Genetik und Reproduktionsbiologie

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Genetik und Reproduktionsbiologie

 

3.1Bau und Funktion der DNA
123.1.1Geschichte, Chromosomen, Bau der DNA
,
123.1.2Replikation
3.2Mitose, Meiose
3.3Genetischer Code
123.3.1modellhafter Ablauf von Transkription
und Translation
3.4Mutation
, Punkt- Rastermutation,Triplettexpansion

3.4.1

mutagene Faktoren
3.5Glossar
Genetik
Biomoleküle
in
3d3 - Genetik und Reproduktionsbiologie
3.1 Bau und
Funktion der DNA
3.1.1 Geschichte

Die Geschichte der DNA geht bis auf das Jahr 1868 zurück,
als der junge schweizer Wissenschaftler Friedrich
Miescher
(1844-1895) aus Zellkernen eine neue Substanz isolierte, die er Nukleinsäuren
nannte. 2 Jahre zuvor hatte eine tschechischer Mönch namens Gregor
Mendel
in Brünn durch Experimente mit Erbsen die Regeln der
Vererbung gefunden.
Dies war der Beginn der Genetik als Wissenschaft. Beiden Entdeckungen
wurde mehrere Jahrzehnte wenig Beachtung geschenkt, bis 1900 Correns,
Tschermak und deVries
die Mendelschen Regeln wiederentdeckten.

Aus der Zellbiologie wissen wir, daß in den Zellkernen,
Mitochondrien und Chloroplasten der eukaryontischen Zellen, in Bakterien
und einigen Viren der Stoff DNA (=Desoxy-Ribonuklein-Säure)
enthalten ist. (frühere Bezeichnung: DNS, heute international
DNA
wegen –acid (= Säure); englisch: DeoxyriboNucleic
Acid).

Darin ist die Erbinformation der
Zelle gespeichert. Diese Erkenntnis verdanken wir
Oswald
T. Avery

(1877-1955), einem in Kanada geborenen amerikanischen Bakteriologen und
Physiker, der 1944 nachwies, daß die genetische Information einer
Zelle aus DNA besteht. Bis dahin vermuteten die Biologen, daß die
Erbinformation in Proteinen verborgen liegt.

Um 1920 wurde nachgewiesen, daß die stark färbbaren
Chromosomen des Zellkerns DNA enthielten. (siehe Abb.
3
)

Die molekulare Genetik begann eigentlich erst mit der
Entdeckung Averys
1944. Seit damals entstand auch eine neuer Zweig der Biologie, die Molekularbiologie.
1958 gab es auch den ersten Nobelpreis in diesem Bereich für Tatum,
Beadle und Lederberg
u.a für Erforschung der Erbinformation
bei Bakterien.

Die molekulare Struktur der DNA erkannte zunächst
P.A. Levene, 1920, der die grundlegende
Zusammensetzung aus organischen Basen, Zucker und Phosphorsäure nachwies,
die räumliche Struktur der DNA wurde 1953 von Watson
und Crick
aufgeklärt (Nobelpreis 1962).

 


wc1 - Genetik und Reproduktionsbiologie

F.H.C.Crick ——– J.D. Watson 1962—–
J. Lederberg

Hier
eine Zusammenstellung der wichtigsten Stationen der Genetikgeschichte.

Chromosomen und Chromosomensatz

Die Erbinformation der Eukaryonten
ist in den Chromosomen der Zellkerne
enthalten, die genetische Information der Bakterien
liegt in einem ringförmigen
Chromosom
vor, die der Viren
frei als Strang vor.

dnas5 - Genetik und Reproduktionsbiologie

Chromosomen bestehen aus extrem aufspiralisierter DNA.

fbchr - Genetik und Reproduktionsbiologie

Die Information für die Merkmale eines Organismus
ist in Genen gespeichert. Gene sind Abschnitte auf der DNA.

In Abb. 5 sind die 46
menschlichen Chromosomen einer Zelle zu sehen. Die kurze, relativ dicke
Stäbchenform der Chromosomen ist
nur während der Metaphase der Zellteilung zu sehen, ansonsten sind
die Chromosomen lange Fäden; man nennt Sie dann Chromatinfäden.
Die nach Größe geordneten Chromosomen einer Zelle nennt man
Karyogramm.

In Abb.
6
ist der DNA-Faden eines Virus zu sehen
(Phage P2; Phagen sind Viren,
die Bakterienzellen befallen).

Lebewesen haben je nach Komplexität ( Einzeller/Vielzeller)
Hunderte bis Tausende von Merkmalen. Deshalb muß das Speichermolekül
DNA riesige Ausmaße haben, also ein Makromolekül sein.

Nachfolgend ist die DNA-Menge (Chromosomen) von Zellen
einiger Organismen aufgelistet.

dnap2 - Genetik und Reproduktionsbiologie

Man bezeichnet alle Chromosomen einer Zelle
als Genom.

OrganismusChromosom(en) /Zelle
Bakterien1 + einige kleine DNA-Ringe (= Plasmide)
Drosophila8
Plasmodium falciparum,
Malaria-Erreger (Einzeller)
14, ca. 6500 Gene
Reis24
Maus40

Mensch

46

Schimpanse48
Rind60
Pferd66
Hund78

Aufbau der DNA

Die DNA ist wie alle Makromoleküle aus Bausteinen
aufgebaut. Sie übertrifft allerdings in der Kettenlänge und
Bausteinanzahl alle bisher besprochenen Riesenmoleküle.

MakromolekülAnzahl der Bausteine/Molekül
Proteine
z. B. das Enzym Katalase

z.B. 753 Aminosäuren

Kohlenhydrate
wie Stärke (Amylopektin/Amylose)

– 4000 Glucose-Einheiten

DNA
Chromosom1 (Mensch)

250 Millionen Nukleotide

Man nennt die Bausteine der DNA
Nukleotide. In der DNA findet man wie bei
den Proteinen eine grundlegende Struktur (=Primärstruktur) und eine
spezielle räumliche Struktur (= Sekundärstruktur). Zunächst
wollen wir die Primärstruktur besprechen.

Jedes Nukleotid besteht seinerseits
aus 3 Bestandteilen:

  • einer organischen Base (B)
  • einem Monosaccharid
    (Pentose) (Z)
  • Phosphorsäure
    (P)

Man hat 4 verschiedene Basen in der DNA gefunden:
Adenin (A), Guanin
(G), Cytosin (C) und Thymin
(T). Die Nukleotide sind in 2 Ketten (Strängen) angeordnet, die sich
einander gegenüberliegen und gegenläufig sind. Dabei paaren
sich immer die gleichen Basen (= Basenpaarung
Die Sequenz der Nukleotide (und damit der Basen) ist aperiodisch. Es stehen
sich immer Adenin und Thymin – und Guanin und Cytosin gegenüber.

dnamod1 - Genetik und Reproduktionsbiologie

Die Kettenlängen der DNA verschiedener Organismen
sind nachstehender Tabelle zu entnehmen:

OrganismusBausteine
Hefe Chromosom 3350 Tausend
Escherichia coli (Bakterium) 1 DNA-Ring4.6 Millionen
größtes bekanntes Hefe-Chromosom (1/99)5.8 Millionen
gesamtes Hefe-Genom15 Millionen
kleinstes menschliches Chromosom (Y)50 Millionen
größtes menschliches Chromosom (1)250 Millionen
gesamtes menschliches Genom3 Milliarden

Die beiden Stränge sind gegenläufig.
Adenin paart sich immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin.
Bei
der A-T-Paarung findet man 2 Wasserstoffbrücken, bei der C-G-Paarung
3 H-Brücken. Die gepaarten Basen liegen in einer Ebene. DNA enthält
also gleichviel Cytosin wie Guanin und gleichviel Adenin wie Thymin. Die
Basensequenz ist aperiodisch.

dolhelix - Genetik und Reproduktionsbiologie

Als Rückgrat
des DNA-Stranges fungiert die abwechselnde Kette von Phosphat-Zucker-Phosphat-Zucker
usw. Diese Merkmale zeigen sich auch in der Sekundärstruktur der
DNA.

Das DNA-Molekül liegt räumlich
als Helix vor. Da die beiden Stränge umeinandergewunden sind, bezeichnet
man die Konformation der DNA als
Doppelhelix.
Die Eigenschaft der umeinander gewundenen Einzelstränge wird als
plektonemisch
bezeichnet. Die DNA-Helix ist
rechtsgewunden.

_dna_12b - Genetik und Reproduktionsbiologie

Sekundärstruktur und Stabilisierung

Abb. 10 zeigt einen Ausschnitt
eines DNA-Doppelstrangs von der Seite als Drahtmodell.

Dabei fällt auf, daß die gepaarten Basen
eine Ebene bilden, also gestapelt übereinander liegen. Dadurch entsteht
ein sogenannter Stacking-Effekt,
der wegen der gestapelten aromatischen Ringe der Doppelhelix eine höhere
Festigkeit verleiht.

Weiterhin wird die Doppelhelix durch Wasserstoffbrücken
zwischen den Windungen der Helices stabilisiert.

at11 - Genetik und Reproduktionsbiologie

Die Basenpaarung im Drahtmodell links zeigt die Ebene
der sich gegenüberliegenden Basen mit den beiden H-Brücken
zwischen Adenin und Thymin, die zwischen den funktionellen Gruppen der
Basen und den N-Atome sich ausbilden.

Wer sich genauer über DNA informieren möchte
siehe Klasse 13 Genetik!


Abb. 1

Friedrich Miescher
(1844-1895)

miesch2 - Genetik und Reproduktionsbiologie

Endecker der Nukleinsäure

 


Abb. 2
 

Oswald T. Avery
(1877-1955)

 

avery - Genetik und Reproduktionsbiologie
DNA ist Träger der Erbinformation

 

 

 


Abb. 3
Chromosomen

chr8 - Genetik und Reproduktionsbiologie

 


Abb. 4
 

DNA in Zellen und Viren

 

 


Abb. 5
 

Chromosomensatz

 

matchup2 - Genetik und Reproduktionsbiologie
kgrm - Genetik und Reproduktionsbiologie

karm - Genetik und Reproduktionsbiologie

 

 

 


Abb. 6
 

DNA eines Phagen (Virus)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 7
 

Nukleotid

 



nukleot1 - Genetik und ReproduktionsbiologieAlle Nukleotide sind Verwandte der Energieträger wie AMP/ADP/ATP
oder GMP/GDP/GTP. ATP und GTP sind aus dem Energiestoffwechsel
bekannt. 

 

 

 


Abb. 8
 

DNA-Modell

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 9
 

DNA-Doppelhelix

 



De beiden Stränge der DNA bilden eine Doppelschraube (Doppelhelix)In der Abbildung links ist die bisher besprochene Primärstruktur
und die Sekundärstruktur zu sehen. Dabei bilden die gepaarten
Basen die Sprossen der DNA-Leiter. 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 10
Ausschnitt
der 3-D-Molekülstruktur der DNA
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 11
Basenpaarung

 

 

 

 

Weiterführende
Quellen:

Genetik- Onlinekurshttp://vector.cshl.org/dnaftb/asp/splashtable.asp
Einführung in die DNA-Struktur
DNA-Animationen
http://www.blc.arizona.edu/Molecular_Graphics/DNA_Structure/
DNA_Tutorial.HTML
http://www.kadets.d20.co.edu/
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