller Säugetiere vor. Dabei unterscheidet man zwischen VNTR (variable number tandem repeats) - auch Minisatelliten genannt und STR (short tandem repeats). Diese VNTR/ Loci werden nach den Genen in ihrer Nähe benannt.

Beispiel eines solchen VNTR: TGGAGTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTGCCA

Wie man sieht, enthält der blaue Bereich eine Sequenz, die sich ständig wiederholt. Innerhalb einer Art, also z.B. bei allen Menschen, ist dabei die Anzahl der Wiederholungen variabel! Ein Mensch kann z.B. auf einem bestimmten Abschnitt auf einem Chromosom nur eine Wiederholung haben (z.B. vom Vater geerbt) und auf dem zweiten sieben Wiederholungen (von der Mutter geerbt). Nicht nur die Anzahl der Tandemwiederholungen, sondern auch deren Zusammensetzung variiert innerhalb der menschlichen Population. Die Basensequenzen aber, welche die Loci einrahmen, sind bei allen Lebewesen einer Art (also z.B. bei allen Menschen) gleich. Diese Anzahl der Wiederholungen wird bei dem genetischen Fingerabdruck nun untersucht. Dazu stellt man Primer her, die genau vor dem gewünschten Abschnitt andocken.

Bei der anschließenden Gelelektrophorese kann man anhand der Laufweite die Anzahl der Wiederholungen bestimmen. Je höher die Anzahl der Wiederholungen eines vervielfältigten Abschnittes ist, desto geringer ist die Laufweite. Bei den VNTRs ist der repetitive Anteil länger (10-150 Basenpaare) als bei den STR (2-7 Basenpaare).

DNA-Abschnitte mit wenigen Tandemwiederholungen laufen bei der Gelelektrophorese weiter als die mit vielen Wiederholungen.

Wenn dieser Genort heterozygot ist, also wie oben schon erwähnt z.B. ein Mensch ein Allel mit einer und eines mit 6 Wiederholungen hat, dann sieht man später zwei Banden. Im Grunde wird also mit dem genetischen Fingerabdruck eine reine Fragmentlängen-Analyse durchgeführt. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Menschen an VNTR-Ort/Locus (oder einem STR-Ort) eine unterschiedliche Anzahl von Wiederholungen haben, schon sehr hoch!

Untersucht man dann mehrere dieser Loci, so ergibt sich in der anschließenden Gelelektrophorese ein Bandenprofil. Nun kann eine Aussage zur generellen Häufigkeit dieses Profils in der Gesamtpopulation bzw. der untersuchten Gruppe getroffen werden. Da die untersuchten Bereiche keine tatsächlichen Informationen enthalten und für keine Enzyme codieren, können Sie auch keine Informationen über individuelle Stärken oder Schwächen des Individuums enthalten, so das datenschutzrechtliche Bedenken hier unangebracht sind. Eine genauere Methode zur DNA-Untersuchung ist die DNA-Sequenzierung. Dabei wird das Erbgut Base für Base ausgelesen. Diese Methode ist deutlich aufwändiger.

Aufgaben:

1. Was ist eine Pute?

2. Beschreibe mit eigenen Worten, wie man einen genetischen Fingerabdruck gewinnen kann.

3. Ist durch das Verfahren wirklich ein 100%iger Datenschutz und Anonymität gegeben? Diskutiere und bewerte diesen Aspekt

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Fingerabdruck

 

DNA-Sequenzierung (nach Sanger)

Die DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Bestimmung einer DNA-Sequenz, d.h. der Abfolge der Basen (Nukleotide) in einem DNA-Strang. Sie gilt als eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden der DNA überhaupt. Von 1995- 2005 konnte so das Genom von über 300 Organismen analysiert werden. Dazu gehört auch das menschlichen Genom (mit mehreren Milliarden Basenpaare).

 

Man kennt heute verschiedene Verfahren. Eines der wichtigsten ist die Kettenabbruch-Synthese (=Didesoxymethode) nach Sanger, bei der kurze DNA-Abschnitte (engl. reads) von weniger als 1000 Basenpaaren untersucht werden. Um also das Genom eines ganzen Lebewesens zu sequenzieren, ist viel Zeit und Teamwork notwendig. Sanger entwickelte seine enzymatische Methode zur Sequenzierung 1975-1977 dar. Er erhielt dafür zusammen mit Gilbert 1980 den Nobelpreis für Chemie. Hut ab!

Die zu untersuchende DNA muss zuerst denaturiert werden (also in Einzelstränge zerlegt werden) und einen bekannten Abschnitt haben, an den ein radioaktiv markierter Primer angelagert wird.
Durch Zugabe des Enzyms DNA-Polymerase werden die komplementären DNA-Stränge wieder ergänzt. Der Unterschied zum normalen Vorgang ist, dass im Reaktionsgefäß nicht nur die üblichen Desoxynukleotid-Triphosphate (dATP, dTTP, dCTP, dGTP) vorliegen müssen, welche ja den DNA Strang wieder komplettieren, sondern zusätzlich jeweils eine besondere Nukleotidsorte.

Diesen besonderen Nukleotiden (di-deoxy-Nukleotide - ddATP, ddTTP, ddCTP, ddGTP) fehlt am dritten Kohlenstoff des Zuckers der Sauerstoff und der Wasserstoff (also liegt keine Hydroxygruppe vor), so dass sie kein weiteres Nukleotid mehr binden können. Die Folge ist ein Kettenabbruch. Die DNA-Polymerase kann hier nicht mehr weiterverknüpfen. Diese Nukleotide werden deshalb auch Abbruchnukleotide genannt. Es wird pro Ansatz immer nur eine Sorte (in geringen Konzentrationen (ddNTP : dNTP ca. 1:100) zugegeben.

So ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit, dass die DNA- Polymerase immer wieder mal ein ddNTP anstelle eines dNTPs erwischt und einbaut. Der Einbau der Abbruchnukleotide in den neusynthetisierten Strang führt zum Entstehen von DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge (da alles ja am DNA-Strang mehrfach abläuft), die aber immer mit dem jeweilig zugefügten Abbruchnukleotid enden. Nun wird die jeweilige Lösung mittels Gelelektrophorese nach der Länge der DNA-Fragmente aufgetrennt. Kurze Fragmente laufen dabei weiter als lange. Der Vergleich der vier Ansätze mittels Gelelektrophorese ermöglicht nun das Ablesen der DNA-Sequenz.

Anstelle der radioaktiven Primer kann man auch die Abbruchnukleotide markieren. Dies geschieht durch Fluoreszenzfarbstoffe.

Ein Video dazu findet ihr in meinem Kanal: https://youtu.be/t50TthJPc1E

 

Aufgaben zur Gensequenzierung:

Mit dem Primer „ATGCGA“ wird eine DNA-Sequenzierung gestartet. Eine anschließende Gelelektrophorese zeigt folgendes Bild. Wie lautet die DNA-Sequenz?

 

2. Wird bei einer DNA-Sequenzierung nur ein oder werden beide Stränge untersucht? Wie wird das gesteuert?

 

3. Erkläre anhand der Grafik, wie man zu dem Ergebnis der Sequenzierung kommt.

Quelle Bild: PD, bzw. evtl. GNU-Lizenz für freie Dokumentation 1.2 von Wikipediauser C.Goemans- Danke; https://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Didesoxymethode.png

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Sequenzierung

 

Übersicht DNA-Sequenzierung nach Sanger

 

Quelle Bild1: GNU Free Documentation License, Version 1.2 & Creative Commons Attribution ShareAlike license versions 2.5; https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Radioactive_Fluorescent_Seq.jpg

Quelle Bild2: Quelle Bild: GNU Free Documentation License, Version 1.2 & cc-by-nc-sa (https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons) by Wikicommonsuser John Schmid; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Sequencing.jpg

 

DNA Hybridisierung

Unter Hybridisierung versteht man die Anlagerung eines (mehr oder weniger vollständig komplementären DNA- bzw. RNA-) Einzelstrangs an einen anderen DNA/ RNA-Einzelstrang.

 

Dies geschieht unter Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den jeweils komplementären Nukleinbasen.

Die Hybridisierungstechnik wird unter anderem für folgende Zwecke verwendet:

• Nachweis der strukturellen Verwandtschaft von Nukleinsäuren
• PCR
• Gensequenzierung: Dabei gilt: je höher der Anteil an korrekten komplementären Basenpaarungen in einem DNA-Hybrid ist, desto höher ist die Temperatur, welche für die Trennung in Einzelstränge notwendig ist (da ja mehr Wasserstoffbrücken ausgebildet sind und so die Stränge fester zusammenhalten). Es gilt die Faustregel: Eine Abweichung von 1°C entspricht ca. 1,3% ungepaarter Basen.
• Isolierung von spezifischer Nukleinsäuresequenzen aus einem Gemisch

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Hybridisierung_(Molekularbiologie)

 

Unterschiede von RNA und DNA I

• Ribose statt Desoxyribose als Zucker
• RNA ist meist nur ein Einzelstrang
• mRNA ist viel kürzer (nur 1 Gen)
• Statt Thymin wird Uracil als Base verwendet

 

Problem: Welcher Einzelstrang wird abgeschrieben?

Ähnlich der Replikation wird die DNA Doppelhelix lokal aufgewunden. Es erfolgt eine Strangtrennung. An einem der beiden DNA-Stränge lagern sich komplementäre Ribonukleotide an. Diese werden durch die RNA-Polymerase miteinander verknüpft:.

- Entwindung der DNA-Doppelhelix.

- Strangtrennung.

- Anlagerung von freien Ribonukleosidtriphosphaten an den codogenen-Strang.

- Verknüpfung durch RNA-Polymerase (von 5´nach 3´).

- Erhalt eines RNA-Einzelstranges.

 

Aufgaben zu den Unterschieden von DNA & RNA

1. Ca. 99% des genetischen Codes der DNA codieren mRNA! In Zellen findet man aber nur ca. 1% mRNA. Man findet prozentual mehr rRNA und tRNA. Welche Ursachen und welche Auswirkungen (Vorteile) hat dies für die Zelle?

2. Die Endosymbiotenhypothese vermutet, dass Zellorganellen wie Mitochondrien und Chloroplasten dadurch entstanden sind, dass sie vor Milliarden von Jahren als Bakterien von anderen Zellen durch Endocytose aufgenommen und nicht verdaut wurden. In ihren Wirten haben sie ein weiteres eigenständiges Leben geführt. Welche heute bekannte Tatsachen stützen diese Theorie?

Zusatzinformationen

• Bei bestimmten Viren findet eine Umkehrung der Transkription statt.
• Die so genannten Retroviren besitzen eine Reverse Transkriptase, mit der sie ihre RNA (genetische Information) in DNA umschreiben können.
  (normale Zellen lesen von DNA ab --> Virus stellt sein Überleben sicher und benutzt Transkriptase des Wirts) => Die Viren-DNA wird von den Zellenzymen repliziert (z.B. HI-Virus)

 

DNA und RNA im Vergleich

 

DNA	RNA
ohne Sauerstoff am 2. Kohlenstoff	mit Sauerstoff am 2. Kohlenstoff
Zucker: Desoxyribose	Zucker: Ribose
Basenpaare: G≡C A=T	Basenpaare: G≡C A=U
Doppelstrang	In der Regel nur ein Einfachstrang
langkettig	kurzkettig
viele Gene	wenige Gene (wenn überhaupt)
Funktion / Aufgabe
Informationsspeicher Matrize für RNA-Synthese	v.a. Informationsüberträger mRNA: Code-Transport (messenger-RNA) r-RNA: Gerüstsubstanz des Ribosoms (ribosomale-RNA) tRNA: AS-Übertragung (transfer-RNA) Nur die RNA-Viren (häufigste Virenart) nutzt RNA anstelle der DNA als Speichermedium
Vorkommen
- Zellkern - Mitochondrien - Chloroplasten	- Ribosomen - Cytoplasma - Zellkern
Sonstiges
	mRNA ist kurz - oft nur nur 1 Gen lang RNA Doppelstränge sind möglich - sie ähneln dann der DNA-Doppel-Helix (antiparallele Anordnung und rechtsgewunden)

 

Verhältnis der verschiedenen RNA-Typen (bei E. coli):

% DNA % in Zelle

r-RNA 0,5 % 80 %

tRNA 0,2 % 10 %

mRNA 99 % 1-2%

 

• Zusatzinformationen:
• https://de.wikipedia.org/wiki/RNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/MRNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/Ribosomale_RNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/TRNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:RNA-comparedto-DNA_thymineAndUracilCorrected.png

 

Vom Gen zum Merkmal

Ein Gen ist eine Funktionseinheit der DNA. Es gibt vor, wie ein bestimmtes genetisch bedingtes Merkmal (beispielsweise der Farbstoff einer Blüte), aufgebaut wird.

Als Gen bezeichnet man einen festen Abschnitt der DNA, der genau für die Ausbildung eines Proteins (also demzufolge eines Merkmals, einer Information oder eines Enzyms) codiert.

Die Individualität des Einzelnen ist durch seine Gene festgelegt, aber erst durch die daraus gebildeten Eiweiße (=Proteine) wird sie auch tatsächlich umgesetzt.

 

Zum besseren Verständnis wird eine Wiederholung des Kapitels 08.13 „Enzyme und Proteine“ empfohlen.

 

Aufbau der Proteine

Bestandteile der Zelle: 70-80 % Wasser
15-20 % Proteine

Funktion: - Baustoff => Körperwachstum

- Wirkstoff => Enzyme / Hormone (z.B. Insulin)

 

Chemische Zusammensetzung der Aminosäuren (und somit der Proteine): C, H, O, N, S

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, welche in der Regel nicht als
Eiweißfaden (Primärstruktur), sondern in einer bestimmten räumlich
gefalteten Struktur (Sekundär- bzw. Tertiärstruktur) vorliegen.

In Enzymen sind in der Regel mehrere Proteine zu einer Quartärstruktur verbunden.

Bedenke: Im Gegensatz zu Vitaminen und Mineralsalzen, können Eiweiße nicht durch die Nahrung aufgenommen und direkt vom Körper verwendet werden. Schon beim Kontakt mit der Magensäure denaturieren sie irreversibel.

Im Verlauf der Verdauung, werden Proteine von Verdauungsenzymen (v.a. im Darm) in Aminosäuren zersetzt. Diese gelangen von der Darmwand ins Blut und zu den weiteren Körperzellen. Sind sie einmal im Zellplasma angekommen, werden sie dort zwischengelagert und stehen für die Ribosomen zu späteren Verwendung zur Verfügung.

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Enzym

 

a) Grundbausteine der Proteine: die Aminosäuren (AS)

Zur Proteinbildung sind 23 verschiedene AS (die sich nur im Rest R unterscheiden) bekannt. 20+1 werden dabei vom Menschen genutzt. Man kennt aber mittlerweile ca. 250 AS, die aber nicht zum Aufbau von Proteinen genutzt werden.

 

Oligopeptide (2-10 AS)

2 AS => Dipeptid

3 AS => Tripeptid

 

Polypeptide (>10 AS)

Makropeptide (> 100 AS)

noch mehr AS => Proteine

 

Die Peptidbindung:

Der Einfachheit halber sind in dieser Grafik (und auch in den oberen, die AS linear dargestellt. Bei einer 100%ig korrekten Darstellung müsste die NH₂-Gruppe allerdings nach oben zeigen.

Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser YassineMrabet - Thank you; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Peptidformationball.svg

 

c) Struktur der Proteine

Bei 2 AS => es gibt 2 Möglichkeiten der Verknüpfungen! (Gly - Arg oder Arg - Gly)

=> primäres Problem ist die AS-Sequenz, d.h. bei einer Anzahl n an verschiedenen AS

=> 23ⁿ mögliche Proteine (beim Menschen 20ⁿ bzw. 21ⁿ)

 

1. Primärstruktur

Die Primärstruktur ist die reine Abfolge der AS-Bausteine (=AS-Sequenz)

2. Sekundärstruktur

Sie bezeichnet die räumliche Anordnung der AS-Sequenz als:

- α-Helix oder - β-Faltblatt

3. Tertiärstruktur

Durch Disulfid-Brücken und andere Wechselwirkungen kommt es zu einer dreidimensionalen Anordnung der Helix- bzw. Faltblattabschnitte => „Proteinknäul“

4. Quartärstruktur

Die Zusammenlagerung mehrerer Peptidketten zu einer biologisch wirksamen Einheit (=Enzym). (z.B. 4 Untereinheiten im Enzym des Hämoglobins)

 

Störungen und Zerstörungen

• Bei Temperaturen von über 60°C kommt es zur Zerstörung der Disulfidbrücken und der hydrophoben Wechselwirkungen => das Enzym ist denaturiert und unwirksam.
• Beim Kochen wird die Tertiär- und Quartärstruktur zerstört. Eiweiß gerinnt, fällt aus.
• Bei Fieber über 42 °C wird die Funktion der Enzyme gestört.
• Weitere Möglichkeiten der Proteindenaturierung: Kochen, Alkohol, Schwermetalle, Dauerwelle

 

Übersicht über die vier Proteinstrukturebenen:

Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser LadyofHats, Marina Ruiz; Muchas gracias! https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Main_protein_structure_levels_uk.svg

 

Aufgaben:

1. Bestimme aus einer Grafik die Anzahl an Helixabschnitte im Myoglobin.

2. Erkundige Dich, was eine Dauerwelle mit Disulfidbrücken zu tun hat

 

d) Wechselwirkung innerhalb eines Proteins

 

Wechselwirkung	Stabilisierung
Wasserstoffbrücken	Sekundärstruktur
Ionische WW Disulfidbrücken unpolare WW	Tertiärstruktur

 

e) Bedeutung von Proteinen

• Enzyme (Hormone)
• Strukturproteine (Bsp. Membranproteine = Corrin, Kollagen)
• kontraktile Proteine ermöglichen Muskelkontraktion (Actin, Myosin)
• biologisches Leben ist ohne Proteine und Enzyme nicht möglich
• Transportproteine (z.B. im Hämoglobin)
• Schutzproteine (z.B. Antikörper => Immunsystem)
• Speicherproteine (Ferritin in Leber)
• Toxine (Pilzgifte, Schlangengifte)

Für die selbstständig ablaufende Faltung eines Proteins („self-assembly“)
zur Tertiärstruktur ist allein die Primärstruktur verantwortlich.
Die Tertiärstruktur entscheidet über Funktion und Spezifität eines Proteins.

Beachte: Auf der DNA sind lediglich AS-Sequenzen verschlüsselt.

 

Beispiele für Peptide:

• Neuropeptide des ZNS
  z.B. Endorphine, welches als Neurotransmitter an Rezeptoren bindet und so Schmerzsignale unterdrücken kann. An die gleichen Rezeptoren bindet auch das Schmerzmittel Morphin.
  
  
• Peptidhormone (bestehend aus 3-84 AS)
  - Insulin (Hormon zur Steuerung des Blutzuckerhaushalts)
  - Proinsulin
  - FSH (weibliches Zyklushormon)
  - LH (weibliches Zyklushormon)
  - Glycagon

• Peptid-Antibiotika
  Penicillin
  
  
• Gifte (Toxine)
  - Amanitin (Gift des Knollenblätterpilzes)
  - Bienengift (Gemisch aus mehreren Peptiden)
  - viele Schlangengifte

 

f) Einteilung der Proteine (nur LK)

1. Skleroproteine
im Wasser unlöslich
besitzen Faserstruktur
dienen als Stütz- und Gerüstsubstanzen
Kollagene (Bindegewebe), Keratine (Haare, Nägel, Federn)

2. Spiroproteine (Globuläre Proteine)
im Wasser oder verdünnter Salzlösung löslich
Spiroproteine sind sphärische Moleküle
Proteine des Blutserums, Eiklarproteine, die meisten Enzyme

3. Proteide
Komplexe aus Proteinanteil und einer nicht proteinartigen prosthetischen Gruppe
Glycoproteine
Lipoproteine
Phosphorproteine
Metallproteine

 

Aufgaben:

1. Wie werden Proteine im Körper überall synthetisiert?

2. Welche Funktion haben die Ribosomen bei der Proteinbiosynthese?

 

g) Zum Vergleich - Proteide

Proteide sind zusammengesetzt aus einem Proteinanteil (Eiweißanteil) und andere Bestandteilen (Nichteiweißanteile). Diese anderen Bestandteile können Zucker (dann hat man ein Glykoprotein), Fette ( dann hat man ein Lipoprotein) oder Nucleinsäuren (dann hat man ein Nukleoprotein) sein. Der Nichteiweißanteil des Moleküls bestimmt maßgeblich dessen biologische und chemische Funktion. Er wird deshalb auch als prosthetische Gruppe bezeichnet.(z.B. Häm in Cytochromen wie dem Hämoglobin).

 

Proteide sind für biologische Vorgänge von entscheidender Bedeutung:

• Nukleoproteide - sie bestehen aus einem Proteinanteil und einer Nucleinsäure
• Lipoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und einem Lipid (Fett)
• Phosphoproteide: - bestehen aus einem Proteinanteil und Phosphat (bzw. Phosphorsäure), z.B. das Casein, welches zur Käseherstellung dient
• Glykoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und Kohlenhydraten, z.B. Lysozym - in der Tränenflüssigkeit)
• Chromoproteide - bestehen aus einem Proteinanteil und einem Farbstoff bzw. einem Metallion
  z.B. o Häm im Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, dient dem Sauerstofftransport)
  o Myoglobin für die Sauerstoffspeicherung
  o das Cytochrom c für den Elektronentransport in der Photosynthese

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Proteide

 

Systematik der Proteine geordnet nach deren Funktion

• Hormone (z.B. Peptidhormone der Hypophyse)
• Schutzproteine und Schutzenzyme (z.B. Lysozym aus dem Schweiß zersetzt Bakterienwände)
• Leberproteine
• Oberflächenproteine
• Transportproteine
• Kontraktile Proteine (Actin & Myosin - zu finden in Muskeln)
• weitere integrale Zellmembranproteine
• Speicherproteine
• Enzyme (Biokatalysatoren)
• Toxine (z.B. Schlangengifte)

 

Ein Vergleich: Wie viele AS-Kombinationsmöglichkeiten gibt es?

Polypeptid aus 100AS => 20¹⁰⁰ Kombinationsmöglichkeiten

Zum Vergleich:

H₂O Moleküle in den Weltmeeren der Erde: 10⁴⁶

Teilchen im Universum (nach einer Schätzung von A. Einstein): 10⁷⁶

 

Die Aminosäuren (=AS)

Aminosäuren werden vom Körper zum Aufbau von Proteinen verwendet. Diese sind als Enzyme z.B. an allen Stoffwechselvorgängen des Körpers beteiligt. Eiweiße besten bei Säugetieren aus 20 verschiedenen Aminosäuren. In einigen wenigen Proteinen (ca. 30 bei Menschen und 15 bei Bakterien) kommt gelegentlich die seltene Aminosäure Selenocystein vor, welche vom Aufbau dem Cystein entspricht, aber anstatt des Schwefelatoms ein Selenatom enthält.

Die Aminosäure Pyrrolysin kommt bei Menschen nicht vor, aber z.B. bei Bakterien. Die Aminosäure Selenomethionin kommt ebenfalls nicht bei Menschen vor, wird aber bei wenigen Pflanzen in Brasilien (z.B. dort heimischen Sojabohnen) gefunden.

12 der 20 Aminosäuren kann der Mensch entweder in Form von Eiweißen mit der Nahrung aufnehmen oder diese auch direkt vom Körper produzieren, indem sie aus anderen Aminosäuren umgewandelt werden (dies kann auch von Darmbakterien geschehen). So kann beispielsweise Methionin aus Cystein synthetisiert werden. Diese 12 Aminosäuren sind: Alanin, Asparagin, Aspartat, Cystein, Glutamat,
Glutamin, Glycin, Prolin, Serin, Tyrosin, Arginin, Histidin.

Die restlichen 8 Aminosäuren heißen auch essentielle Aminosäuren, da sie über die Nahrung aufgenommen werden müssen (Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin). Fehlen diese bei der Nahrungsaufnahme oder auch nur eine davon, z.B. bei Mangelernährung, einseitiger Ernährung oder Nahrungsmittelallergien), so können bestimmte Proteine nicht gebildet werden, was zur Folge hat, das die entsprechenden Stoffwechselvorgänge nicht funktionieren.
Die Aminosäure Tyrosin wird erst bei erwachsenen Menschen gebildet. Aus diesem Grunde ist sie für Kinder essentiell. Sie muss Bestandteil ihrer Nahrung sein.

 

Übersicht über die 20+2 Aminosäuren

L-Alanin Ala

L-Arginin Arg

L-Asparagin Asn

L-Asparaginsäure Asp

L-Cystein Cys

L-Glutamin Gln

L-Glutaminsäure Glu

Glycin Gly

L-Histidin His

L-Isoleucin Ile

L-Leucin Leu

L-Lysin Lys

L-Methionin Met

L-Phenylalanin Phe

L-Prolin Pro

L-Selenocystein Sec

L-Serin Ser

L-Threonin Thr

L-Tryptophan Trp

L-Tyrosin Tyr

L-Valin Val

 

L-Pyrrolysin Pyl - kommt im Menschen nicht natürlich vor

L-Selenomethionin SeMet - kommt im Menschen nicht natürlich vor

Für weitere Informationen bitte zuerst Kapitel 08.13 Aminosäuren und Eiweiße lesen!

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Aminosäuren

Quelle Bild: GNU Free Documentation License, (https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Free_Documentation_License) & Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) by Wikicommonsuser MarkusZI; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aminosaeuren.png

 

 

Übersicht über die essentiellen Aminosäuren

 

Essentiell	Können vom Körper synthetisiert werden
Isoleucin	Alanin
Leucin	Asparagin
Lysin	Aspartat
Methionin	Cystein
Phenylalanin	Glutamat
Threonin	Glutamin
Tryptophan	Glycin
Valin	Prolin
	Serin
	Tyrosin
	Arginin
	Histidin

Zusatzinformationen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Aminosäuren
https://de.wikipedia.org/wiki/Pyrrolysin
https://de.wikipedia.org/wiki/Selenocystein
https://de.wikipedia.org/wiki/Selenomethionin

 

Übersicht über die Proteinbiosynthese: „Vom Gen zum Protein“

Die Proteinbiosynthese (griech. proteos = von äußerster Wichtigkeit) ist der Vorgang in jeder Zelle, der für die Herstellung von Eiweißen (=Proteine) verantwortlich ist. Er startet im Zellkern und findet dann in den Ribosomen statt.

Proteine bestehen aus Ketten von Aminosäuren. Die Länge der Aminosäureketten reicht von 2 bis über weit 1000 Aminosäuren (Titin, das größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30.000 Aminosäuren). Die Zusammensetzung und der Aufbau eines Proteins sind im Erbgut des jeweiligen Lebewesens kodiert. Mithilfe dieses Bauplans können die Ribosomen einer Zelle Proteine produzieren. Verschiedene Proteine unterscheiden sich in der Abfolge ihrer AS-Sequenzen.

 

Die Proteinbiosynthese gliedert sich in zwei Phasen:

a) Transkription:

Umschreiben von DNA in Messenger-RNA (=Abschrift der DNA), der beweglichen Form des Erbguts. Die mRNA wird mithilfe des Endoplasmatischen Reticulums zu den Ribosomen befördert. Ribosomen könne hunderttausendfach in Zellen auftreten.

b) Translation:

In diesem Schritt wird die angelieferte RNA-Information in den Ribosomen in eine Aminosäurekettensequenz übersetzt. Die AS werden untereinander verbunden.

 

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Alkoholdehydrogenase

https://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol

 

Ort der Proteinbiosynthese

Die Ribosomen sind Ort des zweiten Teils der Proteinbiosynthese. Dazu benötigen sie andere Stoffe zur Hilfe (Nukleotidsequenzen mit Basen, tRNA). Die genetische Information sitzt aber im Erbgut des Zellkerns. Wie gelangt die Information zu den Ribosomen?

Es wird ein Bote eingesetzt, ein „Messenger“ (mRNA). Damit dem Zellkern keine
Informationen verloren gehen, muss genetische Information abgeschrieben werden.
Die RNA ist das Transportmolekül der genetischen Information.
Die DNA einer Zelle enthält viele Gene. Nur benötigte Gene werden „abgeschrieben“ (=transkribiert).

 

Vorteile der Herstellung einer Kopie:

• mehrere Kopien der DNA können gebildet werden => die Synthese ist an vielen Ribosomen möglich
• Es entsteht die Kopie eines einzelnen Gens („handlich“ für die Zelle)
• Die Information wird transportabel (vgl. Virus, Gentechnik)
• gezielte Ausprägung/ Aktivierung einzelner Gene und somit Eigenschaften ist möglich
• Die Kopien können ohne Verluste an wichtigem Erbgut abgebaut werden

 

Die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten I: Transkription:

Sie findet bei Eukaryoten (Zellen mit Zellkern) im Zellkern statt, bei Prokaryoten (z.B. Bakterien) schwimmt die DNA frei im Zellplasma. Also findet die Transkription dort im Cytoplasma statt (oft auch zeitgleich mit der Translation).Die Transkription ist der Vorgang des Abschreibens der DNA zu mRNA. Dabei werden die Nukleotidsequenzen der DNA zu neu gebildeten RNA-Ketten kopiert.

Transkription: = Überschreiben der Basensequenz der DNA in die messenger-RNA

 

Ablauf in der Übersicht:

Dazu wird die DNA entspiralisiert (durch Bindung einer RNA-Polymerase an einen Promotor wird der DNA-Strang entspiralisiert). Dann wird die Information der DNA durch das Enzym RNA-Polymerase in mRNA (messenger-RNA bzw. Boten-RNA) umgeschrieben. Dazu wird die DNA Doppelhelix kurzzeitig geöffnet und mit passenden, komplementären RNA-Nukleotiden ergänzt. Die reife mRNA wird dann durch aktiven Transport aus dem Zellkern zu den Ribosomen transportiert.

 

Ablauf der Transkription im Detail:

Zuerst bindet das Enzym RNA-Polymerase an Startstelle der DNA

Initiation: Das Enzym RNA-Polymerase bindet an DNA und gleitet an ihr (von 3’zu 5’-Richtung) entlang bis sie einen Promoterbereich findet. Es kommt zur Bildung eines Promotorbereichs zwischen Polymerase und DNA, was zum Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen führt. Es entsteht ein offener Promotorkomplex.
=> die RNA-Polymerase liest nur den Matrizenstrang (=codogener Strang) ab! Beachte: Die RNA-Polymerase benötigt keinen Primer

Elongation: Das Enzym RNA-Polymerase bindet an DNA und gleitet an ihr (von 3’ zu 5’-Richtung) entlang bis sie einen Promoterbereich findet. Zwischen Polymerase und DNA entsteht ein offener Promotorkomplex, was zum Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen führt.
=> die RNA-Polymerase liest nur den Matrizenstrang (=codogener Strang) ab! Beachte: Die RNA-Polymerase benötigt keinen Primer.

Promotor: Der Promotor ist eine bestimmte Nukleotid-Sequenz auf der DNA. Er ist ein essenzieller Bestandteil jedes Gens und liegt jeweils am 5'-Ende des Nichtmatrizenstranges und somit in Syntheserichtung vor dem RNA-codierenden Bereich. Genauer wirst Du den Promotor im Kapitel Genregulation kennenlernen.

=> Die RNA-Polymerase läuft entlang des codogenen Stranges in 3’ -> 5’ Richtung! (genau wie auch die DNA-Polymerase bei der Replikation).
Daher wächst die mRNA vom 5' zum 3' Ende!

 

Termination: Stopp der Transkription durch Terminatorsequenzen => Ablösen des Transkriptes von der DNA => Lösen der RNA-Polymerase => Bindung der DNA-Einzelstränge zur Doppelhelix.
Bei Erreichen einer Stopp-Stelle (Terminator) wird die Transkription beendet.

 

Prozessierung: Die gebildete Primärtranskripte durchlaufen im Zellkern der Eukaryoten einen Reifungsprozess (chemischer Prozess) zu funktionsfähigen, d. h. translationsfähigen mRNA Molekülen.

Durch die Transkription wird eine einsträngige mRNA gebildet, welche vom Zellkern ins Cytoplasma zu den Ribosomen transportiert wird und dort als „Bauplan“ für Proteine dient.

 

 

Alternative Darstellungen: Transkription

 

Quelle Bild: Public domain by Wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, https://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2c_large.gif; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_transcription.gif

 

Die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten II: Ablauf der Translation:

Die Translation ist die Übersetzung des genetischen Codes in eine Aminosäurefolge. Sie ist die eigentliche Synthese des Proteins an den Ribosomen.

Um die Translation zu verstehen, muss man vorher zwei Dinge verstehen:

a) den Aufbau von Ribosomen

b) den Aufbau der tRNA

 

a) Aufbau der Ribosomen

Ribosomen unterscheiden sich bei Pro- und Eukaryoten. (Details dazu unter der Überschrift: „Das Ribosom“). Ribosomen sind Zellorganellen, welche aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (rRNA) bestehen. Sie kommen im Zellplasma aller Zellen (Prokaryoten und Eukaryoten) vor. Ihre Funktion liegt in der Synthese von Eiweißen (Proteinen), welche sie nach der Vorlage einer mRNA herstellen. In jeder Zelle sind enorm viele Ribosomen enthalten - je nach Funktion der Zelle, können es Hunderttausende sein. So findet man in dem Darmbakterium Escherichia coli (E-coli) ca. 15000 Ribosomen.

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten. Sie werden als kleine und große Untereinheit bezeichnet. Entsprechend ihres Gewichts, haben sie Namen, nach ihrer Sedimentierungsgeschwindigkeit (siehe Tabelle)

 

Ribosomen der Prokaryoten

Sie haben 70S Ribosomen, welche sich aus einer kleinen 30S und einer größeren 50S Untereinheit¹ zusammensetzen.

 

Ribosom	Untereinheit	rRNAs	Proteine
70 S	50 S	23 S (2904 nt)	34
		5 S (120 nt)
	30 S	16 S (1542 nt)	31

 

S gibt den Sedimentierungkoeffizienten an

nt = Nukleotide

 

Ribosomen der Eukaryoten

Höhere Zellen haben etwas schwerere Ribosomen. Diese 80S Ribosomen setzten sich aus kleinen 40S und einer großen 60S Untereinheit zusammen.

Ribosom	Untereinheit	rRNAs	Proteine
80 S	60 S	28 S (4718 nt)	49
		5,8 S (160 nt)
		5 S (120 nt)
	40 S	18 S (1874 nt)	33

 

 

 

Quelle der Vorlage: Public domain by wikicommonsueser LadyofHats (Marina Ruiz) - muchas gracias; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

In beiden Zelltypen verknüpft jeweils die größere der beiden Untereinheiten während der Proteinbiosynthese die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette. Die kleinere Untereinheit hingegen bindet die dazu notwendige mRNA. Beide Untereinheiten bestehen aus Proteinen und rRNA (ribosomale RNA). Die rRNA hat v.a. eine Funktion als Gerüstsubstanz, dient aber auch dem Erkennen von mRNA.

 

Alternative Darstellung:

 

Das Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten: 30S Untereinheit 50S Untereinheit

Quelle Bild: Public domain by Protein data Bank - David S. Goodsell of The Scripps Research Institute & Wikicommonsuser Giac83 - Thank you https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Ribosome_(bacteria).jpg; https://www.pdb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb10_1.htm

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Ribosom

https://de.wikipedia.org/wiki/Sedimentationskoeffizient

 

b) Die tRNA - „Übersetzerin des Codes“

Aufbau der tRNA

Das Anticodon besteht aus 3 Basen die zum Basentriplett der mRNA komplementär sind.

 

Das Codon ist das „Wort“ der tRNA

Der genetische Code ist jeweils in Dreiergruppen aufeinanderfolgender Nukleotide (auch Tripletts oder Codons genannt) geschrieben. Dem entsprechen die Anticodons der tRNA,

Wie kann eine Folge von Basen (Basensequenz) eine Aminosäuresequenz codieren?
Es gibt nur 4 Basen aber 20 AS!

Wörter (= Codons) mit 1 Buchstaben => 4 verschiedene AS codierbar.

Wörter (= Codons) mit 2 Buchstaben => 4² = 16 verschiedene AS codierbar.

Wörter (= Codons) mit 3 Buchstaben => 4³ = 64 verschiedene AS codierbar.

 

=> Je 3 Basen bilden ein „Codon“ und entsprechen somit einer AS

- Es gibt 64 mögliche Codons, im Menschen davon 61 für die 20 AS

- Für fast alle AS gibt es mehrere Codons. Das heißt der genetische Code ist degeneriert².

- Codons einer AS unterscheiden sich in der Regel nur in der dritten Base.

- Ein bestimmtes Codon bedeutet in allen bisher untersuchten Organismen die selbe AS => der genetische Code ist also universell.

 

Das Ribosom hat drei Bindungsstellen:

Eingang: A-Stelle

Prozession: P-Stelle

Ausgang: E- Stelle (E = Exit)

https://de.wikipedia.org/wiki/TRNA

 

 

Darstellungen einer tRNA

 

 

Tertiärstruktur der tRNA

Sekundärstruktur der tRNA

unten sieht man das Anticodon

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Vossman - thank you! Quelle Bild: GNU-Lizenz für freie Dokumentation by Wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:3d_tRNA.png user tetamin & lliaca; https://de.wikipedia.org/wiki/Bild:TRNA.jpg https://de.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Lizenzbestimmungen

 

Farbgebung:

• schwarz: Anticodon
• rot: D-Arm
• orange: CCA Ende
• violett: Acceptor Stamm
• blau: Anticodon Arm
• grün: T-Arm

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Bild:TRNA.jpg

https://de.wikipedia.org/wiki/TRNA

 

c) Die Translation

In den Ribosomen „stehen“ bereits die notwendigen Aminosäuren sowie ein Helfer, die so genannte transfer-RNA (=tRNA) bereit. Sie werden für eine Translation (=Übersetzung) genutzt.

Ablauf der Translation in der Übersicht:

- mRNA bindet an Ribosomen.

- Beladen der tRNA mit einer AS durch Synthetase (ATP-Verbrauch).

- Paaren von Anticodon der tRNA mit Codon der mRNA.

- Bildung einer neuen Peptidbindung (Peptidkette hängt an tRNA).

- Ablösung der tRNA des vorherigen Codons.

- Beendigung der Translation am Stop-Codon (keine tRNA vorhanden).

- Bei der Translation bewegt sich das Ribosom vom 5’ zur 3’ Ende der mRNA.

Für jedes Codon existiert eine Transfer-RNA (tRNA).

Translation: Übersetzen der genetischen Information aus der Basensequenz der mRNA in die AS-Sequenz des Proteins.

 

Ablauf der Translation im Detail:

 

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsueser LadyofHats (Marina Ruiz) - muchas gracias; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

 

Initiation: Bildung des Initiationskomplexes durch Vereinigung der ersten mRNA (Startcodon AUG) mit der kleineren ribosomalen Untereinheit. Dann dockt anschließend die große ribosomale Untereinheit an. Die Start-tRNA (mit Anticodon UAC/beladen mit F-Met) tritt an die A-Stelle.

 

Elongation: In der Kettenwachstumsphase kommt es zur zyklischen Wiederholung von 3 Reaktionsschritten:

1. Bindung einer beladenen tRNA (Aminoacyl-tRNA) in der A-Stelle (Codon-Anticodon [Schlüssel-Schloss-Prinzip]).

2. Polypeptid wird durch eine Peptidbindung auf die Aminosäure in der A-Stelle übertragen (=Peptidyltransfer).

3. Translokation, die Peptidyl-tRNA rückt mit der mRNA um ein Triplett in die P-Stelle weiter. Die entladene tRNA rückt in die E-Stelle und wird dort abgegeben (=> freie tRNA). Die frei gewordene A-Stelle kann erneut besetzt werden und ein weiterer Elongationszyklus beginnt.

 

Termination: Wenn nach erfolgter Translokation eines der 3 Terminationscodogene (Stoppcodone: UAA, UAG, UGA) in der A-Stelle auftritt, wird die Proteinsynthese abgebrochen.
Die letzte tRNA wird abgespalten und das Polypeptid wird freigesetzt. Es kommt zur Dissoziation (Molekülzerfall) des Translationskomplexes (also des ganzen Ribosoms in seine beiden Untereinheiten).

 

d) Das allosterische Dreistellenmodell der Ribosomenfunktion

Diese Modellvorstelung erklärt die drei Schritte der Translation im Detail.

 

Ribosom von vorn und Ribosom „geöffnet“

 

Das Ribosom verfügt über drei tRNA-Bindungsstellen:

die A-(Aminoacyl-)-Stelle - hier bindet die mit AS beladene tRNA an das Ribosom.

die P-(Peptidyl-)-Stelle - hier sitzt die tRNA mit der wachsenden Aminosäurekette.

die E-(Exit-)- Stelle - hier verlassen die entladenen tRNAs das Ribosom.

 

Das Ribosom startet am Startcodon (mRNA: AUG - Methionin) an der Eingangstelle A. Die nächste beladenen tRNA kommt an die A Stelle, während die tRNA mit Methionin schon weiter gerückt ist. Jede tRNA trägt nur eine AS. Während die Elongation abläuft, wechselt das Ribosom immer zwischen den beiden Zuständen, welche durch die Anknüpfung der Aminosäuren gekennzeichnet sind. In beiden Zuständen sind immer zwei der drei tRNA-Bindungsstellen mit einer tRNA besetzt. Sobald eine tRNA abgeworfen wurde, rückt die nächste an die A-Stelle des Ribosoms. Dabei wandern beide Untereinheiten immer ein Triplett weiter (von 5‘ zu 3‘ Richtung).

Im prätranslationalen Zustand sind die A- und P-Stelle besetzt, wobei die P-Stelle die tRNA mit der Polypeptidkette trägt und die A-Stelle von der neu hinzugekommen tRNA besetzt ist. Im Ribosom wird nun die Polypeptidkette von der P-Stellen-tRNA auf die A-Stellen-tRNA übertragen. Der posttranslationale Zustand schließt sich an. Das Ribosom bewegt sich um drei Basen auf der mRNA weiter. Dabei wird die vorherige A-Stellen-tRNA zur P-Stellen-tRNA. Diese entladene P-Stellen-tRNA verlässt über die E-Stelle das Ribosom. Entladene tRNAs werden abgespalten und können durch ATP-Verbrauch wieder neu beladen werden, indem sie wieder die zum Anticodon passende AS aufladen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Ribosom an eine Stopptriplett gelangt. Das Ribosom zerfällt daraufhin in seine Untereinheiten, die mRNA wird frei und das neue Polypeptid windet sich nach und nach zur Tertiärstruktur auf.

 

Die Codonsonne

Zum Entziffern des Erbguts ist eine Übersetzungstabelle (im Grunde ein Wörterbuch) notwendig. Die Codonsonne übersetzt zwischen der Basensequenz eines Tripletts und den dazugehörigen Aminosäuren. 61 Codons stehen für 21 Aminosäuren. 3 weitere Codons sind so genannte Stoppcodons. Sie beenden die Proteinsynthese.

Innen ist das 5‘ Ende und außen das 3‘ Ende!

 

Eukaryoten verwenden als Startcodon fast immer AUG!

AUG codiert gleichzeitig für die Aminosäure Methionin. Also steht Anfangs an einer Polypeptidsequenz erstmals Methionin. Dieses wird dann aber enzymatisch abgespalten. Bei Prokaryoten treten neben AUG auch GUG und UUG als Startcodons auf. So nutzt beispielsweise Escherichia coli die Codons AUG (77 %), GUG (14 %), UUG (8 %) sowie wenige weitere!

 

Translation von DNA zum Polypeptid mithilfe der Codesonne

Beachte: An einem mRNA-Molekül werden gleichzeitig mehrere Polypeptide synthetisiert.

 

Ein Beispiel:

-------> Leserichtung ------->

DNA 5‘ A T G G A A A T G A T A 3‘ - nicht abgelesener Matrizenstrang

DNA 3‘ T A C C T T T A C T A T 5‘ - codogener Matrizenstrang

mRNA: 5‘ A U G G A A A U G A U A 3‘ - Codon

tRNA U A C C U U U A C U A U - Anticodon (an tRNA)

Met----Glu----Met----Ile

Die Translation ist die Übersetzung des genetischen Codes in eine AS-Folge.

Die Translation ist die eigentliche Synthese des Proteins an den Ribosomen. Dazu bindet mRNA an Ribosomen, tRNA bindet mit AS und verknüpft sich entsprechend kurzzeitig mit dem Codon der mRNA, Bildung einer neuen Peptidbindung, Beendigung der Translation am Stop-Codon.

 

Kettenabbruch durch Stoppcodone:

Es gibt insgesamt 3 verschiedene Stoppcodone, die früher nach Farben benannt wurden. Für diese Stoppcodons gibt es keine entsprechenden tRNA mit entsprechenden Anticodons. Sobald also ein Stoppcodon an die A-Stelle des Ribosoms gelangt, öffnet sich dieses in seine beiden Untereinheiten und gibt die fertige Aminosäuresequenz frei.

 

Zusatzinformation:

https://de.wikipedia.org/wiki/Codon

https://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Code

https://de.wikipedia.org/wiki/Translation_(Biologie)

 

Übersetzung der mRNA in Triplettcodons

Quelle Bild: Public Domain by www.genome.gov: "Courtesy: National Human Genome Research Institute." Thank you; https://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/Images/

 

Zusammenfassung Genexpression

a) Übersicht der Proteinbiosynthese

 

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Sverdrup & ToNToNi & www.genome.gov: "Courtesy: National Human Genome Research Institute." Thank you https://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/mrna.cfm; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:MRNA-interaction.png; Lizenz: https://www.genome.gov/12514471

Quelle Bild: Public Domain by Wikicommonsuser Chb & www.genome.gov: Thank you https://www.genome.gov//Pages/Hyperion/DIR/VIP/Glossary/Illustration/mrna.cfm; https://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Ribosom_funktion.png

 

 

b) In welche Richtung laufen Transkription und Translation ab?

a) Transkription

Der codogene Strang der DNA ist der Strang, welcher von der RNA-Polymerase abgelesen wird. Dazu wird der codogene (3‘ -> 5‘) Strang der DNA abgelesen. Die RNA-Polymerase arbeitet dann (so wie immer) vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende. Die Nukleosid-Triphosphate werden also immer (unter Abspalten der beiden Phosphate) an das freie 3‘ Ende der wachsenden mRNA-Kette zugefügt.

 

b) Translation

Die mRNA wird vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende bearbeitet. Dabei gilt dann für die Tripletts: Die erste Base eines Triplettscodons der mRNA ist komplementär zur dritten Base des Anticodons der tRNA.

 

Der genetische Code

Der genetische Code aller Lebewesen ist ein so genannter Triplettcode. Je drei Basenpaare entsprechen dann einer Aminosäure. Das heißt, das alle für Lebewesen wichtigen Aminosäuren (20+1) von nur vier Basen codiert werden.

=> ein Triplett der mRNA (Codon) steht für eine bestimmte Aminosäure.

=> 64 Tripletts bestimmen 20 verschiedene Aminosäuren.

- Der genetische Codeist ein Triplett-Code. Der Ausfall eines Tripletts verändert Dreierableserhythmus nicht. Fällt aber eine Base aus, geschieht dies schon (=Punktmutation).

- Der genetische Code ist eindeutig und zweifelsfrei! => eine bestimmte Nukleotidsequenz definiert eine unveränderliche Aminosäuresequenz.

- Als Beweis dient ein Versuch aus dem Jahre 1961: Man stellte eine künstliche mRNA, bestehend nur aus Uracil her. In der Proteinbiosynthese wurden nur die Aminosäure Phenylalanin (UUU) gefunden.

- Zwei verschiedene Basentripletts codieren in der Regel verschiedene AS.

- Der genetische Code ist universell!. Da dieser genetische Code bei allen Organismen gilt, ist dies ein Beweis für den gemeinsamen Ursprung aller Lebewesen.

- Der genetische Code ist eindeutig! Man sagt, der genetische Code ist zwar „degeneriert“, da zwar jedes Triplett eindeutig für eine bestimmte Aminosäure steht, aber umgekehrt, nicht jede Aminosäure auch nur einem Triplett entspricht.

- Der genetische Code ist „kommafrei“. Die Tripletts sind lückenlos miteinander verbunden. Eine fehlende (oder eine überschüssige) Base verschiebt den Triplettcode.

- Nukleotide überlappen nicht! (d.h., ein Nukleotid ist immer nur Bestandteil eines Tripletts.)

- Der genetische Code wird vom 5‘ Ende zum 3‘ Ende abgelesen.

 

Übersicht über die Aminosäuren

 

Alanin	Ala	=> GCU, GCC, GCA, GCG
Arginin	Arg	=> CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Asparagin	Asn	=> AAU, AAC
Asparaginsäure	Asp	=> GAU, GAC
Cystein	Cys	=> UGU, UGC
Glutamin	Gln	=> CAA, CAG
Glutaminsäure	Glu	=> GAA, GAG
Glycin	Gly	=> GGU, GGC, GGA, GGG
Histidin	His	=> CAU, CAC
Isoleucin	Ile	=> AUU, AUC, AUA
Leucin	Leu	=> UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Lysin	Lys	=> AAA, AAG
Methionin	Met	=> AUG
Phenylalanin	Phe	=> UUU, UUC
Prolin	Pro	=> CCU, CCC, CCA, CCG
Serin	Ser	=> UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Threonin	Thr	=> ACU, ACC, ACA, ACG
Tryptophan	Trp	=> UGG
Tyrosin	Tyr	=> UAU, UAC
Valin	Val	=> GUU, GUC, GUA, GUG
START		=> AUG, GUG
STOPP		=> UAG, UGA, UAA

 

grau => hydophob (wasserabweisend, unpolar)

grün => hydrophil (wasserlöslich, polar) und neutral

hellblau => hydrophil und alkalisch

rot => hydrophil und sauer

 

Zusatzinformation

• f-Met, weil es ein Startcodon ist! Met wird hingegen eingebaut. Beide unterschieden sich chemisch minimal!
• Eine Besonderheit liegt bei der Sequenz AUG vor. Sie dient sowohl als Codon für Methionin sowie als Startcodon der Translation
• Es gibt drei Stopp-Codons. Sie wurden früher nach ihrem Entdecker „Bernstein“ nach Farben benannt (UAG = amber, UGA = opal, UAA = ochre)

 

Übung zur Translation

 

 

Lösung: F-Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu

 

 

Erkläre die Bedeutung der folgenden Grafik

 

Zentrales Dogma der Molekulargenetik

Die Vorgänge der Replikation, Transkription und der Translation bilden das „Zentrale Dogma“ der Molekulargenetik:

 

Geschwindigkeit der Ablesung

• Replikation: 40.000 Bp/min
• Transkription: 1.500 N/min
• Translation: 600 AS/min (= 1.800 N/min)

 

Wie kann man herausbekommen, welches Codon für welche Aminosäure steht?
=> Einsatz definierter DNA-Fragmente und anschließende Untersuchung des neuen AS-Strangs

Poly-AAA => Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Lys entsteht

Poly-UUU => Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Phe entsteht

Poly-CCC => Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Pro entsteht

Poly-GGG => Eine AS-Kette nur aus miteinander verknüpften Gly entsteht

 

Poly-AC => Thr, His, Thr, His usw. => Beweis für Codons mit ungerader Buchstabenzahl

 

 

Zusatzinformationen:

• Bakterien haben etwas andere Ribosomen als Eukaryotenzellen. Einige Antibiotika behindern die Proteinsynthese der Bakterien, da sie die Funktion speziell diese Ribosomen stören.
• https://de.wikipedia.org/wiki/mRNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/tRNA
• https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinbiosynthese
• https://de.wikipedia.org/wiki/Proteine

 

 

Die Wobble-Hypothese zum degenerierten Code der DNA

Die dritte Base der tRNA kann sich in vielen Fällen unterscheiden und trotzdem bindet die gleiche Aminosäure. Dies sieht man auch in der Codesonne, so dass es für einige Aminosäuren durchaus vier verschiedene Codons gibt.

 

mRNA Codon 3. Base	tRNA Anticodon 1. Base
G	C
U	A
A, auch G	U, Ψ
C, auch U	G
U, C, oder A	I

 

Quelle Bild: GNU Free Documentation License by Wikicommonsuser G3pro; https://en.wikipedia.org/wiki/Image:WobbleBasePairsUracil.jpg

 

Informationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Wobble-Hypothese

 

Aufgaben:

1. Was ist ein Primer, was macht die Primase?

2. Was ist der Unterschied zwischen einem Promoter und einem Primer

3. Was hat die Polymerase mit dem Primer zu tun?

4. Welche Arten der Polymerase gibt es?

5. Was bezeichnet der Genetiker als Matrizenstrang?

6. Was ist ein Codon, was ein Anticodon?

7. a) Übersetze den codogenen DNA Strang in mRNA: AAATGCGCG

b) nenne die entsprechenden Anticodonen der drei tRNA Moleküle, die sich bei der Proteinbiosynthese an diese Moleküle anlagern würden.

8. Wann und wo findet die Transkription statt?

9. Erstelle ein Schema, welches die Transkription und den Transport der mRNA erklärt

10. Erkläre die Translation

11. Stelle die AS-Sequenz des Proteins auf, welches sich aus der folgenden mRNA ergibt:

Beginn 5' aug gca gca ucg aag uag Ende 3'

 

12. Bestimme das Peptid, das in folgendem DNA-Abschnitt codiert ist:

nicht-codogener Strang 5' TTT CAC ATG GCA AAA TTG 3'
codogener Strang 3' AAA GTG TAC CGT TTT AAC 5'

 

 

Ist der genetische Code für alle Lebewesen universell gültig?

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden sehr viele Lebewesen untersucht. Mittlerweile weiß man, dass der genetische Code (fast) universell ist.

Doch auch einige Ausnahmen sind bekannt:

a) Prokaryoten:

Bei dem sehr ursprünglichem Prokaryoten Mycoplasma capricolum codiert das Triplett UGA nicht ein Stoppsignal, sondern die AS Tryptophan (Trp)

 

b) Eukaryoten:

• Bei allen Cilliaten (Wimperntierechen, wie z.B. das Pantoffeltierchen Paramecium) sind die Tripletts UAA und UAG ebenfalls keine Stoppcodone. Sie codieren hier die AS Glutamin (Glu).
• In Mitochondrien und Chloroplasten gibt es ebenfalls geringe Abweichungen vom üblichen genetischen Code.

Die Gemeinsamkeit des genetischen Codes (fast) aller Lebewesen kann als Beweis für eine Verwandschaft der Lebewesen und einen gemeinsamen Ursprung dienen.

 

Aufgaben

1. Durch Gentechnik werden heute Medikamente wie das Insulin hergestellt (Hormonproteinen). Dazu werden Bakterienzellen umprogrammiert, Insulin herzustellen. Dies ist ein sehr komplexer Vorgang. Warum reicht es nicht, wenn man einfach das menschliche Gen zur Insulinsynthese in Bakterien einschleust? Genauso wenig kann man einfach die entsprechende menschliche Insulin-mRNA einschleusen. Erkläre diese Befunde.

2. Eine Form der Blutkrankheit ist die „Thalassämie“. Sie wird durch das Fehlen eines Proteins verursacht. Thalassämieerkrankte haben in ihrem Blut anstelle des normalen Proteins ein sonst nicht in Menschen vorkommendes Protein. Vergleicht man das entsprechende Protein, so ist bei gesunden Menschen und bei Erkrankten der Anfang des Proteins identisch. Im mittleren Teil des Proteins kommt es aber zu einer enormen Abweichung, ausgelöst durch eine völlig andere Aminosäuresequenz. Weiterhin ist das Protein der Erkrankten wesentlich länger. Nenne Ursachen und Folgen!

3. Ordne die Begriffe des Fertig-Hausbaus denen der Proteinbiosynthese bei diesem analogen Vergleich zu:

Im Büro des Architekten (1) liegen Pläne (2) für eine Reihenhaussiedlung vor, in der Reihe von verschiedenen Fertighaustypen (3) entstehen soll. Mithilfe eines Fotokopierers (4) werden Kopien der Pläne für eines der Fertighäuser (5) hergestellt und mit dem Kurier zur Baustelle (6) gebracht.

Neben der Baustelle gibt es eine Lagerfläche (7) auf der die Fertigelemente und Bauteile (8) gelagert werden. Facharbeiter (9) ordnen diese nun den richtigen Kranwagen (10) zu. Die Kranwägen wiederum transportieren die Fertigteile zu den einzelnen Baustellen. Jeder Kranwagen trägt eine Erkennungsmarke (11), die zu den Kennziffern (12) der Bauplankopie passen.

Die Bauteile werden an den richtigen Stellen des Baugrunds abgestellt durch genormte Stahlkammern (13) miteinander verbunden. Das machen Bauarbeiter mit passenden Akkuschraubern (14). Die Batterien können jederzeit am nahegelegenen, mit Dieselöl (15) betriebenen, Klein-Kraftwerk (16) aufgeladen werden.

Fachausdrücke:
Ribosomen, DNA, Protein, Zellkern, tRNA, Mitochondrien, Mg²⁺-Ionen, Cytoplasma, ATP, Aminosäuren, Glucose, mRNA, RNA-Polymerase, Codon, Golgi-Apparat, Peptidbindung, Anticodon, Nukleotid, Aminosäure-tRNA, spezifische Enzyme.

 

Tipp zur Lösung von Aufgabe 2:

Deine Lösung sollte die Kausalkette zwischen Mutation und Erbkrankheit / Krankheitsbild enthalten!

Punktmutation => Leseraster verschoben => andere AS-Sequenz => neue Primärstruktur => neue Tertiärstruktur => Protein unwirksam => Krankheitssymptome

 

Genexpression bei Eukaryoten

Grundsätzlich unterscheidet sich die Proteinbiosynthese der Prokaryoten und der Eukaryoten nicht wesentlich voneinander. Die ablaufenden Mechanismen sind die gleichen. Bei Eukaryoten gibt es aber Unterschiede in der mRNA. Kurz nach ihrer Entstehung ist sie länger als nach Ablauf einiger Zeit und als es das zu synthetisierende Protein erfordern würde. Diese Vorläufige mRNA wird auch Precursor-mRNA (auch Prä-mRNA) genannt. Sie ist ein identisches komplementäres Abbild der Eukaryoten-DNA. Aber was ist nun genau die Ursache für die Veränderung?

 

a) Exons & Introns

Eukaryotische DNA enthält nicht nur informationstragende Abschnitte (=Exons), sondern auch Bereiche, welche keinerlei Informationen tragen (=Introns). Diese Introns sind zwischen 50 und 30000 Nukleotiden lang. Introns können als Schleifen aus dem eigentlichen Strang hinausragen.

Introns enthalten zum Teil duplizierte Teile eines Gens, Bestandteile, welche im Verlauf der Stammesgeschichte funktionslos geworden sind, Überreste von Viren-DNA (besonders von Retroviren) oder auch nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure (englisch noncoding DNA, auch junk DNA). Bei hochentwickelten Eukaryoten nehmen sie einen beträchtlichen Anteil des Erbguts ein. Bei Menschen bis zu 45% des gesamten Erbguts.

b) Spleißen (Splicing)

Die Precursor mRNA enthält noch alle Introns. Diese müssen nun in einem „Reifungsprozess“ durch Schneideenzyme hinausgeschnitten werden. Am Ende des Vorgangs steht die nur aus Exonen bestehende funktionsfähige RNA.

Der Vorgang des Hinausschneidens der Introns wird als Spleißen (engl. to splice = verbinden) bezeichnet. Er geschieht durch Spliceosomen (Spleißosomen) (=Enzyme). Splicing erfordert keine zusätzliche Energie (es wird kein ATP benötigt!). Die benötigte Energie entsteht durch das Spalten und Knüpfen von Bindungen.

 

Das Herausschneiden der Introns heißt RNA-Splicing.
Je komplexer ein eukaryotischer Organismus ist, desto umfangreichersind die Introns in seinen Genen.
Prokaryoten-DNA enthält übrigens keine Introns.

 

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, https://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2i_large.gif; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_exons_introns.gif

Aufgaben:

1. Was versteht man unter Exons und Introns?

2. Erkläre den Vorgang des Spleißens. Bei welchen Lebewesen tritt er auf.

3. Was versteht man unter „mRNA-Reifung“?

 

c) Alternatives Spleißen

Die Exons eines Gens müssen übrigens nicht immer in der gleichen Reihenfolge zusammengesetzt werden. So wird die Prä-mRNA eines Gens in Schilddrüse und Hypothalamus unterschiedlich „gespliced“. In der Schilddrüse werden vier Exone zur „Calcitonin-mRNA“ zusammengesetzt, welche das Peptidhormon Calcitonin codieren (das Hormon ist für die Regelung des Calcium- und Phosphathaushalt des Körpers verantwortlich).

Im Hypothalamus wird einfach das letzte Exon durch ein anderes ersetzt, wodurch eine mRNA entsteht, welche ein Enzym zum Aufnehmen von Geschmacksstoffen codiert.

Quelle Bilder: Public domain by wikicommonsuser Hoffmeier & National Human Genome Research Institute, https://www.genome.gov/Images/EdKit/bio2j_large.gif, https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:DNA_alternative_splicing.gif

 

Anheften von Poly A -Schwanz und Cap-Hülle

Eukaryotische mRNA wird langsamer in der Zelle nach der Verwendung abgebaut. Der enzymatische Abbau stellt normalerweise wieder die benötigten RNA-Nukleotide bereit.
Dieser Schutz geschieht durch angeheftete Strukturen an beiden Enden der mRNA:
- am 3' Ende wird ein Poly A -Schwanz (bestehend aus 160-200 Adeninnukleotiden) angeheftet.

- am 5' Ende wird die Cap-Hülle (Cap-Struktur) angeheftet Sie besteht aus methyliertem Guanin.

Beide Enden schützen vor vorzeitigem Abbau und erleichtern zusätzlich die Bindung an das Ribosom.

 

Zusatzinformationen:

• https://de.wikipedia.org/wiki/Spleißen_(Biologie)
• https://de.wikipedia.org/wiki/Calcitonin

 

Übersicht über das Splicing

Quelle Bild: Public domain by wikicommonsueser LadyofHats (Marina Ruiz) - muchas gracias; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RNA_splicing_diagram_en.svg

 

DNA Reparatur

Durch verschiedene Auslöser (z.B. mutagener Substanzen (z.B. Gifte & Radioaktive Stoffe), extremer Wärme, UV-Strahlen oder ionisierender Strahlung) kommen gelegentlich Mutationen der DNA zustande. Diese können als schadhafte Veränderungen der DNA zur falschen Replikation der DNA in der Mitose führen. In der Folge werden Proteine nicht mehr bzw. falsch synthetisiert.

Damit solche Schäden der DNA nicht die genannten Auswirkungen haben, gibt es komplexe Reperaturmechanismen der Zelle. Erst wenn zu viele Schäden vorliegen, (z.B. durch dauerhafte Exposition der Zelle zu Zellgiften wie Teer aus Zigarette, freie Radikale oder hohen Strahlendosen usw.) kommt die Zelle mit der Reparatur nicht mehr nach. Solche häufigen „Krebsereignisse“ führen dazu, dass die Zellfunktion gestört ist. Solche Zellen werden soweit es geht vom Körper durch Apoptose entfernt. Wird die Zelle aber nicht als defekt erkannt, kann sie bei weiteren Teilungen außer Kontrolle geraten und so zur Bildung von Tumoren führen.

Mediziner schätzen, dass der menschliche Körper ca. bis zu 200-300 solcher Krebsereignisse am Tag (je nach Verfassung, Alter und Gesundheitszustand des Menschen) handhaben kann. Aber alleine der Genuss von 20 Zigaretten täglich, bei sonst gesunder Ernährung, führt zum Ansteigen auf einen Wert von über 1500 Krebsereignissen täglich!

Quelle Bild: Public domain by Wikicommmonsuser Lady Of Hats - Muchas Gracias; https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Dna_repair_base_excersion_en.svg

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Reparatur

Transposons

Biologen haben beobachtet, dass sich sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten bestimmte DNA Abschnitte von selbst aus ihrer Position im Chromosom lösen und an anderer Stelle wieder einfügen. Solche definierten und beweglichen DNA-Abschnitte, welche sich von selbst ablösen, nennt man Transposons oder springende Gene. Sie machen beim Menschen ca. 3% des Genoms aus. Durch den erneuten Einbau an einer neuen Stelle, verändert sich dort die Sequenz der Basenpaare, was in der Regel eine Inaktivierung des betreffenden Gens zur Folge hat.

Treten die Transposons wieder aus, wird das Gen wieder aktiv. Transposons wurden zuerst von der amerikanischen Botanikerin Barbara Mc Clintock bei Maiskolben entdeckt. Der Einbau eines Transposons verhindert die Bildung des braunen Kornfarbstoffes - es entstehen helle Maiskörner. Tritt das Transposon wieder aus dem Gen aus, so färbt sich das Korn dunkel.

 

Zusatzinformationen

https://de.wikipedia.org/wiki/Transposon

https://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Transposon

https://de.wikipedia.org/wiki/Barbara_McClintock