Biologie für Mediziner WS 2007/08

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1 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

2 Zellkern (Nucleus) Der Zellkern ist die genetische Steuerzentrale eukaryotischer Zellen Er enthält die genetische Information in Form doppelsträngiger DNA Nucleus

3 Zellkern Mensch ZK Durchmesser: 5-8 µm enthält 2 m DNA entspricht einem Tennisball mit 20 km feinen Fäden!

4 Weitergabe genetischer Information Replikation = Herstellung einer Kopie einer DNA erfolgt im Kern Durch Transkription (im Kern) und Translation (im Cytoplasma) wird die genetische Information umgesetzt DNA DNA RNA Proteine

5 Aufbau des Zellkerns Im Kernplasma befinden sich keine Membranen Prominenteste Struktur ist der Nucleolus, in dem die Synthese der Ribosomen stattfindet Nucleus Nucleolus

6 DNA-Schlaufen zur Produktion ribosomaler RNA erstrecken sich in den Nucleolus

7 Kernhülle besteht aus einer äußeren und einer inneren Membran dazwischen: perinucleärer Raum Kernhülle

8 Kernhülle Der perinucleäre Raum steht mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) in Verbindung In der Kernhülle befinden sich komplex aufgebaute Kernporen (Pfeil) ER

9 Kernporen

10 Kernimport, Kernexport Kernproteine tragen ein Kernlokalisierungssignal (NLS = nuclear localization signal), das von einem Importrezeptor erkannt wird. Das Kernlokalisierungssignal wird beim Import nicht entfernt, damit Kernproteine auch nach der Mitose wieder in den Zellkern gelangen. Zum Export vorgesehen Proteine werden mit einem Exportsignal (NES) versehen Exportrezeptor Import- und Exportrezeptoren werden recylced Transportrichtung wird durch Energie-liefernden Ran-GTP/Ran-GDP Zyklus vorgegeben Ran (ras-related nuclear protein): Mitglied einer Familie von G- Proteinen

11 Kernimport Kernexport Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

12 Kernlamina Unterhalb der Kernhülle befindet sich die Kernlamina, die die Stabilität des Kerns bewirkt: = Geflecht aus Intermediärfilamenten Die Kernlamina setzt sich aus drei verschiedenen Proteinen zusammen (Lamin A, B, C), von denen Lamin B mit den Chromosomen in Verbindung steht.

13 Kernlamina

14 Zusammenfassung: Zellkern-Struktur während der Interphase

15 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

16 Struktur eukaryotischer Chromosomen Eukaryotische DNA ist zu Chromosomen verpackt Chromosomen = Erbmaterial im Zellkern

17 Struktur eukaryotischer Chromosomen Chromosomen liegen während der Lebensdauer einer Zelle in verschiedenen Stadien vor Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

18 Fädige Interphasechromosomen

19 Menschliche Mitosechromosomen Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

20 Menschliche Mitosechromosomen Centromere Giemsa- Färbung dunkle Banden AT-reich

21 Wichtige DNA-Sequenzelemente

22 Interphasechromosomen Euchromatin wird aktiv transkribiert Heterochromatin inaktiv, elektronendicht

23 Gene in der Nähe des Telomers sind inaktiv Positionseffekte Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

24 Inaktivierung eines X-Chromosoms

25 Barr-Körperchen (inaktiviertes X-Chromosom)

26 Aufbau der Chromosomen Die negativ geladene DNA ist in den Chromsomen mit basischen Proteinen (u.a. Histone) assoziiert: Histone bilden die Nucleosomen

27 Aufbau der Nucleosomen Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

28 Aufbau der Nucleosomen Nukleosomen sind aus vier verschiedenen Histonmolekülen aufgebaut (H2A, H2B, H3 und H4), von denen je zwei Kopien in einem Nukleosom vorkommen Zwischen den Histonkomplexen befindet sich Histon H1 (Linkerhiston)

29 30 nm Kondensierung Chromatinfaser der Chromosomen

30 Verkürzung der Chromosomen Während der Kernteilung und im Heterochromatin liegen die Chromosomen sehr stark verkürzt vor Dabei bilden sich geordnete Superstrukturen, die eine geordnete Verteilung auf die Tochterzellen erlauben

31 Verpackungsstufen im Chromatin

32 Interphasechromosom Mitosechromosom

33 Zusammenfassung: Struktur und Aufbau der Chromosomen: Eukaryotische DNA: zu Chromosomen verpackt Interphase- oder Mitose-Chromosomen Interphase-Chromosomen: Hetero-, Euchromatin Spezielle DNA-Sequenzen: effiziente Replikation Aufbau und Verpackung von Chromatin

34 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

35 Aufbau der DNA Die DNA (und RNA) sind aus Nukleotiden aufgebaut. Ein Nukleotid besteht aus einem Zuckerrest (Ribose bzw. Desoxyribose), einer Phosphatgruppe und einer organischen Base (N-haltig).

36 Nucleotid Cytidinmonophosphat N-haltige Base, 5-Kohlenstoff-Zucker, Phosphatgruppen

37 Phosphate

38 Zucker

39 Base-Zucker-Bindung

40 Basen

41 Nucleoside und Nucleotide

42 Nucleotide Energieträger (ATP) Coenzyme (Coenzym A) Signalmoleküle (camp)

43 Nucleotide werden durch Phosphodiesterbindungen verknüpft

44 5 H H DNA H 3 H

45 5 OH OH RNA OH 3 OH

46 Aufbau der DNA Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidsträngen, die über komplementäre Basenpaarungen miteinander verbunden sind

47 Basenpaare GC-Basenpaar AT-Basenpaar

48 Struktur der DNA 1953 James Watson and Francis Crick

49

50 Cambridge, 1953

51 DNA-Modell Watson/Crick

52 DNA-Doppelhelix

53 Major groove Minor groove

54 major groove minor groove

55 Zusammenfassung: Aufbau der DNA DNA = Doppelhelix Zwei komplementäre Polynukleotidstränge durch komplementäre Basenpaarung: A-T, G-C Eine Doppelhelix gewunden um Nukleosomen = ein Chromatid = ein haploides Chromosom Replikation = konservative DNA-Verdopplung durch DNA-Polymerasen

56 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

57 Replikation der DNA Bei der Replikation der DNA wird anhand eines Stranges (Matrize) der komplementäre Gegenstrang gebildet (semikonservative Replikation)

58 Die DNA = Matrize für ihre Replikation

59 Replikation der DNA Modell falsch!

60 Anfügen neuer Nucleotide an das 3 -Ende einer Polynucleotidkette Strang wächst in 5-3 -Richtung

61 Replikation der DNA Die Replikation der DNA erfolgt immer nur in 5-3 -Richtung Deswegen unterscheidet man bei der Replikation des Doppelstranges einen kontinuierlichen Strang (Leitstrang) und einen diskontinuierlichen Strang (Folgestrang) Beginnt an bestimmten Stellen (Replikationsursprung)

62 Die DNA Replikation startet an mehreren Orten gleichzeitig Replikationsursprung Replikationsgabel

63 Asymmetrische Replikationsgabeln Okazaki-Fragment

64 Replikationsgabeln in eukaryotischen Chromosomen

65 Replikation der DNA Die DNA wird durch die DNA-Polymerase repliziert. Die DNA-Polymerase katalysiert die Verknüpfung von Desoxyribonukleotiden in Richtung Sie hat proofreading-aktivität DNA-Po.

66 Replikation der DNA

67 Zusammenfassung: DNA-Replikation DNA wird durch DNA-Polymerasen repliziert DNA-Polymerasen katalysieren Phosphodiester-Bindung DNA-Polymerasen haben proofreading-aktivität = sie korrigieren sich selbst DNA-Synthese beginnt am Replikationsursprung (mehrere Replikations-origins) DNA-Synthese an der Replikationsgabel durch Replikationsmaschine

68 Gene bestehen aus DNA Die Vererbung basiert auf der Struktur der DNA

69 Aufbau eukaryotischer Gene Enhancer TATA- Box Exon1 Exon2 Exon3 Exon4 Promoter Intron1 Intron2 Intron3 mrna: 5 -cap ORF AAAAAA n

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