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Schule > Biologie > Genetik > Genetik Zusammenfassung: von Mitose und Meiose bis Zellteilung und Reifeteilung

Genetik

Mitose, Zellteilung:

1. Kernteilung, Verschmelzung vom haploiden zum diploiden Chromosomensatz (Mutterzelle -> Tochterzelle)
2. Kopie des Erbguts, nachher in beiden Zellen gleiche Erbinformation
3. Zellzyklus: Interphase -> Teilungsphase (Mitose -> Cytokinese)

Mitose :
- Prophase : Aufschraubung und Faltung der DNA => Verdichtung / Verkürzung (=Kondensierung), Transportform => zwei Chromatiden (Zwei-Chromatid-Chromosomen) = kompaktere Erscheinungsform der Chromatinfäden
Pflanzenzelle: Spindelfasern von einem Pol der Zelle zum anderen = Spindelapparat
Tierzelle: Centriolen bilden Tochtercentriolen => wandern an die Pole => von dort Einleitung der Spindelbildung
Zum Ende hin: Zerfallen der Kernhülle, Auflösung der Kernkörperchen
- Metaphase: Maximale Verkürzung der Zwei-Chromatid-Chromosomen => rücken in die Äquatorialebene des Spindelapparates und bilden der Äquatorialplatte => Verbindung eines jeden Chromatids mit Spindelfasern vom Centromer (=Spindelfaseransatzstelle) ausgehend zu einem der beiden Pole
- Anaphase: Chromatiden eines jeden Chromosoms werden mit den Centromeren voran zu entgegengesetzten Polen auseinander gezogen (Teilung der Chromatiden) => an jedem Pol findet sich ein vollständiger Chromatidensatz (Ein-Chromatid-Chromosom) = gleichmäßige Verteilung auf die beiden zukünftigen Kerne, späte Anaphase: Teilung des Cytoplasmas
- Telophase: Entschraubung der Ein-Chromatid-Chromosomen zu Chromatinfäden, Entstehung einer neuen Kernmembran unter Mitwirkung des Endoplasmatischen Reticulums, Neubildung der Kernkörperchen = zwei neue Zellkerne, Verdopplung der Ein-Chromatid-Chromosomen in der Interphase

Interphase: Zeitraum zwischen zwei Mitosen, Erbsubstanz in Chromatin-Form (fädig, leicht anfärbbar)
G₁-Stadium: Wachstumsstadium der Tochterzelle (G₀-Stadium, wenn Teilungsakitivät eingestellt ist
S-Stadium (Synthesestadium): Verdopplung der Erbsubstanz
G₂-Stadium: Übergangszeit bis zum Beginn der Prophase

Meiose, Reifeteilung:

1. Reduktion des diploiden Chromosomensatzes in der Keimzellenbildung auf einen haploiden Chromosomensatz
2. crossing-over: Überkreuzung homologer Chromosomen => Bruch => anschließendes Wiederanwachsen der vertauschten Stücke (kein lichtmikroskopischer Beweis)
3. Kernteilungsvorgänge unterteilt in:

1. Reifeteilung (nur geringe Unterscheidung zur Mitose):
- Prophase I : Kondensation der Zwei-Chromatid-Chromosomen, parallele Anlegung der Chromosomen am Centromer (= Chromosomenpaarung) zu Schwesterchromatiden (vier Chromatiden zweier gepaarter Chromosomen: Tetrade, bei Überlagerung von Nicht-Schwesterchromatiden (=Chiasmata) kann es zum Crossing-over kommen (intrachromosomale Rekombination)
- Metaphase I: Tetraden bilden Äquatorialplatte, Centromere zeigen in Richtung der Pole, Kernspindel bildet sich
- Anaphase I: Trennung der homologen Chromosomen (= Reduktion) => jeder Pol hat einen haploiden Chromosomensatz (zufallsbedingte Aufteilung mütterlicher und väterlicher Chromosomen) = interchromosomale Rekombination
- Telophase I: Zellteilung, Chromosomen werden in Membran eingeschlossen, Zellteilung erfolgt, jedes Chromosom hat zwei Chromatiden

2. Reifeteilung: = Phasen der Mitose, Ergebnis: Trennung der Chromatiden eines jeden Zwei-Chromatiden-Chromosomen
-> 4 hapolide Keimzellen, die durch Crossing- Over und Rekombination neu kombiniert sind -> 4 Samenzellen oder 1 Eizelle!

MENDELsche Gesetze / Klassische Genetik:

1. Gesetz der Uniformität und Reziprozität (P zu F1)
Kreuzt man zwei homozygote Individuen einer Art, die sich in einem einzigen Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind alle ihre Nachkommen (F1-Generation) in Bezug auf dieses Merkmal uniform (untereinander gleich).

2. Spaltungsgesetz (F1 zu F2)
Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so ist die F2 Generation nicht gleichförmig, sondern die Merkmalesverhöltnisse spalten sich in bestimme Zahlenverhältnisse auf:
Dominant- Rezessiver Erbgang: 3:1
Intermediärer Erbgang: 1:2:1

3. Gesetz der Neukombination
Kreuzt man Individuen der gleichen Art, die sich in mehreren Merkmalen homozygot unterscheiden, so gelten für jedes Merkmal Uniformitäts- und Spaltungsgesetz. Außerdem können in der F2-Generation neben den Kombinationen der P- Generation auch neue Merkmalskombinationen auftreten.

Begriffe:

Chromosom: Träger der Erbanlagen, bestehen aus einem langen DNA- Faden und stabiliesierenden Protein, 2n = zwei Chromatid Chromosom

Phän: Merkmal, Gen: Erbanlage,

Genom: Gesamtheit aller Erbanlagen einer Zelle,

Genotyp : Erbbild, kann sich unterscheiden vom

Phänotyp : äußeres Erscheinungsbild,

Allel: Gene, die auf entsprechenden Genorten homologer Chromosomen liegen,

homozygot: reinerbig,

heterozygot: mischerbig,

monohybrider Erbgang: Kreuzung, in der sich die Eltern in einem Merkmal unterscheiden,

dihybrider Erbgang: Kreuzung, in der sich die Eltern in zwei Merkmalen unterscheiden

Dominant-rezessiver Erbgang: Erbgang, bei dem ein dominantes (vorherrschendes) und ein rezessives (unterlegenes) Allel zusammenwirken, Verhältnis: 3:1

Intermediärer Erbgang: es gibt kein vorherrschendes Allel, beide Allele sind gleichgestellt, es kann zu einer Mischform (intermediär) kommen, Verhältnis: 1:2:1

Rückkreuzung: Kreuzung eines Lebewesens mit seinem rezessiven Großelter, zwecks Bestimmung von Homo- bzw. Heterozygotie eines Allels

Humangenetik:
· X-chromosomale Vererbung (S. 147)
- Rotgrünschwäche
- Bluterkrankheit

· Vererbung von Bluteigenschaften (S. 138ff)
- ABO-System
- Rhesus-System: Rhesus-negativ ist rezessiv

Moderne Genetik (Molekulare Grundlagen der Vererbung):

GRIFFITH-Versuch: "transformierendes Prinzip", polt avirulente R-Zellen in virulente S-Zellen um

AVERY-Versuch: Beweis von Desoxyribonucleinsäure (DNA) als Informationsträger

DNA :

- Phosphorsäure
- Zucker (Desoxyribose: Pentose ohne Sauerstoff)
- 4 Stickstoffbasen: 2 Pyrimidin-Basen (Cytosin, Thymin [oder Uracil in RNA]), 2 Purin-Basen (Adenin, Guanin)
- Nucleotid: Einheit aus einem Phosphorsäure-Rest, Pentose und einer Base
- Raumstruktur: Doppelhelix, strickleiterartige Verbindung der Basen über 2 (T-A) oder 3 (C-G) Wasserstoffbrückenbindungen, zwei Stränge sind komplementär zueinander
- Gestalt der DNA in der Interphase: besteht aus DNA und Proteinen (=Histone), DNA wird auf Histone aufgewickelt = Nucleosom

DNA-Replikation

- Beweis der semikonservativen Replikation durch MESELSOHN-STAHL: Doppelstrang wird an H-Bindungen geteilt, an jedem Strang wird ein neuer DNA-Strang synthetisiert
- Mechanismus bei Eukaryonten:
Entwindung des Doppelstranges durch Enzym Helicase => Replikationsgabel, Primase (=RNA-Polymerase) synthetisiert Primer (RNA-Startmolekül) => DNA-Polymerase synthetisiert dem Tochterstrang in 5’->3’-Richtung => nur am 3’->5’-Strang verläuft die Synthese kontinuierlich (Synthese folgt der Replikationsgabel); am anderen Strang (diskontinuierlich): Synthese bricht nach ca. 1000 Nucleotiden ab (OKAZAKI-Stücke, jedes braucht einen eigenen RNA-Primer, wird mit Synthese der OKAZAKI-Stücke abgebaut) => DNA-Ligase schließt die Lücken zwischen den OKAZAKI-Stücken
- Mechanismus bei Prokaryonten:
DNA liegt ringförmig vor: es bilden sich mehrer Replikationsgabeln gleichzeitig (=> Blasenbildung)

Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese / BEADLE-TATUM-Experiment

- Mangelmutanten können kein Arginin synthetisieren, im haploiden Satz wird diese Mutation nicht überdeckt, über Testreihen wird Synthesekette von
Vorstufe ^{Enzym 1} Ornithin ^{Enzym 2} Citrullin ^{Enzym 3} Arginin
Mutanten konnten jeweils ein Enzym nicht synthetisieren (erkennbar am Produkt im Vergleich Synthesekette)
- Hypothese: Ein Gen ist für die Synthese eines Enzyms zuständig, mutiert ein Gen, ist davon eine Enzymwirkung betroffen
- Erblich bedingte genetische Störung des Phenylalanin-Stoffwechsels:
Abbau von Nahrungseiweiß zu CO₂ und H₂O:
Nahrungseiweiß ^{Protegasen im Magen u. Darm} Phenylalanin ^{Enzym 1} Tyrosin ^{Enzym 2} Homogentisinsäure ^{Enzym 3} CO₂ und H₂O
^{Enzym 3} Thyroxin
^{Enzym 4} Melanin
Ausfall von Enzym 1: Phenylketonurie
…Enzym 2: keine Reaktion
…Enzym 3: Alkaptonurie
…Enzym 4: (angeborener) Kretinismus
…Enzym 5: Albinismus

Proteinbiosynthese

- Notwendige Strukturen: Messenger-RNA (mRNA): Botenmolekül vom Zellkern zum Ribosom, einsträngig, Kopie des codogenen Stranges (DNA-Strang in 5’-3’-Richtung), Produkt der Transkription; ribosomale RNA (rRNA): Erkennen und Binden der mRNA ans Ribosom; transfer-RNA (tRNA): kleines RNA-Molekül, im Cytoplasma, Transporteur von Aminosäuren, Kleeblattstruktur: 3 Schleifen, Anticodonschleife, 2 Schleifen zur Fixierung von Enzymen; Ribosomen: 2 Untereinheiten, Prokaryonten: 70s (30s und 50s), Eukaryonten: 80s (40s und 60s)
- Vereinfachter Ablauf: DNA => mRNA => Protein

- Transkription: "Überschreibung einer DNA-Sequenz in eine RNA-Sequenz"
(wobei Uracil der RNA zu Adenin der DNA komplementär ist)

RNA-Polymerase bindet sich an Promotor- Sequenz (spezifisches Start-Codon)

--> Start der Transkription: Doppelhelix wird blasenartig auf 10 Basenpaaren geöffnet
--> Anlagerung der RNA- Nucleotide komplementär zum codogenen Strang -> nur am codogenen Strang wird synthetisiert
--> m- RNA –Synthese mit Hilfe von RNA- Polymerase in 5’ -> 3’ Richtung, RNA- Polymerase braucht keinen Primer -> erkennt Start / Stopp auf codogenem Strang, -> an spezifischen Stopp-Codons wird Transkription beendet (Codon = mRNA-Basentriplett, ein Codon = eine Aminosäure)

• Synthetisierte RNA löst sich von der DNA-Matrize -> DNA windet sich in Doppelhelix zurück

- Translation: "Übersetzung des genetischen Codes in Aminosäuresequenz"
Im Cytoplasma bei Eukatyoten bzw. noch während der Transkription bei Prokaryoten
mRNA-abhängige Proteinsynthese am Ribosom(Transkription muss vorher stattgefunden haben!)
-> kleinere Untereinheit des Ribosoms lagert sich an die spezifische Bindungsstelle der mRNA an
--> Anlagerung der Start- t RNA (Methionin) mit Anticodon- Schleife durch Baasenpaarung an Codon der m- RNA, an der Peptid-Stelle des Ribosoms, Initatorkomplex (Aminosäure Methionin) --> große Untereinheit der Ribosoms verschließt das Ribosom => es liegen immer zwei Sequenzen vor = zwei Aminosäuren im Ribosom
--> an der freien Aminosäure Bindungsstelle bindet passende t RNA
-> Ver knüpfung der beiden Aminosäuren zum Di- bzw. Polypeptid (aufgrund von Anziehungskräften -> die Aminosäure von der P-Stelle knüpft an die Aminosäure der A-Stelle -> t-RNA an der P-Stelle ist entladen, löst sich vom Ribosom (entladene tRNA wird im Cytoplasma dem Anticodon entsprechend neu beladen)
--> Ribosom wandert ein Codon weiter und der Vorgang wiederholt sich bis zum Stopp-Codon der m-RNA. Da keine passende t-RNA mehr vorhanden ist, Zerfällt das Ribosom und gibt das Peptid frei

Vergleich zwischen Prokaryonten und Eukaryonten

Prokaryonten	Eukaryonten
Gene enthalten nur codierende Sequenzen	Gene enthalten codierende (Exons) und nichtcodierende (Introns) Sequenzen Veränderung der mRNA: prä-mRNA mit cap-Sequenz (Nucleosid aus Pentose und Base, erleichtert Anlagerung an Ribosom) und Poly-A-Sequenz (100-200 Adenin-Nucleotide, erschwert Abbau der mRNA => längere Lebensdauer) und Introns Spleißung : Heraustrennung der Introns und Verknüpfung der Exons
Celluläre Lokalisation : Transkription und Translation können gleichzeitig ablaufen	Erst Transkription, dann Export ins Cytoplasma, dort erst Translation
Halbwertzeit der mRNA : 1-10 Min.	1-100 Std. (muss erst Kern verlassen, längere Lebensdauer der Zellen)
Ribosomenstruktur : 70s	80s
Starter-Aminosäure-tRNA : N-Formyl-Methionyl-tRNA	Methionyl-tRNA

PCR-Methode

- Schnelle Vermehrung von bis zu sehr kleinen DNA-Segmenten
- Material: die zu vervielfältigende DNA, zwei verschiedene Primer (jeweils für an Anfang und Ende der gewünschten Sequenz), Taq-Polyermase (hitzebeständig), DNA-Bausteine
- Ablauf:
Denaturierung: Erhitzen auf 90-100°C => Doppelhelix wird geschmolzen => es liegen zwei Stränge vor
Hybridisierung: schnelles Abkühlen (=> Verhindert Rückbildung der Doppelhelix) => Primer binden sich an die entsprechenden Sequenzen der DNA
Polymerisierung: in 3’-5’-Richtung synthetisiert DNA-Polyermase den Komplementärstrang
Wiederholung der Schritte bis genug Material vorhanden ist

• Methoden zur DNA-Sequenzierung

· Sanger-Coulson-Methode (Kettenabbruchmethode):
- Abbruchmoleküle, an denen kein weiteres Nucleotid angeknüpft werden kann, unterbrechen die Synthese
- Einsträngige DNA wird mit Nucleotiden (dATP, dTTP, dGTP, dCTP), Abbruchnucleotiden (ddATP, ddTTP, ddGTP, ddCTP), einem Primer und DNA-Polyermase vermischt => Synthese erfolgt mit allen Molekülen, Kette wird durch Abbruchnucleotide abgebrochen => man erhält unterschiedlich lange DNA.-Ketten
· Hochautomatisierte Methode
- Läuft wie Sanger-Coulson-Methode ab, nur dass die Abbruchnucleotide fluoreszierend markiert sind
· Sichtbarmachen der unterschiedlich langen Ketten durch Gelelektrophorese:
- Ein Standard und die Proben werden in Slots (Taschen) auf einer Agarosegelplatte gegeben
- An den Slots ist ein Minuspol, auf der anderen Seite ein Pluspol, da die Nucleotide je kürzer desto stärker negativ geladen sind, wandern sie je nach Länge zum Pluspol
- Wo Nucleotide gleicher Länge zusammentreffen kann man Banden erkennen
--> Wird zum Erstellen eines genetischen Fingerabdrucks benutzt

Genregulation bei Prokaryonten (Bakterien)

Substratinduktion / Operon-Modell:

- Aktivierung von Genen durch eine Substanz => energiesparend
- Modell nach JACOB / MONOD:
- Strukturgene für die zu synthetisierenden Enzyme liegen nebeneinander auf der DNA
- Promotor und Operator kontrollieren diese Region, sind den Strukturgenen vorgelagert
- Promotor: Bindestelle für RNA-Polymerase, Startstelle für Transkription
- Es erfolgt kein Start, wenn Operator durch Repressor-Protein blockiert wird, dieses Protein wird im Regulator (liegt außerhalb des Operons) synthetisiert
- Repressor inaktiv : Lactose ist in der Zelle vorhanden => setzt sich in den Repressor => Veränderung der Raumstruktur => Repressor passt nicht zum Operator => keine Blockade => Enzyme zum Lactose-Abbau werden synthetisiert
- Repressor aktiv : keine Lactose in der Zelle vorhanden => Repressor passt zum Operator => Blockade des Operators => Blockade einer weiteren Transkription => Enzyme zum Lactose-Abbau werden synthetisiert
- Enzym-Synthese hängt vom chemischen Gleichgewicht des Substrates in der Zelle ab
· Katabolischer Stoffwechsel : abbauender Stoffwechsel (Substratinduktion)

Endproduktrepression:

- Endprodukt einer Synthesekette entscheidet über Blockade durch Repressor
- Gleicher Aufbau wie bei Substratinduktion: vorgelagertes Regulatorgen, Promotor, Operator, Strukturgene
- Repressor inaktiv: Enzyme müssen aus einer Vorstufe das Endprodukt synthetisieren
- Repressor aktiv: Endprodukt wird mit der Nahrung aufgenommen => Endprodukt verändert die Struktur des Repressors => Repressor wird aktiviert, passt zum Operator => Enzym-Synthese wird blockiert
· Anabolischer Stoffwechsel : aufbauender Stoffwechsel (Endproduktrepression)

• Allosterische Regulation auf Enzymebene

Genregulation bei Eukaryoten (höhere Lebewesen)

--> Aktivierung duch (steroid) hormone (Hormon-Rezeptor-Komplex), dass sich an den Enhancer setzt und es verstärkt
--> Promotorgen vor den abzulesenden Genen, Enhancer setzt an RNA Polymerase am Promotor an und aktiviert es -> aktiviert Transkription am 5‘ Ende, TATA-Box (immer vom 5‘ zum 3‘ Ende!!) -> 3‘: Poly-A-Schwanz (1000 Adeninbasen, damit m-RNA nicht sofort
abgebaut wird), 5‘: cap- Sequenz (Mütze) (erleichtert die Anlagerung von Ribosomen)
--> Spleißen (ausschneiden) der informationsleeren Introns (nur Exons tragen Information)
--> die reife m-RNA wird aus dem Kern ausgeschieden
Im Cytoplasma beginnt die Translation

Mutationen

Mutationen sind spontan und nicht vorhersehbar

• Genommutation: (Chromosomenaberration)

Änderung der Anzahl der Chromosomen
- Euploidie (n) bzw. Polyploidie (3n, 4n)
Vermehrung bzw. Verminderung der ganzen Chromosomensatzes, bei Pflanzen können Kerne auftretenm die poly und diploid sind -> Cytochimären
- Aneuploidie
Vermehrung bzw. Verminderung der Chromosomenzahl: 2n+1 bzw 2n-2..
Ursachen: Non-Disjunktion (Nichttrennung während der Meiose (Keimzellen)
z.B.: Trisomie 21 = DOWN-Syndrom
TURNER-Syndrom (Frauen mit XO-Typ) => kleinwüchsig, unfruchtbar
KLINEFELTER.-Syndrom (Männer mit XXY-Typ) => unfruchtbar, geringer IQ

• Chromosmenmutation: (größere Teile der DNA mit vielen Basen)

strukturelle Veränderung einzelner Chromosomen
- Deletion: Teil des Chromosoms wird abgespalten => Chromosomenstückverlust ( -> Ringbildung) => Katzenschreisyndrom
- Duplikation: Chromosomenstück abgetrennt und an ein homologes Chromosom angelagert => Teil der Information ist doppelt
- Inversion: Chromosomenstück herausgebrochen und verkehrt eingesetzt
=> Fehlgeburten, körperliche und geistige Behinderung
- Translokation: Chromosomenstück abgetrennt und Bruckstück an anderes Chromosom angelagert
=> DOWN-Syndrom (besondere Variante)

• Genmutation: (kleinste Untereinheit, Vertauschung von einzelnen Basen)

chemische Veränderung der DNA -> Fehler bei der Replikation
- Substitution: Austausch einzelner Basen
- Transition: Purin- gegen Purinbase oder Pyrimidin- gegen Pyrimidin-Base
- Transversion: Purin- gegen Pyrimidinbase und umgekehrt
=> Sichelzellenanämie
- Deletion: Verlust eines oder mehrerer Basenpaare => Verschiebung des Leserasters (frame shift)
- "out-of-frame"-Deletion: kein funktionsfähiges Protein
- "in-frame"-Deletion: Protein mit Restfunktion, Leseraster bleibt erhalten
=> Muskeldystrophie
- Insertion: Einbau von Sequenzen => Leserasterverschiebung, es sei denn es werden Triplett-Codons eingebaut
- Genduplikation: ungleiches Crossing-over
=> neue Varietäten

• Mutagene:

Stoffe, die die Mutationsrate im Körper steigern
- Chemische Mutagene
-> ändern ihre Struktur und vertauschenn Basen
-> Verursachen Insertion /Deletion -> frame shift
- UV-Licht
-> verändert Struktur der DNA durch energeireiche Strahlen
-> kovalente Bindungen zwischen benachbarten Pyrimidinen
- Ionisierende Strahlen (z.B. Röntgen-Strahlen)
-> Hydroxyradikale bewirken (indirekt) kovalente Verknüpfung
-> Transitionen
-> Strangbrüche bzw. Zerstörung von Teilen
-> Strukturveränderung

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