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Schule > Biologie > Grundlagen der Biologie > Zellen, -teilung und Biomembrane > Genetik Grundwissen zusammengefasst zur Klausurvorbereitung

Biologie Vorbereitung: Genetik

Glossar:
Homozygot: reinerbig
Diploid: Zelle besitzt zwei homologe Ausgaben jedes Chromosoms
Gameten: Geschlechtszellen
Zygote: eine Zelle (diploid), die durch Verschmelzung zweier haploider Geschlechtszellen (Gameten) entsteht
Phänotyp: beobachtbares Merkmal
Phagen: eine Gruppe von Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert ist
Mutagene: Faktoren, die die Mutationsrate erhöhen
Basenanaloga: werden anstelle der echten Basen in DNA eingebaut
Induktion: anschalten
Repression: ausschalten
Operon: DNA-Abschnitt auf dem hintereinander die Kontrollregionen und ein oder mehrere Enzyme codierende Strukturgene liegen

Mendelsche Regeln

1. mendelsche Regel: Uniformitätsregel, Die Nachkommen homozygoter (also gleicherbiger, reinrassiger) Individuen sind untereinander gleich.
2. mendelsche Regel: Spaltungsgesetz, Die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen sind nicht mehr gleichförmig, sondern spalten ihr äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf.
Erbträger können anwesend sein, ohne ausgeprägt zu werden
Gene wirken in den Bastarden zwar zusammen, verschmelzen aber nicht miteinander zu etwas ganz anderem, da sie ja wieder aufgespalten werden können
Gene müssen in den Körperzellen reinrassiger Individuen doppelt (diploid) vorhanden sein, in den Keimzellen aber nur einfach (haploid), damit sie sich in den Nachkommen neu kombinieren können.
3. mendelsche Regel: Das Gesetz der freien Kombinierbarkeit der Gene, Die Erbanlagen einer Rasse mit all ihren Ausprägungen (Größe, Wuchsform, Farbe etc.) bilden keine Einheit. Sie liegen auf einzelnen Genen und sind somit frei kombinierbar.

Kreuzt man Individuen, die sich in nur einem Merkmal unterscheiden, spricht man von einem monohybriden Erbgang, bei zwei Merkmalen von einem dihybriden und so weiter.

Replikation
Doppelhelix entschraubt; Helicase löst Wasserstoffbrücken Replikationsgabel; DNA-Einzelstrang Matrize, an den sich DNA-Nucleotide nach dem Prinzip der zulässigen Basenpaarung anlagern, komplementären Tochterstrang bilden; semikonservativer Mechanismus, 4 Nucleotidarten müssen in Form energiereicher Nucleosid-triphosphate vorliegen, da die benötigte Energie zur Synthese durch die Abspaltung zweier Phosphatreste erlangt wird.Primase katalysiert in der Nähe der Replikationsgabel die Synthese eines Primers (RNA-Molekül) Startmolekül für DNA-Polymerasen kann nur verlängern nicht neu beginnen; Nucleotide lagern sich an, DNA-Polymerase verknüpft; DNA-Polymerase kann allerdings nur in 5'3' -Richtung verknüpfen; Synthese kann nur am 3'5` Strang kontinuierlich verlaufen; Am anderen Elternstrang DNA-Polymerase von der R. weg verknüpfen, verbleibt jedoch in der Nähe der R., bricht also nach etwa 1000 Nucleotiden ab um dann in der weiter schreitenden Gabel neu zu beginnen. Am Elternstrang in Richtung 5'3' entstehen also kurze Stücke neu synthetisierter DNA, die Okazaki-Stücke. Für jedes dieser Stücke muss zunächst ein Primer synthetisiert werden. Mit dem Wachstum der Okazaki-Stücke beginnt der enzymatische Abbau des RNA-Primers, der Lücken hinterlässt. Diese werden von einer weiteren DNA-Polymerase aufgefüllt. Schließlich werden durch die Ligase alle DNA-Stücke zu einem durchgehenden Strang verbunden.

Zellzyklus

Interphase
Zeitraum zwischen zwei Mitosen; DNA liegt in Form von Chromatin vor; G1-Stadium: Wachstumsstadium; S-Stadium: Verdopplung der Erbsubstanz; G2-Stadium: Zeit bis Prophase

Mitose
Prophase: Aufschraubung und Faltung der DNA endet in der Metaphase; führt zu 2-Chromatiden-Chromosomen; Zerfall Kernhülle; Auflösung Kernkörperchen; Pflanzen: Spindelapparat (Spindelfasern, die von einem Pol zum anderen laufen) entsteht; Tiere: Bildung von Tochtercentriolen, welche Spindelbildung einleiten
Metaphase: maximale Verkürzung der Chromosomen, Äquatorialebene Äquatorialplatte, jedes der beiden Chromatiden ist mit einer Spindelfaser vom Centromer ausgehend mit einem der Pole verbunden
Anaphase: Chromatiden werden zu den Polen auseinander gezogen; späte Anaphase: Teilung Cytoplasma
Telophase: Chromosomen entfalten sich, neue Kernmembran entsteht, Bildung neuer Kernkörperchen
Chromosomen
2 Chromosomen sind immer homolog, 22 Paare bei Mann, 23 bei Frau, diploider Chromosomensatz, X & Y=Gonosomen, Autosomen

Transkription
Die Entstehung der m-RNA ist Teil der Proteinbiosynthese und wird Transkription genannt.
Zu Beginn der Transkription wird die DNA-Doppelhelix dort wo die RNA entstehen soll entwunden und so blasenartig geöffnet. Die RNA-Polymerase katalysiert die Überschreibung der DNA, indem sie sich an eine spezifische DNA Steuerungssequenz, als Promotor bezeichnet, bindet. Der Promotor gibt die Startstelle und gleichzeitig die Transkriptionsrichtung vor. RNA-Polymerasen können nur von 5'nach 3'aufbauen, daher legt die Transkriptionsrichtung auch fest, welcher Strang abgelesen wird. Nach Öffnung der Doppelhelix lagern sich RNA-Nucleotide nach der Basenpaarungsregel an den codogenen Strang (3'5') an und werden durch die RNA-Polymerase verkettet. Die RNA-Polymerase wandert am codogenen Strang entlang, bis sie auf eine bestimmte Basenabfolge, den so genannten Terminator stößt. Danach löst sie sich vom codogenen Strang und auch die frisch synthetisierte RNA löst sich von der Matrize. Der abgelesene DNA-Bereich windet sich in die Doppelhelix zurück.

Translation
Folgt auf Transkription; Basensequenz der m-RNA wird in die Aminosäurefrequenz des Proteins übersetzt; kleine Ribosomenuntereinheit lagert sich an spezifische Ribosomenbindungsstelle der m-RNA an; Start t-RNA mit Anticodon UAC lagert sich am Startcodon an, große Untereinheit lagert sich an; 2 Bindungsstellen für t-RNA Eingang (A) und Ausgang (P); Start t-RNA im Ausgang, trägt Aminosäure Methionin; im Eingang bindet durch komplementäre Basenpaarung eine Aminosäure t-RNA mit passendem Anticodon, nebeneinander liegende Aminosäuren werden zum Dipeptid verknüpft; Dipeptid geht auf die t-RNA im Eingang über;entladene t-RNA verlässt Ausgang bindet im Cytoplasma erneut an zugeordnete Aminosäure; Ribosom rückt um ein Codon weiter, Peptid tragende t-RNA im Ausgang; neue t-RNA mit passendem Anticodon im Eingang nicht passende fallen wieder ab; Peptidrest wird angeknüpft Tripeptid entsteht; entladene t-RNA verlässt Ribosom; Vorgang wiederholt sich bis das Ribosom auf ein Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) trifft; keine passende t-RNA für vorhanden; Syntheseabbruch; Ribosom zerfällt in Untereinheiten und fertiges Protein wird frei

t-RNA
Transfer-RNA; wird neu beladen von Amino-acyl-t-RNA-Synthetasen

Genetischer Code
Redunant: viele Aminosäuren werden durch mehrere Tripletts codiert

Das Operon-Modell
Konstitutive Gene werden ständig transkribiert, regulierte Gene nur nach Bedarf.

Substrat-Induktion am Beispiel Lactose
Regulatorgen erzeugt fortlaufend aktives Repressorprotein; Solange keine Lactose vorhanden blockiert Repressor Operator und somit Transkription der 3 Strukturgene des Lactose-Abbaus; Lactose-Operon bezeichnet Region, die Promotor, Operator sowie die drei Strukturgene umfasst; Lactose vorhanden, gelangt zum Repressor, lagert sich dort an Veränderung der Raumstruktur des Repressors; Repressor löst sich von DNA (inaktiv); RNA-Polymerase kann Gen transkribieren und Lactose kann in Folge der Produktion von bestimmten Enzymen gespalten werden. Was auch dazu führt, dass irgendwann keine Lactose mehr da ist (außer bei ständiger Neuzufuhr) und die Lactose sich vom Repressor löst (Aktiv, T. blockiert

Endprodukt-Repression am Beispiel von Tryptophan
hohe Konzentration bewirkt des Endprodukts Blockade der T. (negative Rückkopplung);Regulatorgen erzeugt Repressorprotein (inaktiv, nicht an den Operator bindet) 5 Strukturgene des Tryptophanstoffwechsels ungehindert transkribiert; Tryptophankonzentration steigt an, bis immer wahrscheinlicher, dass Tryptophanmolekül an Repressormolekül bindet; ändert die Raumstruktur des Repressors; wird aktiv, lagert sich an Operator an; RNA-Polymerase kann nicht mehr am Promotor ansetzen und Gene des Tryptophanstoffwechsels transkribieren, Tryptophansynthese erliegt; Bei fallenden Tryptophanwerten löst sich Tryptophanmolekül wieder vom Repressor wird inaktiv; reversible Blockade biologisch sinnvoll, da Bakterien flexibel reagieren und sich veränderten Umweltbedingungen anpassen können.

Genregulation Eukaryoten
Etwa 25 Basen vor dem Transkriptionsstartpunkt typische Basensequenz aus T und A TATA-Box; Enhancer (Sequenzen) erhöhen Aktivität des Promotors; Enhancer Bindestellen von Proteinen z.B. Hormon-Rezeptor-Komplex Steroidhormone passieren Membran, binden nach Schlüssel. an einen spezifischen Rezeptor; Komplex heftet sich an spezifische Enhancer-Region der DNA; Enhancer aktiviert und Transkription gesteigert

Mutationen

Chromosomenmutationen
Numerische (Trisomie 21) (z.B. 3 selbe Chromosomen vorhanden)
oder strukturelle (Abschnitte innerhalb eines Chromosoms fehlen, sind vertauscht...

Genmutationen
Punktmutationen:
Wildtyp: unverändert richtig
Substitution: Basenaustausch
Stumme Mutation: Base vertauscht, aber dieselbe Aminosäure wird codiert
Unsinnmutation: Kettenabbruch
Rastermutation:
Verschiebung des Leserasters
Deletion: Basenverlust
Insertion: Baseneinsatz; eine Base zu viel

Aufbau der DNA
Bestandteile (gleiche Mengenanteile)
Phosphorsäure, Desoxyribose (5 C-Atome, Phosphor 3. + 5., Base 1.)
Stickstoffbasen Pyrimidin (Cytosin,Thymin) Purin (Guanin, Adenin)
3'Ende kein Phosphat, 2 schraubig, gegenläufige, um eine gemeinsame Achse gewundene Einzelstränge, gleicht Wendeltreppe, G/C 3, A/T 2, DNA Nucleotidsequenz verschlüsselt Erbinformation, lässt sich als Basensequenz wiedergeben
DNA-Histon-Komplex = Chromatin


Gentechnische Verfahren

Die Polymerasenkettenreaktion (PCR)
- Primase, Taq-Polymerase, Nucleotide und zu vervielfältigende DNA werden in Thermoblock (befindet sich in einem Thermocycler und kann Temperatur leicht verändern) gegeben
- Zyklenzahl, Dauer und Länge der 3 PCR Einzelschritte werden programmiert und automatisch abgearbeitet
-Doppelsträngige DNA wird bei 95°denaturiert, d.h. einzelsträngig gemacht
- bei 50° (verhindert Rückbildung der Doppelhelix) bindet ein gegenläufiges Primerpaar an die DNA-Matrizen (Startpunkt der DNA-Synthese durch Wahl des erforderlichen Primers)
-> Voraussetzung: bestimmte Sequenzen müssen bekannt sein
- Taq- Polymerase synthetisiert vom 3'Ende der Primer her den komplementären Strang bei 70°

Restriktions- Fragmentlängen- Polymorphismus (RFLP)
-DNA verschiedener Menschen enthält trotz weitgehender Übereinstimmung leichte Sequenzunterschiede (Sequenzpolymorphismen)
- treten durchschnittlich alle 100 Basenpaare auf und liegen im Bereich der Introns (keine Auswirkungen, werden aber vererbt)
- Behandlung durch spezifische Restriktionsenzyme (in unterschiedlich lange Stücke zerschnitten)
- > aufgrund der polymorphen Schnittstellen-Sequenzen weichen DNA- Fragmente anderer DNA ab
- DNA-Fragmente werden durch Gel-Elektrophorese der Länge nach aufgetrennt

Genklonierung
- Transportmoleküle (Vektoren), wie z.B. Plasmide werden isoliert
- Herausschneiden von DNA-Stücken durch gewähltes Restriktionsenzym
- Zugabe von Fremd- DNA und Ligase
- Überprüfung der Aufnahme von rekombinierten Plasmiden in Bakterien

Restriktionsenzyme
- schneiden an Erkennungssequenzen (spiegelsymmetrisch aufgebaute Basenabfolge= Palindrome)
- schneiden oft versetzt -> Enden entstehen, an denen komplementäre Einzelstränge herausragen (neigen dazu, wieder zusammenzulagern -> sticky ends)

Krebs
Onkogene: Genprodukte stören Regulation des Teilungswachstums
Proto-Onkogene: steuern Zellaktivitäten, indem sie Signalmoleküle (z.B. Wachstumsfaktoren und Rezeptoren) codieren
Übergang vom Proto-Onkogen zum Onkogen durch carcinogene oder krebsauslösende Faktoren (Chemikalien, energiereiche Strahlung, Viren)

Pro und Kontra: Gendiagnose

Pro
- bessere Lebensplanung möglich (Familie, Beruf, finanziell)
- keine Ungewissheit mehr
- evtl. gesund -> frei von Angst
- gute Beratung und Unterstützung nach Befund
- ermöglicht genauere Kenntnisse der Krankheitsentstehung (zur Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten)


Kontra
- kann nicht geheilt werden
- keine Aussagen über Erkrankungszeitpunkt, Verlauf und Schwere der Krankheit
- positiver Befund erschwert sorgloses Weiterleben (Depression, Selbstmord)

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