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Schule > Biologie > Genetik > Vererbung > Molekulargenetik - Klausurvorbereitung

Molekulargebetik:

Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der für ein Molekül codiert (Polypeptide/Proteine; tRNA, rRNA)

DNA(deoxyribonucleiacid)
DNA findet sich in Eucaryonten fast ausschließlich im Nucleus (Zellkern), daneben findet man sie ebenfalls in den Zellorganellen Chloroplasten und Mitochondrien.

Die DNA enthält drei Verbindungsklassen:
-den Zucker desoxyribose (desoxy = ohne Sauerstoff am 2'-Ende des Zuckers). Er enthält fünf C-Atome, die von 1' -> 5' durchnummeriert sind.
-die Phosphorsäure. Sie ist am 3' und 5'-Ende des Zuckers gebunden.
-die 4 Basen Adenin(A), Thymin (T), Guamin(G), Cytosin(C).
Jeweils einde der Basen ist am 1'-Ende des Zuckers gebunden.

Eigenschaften des genetischen Codes:
-Triplet-Code: ein Triplett (3Nucleotide) codiert für eine Aminosäure(AA)
-eindeutigkeit: ein bestimmtes Triplett codiert eine bestimmte AA
-kommafreiheit: Tripletts folgen aufeinander ohne Unterbrechung
-nichtüberlappend: ein Nucleotid gehört zu einem Triplett
-degeneriert: mehrere Tripletts codieren eine AA
-universalität: gilt für fast alle Lebewesen
Die Raumstruktur der DNA (Watson & Crick 1953)
Das Rückgrat eines DNA-Moleküls bildet das monotone Zucker-Phosphat-Band. Das bedeutet, dass vom 5'- zum 3'-Ende fortlaufend auf ein Phosphat ein Zucker folgt. An das Rückgrat sind, genauer am Zucker in 1'-Position, jeweils eine Kernbase gebunden. Die DNA im natürlichen Zustand ist kein Einzelstrang (Ausnahme: Einzelstrang-DNA-Viren), sondern bildet einen Doppelstrang = DNA-Doppelhelix aus, bei dem zwei DNA-Moleküle schraubig umeinander gewunden sind (Wendeltreppe).
Die Bindungen zwischen den beiden Molekülen sind keine Atombindungen, sondern H-Brückenbindungen. Hierbei bilden sich zwischen A und T zwei H-Brückenbindungen und zwischen G und C drei H-Brückenbindungen aus. Die gepaarten Basen liegen also im Inneren der Doppelhelix, wie Stufen einer Wendeltreppe. Die Ursache der Chargaff liegt also darin begründet, dass die Base des einen Stranges die des anderen bestimmt. Man sagt, die beiden Helices sind komplemantär zueinander.
Außerdem zeigt sich, dass die DNA-Stränge zueinander antiparallel sind, das heißt, dass wenn der eine Strang in 5'->3'-Richtung, der andere in 3'->5'-Richtung verläuft.
In einem Chromosom liegt die DNA an verschiedene Proteine gebunden vor, insbesondere die Chromatin-Proteine. Durch starke mehrfache Auffaltung ergibt sich das spezifisch geformte Chromosom, das auf 1/8.000 der Länge der DNA-Doppelhelix verkürzt ist.

Beispiel:
_______________
| | |
G A C
||| || |||
C T G
. | | | .
Chargaffregel: Die Teilchenanzahl/Stoffmenge A-T bzw. G-C ist gleich groß in der DNA.
REPLIKATION DER DNA (semikonservativ)

Beteiligte Stoffe:
1.) Helicase (entwickelt die DNA und löst die H-Brückenbindungen)
2.) DNA-Pol(ymerase) (synthetisiert den neuen DNA-Strang an der elterlichen Matrize)
3.) Ligase (verknüpft "Okazaki-Stückchen" = kurze DNA-Stücke)
4.) Nucleosidtriphosphate
Nucleosid ^= Base - Zucker
Nucleotid ^= Base - Zucker - (1-3) Phosphatgruppen
Das Enzym Helicase entwindet die DNA-Doppelhelix und löst die Wasserstoffbrückenbindungen. In die so entstandene Peplikationsgabel setzt sich am 3' -> 5' -Strang die DNA-Pol und synthetisiert mit Hilfe der Matrize nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung den 5'->3' -Strang. Nucleosidtriphosphate diffundieren zur DNA-Pol. Diese spaltet ein Diphosphat ab. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt um die Zucker-phosphat-atombindung zu knüpfen. Nach einigen 100 Nucleotiden wendet die DNA-Pol und synthetisiert ebenfalls in 5'->3' -Richtung von der Replikationsgabel weg, zum 2. DNA-Strang.
Da die DNA-Pol nur in 5'->3' -Richtung synthetisiert werden kann, kann sie den zweiten Strang immer nur stückchenweise jeweils von der Replikationsgabel weg synthetisieren. Stößt die DNA-Pol auf solch ein Okazaki-Stückchen, bricht die Synthase ab. Die Ligase verknüpft die Okazaki-Stücke zu einem kontinuierlichen Strang.

DIE TRANSKRIPTION
Die Übertragung des genetischen Codes in Form der Nucleotidsequenz der DNA in die Sequenz der Funktionsmoleküle, das sind die Proteine, erfolgt immer über eine Zwischenstufe, die mRNA(messanger-RNA, deutsch Boten-RNA)
mRNA
-enthält statt der Desoxyribose den Zucker Ribose, der 2'-Ende ein OH-Gruppe trägt;
-enthält anstelle der Base Thymin die Base Uracil;
-ist im Gegensatz zur DNA klein, einzelsträngig und nur kurzlebig.
Neben der mRNA gibt es noch die rRNA (ribosomale RNA) und die tRNA (transfer-RNA, deutsch Transport-RNA). Ähnlich wie bei der Replikation wird die DNA bei der Transkription entspiralisiert und ie H-Brücken zwischen den komplementären DNA-Strängen gelöst. Das Enzym RNA-Polymerase dockt an einer spezifischen DNA-Sequenz, der Promoter-Region an und synthetisiert am codogenen Strang der DNA in 5'->3'-Richtung den Code-Strang der mRNA nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung. Im Allgemeinen werden nur ein oder wenige Gene transkribiert. An der Terminator-Region wird die Transkription beendet. Die mRNA verlässt den Nucleus (bei Eukaryonten) und gelangt ins Cytoplasma, wo die Translation stattfindet.

DIE TRANSLATION
An der Translation, also der Übersetzung des Codes der mRNA in die Aminosäure (AA) Sequenz der Proteine, sind mehrere Akteure beteiligt: mRNA, tRNA, Ribosomen, Aminosäuren (AA);
Da die 4 Basen der DNA den Code für die 20 in Proteinen vorkommenden Aminosäuren (proteinogene AA9 codieren müssen, kann man errechnen, dass der Code der DNA mindestens ein Triplett-Code sein muss, also drei Basen eine AA codieren. Die vier Basen, in Dreierkombination angeordnet, ergeben 4³ = 64 mögliche und auch realisierte Codons. Die tRNA besitzt eine Kleeblatt-Struktur. Sie ist in einigen Bereichen aufgrung der Basenpaarung doppelsträngig, besitzt drei Loops, wobei der der mittlere der Anticodon-Loop ist. Er trägt das Anticodon, das komplementär zum Codon der mRNA ist. An einem Ende wird spezifisch eine AA gebunden. Das dafür zuständige Enzym mass also nicht nur die AA, sondern auch das Anticoden erkennen können!
Die Ribosomen sind Protein-rRNA-Partikel. An ihnen findet die Proteinbiosynthese statt.
Translationsstart: Die mRNA lagert sich an das Ribosom an. Anschließend binden sowohl in der Ausgangs-, als auch in der Eingangsstelle des Ribosoms die zu den Tripplett-Codons passenden, mit AA beladenen tRNA's. Die AA1 wird über eine Atombindung an die AA2 in der Eingangsstelle gebunden(^= Dipeptide). Die nun entladene tRNA verlässt die Ausgangsstelle des Ribosoms und bindet im Cytoplasma erneut ihre passende AA.
Kettenverlängerung: Das Ribosom rückt ein Triplett weiter, sodass sich die mit dem Dipeptid beladene tRNA nun in der Ausgangsstelle des Ribosoms befindet. In der E-Stelle bindet nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung eine beladene tRNA. Das Dipeptid wird auf AA3 in der Eingangsstelle des Ribosoms übbertragen, die unbeladene tRNA der Ausgangsstelle verlässt das Ribosom. Dieser Prozess wiederholt sich bis zum

Kettenabbruch:
Für drei der 64 Codons gibt es keine tRNA-Moleküle, diese Codons nennt man Stop-Codons. Gelangt das Ribosom an ein solches Molekül, erfolgt der Ketten abbruch. Das (fast) fertige Protein löst sich, wie auch die mRNA, vom Ribosom ab. Bei allen mRNA's ist das erste Coden das sogenannte Start-Codon. Hier erkennt das Ribosom deb Sybthese -Beginn. Diese erste Aminosäure, die bei allen Proteinen demzufolge dieselbe ist, wird fast immer durch eine Protease abgespalten. Erst jetzt ist das Protein funktionstüchtig.

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