Zellbiologie. 1 Kennzeichen von Leben. 2 Evolution - 1 -

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1 - 1 - Zellbiologie 1 Kennzeichen von Leben Die naturwissenschaftliche Definition von Leben ist eine Beschreibung von charakteristischen Merkmalen, die in ihrer Gesamtheit ein Lebewesen ausmachen. Dazu zählen: Nahrungsaufnahme Stoffwechsel Wachstum Aufbau von Körpersubstanz Fortpflanzung Selbstreplikation Reaktion auf Außenreize Informationsaustausch Fähigkeit zur Evolution Fähigkeit zur Anpassung an eine sich ändernde Umwelt Einige dieser Merkmale finden sich auch bei technischen, physikalischen und chemischen Systemen. Es gibt organische Systeme, die nicht alle Kriterien des Lebens erfüllen, z.b. Viren und Prionen, die aber die Funktion von Zellen und Organismen stark beeinflussen. Was Leben ist, was sein Wesen ausmacht, ist eine Frage, mit der sich sowohl die Natur- als auch die Geisteswissenschaften beschäftigen. In vielen philosophischen und religiösen Denkanschauungen zeichnet sich alles Lebendige durch eine durch eine ziel-gerichtet formende Lebenskraft (vis vitalis) oder Seele aus. Eine allgemeinverbindliche Definition des Begriffes Leben existiert nicht. Deswegen tritt an die Stelle einer allgemeingültigen Definition eine Vielfalt von Auffassungen, die unter anderem durch Weltanschauung, Religion und Moral beeinflusst wird. 2 Evolution Die Vielfalt der Lebewesen wird in der Biologie als Resultat der Evolution (lateinisch evolvere: hervorrollen) angesehen, d.h., die heute auf der Erde lebenden Organismen haben sich aus ihren Vorfahren entwickelt. Damit verbunden war die Entstehung neuer Arten und neuer Großgruppen von Organismen. Durch die Evolution lassen sich alle Lebewesen der Erde direkt auf einen einzigen Ursprung des Lebens zurückführen und sind daher miteinander verwandt. Tabelle 1.1: Veränderung des O 2 -Gehalts der Atmosphäre im Verlauf der Evolution Zeit in Jahren O 2 (%) Entstehung der Metazoen Entstehung moderner Eukaryoten Beginn der oxigenen Photosynthese durch Cyanobakterien 3500 Spuren Entstehung erster Lebensformen 4000 Spuren Entstehung von organischem Material durch photochemische Prozesse 4500 Spuren Entstehung der Erde

2 - 2 - Es wird vermutet, dass die Urzeugung in Form von einfachen Bakterien vor ungefähr 4 Milliarden Jahren stattfand. In dieser Zeit befand sich in den Gewässern der Erde organische Verbindungen, die auf abiotischem Weg entstanden waren. Die Atmosphäre war in dieser Zeit (90% N 2, 8% CO 2, 1% NH 3, 1% CH 4 ) ganz anders zusammengesetzt als heute (79% N 2, 21%O 2 ), wodurch auf der Erdoberfläche sehr viel höhere Temperaturen herrschten. Die Atmosphäre einer unbelebten Erde würde heute zu 98% aus CO 2 und zu 2% aus O 2 bestehen, was eine Oberflächentemperatur von ungefähr 300 C zur Folge hätte (Odum, 1999). Die heute auf der Erde herrschenden Umweltbedingungen sind somit das Resultat von biologischen Prozessen. Die wichtigsten Faktoren der Evolution sind die Entstehungen von Mutationen (Veränderungen des Genoms) und die Vorgänge der natürlichen Auslese von vorteilhaften Eigenschaften (Selektion). Diese Prozesse ermöglichen eine Anpassung der Arten an sich ändernde Umweltbedingungen bzw. das Erschließen von neuen Lebensräumen. Die Evolutionstheorie wurde 1859 von Charles Darwin in The Origin of Species erstmals grundlegend dargestellt. Sie basiert auf der vergleichenden Anatomie, mit der sich schon Johann Wolfgang von Goethe ( ) intensiv auseinander gesetzt hatte. Trotz großer Wissenslücken ist die Evolutionstheorie heute die einzige Erklärungsmöglichkeit der Artenvielfalt auf naturwissenschaftlicher Basis. Tabelle 1.2: Zusammensetzung der Erdatmosphäre mit und ohne Leben Mit Leben Ohne Leben CO 2 0,03% 98% N 2 79% 2% O 2 21% Spur Temperatur (ºC) Druck (bar) Die drei Domänen der Lebewesen Ursprünglich wurde nur das Tier- und Pflanzenreich unterschieden. Später bekamen auch die Bakterien, Protisten und Pilze ihr eigenes Reich. Durch molekulargenetische Untersuchungen kam es in den letzten Jahren zu einer neuen Einteilung, wobei die Domäne als höchste Ordnungseinheit eingeführt wurde, die auf dem Ausmaß der Unterschiede in der ribosomalen RNA (rrna) basiert. Die Einteilung der Lebewesen erfolgt heute durch ein System mit folgenden 3 Domänen: 1. Bacterien (Bakteria, Prokaryoten, d.h. ohne Zellkern) 2. Archaeen (Archaea, Prokaryoten, d.h. ohne Zellkern) 3. Eukaryoten (Eukarya, d.h. mit Zellkern)

3 - 3 - Abb. 1.1: Phylogenetischer Stammbaum aller Lebewesen nach Sequenzvergleichen der rrna. Die Strichlängen sind dem phylogenetischen Abstand proportional (CYPIONKA, 2005). 4 Die vier Reiche der Eukaryoten Ziel der Systematik ist es, die Organismen in ein natürliches System entsprechend ihrer stammesgeschichtlichen (phylogenetischen) Verwandtschaft einzuordnen. Im Gegensatz dazu stehen künstliche Systeme, die als systematische Kategorien zusätzlich Verwendung finden, z.b. die Einteilung nach Größe (Mikro-, Meso-, und Makrofauna), dem Ort (Bodenfauna, Waldinsekten), dem Nutzen (Nutztiere, Schadinsekten) oder der Nahrung (Pflanzenfresser, Fleischfresser). Die Benennung einer Art (z.b. Lumbricus terrestris) erfolgt mit Hilfe der binären Nomenklatur, die aus dem Gattungsnamen (z.b. Lumbricus) und dem Artbeiwort (z.b. terrestris) besteht und in dieser Form 1758 von LINNÉ eingeführt wurde. Da nach der Evolutionstheorie alle Tiere miteinander verwandt sind und es historisch, aber auch aktuell zahlreiche Übergangsformen gibt sind die Grenzen zwischen den verschiedenen Zuordnungseinheiten nicht frei von Willkür und Gegenstand zahlreicher, z.t. erbitterter Diskussionen. Das ist auch der Grund dafür, dass es in der systematischen Zuordnung von Organismen laufend Veränderungen gibt und die derzeitige Form auch Zukunft weiteren Veränderungen unterworfen sein wird. Die Domäne der Eukaryoten wird zurzeit in 4 Reiche gegliedert 1. Protisten (Protozoen, Algen, Schleimpilze, Eipilze) 2. Pilze 3. Pflanzen 4. Tiere

4 - 4-5 Die Zelle Die Zelle ist der Grundbaustein aller Organismen. Zellen können nur aus Zellen hervorgehen. Die wesentlichen Grundelemente aller Zellen sind: Cytoplasmamembran: elastisch verformbare, häutchenartige Struktur, die die lebende Zelle umgibt und ihr inneres Milieu aufrechterhält. Cytoplasma: Zellflüssigkeit mit ihren kolloidalen Bestandteilen DNA: Desoxyribonucleinsäure speichert die Erbinformation. RNA: Ribonucleinsäure übersetzt die Erbinformation in die Proteinsynthese. Enzyme: Proteine (Eiweiße), welche eine chemische Reaktion im Stoffwechsel katalysieren. 5.1 Aufbau einer Prokaryotenzelle Die Zelle von Prokaryoten ist klein (0,5 2 µm), einfach aufgebaut und hat keinen von einer Membran umschlossenen Zellkern, aber auch keine Zellorganellen wie Mitochondrien oder Plastiden (Abb. 1.2). Im Cytoplasma befindet sich als Kernäquivalent (Nucleoid) eine ringförmig geschlossene DNA, das Bakterienchromosom. Die Ribosomen der Prokaryotenzellen sind kleiner (70S, S = Svedberg-Einheit = Maßeinheit der Sedimentationsgeschwindigkeit in einer Zentrifuge) als die der Eukaryoten-Zellen (80S). Ribosomen sind Protein-RNA-Komplexe im Cytoplasma mit der Aufgabe Proteine herzustellen. Das Cytoplasma ist von einer Zellwand umgeben, und bei einigen Bakterien auch von einer äußeren Membran (nur gramnegative Bakterien). Abb. 1.2: Aufbau von Prokaryotenzellen (CYPIONKA, 2005) Abb. 1.3: Größenvergleich prokaryotische und eukaryotische Zelle (CYPIONKA, 2005) 5.2 Aufbau einer Eukaryotenzelle Die Zelle von Eukaryoten ist relativ groß (5 µm 1 mm) (Abb. 1.3) und hat einen von einer Membran umgebenen Zellkern (Nucleus, Karyon) (Abb. 1.3 und 1.4). Die Ribosomen der Eukaryotenzellen sind gößer (80S) als die der Prokaryoten-Zellen (70S) (Abb. 1.5).

5 - 5 - Abb. 1.4: Aufbau von Eukaryotenzellen (CYPIONKA, 2005) 5.3 Zellorganellen Die eukaryotische Zelle weist eine ganze Reihe von charakteristischen Organellen ("Orgänchen") auf. Das sind von einer Membran umschlossene, funktionelle Untereinheiten: Zellkern (Nucleus): Im Zellkern liegt das Erbgut (Chromosomen) der Zelle. Der Nucleolus (Kernkörperchen) ist eine häufig deutlich sichtbare funktionelle Untereinheit des Zellkerns, in dem die Ribosomen zusammengesetzt werden. Centrosomen (Zentralkörperchen) spielen eine wichtige Rolle bei der Organisation des Zellskeletts aus Mikrotubuli und sind an der Ausbildung des mitotischen Spindelapparats beteiligt sind. Endoplasmatisches Retikulum (ER): Das ER ist ein reich verzweigtes System flächiger Hohlräume (Zisternen). Das raue ER ist mit zahlreichen Ribosomen besetzt und dadurch Bildungsort von Membran- und Sekretproteinen. Das glatte Er ist Ort der Lipidsynthese und der chemischen Modifikation von Proteinen. Dictyosome (Golgiapparat) sind Membranstapel, die membran-umgebene Bläschen abschnüren (Microbodies, z.b. Peroxisomen und Lysosomen), Sekrete und andere Zellbestandteile bilden Als Golgi-Apparat wird die Gesamtheit aller Dictyosomen bezeichnet. Mitochondrien dienen der Zellatmung, d.h., unter O 2 -Verbrauch wird ATP (Adenosintriphosphat) als universelle Energiewährung der Zelle hergestellt. Sie verfügen über ein eigenes ringförmiges Genom und eigene 70S Ribosomen. Peroxisomen enthalten Enzyme, die Sauerstoffradikale abbauen. Lysosomen enthalten hydrolytische Enzyme, die aufgenommene Fremdstoffe verdauen. Verwandte Strukturen (aber keine Zellorganellen im engeren Sinne) sind: Mikrotubuli sind Hohlstäbchen als internes Zellskelett. Mikrofilamente sind kontraktile Elemente Ribosomen dienen der Proteinsynthese (Translation).

6 - 6 - Abb. 1.5: 80S Ribosomen (links) und 70S Ribosomen (rechts) 5.4 Vergleich von Tier- und Pflanzenzellen Eine Pflanze ist photoautotroph und osmotroph, d.h., sie gewinnt Energie aus Licht und nimmt Nährstoffe in gelöster Form auf. Ein Tier ist heterotroph und frisst, d.h., es gewinnt Energie aus dem Abbau von organischer Substanz, die es als Partikel aufnimmt. Pflanzliche und tierische Zellen weisen einige charakteristische Unterschiede auf. Charakteristische Elemente von Pflanzenzellen Centrosomen ohne Centriolen Glyoxisomen sind Microbodies und ermöglichen die Nutzung von Fetten zum Aufbau von Biopolymeren. Plastiden Chloroplasten sind der Ort der Photosynthese. Sie verfügen über ein eigenes ringförmiges Genom und eigene 70S Ribosomen. Leukoplasten speichern Fette oder Kohlenhydrate. Sie befinden sich in den Speicherorganen der Pflanzen, also in Früchten, Teilen der Sprossachse oder in unterirdischen Reserveorganen (Speicherwurzeln, Knollen, Rhizomen). Chromoplasten enthalten Carotine und färben Pflanzenteile gelb, orange oder rot. Vakuolen (auch zentrale Vakuole oder Zellsaftraum genannt) sind flüssigkeitsgefüllte Räume, die durch Membranen vom Zellplasma abgegrenzt sind (Reaktions-, Vorrats-, Transport- und Abladekompartimente). Im Inneren der Vakuole befindet sich der Zellsaft, der im Gegensatz zum Cytoplasma sehr wenig Proteine enthält. Zellwände geben der Zelle Stabilität. Sie bestehen aus unlöslichen Cellulosefibrillen, die in eine Matrix aus Pektinen und Hemicellulosen eingebunden sind. Die Zellwand ist durchlässig für gelöste Stoffe. Mittellamellen verkleben benachbarte Zellen. In sie wird beim verholzen Lignin eingelagert. Tierspezifische Zellorganellen Centriolen, das sind zylinderförmige Strukturen in den Centrosomen. Intermediärfilamente erhöhen die mechanische Stabilität des Zellskeletts.

7 Endosymbiontentheorie Die Endosymbiontentheorie besagt, dass eine Reihe von Zellorganellen in den Zellen von Eukaryoten durch Einverleiben oder Fusion von verschiedenen Organismen entstanden seien. Die Endosymbiontentheorie geht davon aus, dass sich Mitochondrien und Chloroplasten sich aus eigenständigen Prokaryoten entwickelt haben. Im Verlauf der Evolution sind diese Prokaryoten eine Endosymbiose mit einer eukaryotischen Zelle eingegangen, das heißt sie leben in ihrer Wirtszelle zum gegenseitigen Vorteil. Auch heute noch kann man beobachten, dass einige Protozoen (also solche mit einer weichen Membran) Cyanobakterien aufnehmen ohne sie zu verdauen. Chloroplasten und Mitochondrien haben wie Prokaryoten Ribosome vom 70S-Typ. Ein naher verwandter Organismus ist das Bakterium Rickettsia prowazeki (Erreger des Fleckfiebers), das in Zellen eindringen kann. 5.6 Aufbau einer Biomembran Eine Biomembran ist eine geschlossene "Blase" aus einer Lipid-Doppelschicht. Sie bildet also nach innen und außen eine geschlossene, hydrophile (wasserliebende) Oberfläche. Abb. 1.6: Schema einer Lipid-Doppelschicht Die Bausteine der Lipid-Doppelschicht sind Phospholipide. Das sind Moleküle aus Phosphat, Glycerin und zwei Fettsäuren. Das Glycerin ist mit den Fettsäuren und dem Phosphat verestert. Das Phosphat wiederum ist mit kleinen, stark polaren Molekülen wie Ethanolamin, Serin oder Cholin verestert. Abb. 1.7: Schema eines Phospholipids 5.7 Transportmechanismen durch Biomembranen

8 - 8 - Abb. 1.8: Schematisierte Darstellung der Möglichkeiten der Zelle mit der Umgebung Stoffe auszutauschen, 1 bezeichnet das Zellinnere, 2 das Zelläußere; weitere Beschreibung im Text. 5.7 Transmembran-Transport Diffusion Lipohile (fett liebende) und kleine, ungeladene, aber polare Moleküle wie z.b. H 2 O-Moleküle können durch Diffusion in die Zelle gelangen oder diese verlassen. Dabei folgen sie immer dem Konzentrationsgefälle, um dieses auszugleichen. Ist die Konzentration innerhalb und außerhalb der Zelle gleich, stellt sich ein Fließgleichgewicht ein. (Abb. 1.8, A). Beim passiven Transport überwinden Moleküle die Zellmembran ohne jegliche Zuführung von Energie von außen oder von der Zelle Passiver Transport Beim passiven Transport überwinden Moleküle die Zellmembran ohne jegliche Zuführung von Energie in Richtung eines Konzentrations- oder Potenzialgefälles. Der passive Transport ist ein Spezialfall der Diffusion, da hier auch größere Ionen und Moleküle, wie Zucker oder Aminosäuren, für die die Zellmembran unüberwindlich ist, mit Hilfe von Membrantransport- Proteinen von einer Seite auf die andere befördert werden. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: Ionenkanal und Carrier. Ionenkanäle werden von Transmembranproteinen gebildet, die die Membran tunnelartig durchspannen. Zum Inneren des Kanals hin tragen sie polare Aminosäuren. Dadurch können

9 - 9 - kleine polare oder geladene Teilchen wie Ionen in die Zelle gelangen. Verschiedene Kanäle weisen eine unterschiedliche Spezifität für bestimmte Ionen oder Moleküle auf. Die meisten Kanäle öffnen sich erst auf ein bestimmtes Signal hin. Sind die Kanäle einmal offen, diffundieren die Moleküle ohne weiteren Einfluss von der Seite mit höherer Konzentration zu der mit niedrigerer Konzentration, bis der Konzentrationsausgleich erreicht ist oder sich die Kanäle wieder schließen (Abb. 1, B). Carrier-Proteine sind auf bestimmte Moleküle spezialisiert, die für diese eine Bindungsstelle haben. Wenn sich der Carrier mit dem Substrat verbindet, ändert er seine Konformation, das ist die spezifische räumliche Anordnung der drehbaren Bindungen an den Kohlenstoffatomen. Durch diese Umlagerung wird das betreffende Molekül durch die Membran geschleust und auf der anderen Seite freigesetzt (Siehe: Abb. 1.8, E). Jeder zu transportierende Stoff ist auf seinen entsprechenden Carrier angewiesen. Während manche nur ein Molekül auf einmal befördern können (Uniport) haben andere Bindungsstellen für 2 verschiedene Moleküle. Sie ändern ihre Konformation erst dann, wenn beide Bindungsstellen besetzt sind. Der Transport erfolgt für beide Moleküle in der gleichen (Symport) oder in entgegen gesetzter Richtung (Antiport) (Siehe Abb. 1.9). Abb. 1.9: Schematische Darstellung von Uniport (I), Symport (II) und Antiport (III). M bezeichnet die Zellmembran Aktiver Transport Während beim passiven Transport Moleküle die Membran eigenständig und ohne Energieverbrauch entsprechend dem Konzentrationsgefälle überwinden, kann der aktive Transport auch gegen dieses Gefälle stattfinden, verbraucht dann aber Energie. Die benötigte Energie wird in Form von ATP zur Verfügung gestellt. Es gibt primären und sekundären aktiven Transport. Beim primär-aktiven Transport wird ein Ion durch eine so genannte Ionenpumpe von der Seite der niedrigeren auf die Seite der höheren Konzentration gepumpt. Die Energie entstammt der Hydrolyse von ATP zu ADP und anorganischem Phosphat (Abb. 1.8, D). Ein wichtiger primär-aktiver Transport ist die Na-K-Pumpe, das ist ein in die Zellmembran integriertes Protein, das drei Na-Ionen aus der Zelle hinaus pumpt und im selben Zyklus zwei K-Ionen in die Zelle hinein pumpt. Dabei wird ein Na-Konzentrationsgradient aufgebaut.

10 Der sekundär-aktive Transport nutzt die Energie eines Konzentrationsgradienten aus, der durch primär-aktiven Transport erzeugt wurde, um passiv ein zweites Substrat gegen dessen Konzentrationsgradienten in gleicher Richtung (Symport, z.b. Na-Glukose-Symport) bzw. in entgegen gesetzter Richtung (Antiport, z.b. Ca-Na-Antiport) zu transportieren (Abb. 1.8, C). 5.8 Membran-verlagernder Transport Endocytose Als Endocytose bezeichnet man einen Einstülpungsvorgang der Zellmembran, bei dem sich eine Zelle einen Flüssigkeitstropfen, bestimmte darin gelöste Substanzen oder größere Nahrungsteilchen einverleibt. Am Ende des Einstülpungsvorgangs wird eine Nahrungsvakuole ins Zellinnere abgeschnürt und gelangt in die Zelle (Abb. 1.8, F). Es lassen sich zwei verschiedene Formen der Endocytose unterscheiden: Phagocytose ("Zellfressen"), d.h. Aufnahme von festen Partikeln Pinocytose ("Zelltrinken"), d.h. Aufnahme einer Lösung Exocytose Die Exocytose ist ein Vorgang, bei dem Stoffe aus der Zelle an die Zellumgebung abgegeben werden. Diese Stoffe können entweder in der Zelle gebildet werden oder unverdauliche Überreste aus der Zellverdauung sein. Grundsätzlich verschmilzt bei der Exocytose immer ein Transportvesikel (Exosom) mit der Zellmembran (Siehe: Abb. 1, G). Das Exosom besitzt eine einfache Lipiddoppelschicht (Biomembran) als äußere Umhüllung, aus welcher auch die Zellmembran besteht. Die meisten Exocytosen sind mit einer Endocytose verbunden (Exocytose-gekoppelte-Endocytose). Diese ist notwendig um zu verhindern, dass die Zellmembran sich ungehindert vergrößert. Auf der anderen Seite spart sich die Zelle hiermit auch die Neusynthese von Transportvesikeln und den zugehörigen Membranproteinen.

11 Genetik 1 Chromosomen und Zellteilung 1.1 Reproduktion von prokaryotischen Zellen (Bakterien, Archaeen) Ein innerer oder äußerer Reiz (Signal), z.b. ein umfangreiches Angebot an organischem Substrat löst die Reproduktion von Zellen aus. Zuerst erfolgt die Replikation, d.h. Verdoppelung der DNA und anderer Zellbestandteile, dann die Segregation, d.h. Verteilung der replizierten DNA auf die beiden Zellen. Durch Cytokinese erfolgt die endgültige Trennung (Spaltung) der Zellen. Bei der Cytokinese erfolgt ein weiterer Aufbau von Membran- und Zellwandbestandteilen. Aus einer Mutterzelle entstehen zwei identische Tochterzellen. 1.2 Reproduktion von eukaryotischen Zellen Bei eukaryotischen Zellen ist die Zellteilung komplizierte, da sich erst der Zellkern teilen muss. Die Zellkernteilung einer eukaryotischen Zelle wird als Mitose bezeichnet. Der Zellkern enthält das Genom als DNA, dessen Länge beim Menschen 2 m erreicht. Der Durchmesser des Zellkerns beträgt ca. 5 µm. Für die Zellteilung wird die Packungsdichte noch erhöht, dabei wird das Genom aufgeteilt auf Chromosomen sichtbar. Chromosomen (= Farbkörper ) sind Strukturen, die Gene und damit die Erbinformation der eukaryotischen Zelle enthalten. Sie bestehen aus DNA, die mit vielen Proteinen verpackt ist. Dieser DNA-Proteinkomplex wird als Chromatin bezeichnet. Abb. 1.1: Verschiedene Betrachtungsebenen und Phasen der Chromosomenkondensation. (1) DNA-Doppelhelix; (2) 10 nm DNA-Faser; (3) schematisierter Chromatinfaden mit Centromer in der Interphase vor der DNA-Verdopplung; (4) kondensiertes Chromatin in der Prophase nun aus zwei Chromatiden bestehend, weil sich die DNA verdoppelt hat; (5) Metaphasechromosom. Die Abbildungen (3)-(5) sind rein schematisch, um die Anzahl der Chromatiden während verschiedener Phasen des Zellzyklus wiederzugeben. Ein Centromer ist die primäre Einschnürungsstelle eines Chromosoms. Eine Chromatide ist ein einziger DNA-Strang, der in Ein- oder Zweizahl ein Chromosom aufbaut.

12 Interphase Der Zellzyklus besteht aus der Interphase und der eigentlichen Mitose. Die Interphase ist der Zeitraum zwischen zwei Kernteilungen (Mitosen). Die Interphase kann wiederum in 3 Phasen unterteilt werden: (1) In der G1-Phase (G von engl. gap = Lücke) erfolgt im wesentlichen Zellwachstum und Bildung von Organellen. Der Zellkern ist zu erkennen und jedes Chromosom besteht aus einer Chromatide. (Erfolgt eine Spezialisierung zu einer Dauerzelle, z.b. Nervenzelle, geht diese in die G0-Phase über und es findet keine Zellteilung mehr statt.) (2) In der nachfolgenden S-Phase (S = Synthese) findet die Verdopplung der Chromatiden statt (Replikation des Genoms). (3) In der G2-Phase schließlich erfolgt weiteres Wachstum durch Bildung von Proteinen und RNA. Dadurch wird die nächste Mitose vorbreitet. Die Mitose Die 5 Phasen der Mitose (1) Prophase: Das Chromatin spiralisiert sich auf. Schließlich erfolgt die Kondensation der DNA zu sichtbaren Chromosomen. Ein Chromosom besteht aus zwei identischen Chromatiden. (2) Prometaphase: Die Kernhülle löst sich auf. Mikrotubuli (Proteinfasern) erscheinen und verknüpfen Chromosomen bzw. Chromatiden mit den Centrosomen. Diese sind nur In Zellen von Tieren vorhanden. Sonst übernehmen andere Zellbestandteile diese Funktion. (3) Metaphase: Alle Chromosomen sind mit ihrem Centromer in der Ebene der Äquatorialplatte angeordnet. Am Centromer werden die Chromatiden zusammengehalten. (4) Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich zu Tochterchromosomen. Diese werden zu den Centrosomen gezogen. (5) Telophase: Die Wanderung der Tochterchromosomen ist beendet. Der Abbau vom Spindelapparat beginnt. Die Chromosomen entspiralisieren sich, und die Kernhülle wird durch eine Membran neugebildet. Nachdem die Mitose ist abgeschlossen, es folgt die vollständige Trennung der Zellen durch Cytokinese. Abb. 1.2: Schematische Darstellung des Zellzyklus I: Interphase II: Prophase III: Prometaphase IV: Metaphase V und VI: Anaphase, VII: Telophase VIII Cytokinese

13 Die Mitose wird auch als ungeschlechtliche bzw. asexuelle oder auch vegetative Fortpflanzung bezeichnet. Sie ist damit quasi eine Clonierung führt zu genetischer Beständigkeit. Bei einzelligen Eukaryoten (z.b. Protozoen oder Algen) ist die Mitose der Regelfall bei der Vermehrung, aber auch bei vielen Vielzellern können da Mitose neue Individuen entstehen. Mitose 2 Sexuelle Vermehrung und genetische Rekombination 2.1 Sexuelle Vermehrung Im Gegensatz zur Mitose führt die sexuelle Vermehrung zu genetischer Vielfalt. Die geschlechtliche Vermehrung basiert auf der Meiose als Teilungsverfahren der Zellen. Diese wird auch als Reifeteilung oder als Reduktionsteilung bezeichnet, weil der Chromosomensatz halbiert wird. Bei der geschlechtlichen Vermehrung bedarf es daher zweier Elternteile und einem in der Regel diploiden (2n) Chromosomensatz. Dieses sind Paare homologer Chromosomen mit sich entsprechenden, aber nicht identischen Informationen. Nachkommen sind sowohl von den Eltern als auch untereinander genetisch verschieden. Bei der Trennung der homologen Chromosomen in einfache Chromosomensätze bilden sich Gameten (1n, haploid). Bei der Fusion (Befruchtung) haploider Gameten bildet sich eine Zygote (2n, diploid. Die Meiose ermöglicht eine Rekombination des Erbguts mütterlichen und väterlichen Ursprungs. Das erhöht die genetische Vielfalt innerhalb der Population und damit die Anpassungsfähigkeit und ermöglicht eine schnellere Evolution im Vergleich zu asexuellen Organismen. Bei der Rekombination werden homologen Gene erst voneinander getrennt und dann in ganz neuen Kombinationen wieder zusammengesetzt. Das kommt erstens daher, dass homologe Chromosomen zumeist zufällig den beiden Tochterzellen zugeteilt werden. Zweitens kommt es im Verlauf der Meiose auch zu einem Austausch von Teilen homologer Chromosomen (Crossing-over). Der damit verbundene Wechsel zwischen einer haploiden und einer diploiden Phase tritt in drei Varianten auf: (1) Diplonten (z.b. Blütenpflanzen, Tiere, Mensch): Nur die Gameten sind haploid, der reife Organismus ist diploid. Nach der Befruchtung bildet die Zygote durch Mitose den reifen Organismus. Der reife Organismus bildet durch Meiose Gameten. (2) Haplonten (z.b. Zygomycota: Rhizopus): Nur die Zygote ist diploid, sonst sind alle Zellen haploid. Nach der Befruchtung durchläuft die Zygote die Meiose, Produkte sind Sporen. Sporen bilden durch Mitose den Organismus. Durch Mitose spaltet der reife Organismus männliche und weibliche Gameten ab. (3) Diplo-Haplonten (z.b. Farne und Moose): Kennzeichnend ist ein Generationswechsel zwischen einer diploiden und einer haploider Lebensform. Nach der Befruchtung bildet die Zygote durch Mitose den Sporophyten. Diese bilden dann durch Meiose Sporen. Diese bilden durch Mitose Gametophyten. Diese bilden schließlich durch Mitose Gameten.

14 Meiose Meiose I (1. Reifeteilung oder Reduktionsteilung): Hier wird der Chromosomensatz der diploiden Zelle reduziert. Die Phasen der Meiose I sind: Frühe Prophase 1: Nach der DNA-Replikation spiralisiert sich das Chromatin auf. Späte Prophase 1 mit Crossing-over. Die beiden homologen Chromosomen, die jeweils aus zwei Schwester-Chromatiden bestehen, ordnen sich in Form einer Tetrade an (Abb. 2.1). Zwischen zwei benachbarten Nichtschwester-Chromatiden bildet sich ein Chiasma (Überkreuzung) aus. Die Nichtschwester-Chromatiden brechen am Chiasma und tauschen die Fragmente aus, wodurch rekombinante Chromatiden entstehen. Prometaphase: Die Kernhülle löst sich auf. Metaphase 1: Homologe Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an. Anaphase 1: Die homologen Chromosomen bewegen sich zu den Polen. Telophase 1: Es bilden sich neue Zellkerne und die Zellen teilen sich. Abb. 2.1: Crossing-over Meiose II (2. Reifeteilung oder Äquationsteilung): Diese Phase ähnelt einer normalen Mitose, nur dass hier ein haploider Chromosomensatz vorliegt. Ansonsten werden die Chromosomen in den normalen Zellkernteilungsphasen voneinander getrennt. Die Phasen der Meiose II sind: Prophase 2: Das Chromatin spiralisiert sich wieder auf. Metaphase 2 Centromere ordnen sich in die Äquatorialplatte an Anaphase 2: Die Schwesterchromatiden trennen sich zu Tochterchromosomen. Telophase 2: Es bilden sich neue Zellkerne und die Zellen teilen sich. Abb. 2.2: Das Prinzip der zwei Teilungsschritte Da die Meiose zwei Teilungsschritte durchläuft und jeder einzelne Schritt zwei Tochterzellen entstehen lässt, liegen nach der abgeschlossenen Meiose vier haploide Tochterzellen vor.

15 Sonderfälle der sexuellen Vermehrung Parthenogenese Bei der Parthenogenese (Jungfernzeugung) entstehen die Nachkommen aus unbefruchteten Eizellen. Manche Pflanzen und weibliche Tiere, wie z. B. die Blattlaus, aber auch manche Fisch- und Eidechsenarten, können sich eingeschlechtlich fortpflanzen, d.h., ohne von einem männlichen Artgenossen befruchtet zu werden. Der Parthenogenese kann entweder eine Meiose mit Eizellenbildung vorausgehen, oder sie kann direkt über diploide Keimbahnzellen ablaufen. In diesem Fall findet keine Rekombination statt und die entstandenen Nachkommen sind Klone ihrer Mutter. Polyploidie Als Polyploidie wird das Phänomen bezeichnet, dass manche Arten mehr als zwei Sätze von Chromosomen in den Zellen zu besitzen. So ist der Weichweizen (Triticum aestivum L.) hexaploid (sechs Chromosomensätze). Der Hartweizen (Triticum durum L.) und der Emmer (Triticum dicoccon L:) sind dagegen nur tetraploid (vier Chromosomensätze). 3 Geschichte der Genetik Seit ca v. Chr. Gibt es erste nachgewiesene Kreuzungsversuche (Zucht) von Dattelpalmen und Pferden. Aristoteles ( v. Chr.) glaubte, dass Teilchen aus allen Teilen des Körpers zusammenkommen, um Ei- und Samenzellen zu bilden. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts ist die Vermischungstheorie allgemeine Grundlage der Vererbungstheorie. Merkmale lassen sich mischen, wie Farben aus den Grundfarben. Seit dem frühen 19. Jahrhundert gab es ein umfangreiches Wissen im Bereich der Pflanzenzüchtung, insbesondere bei Zierpflanzen beginnt der österreichische Augustinermönch Gregor Mendel ( ) als begeisterter Hobbygärtner und Bienenzüchter im Klostergarten mit Kreuzungsexperimenten an Erbsen. Dies endet 1865 in einer öffentlichen Vorlesung und 1866 in einer Veröffentlichung seiner Erklärungsideen zur Merkmalsvererbung, die aber zu seinen Lebzeiten in Vergessenheit gerieten. Um 1900 werden die Abläufe der Mitose und Meiose erstmals beschrieben. In dieser Zeit entdeckten der Deutsche Karl Correns, der Holländer Hugo de Vries und der Österreicher Hugo von Tschermack unabhängig voneinander wieder die mendelschen Regeln. Diese werden zur Grundlage der klassischen Genetik. Im Jahr1953 konnten Watson und Crick die Struktur der DNA-Doppelhelix aufklären. 4 Mendelsche Regeln Gregor Mendel untersuchte in seinen Kreuzungsexperimenten nicht nur das Merkmal Farbe bei Erbsensamen (grün und gelb), sondern auch verschiedene Samenformen (rund bzw. runzlig), unterschiedliche Sprossachsenabschnitte (kurz bzw. lang) sowie verschiedene Formen und Farben der Früchte (Hülsen). Mendels Beobachtungen und Ergebnisse der Kreuzungsexperimente werden in den mendelschen Regeln zusammengefasst. I. Mendelsche Regel (Uniformitäts- oder Reziprozitätsregel) Mendel kreuzte grünsamige Erbsenpflanzen mit gelbsamigen Erbsenpflanzen. Alle Erbsenpflanzen in der 1. Tochtergeneration (F 1 -Generation, F = Filialgeneration) hatten in ihren Hülsen nur gelbe Samen. Sie sahen also gleich (uniform) aus. Kreuzt man zwei Individuen

16 einer Art, die in einem Merkmal unterschiedlich, aber jeweils reinerbig sind, so sind die Nachkommen in der 1. Tochtergeneration (F 1 -Generation) in diesem Merkmal alle gleich. Das gilt auch bei umgekehrter (reziproker) Kreuzung. Diese Regel gilt, wenn sich zwei Individuen der Elterngeneration in einem Merkmal unterscheiden, für das sie beide jeweils homozygot (reinerbig) sind: Die Nachkommen der ersten Generation (F1-Generation, F = Filialgeneration) sind dann im untersuchten Merkmal untereinander gleich. Dies gilt für den Phänotyp (äußeres Erscheinungsbild) wie für den Genotyp (Erbausstattung), welcher bei allen heterozygot (mischerbig) ist. Ein Gen ist ein Abschnitt auf den Chromosomen, der für die Ausbildung eines Merkmals verantwortlich ist. Die verschiedenen Genformen (im Beispiel die für rot und weiß ) werden auch als Allele bezeichnet. Dabei ist es egal, welches der beiden Merkmale von der Mutter und welches vom Vater vererbt wird (reziproke Kreuzung). Für die Ausprägung des Merkmals tritt eine von zwei Möglichkeiten ein. Beim dominant-rezessiven Erbgang haben alle Mitglieder der F 1 -Generation die gleiche Ausprägung wie eines der Elternteile. Beispiel: Bei Erbsen ist rot als Blütenfarbe dominant und weiß rezessiv, d.h., das Allel für rot kommt als Merkmal zur Ausprägung, während das Allel für weiß unterdrückt ist und nicht zur Ausprägung kommt. Wenn reinerbige rotblühende und reinerbige weißblühende Individuen gekreuzt werden, haben alle Mitglieder der F1-Generation ein Gen für weiß (von einem Elternteil) und Gen für rot (vom anderen Elternteil) vererbt bekommen, sie sind heterozygot. Trotzdem sind alle rotblühend, weil rot gegenüber weiß dominant ist. Beispiel: Blütenfarbe der Erbse Pisum sativum; R = rot (dominant); w = weiß (rezessiv) Elterngeneration RR ww Körperzellen Gameten R R w w Geschlechtszelle, haploid F 1 -Generation Rw Rw Rw Rw Körperzellen Blütenfarbe rot rot rot rot dominant-rezessiver Erbgang Beim intermediären Erbgang haben alle Mitglieder der F1-Generation eine Mischform der elterlichen Merkmale. Ein Beispiel ist die Blütenfarbe von Mirabilis jalapa: Wenn rot- und weißblütige Exemplare gekreuzt werden, so haben alle Nachkommen rosafarbene Blüten Beispiel: Blüte der Wunderblume Mirabilis jalapa; r = rot (rezessiv); w = weiß (rezessiv) Elterngeneration rr ww Körperzellen Gameten r r w w Geschlechtszelle, haploid F 1 -Generation rw rw rw rw Körperzellen Blütenfarbe rosa rosa rosa rosa intermediärer Erbgang Ausnahmen von der 1. Regel können auftreten, wenn sich das Gen für ein untersuchtes Merkmal auf einem Geschlechtschromosom befindet. Dann kann es sein, dass die F 1 -Generation nicht uniform ist.

17 II. Mendelsche Regel (Spaltungs- oder Segregationsregel) Mendel kreuzte die mischerbigen Nachkommen der 1. Tochtergeneration (F 1 -Generation) und untersuchte das Aussehen der Nachkommen in der 2. Tochtergeneration (F 2 -Generation). Auch hierbei stellte er gesetzmäßige Ergebnisse fest, die in einer 2. mendelschen Regel gefasst wurden. Die beiden Merkmale der mischerbigen 1. Tochtergeneration spalten sich in der 2. Tochtergeneration in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Kreuzt man die Individuen der F 1 -Generation miteinander, so spalten sich die Nachkommen in der F 2 -Generation in Bezug auf die Merkmale der Eltern nach festen Zahlenverhältnissen auf. Beim dominant-rezessiven Erbgang erfolgt die Aufspaltung im Verhältnis 3 / 1. Beim dominant-rezessiven Erbgang erfolgt beispielsweise die Aufspaltung in der F 2 -Generation im Genotyp im Verhältnis 1 / 2 / 1 sowie im Phänotyp im Verhältnis 3 / 1. Bei intermediärer Vererbung weist je ein Viertel der Nachkommen eine der beiden reinerbigen Varianten und die Hälfte der Individuen die Mischform der 1. Generation auf im Verhältnis 1 / 2 / 1. Beispiel: Blütenfarbe der Erbse Pisum sativum; R = rot (dominant); w = weiß (rezessiv) Elterngeneration RR ww Körperzellen Gameten R R w w Geschlechtszelle, haploid F 1 -Generation Rw Rw Rw Rw Körperzellen F 2 -Generation RR Rw Rw ww Körperzellen Blütenfarbe rot rot rot weiß dominant-rezessiver Erbgang Blütenfarbe F 2 -Generation: Genotyp im Verhältnis 1 / 2 / 1; Phänotyp im Verhältnis 3 / 1 Beispiel: Blüte der Wunderblume Mirabilis jalapa; r = rot (rezessiv); w = weiß (rezessiv) Elterngeneration rr ww Körperzellen Gameten r r w w Geschlechtszelle, haploid F 1 -Generation rw rw rw rw Körperzellen F 2 -Generation rr rw rw ww Körperzellen Blütenfarbe rot rosa rosa weiß intermediärer Erbgang Blütenfarbe F 2 -Generation: Genotyp und Phänotyp im Verhältnis 1 / 2 / 1 III. Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel) Werden zwei reinerbige Eltern gekreuzt, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, so werden die Erbanlagen (Gene) frei kombiniert und unabhängig voneinander vererbt. In der F 2 - Generation treten sämtliche Merkmalskombinationen der Elterngeneration auf. Es können reinerbige Individuen mit neu kombinierten Erbanlagen entstehen.

18 Beispiel: Samenfarbe und Samenform der Erbse Pisum sativum; G = gelb (dominant); g = grün (rezessiv); R = rund (dominant); r = runzelig (rezessiv) Elterngeneration GGRR ggrr Körperzellen Gameten RG RG gr gr Geschlechtszelle, haploid F 1 -Generation GgRr GgRr Körperzellen F 2 -Generation GGRR GGRr GgRR GgRr Körperzellen GGRr GGrr GgRR Ggrr GgRR GgRr ggrr ggrr GgRr Ggrr ggrr ggrr Dominanter Erbgang Samenfarbe und Samenform F 2 -Generation: Phänotyp im Verhältnis 9 / 3 / 3 / 1; gelb + rund (9), gelb + runzelig (3), grün + rund (3), grün + runzelig 4.1 Koppelung von Genen Die Gültigkeit der 3. mendelschen Regel wird immer dann eingeschränkt, wenn die bei der Kreuzung betrachteten Anlagen für bestimmte Merkmale auf demselben Chromosom liegen, also Kopplungsgruppen bilden. In diesen Fällen können die Anlagen nicht unabhängig voneinander weitergegeben werden. Einige Kreuzungsexperimente mit Taufliegen (Drosophila sp.) von Thomas Hunt Morgan ( ) zeigten Verhältniszahlen für Merkmale, die Mendels Unabhängigkeitsregel widersprachen. Überproportional viele Fliegen zeigen einen Phänotyp der Eltern, was für die Koppelung der Gene auf einem Chromosom spricht. 4.2 Co-Dominanz Als Co-Dominanz bezeichnet man den Fall, wenn bei heterozygoten Individuen beide Allele exprimiert werden, also ein quasi doppelter Phänotyp auftritt. Die Blutgruppe AB im Blutgruppensystem des Menschen ist ein gutes Beispiel dafür. 4.3 Heterosis Heterosis bezeichnet den Effekt starker Wüchsigkeit und Vitalität bei Pflanzen und Tieren, die aus unterschiedlichen homozygoten Linien gekreuzt wurden. Entdeckt wurde dieser Effekt beim Mais. Heute ist die gezielte Erzeugung von Hybridsorten in der Landwirtschaft weit verbreitet. Verstanden ist der Effekt nicht wirklich. Vermutet wird eine Art Über- oder Superdominanz der dominanten Allele in den heterozygoten Individuen 5 Chromosomkarten und Genkarten Die Häufigkeit der Trennung von gekoppelten Genen durch Crossing-over steigt mit der Entfernung des Ortes auf dem Chromosom voneinander. Rekombinierte Phänotypen sind zahlreicher, wenn Crossing-over oft passiert. Statistisch, d.h. bei genügend Nachkommen, ist das dann proportional zur Entfernung der Genorte auf dem Chromosom. So konnten die ersten Genkarten erstellt werden. Die Entfernungseinheit wird cm (centimorgan) genannt: 1 cm = Rekombinationshäufigkeit 0,01 (1 Ereignis auf 100 Nachkommen). 1cM bedeutet also

19 eine Rekombinationshäufigkeit von 1%. Liegt die Rekombinationshäufigkeit zweier Gene bei 16%, so beträgt ihr genetischer Abstand 16cM 6 Geschlechtsgekoppelte Vererbung Bei den meisten getrenntgeschlechtlichen Lebewesen wird das Geschlecht durch Unterschiede in den Chromosomen festgelegt. Menschen und viele Tiere besitzen spezifische Geschlechtschromosomen, die Gonosomen. Grashüpfer haben XX und X0, Säugetiere und Menschen Säuger, XX und XY als Gonosomen. Als Hemizygotie ist Zustand bezeichnet, bei dem nur ein Allel eines Gens im sonst diploiden Chromosomensatz vorkommt. Ein hemizygoten Erbgang betrifft beim Menschen vor allem die Gene auf den Gonosomen der männlichen Individuen, da deren Chromosomenpaar aus einem X-Chromosom und einem sehr viel kleineren Y-Chromosomen besteht. Dies führt dazu, dass sich rezessive Merkmale auch dann ausprägen, wenn sie auf diesem nur einfach vorhandenen Chromosom liegen. Dies ist der Grund, warum einige Erbkrankheiten deutlich häufiger männliche Nachkommen betreffen als weibliche (z.b. Bluterkrankheit). Abb. 6.1: X-chromosomale Genkarte durch Kopplungsanalyse erstellt Xg Blutgruppe, Erythrozyten-Antigen Xg+ (man hat es) oder Xg- (man hat es nicht) Ic Ichthyosis (Fischschuppenkrankheit, X-chromosomal rezessiv); bei Männern (selten bei Frauen), extrem ledrige Haut O Okularer Albinismus (nur das Auge ist pigmentlos), das Auge erscheint rot, da durch das Fehlen der Pigmente die Kapillaren sichtbar werden F Fabry disease: Mangel an Glucolipid-Lipidasen ( à Lipidanlagerung in der Blase) Xm Serum-Eigenschaft Cd Deutan-Locus (grün-farbenblind) G6PD Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase Favismus: Lat. faba, ital. Fava: Bohnen Patienten vertragen weder Bohnen noch Aspirin oder Malariamedikamente (Primaquine), sie zeigen eine schwere hämolytische Reaktion (hämolytische Anämie mit Hämoglobinurie), eine Bluttransfusion wird notwendig. Die Krankheit kommt vor allem in der Region Mittelmeer vor (Italien) und vor allem bei Männern. Cp HA Protan-Locus (rot-farbenblind) Hämophilie A Heute sind auf dem X-Chromosom ca. 300 Gene bekannt, ermittelt mit Hilfe verschiedener Methoden.

20 Molekulare Grundlagen der Genetik Erbinformation liegt auf DNA(desoxy-ribonuclic acid). Der strukturelle Aufbau der DNA wurde erstmals 1953 vom US-Amerikaner James Watson (geb. 1928) und dem Briten Francis Crick ( ) beschrieben. 7.1 Die 5 Eigenschaften der DNA (1) Helikaler Aufbau, Doppelhelix (2) Einheitlicher Durchmesser (3) Die Helix ist rechtsgängig wie unsere Schrauben (4) Die beiden Stränge der DNA verlaufen antiparallel (5) Das äußere Rückgrat bilden Zucker und Phospate, Basen (stickstoffhaltig) zeigen nach innen. Die DNA ist ein Kettenmolekül (Polymer) aus vielen Bausteinen, die Nucleotide genannt werden. Jedes Nucleotid hat drei Bestandteile: Phosphat, den C5- Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische, N- haltige Purin- (Adenin und Guanin) oder Pyrimidin- Basen (Thymin und Cytosin). Die beiden Stränge der Doppelhelix werden durch Wasserstoffbrücken zusammen gehalten. Adenin bildet mit Thymin 2 Brücken und Guanin bindet mit Cytosin 3 Brücken. Im Gerüst verbinden die Phospatgruppen jeweils das 3. und das 5. C-Atom im C5-Zucker. Es lässt sich also ein 3 und ein 5 Ende der Kette definieren. Abb. 7.1: Strukturmodell eines Ausschnitts aus der DNA-Doppelhelix Abb. 7.2: Schematische Darstellung eines DNA-Ausschnittes mit zwei Basenpaaren.

21 Die Replikation der DNA Die DNA ist in der Lage, sich mit Hilfe von Enzymen selbst zu verdoppeln. Die doppelsträngige Helix wird zunächst durch das Enzym Helicase aufgetrennt. Jeder der beiden dabei entstehenden Einzelstränge dient nun als Vorlage für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, d.h., jedes der beiden Tochtermoleküle der replizierten DNA besteht aus einem alten und einem dazu komplementären, neu synthetisierten Einzelstrang Mutationen von DNA-Abschnitten, z.b. Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz, führen zu Veränderungen des Erbguts, die zum Teil tödlich für den betroffenen Organismus sein können. In seltenen Fällen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil. Sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution. Mittels der Rekombination bei der sexuellen Fortpflanzung wird diese Veränderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution: DNA- Moleküle können durch verschiedene Einflüsse beschädigt werden. UV- oder γ-strahlung, Alkylierung oder Oxidation können die DNA-Basen chemisch verändern oder zum Strangbruch führen. Abb. 7.3: DNA-Replikation 7.3 Transkription Als Transkription wird in der Genetik die Synthese von RNA (ribonucleic acid) anhand einer DNA als Vorlage bezeichnet. Die Transkription ist, wie auch die Translation, ein wesentlicher Teilprozess der Genexpression. Bei der Transkription wird ein Gen abgelesen und als RNA- Molekül vervielfältigt. Bei diesem Vorgang werden die Basen der DNA (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) in die Basen der RNA (Adenin, Uracil, Guanin, Cytosin) umgeschrieben. In der RNA wird Thymin durch Uracil und Desoxyribose durch Ribose ersetzt. 7.4 Translation Als Translation wird die Synthese von Proteinen in den Ribosomen anhand der auf mrna- Moleküle (messenger RNA) kopierten genetischen Informationen bezeichnet. Die aus der

22 DNA entstandene mrna enthält die genetische Information für den Aufbau eines Proteins. Bei der Translation kodieren jeweils drei aneinanderfolgende Nucleotide der mrna (die Codons, auch Basentripletts genannt) eine bestimmte Aminosäure aus denen das Protein dann nach und nach aufgebaut wird Für diesen Vorgang ist als Aminosäuren- Transporter die trna (transfer ribonucleic acid) notwendig. Diese kann mit ihrem einen Ende (dem Anticodon) an jeweils genau eines der Codons auf der mrna andocken. An ihrem anderen Ende wurde die trna mit der genau zu diesem Codon passenden Aminosäuren beladen. Das Ribosom bringt die mrna und eine freie trna, die eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mrna, als passendes Gegenstück, ein komplementäres Anticodon der trna anlagert. Eine zweite trna, die ebenfalls eine Aminosäure trägt, setzt sich neben der ersten trna an die mrna. Die beiden an den trna hängenden Aminosäuren werden mit einer Peptidbindung verknüpft, und die erste trna verlässt ohne Aminosäure das Ribosom. Die auf das nächste Codon passende trna lagert sich nun an die mrna an. Ihre Aminosäure wird an die bereits bestehende Aminosäurekette geknüpft und erweitert so diese um ein neues Glied. Dieser Prozess setzt sich fort, so dass sich hinter diesem Punkt eine immer längere werdende Kette aus Aminosäuren, ein Poylpeptid bildet. Das Ribosom wandert dabei immer um ein Codon auf der mrna weiter, und zwar so lange, bis die Information der mrna vollständig abgearbeitet ist. Hier kommt ein so genanntes Stopp-Codon, an das keine der vorhandenen trna-moleküle andocken kann. 7.5 Polymerase-Chain-Reaktion (PCR) Die PCR wurde 1983 von Kary Mullis entwickelt. PCR wird eingesetzt um einen kurzen, genau definierten Teil eines DNA-Strangs zu vervielfältigen. Dabei kann es sich um ein Gen, um einen Teil eines Gens handeln oder auch um nicht kodierende DNA-Sequenzen handeln. Im Gegensatz zu lebenden Organismen kann der PCR-Prozess nur relativ kurze DNA- Abschnitte kopieren. In ihren momentanen Anwendungsgebieten benötigt die PCR folgende Komponenten: Original-DNA, die den zu vervielfältigenden Abschnitt enthält Zwei Primer, um auf den beiden Einzelsträngen der DNA jeweils den Startpunkt der DNA-Synthese festzulegen, wodurch der zu vervielfältigende Bereich von beiden Seiten begrenzt wird DNA-Polymerase, die bei hohen Temperaturen nicht zerstört wird, um den festgelegten Abschnitt zu kopieren, z.b. Taq-Polymerase. Desoxynucleotid-Triphosphate, die Bausteine für den von der DNA-Polymerase synthetisierten DNA-Strang. Mg 2+ -Ionen, die für die Funktion der Polymerase essentiell sind.

23 Pufferlösungen, die eine für die DNA-Polymerase geeignete chemische Umgebung sicherstellen. Eine der ersten thermostabilen DNA-Polymerasen wurde aus dem in heißen Quellen lebenden thermophilen Bakterium Thermus aquaticus gewonnen und wird Taq-Polymerase genannt. Die Taq-Polymerase erfährt nach wie vor breite Anwendung. Ihr Nachteil liegt darin, dass sie manchmal Fehler beim Kopieren der DNA produziert. Pwo- und Pfu-Polymerasen wie, die aus Archaen gewonnen werden, haben einen Korrektur-Mechanismus, der die Anzahl der Mutationen in der kopierten DNA erheblich senkt. Die PCR findet in einem so genannten Thermocycler statt. Diese Maschine erhitzt und kühlt die in ihr befindlichen Reaktionsgefäße präzise auf die Temperatur, die für den jeweiligen Schritt benötigt wird. Soll die PCR vor allem als quantitativer Nachweis dienen, empfiehlt sich die so genannte real-time-pcr. 8 Gentechnik Das Wissen um die Transkription, die Translation und die Replikation ermöglicht es Informationen von verschiedenen DNA-Matrizen (sprich Organismen) neu zu kombinieren. Restriktionsenzyme, die ursprünglich als Virenabwehr bei Bakterien entstanden sind, werden genutzt um DNA-Stränge an spezifischen Stellen zu zerschneiden. Wenn man die gleichen Restriktionsenzyme auf unterschiedliche DNA anwendet, entstehen komplementäre Enden, wo dann Fragmente unterschiedlicher Herkunft zusammen passen. Wirtsorganismen für technisch rekombinierte DNA sind häufig Bakterien, Hefen, aber auch Kulturpflanzen. Die neuen Informationen müssen Teil einer Replikationseinheit sein. Daher wird die DNA in Vektoren eingefügt. Reportergene helfen rekombinierte Phänotypen zu erkennen Durch reverse Transkription lässt sich auch aus mrna DNA erzeugen 8.1 Grüne Gentechnik Oberbegriff für alle Verfahren der Gentechnik in der Landwirtschaft. Insbesondere die Einführung transgener Pflanzen. Als Hintergrund und den Antrieb wird häufig die Ernährung einer ständig wachsenden Weltbevölkerung bei maximaler Schonung der Umwelt genannt. Ziel ist Pflanzen zu entwickeln, die im Hochleistungsbereich Nahrung und Rohstoffe produzieren, wenig Fläche beanspruchen und chemischen Pflanzenschutz überflüssig machen sollen. Gentechnisch manipulierte Pflanzen könnten allerdings Risiken auf ökosystemarer Ebene besitzen. Die Konsequenzen im Naturhaushalt sind weitgehend unerforscht. Die grüne Gentechnik hat keine erkennbaren Vorteile für Verbraucher von Lebensmitteln. Die grüne Gentechnik hat kein Monopol auf den Lösungsansatz zum Welthunger. Kein Mensch müsste bei relativer Gleichverteilung von Wohlstand hungern. Teure transgene Pflanzen bzw. deren Saatgut bergen die Gefahr Abhängigkeiten und damit Wohlstandgradienten weiter zu verstärken. Durch Patente verschaffen sich internationale Agrarfirmen unangreifbare Marktanteile auf den globalen Saatgutmarkt. Zweifel an der grünen Gentechnik entstehen aber hauptsächlich durch die Befürchtung, dass die Gentechnik in einer Weise in natürliche Gleichgewichte der Natur eingreifen könnte, die nicht vorhersehbare Folgen hat.

24 Es gibt eine ganze Reihe von transgenen Pflanzen, die weltweit eine relative große Anbaufläche aufweisen: Tomaten mit verzögerter Fruchtreife Kartoffeln mit Resistenzen gegen Insektenbefall (Bt-Toxin) Mais mit Resistenzen gegen Insektenbefall (Bt-Toxin) Baumwolle mit Resistenzen gegen Insektenbefall (Bt-Toxin) Sojabohne mit Resistenzen gegen Pflanzenschutzmittel. 8.2 Rote (= gelbe) Gentechnik Rote Gentechnik meint immer medizinische Anwendungen der Gentechnik. Die können auch Bereiche der Tiermedizin und damit Bereiche der Tierproduktion sein. 8.3 Graue (= weiße) Gentechnik Anwendungen im Bereich der Mikrobiologie, z.b. die biogene Herstellung von Chemikalien, Enzymen usw.