Molekulargenetik: Zusammenfassung

blmgen - Molekulargenetik: Zusammenfassung
1.1Nukleinsäuren,
DNA/RNA
 1.1.1
1.1.2
1.1.3
DNA als Erbsubstanz
Aufbau der DNA: Bausteine,
Basenpaarung, Doppelhelix, Nachweis,
Transformation
Aufbau und Vorkommen der RNA
1.2Informationsweitergabe; Replikation und Mitose
 1.2.1
1.2.2
Zellzyklus, Mitose,
Struktur des Metaphasenchromosoms;
vegetative Vermehrung, Klonierung
Semikonservative Replikation;
Zentrifugation
1.3Proteinbiosynthese;
Transkription, Translation
 1.3.1
1.3.2
Realisierung der genetischen Information;
Transkription
, Reifung der
m-RNA
,
Genetischer Code, Codone, Codogene,
Anticodone,
Ribosomen,
Translation, Proteinsynthese,
Signalhypothese
1.4Mutationen,
Mutagene
 1.4.1Genmutation, Ursachen und Auswirkungen
von Basenmutationen, DNA-Reparatur
1.5Genetik
von Bakterien und Viren
 1.5.1
1.5.2
1.5.3
Bakteriengenom, Regulation
der Genaktivität
, Konjugation
und Rekombination bei Bakterien
, Plasmidübertragung,
Antibiotikawirkung und Resistenz
Bau und Vermehrung von Viren, Transduktion
1.6Gentechnologie
1.6.1Gentechnologie I: Plasmidtransfer,
Restriktionsenzyme, DNA-Hybridisierung
, Gentechnologie
II: Gelelektrophorese, Mikroinjektion,
Elektroporation, Genpistole, Ti-Plasmid
, Gentechnik
bei Pflanzen, Novel Food;
Gentechnologie III: gentechnische
Methoden, gentechnisch hergestellte Medikamente, Gentherapie
,
Gentechnologie IV: Klonierung, monoklonale
Antikörper
; Gentechnologie V: Therapeutisches
Klonen, Stammzellen
1.7Glossar Molekulargenetik
 

3d2 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

Quellen zu 3D-Molekülanimationen Online

 

 

1.1 Nukleinsäuren,
DNA = Desoxyribonukleinsäure Teil I

1.1.1 DNA als Erbsubstanz

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 - Molekulargenetik: Zusammenfassung
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 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

Chromosomen bestehen aus extrem aufspiralisierter
DNA.

fbchr - Molekulargenetik: Zusammenfassung

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 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

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

1.1.2 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 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

    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 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

    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.

    Da es 4 verschiedene Basen gibt, kennt man 4 unterschiedliche
    Strukturformeln der Nukleotide:

    damp1 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

    In Abb. 11 ist das
    Nukleotid dAMP zu sehen, mit
    dem vollen Namen 2 –
    Desoxy-Adenosin-Monophosphat.
    Die Phosphorsäure ist in 5´-Stellung mit der 2-Desoxy-Ribose
    verbunden. Die in der DNA vorkommende Pentose ist eine Ribose, der
    der Sauerstoff in Position 2 fehlt. Die organische Base in der Abbildung
    links ist Adenin, ein Abkömmling
    des Purins. Die Base ist in 1´-Stellung mit der 2-Desoxy-Ribose
    verbunden.

    Eine Verbindung von Base und Zucker bezeichnet
    man als Nukleosid,
    also hier Adenosin.

    Diese Basen sind alle aromatische
    Heterozyklen, also Aromaten,die im Ring statt C noch andere Atome,
    in diesem Fall N haben. Die freien Elektronenpaare der N-Atome sorgen
    für die Basizität dieser Stoffe.

    Die anderen Nukleotide unterscheiden sich demnach
    nur durch das Vorkommen anderer Basen. In Abb.
    10
    sind alle Basen der DNA abgebildet. Das Nukleotid mit
    Guanin nennt man 2-Desoxy-Guanosin-Monophosphat
    (dGMP).

    dgmp - Molekulargenetik: Zusammenfassung

    Auch Guanin leitet sich vom Purin
    ab. Die restlichen Nukleotide mit den Basen
    Thymin heißen


    2-Desoxy-Thymidin-Monophosphat (dTMP)

    und mit Cytosin


    2-Desoxy-Cytidin-Monophosphat (dCMP).

    Die Basen Cytosin
    und Thymin leiten sich vom
    aromatischen Heterozyklus Pyrimidin ab, deshalb werden sie auch
    Pyrimdinbasen genannt im Unterschied
    zu Adenin
    und Guanin
    als Purinbasen.

    pp2 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

    Alle Nukleotide sind Verwandte der Energieträger
    wie AMP/ADP/ATP oder GMP/GDP/GTP. ATP und GTP sind aus der Dissimilation
    bekannt.

     


Abb. 1

Friedrich Miescher
(1844-1895)

miesch2 - Molekulargenetik: ZusammenfassungEntdecker der Nukleinsäuren 

 


Abb. 2
 

Oswald T. Avery
(1877-1955)

 

avery - Molekulargenetik: Zusammenfassung
DNA ist Träger der Erbinformation

 

 

 

 


Abb. 3
Chromosomen

chr8 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

 

 


Abb. 4
 

DNA in Zellen und Viren

 

 


Abb. 5
 

Chromosomensatz

 

matchup2 - Molekulargenetik: Zusammenfassung
kgrm - Molekulargenetik: Zusammenfassung

karm - Molekulargenetik: Zusammenfassung

 

 

 


Abb. 6
 

DNA eines Phagen (Virus)

 

 

 

 

 

 


Abb. 7
 

Nukleotid

 



nukleot1 - Molekulargenetik: ZusammenfassungAlle 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

 



Die 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
 

organische Basen der DNA

 



obasen1 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

 


Abb. 11
 

dAMP

 


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Abb. 12
 

dGMP

 


 


Abb. 13
 

dTMP

 


dTMP1 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

 


Abb. 14
 

dCMP

 


dcmp1 - Molekulargenetik: Zusammenfassung

 

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