Alexander McLennan, Andy Bates, Phil Turner und Mike White. Molekularbiologie

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3 Alexander McLennan, Andy Bates, Phil Turner und Mike White Molekularbiologie

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zum Thema Fletcher, H., Hickey, I. Genetik für Biologen, Biochemiker, Pharmazeuten und Mediziner , auch als E-Book Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie 4. Auflage Wink, M. (Hrsg.) Molekulare Biotechnologie Konzepte, Methoden und Anwendungen 2. Auflage Gottschalk, G. Welt der Bakterien Die unsichtbaren Beherrscher unseres Planeten , auch als E-Book Lüttge, U., Kluge, M. Botanik Die einführende Biologie der Pf lanzen 6. Auflage

5 Alexander McLennan, Andy Bates, Phil Turner und Mike White Molekularbiologie für Biologen, Biochemiker, Pharmazeuten und Mediziner Übersetzt von Bärbel Häcker

6 Titel der Originalausgabe Molecular Biology, BIOS Instant Notes, Fourth Edition 2013 by Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC All Rights Reserved. Authorised translation from the English language edition published by Garland, a member of the Taylor & Francis Group. Autoren Alexander McLennan University of Liverpool Institute of Integrative Biology Liverpool United Kingdom Andy Bates University of Liverpool Institute of Integrative Biology Liverpool United Kingdom Phil Turner University of Liverpool Institute of Integrative Biology Liverpool United Kingdom Mike White University of Manchester Faculty of Life Sciences Manchester United Kingdom Übersetzt von Dr. Bärbel Häcker Feuerbacher Straße Leonberg Cover Depositphotos.com/Daniel Cole; Hintergrund: Shutterstock Erhan Ergin / Fotolia.com für die in der Randspalte verwendeten Symbole 1. Auflage 2013 n Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN: epdf ISBN: epub ISBN: mobi ISBN: Umschlaggestaltung Simone Benjamin, McLeese Lake, Canada Satz Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld Druck und Bindung betz-druck GmbH, Darmstadt Gedruckt auf säurefreiem Papier.

7 V Inhaltsverzeichnis Vorwort XV Liste der Abkürzungen XVII 1 Informationsmakromoleküle Informationsverarbeitung und Molekularbiologie Das zentrale Dogma Rekombinante DNA-Technologie Nukleinsäurestruktur und -funktion Basen Nukleoside Nukleotide Phosphodiesterbindungen DNA/RNA-Sequenz DNA-Doppelhelix A-, B- und Z-Helices RNA-Sekundärstruktur Modifizierte Nukleinsäuren Nukleinsäurefunktion Proteinstruktur und -funktion Aminosäurestruktur Proteingröße und -formen Primärstruktur Nichtkovalente Wechselwirkungen Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur Prosthetische Gruppen Domänen, Motive, Familien und Evolution Proteinfunktion 23

8 VI Inhaltsverzeichnis 2 Eigenschaften von Nukleinsäuren und eukaryotische Chromosomenstruktur Chemische und physikalische Eigenschaften von Nukleinsäuren Stabilität von Nukleinsäuren Säureeffekt Alkalieffekt DNA RNA Chemische Denaturierung Viskosität Schwimmdichte Spektroskopische und thermische Eigenschaften von Nukleinsäuren UV-Absorption Extinktion und Struktur Mengenbestimmung der Nukleinsäuren Reinheit der DNA Wärmedenaturierung Hybridisierung DNA-Superspiralisierung Geschlossen-zirkuläre DNA Superspiralisierung Topoisomer Helikale und superhelikale Windungszahl Interkalatoren Superspiralisierungsenergie Topoisomerasen Chromatinstruktur Chromatin Histone Nukleosomen Die Rolle von H Linker-DNA Die 30 nm-faser Höher geordnete Struktur Eukaryotische Chromosomenstruktur Das Mitosechromosom Das Centromer Telomere Interphasechromosomen Heterochromatin Euchromatin DNase-I-Überempfindlichkeit CpG-Methylierung Histonvarianten und -modifikation 54

9 Inhaltsverzeichnis VII 3 DNA-Replikation DNA-Replikation: eine Übersicht Semikonservativer Mechanismus Replikons, Ursprünge und Termini Semidiskontinuierliche Replikation RNA-Primer Bakterielle DNA-Replikation Experimentelle Systeme Initiation Strangentwindung Elongation Termination und Aufteilung Eukaryotische DNA-Replikation Experimentelle Systeme Ursprünge und Initiation Replikationsgabeln Kernmatrix Telomerreplikation 72 4 DNA-Schäden, -Reparatur und -Rekombination DNA-Schäden DNA-Defekte Oxidative Schäden Alkylierung Sperrige Addukte Mutagenese Mutation Replikationsgenauigkeit Physikalische Mutagene Chemische Mutagene Direkte Mutagenese Indirekte Mutagenese und Transläsions-DNA-Synthese DNA-Reparatur Photoreaktivierung Alkyltransferase Reparatur von Strangbrüchen Exzisionsreparatur Fehlpaarungsreparatur Erbliche Reparaturdefekte 90 5 Transkription in Bakterien Grundlagen der Transkription Transkription: eine Übersicht Initiation Elongation 97

10 VIII Inhaltsverzeichnis Termination Escherichia coli-rna-polymerase RNA-Polymerase-Holoenzym von E. coli a-untereinheit b-untereinheit b -Untereinheit s-faktor Der s 70 -Promotor von E. coli Promotorsequenzen Promotorgröße Sequenz Sequenz Promotoreffizienz Transkriptionsinitiation, -elongation und -termination Promotorbindung DNA-Entwindung Initiation der RNA-Kette Elongation der RNA-Kette Termination der RNA-Kette Rho-abhängige Termination Regulation der Transkription in Bakterien Das lac-operon Das Operon Das Lactose(lac)-Operon Der Lac-Repressor Induktion Katabolit-Aktivatorprotein Das trp-operon Das Tryptophan(trp)-Operon Der Trp-Repressor Der Attenuator Struktur der RNA-Leitsequenz Das Leitpeptid Attenuation Die Bedeutung der Attenuation Transkription in Eukaryoten und Regulation der eukaryotischen Transkription Die drei RNA-Polymerasen: Charakterisierung und Funktion Eukaryotische RNA-Polymerasen RNA-Polymerase-Untereinheiten Aktivitäten eukaryotischer RNA-Polymerasen Die CTD der RNA-Pol II 126

11 Inhaltsverzeichnis IX 7.2 RNA-Pol-I-Gene: die ribosomale Wiederholung Ribosomale RNA-Gene Die Rolle des Nukleolus RNA-Pol-I-Promotoren Upstream binding factor Selektivitätsfaktor TBP und TAF I s RNA-Pol-III-Gene: 5S- und trna-transkription RNA-Polymerase III trna-gene S-rRNA-Gene Alternative RNA-Pol-III-Promotoren RNA-Pol-III-Termination RNA-Pol-II-Gene: Promotoren und Enhancer RNA-Polymerase II Promotoren Stromaufwärtige Regulationselemente (URE) Verstärkerelemente (Enhancer) Allgemeine Transkriptionsfaktoren und RNA-Pol-II-Initiation Basale RNA-Pol-II-Transkriptionsfaktoren TFIID TBP TFIIA TFIIB- und RNA-Polymerasebindung Nach der RNA-Polymerase bindende Faktoren CTD-Phosphorylierung durch TFIIH Der Initiatortranskriptionskomplex Eukaryotische Transkriptionsfaktoren Transkriptionsfaktordomänenstruktur DNA-Bindungsdomänen Die Helix-Kehre-Helix-Domäne Die Zinkfingerdomäne Die basische Domäne Dimerisierungsdomänen Leucin-Zipper Die Helix-Schleife-Helix-Domäne Transkriptionsaktivierungsdomänen Saure Aktivierungsdomänen Glutaminreiche Domänen Prolinreiche Domänen Repressordomänen Ziele von Transkriptionsregulatoren Chromatinmodifikation 149

12 X Inhaltsverzeichnis 8 Der genetische Code und trna Der genetische Code Grundlagen Entschlüsselung Degeneriertheit, Universalität und Doppeldeutigkeit Mutationswirkung Offene Leseraster (ORFs) Überlappende Gene trna-struktur und -funktion trna-primärstruktur trna-sekundärstruktur trna-tertiärstruktur trna-funktion Aminoacylierung der trnas Aminoacyl-tRNA-Synthetasen Korrekturlesen Proteinsynthese Aspekte der Proteinsynthese Codon-Anticodon-Wechselwirkung Wobble Ribosomenbindungsstelle Initiator-tRNA Polysomen Proteinsynthesemechanismus Übersicht Initiation Elongation Termination Initiation in Eukaryoten Übersicht Abtasten Initiation Elongation Termination Translationskontrolle und posttranslationale Ereignisse Translationskontrolle in Bakterien Translationskontrolle in Eukaryoten Polyproteine Protein-Targeting Proteinfaltung und -modifikation Proteinabbau 192

13 Inhaltsverzeichnis XI 10 Genmanipulation DNA-Klonierung: eine Übersicht DNA-Klonierung Wirte und Vektoren Subklonierung DNA-Bibliotheken Durchsuchen von Bibliotheken Analyse eines Klons Präparation von DNA-Plasmiden Plasmide als Vektoren Plasmid-Minipräparation Alkalische Lyse Plasmidreinigung Ethanolfällung Cäsiumchlorid-Gradient Restriktionsenzyme und Elektrophorese Restriktionsendonukleasen Erkennungssequenzen Kohäsive Enden Restriktionsverdau Agarose-Gelelektrophorese Isolierung der Fragmente Ligation, Transformation und Analyse von Rekombinanten DNA-Ligation Rekombinante DNA-Moleküle Alkalische Phosphatase Transformation Selektion Transformationseffizienz Überprüfung auf Transformanten Wachstum und Aufbewahrung der Transformanten Gelanalyse Fragmentausrichtung Neue Subklonierungsmethoden Klonierungsvektoren Plasmidvektor-Design Ligationsprodukte Blau-weiß-Screening Mehrfachklonierungsstellen Transkription klonierter eingefügter Abschnitte Expressionsvektoren Gateway Subklonierung durch Rekombination Bakteriophagen, Cosmide, YACs und BACs Bakteriophage l 229

14 XII Inhaltsverzeichnis l-ersatzvektoren Verpackung und Infektion Plaquebildung l-lysogene M13-Phage-Vektoren Klonierung großer DNA-Fragmente Cosmidvektoren YAC-Vektoren Selektion in Hefe BAC-Vektoren Eukaryotische Vektoren Klonierung in Eukaryoten Transfektion eukaryotischer Zellen Pendelvektoren Episomale Hefeplasmide Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens Virale Transduktion Baculoviren Analyse und Verwendung klonierter DNA Charakterisierung von Klonen Charakterisierung Restriktionskartierung Markierung von Nukleinsäuren Southern und Northern Blot Nukleinsäuresequenzierung DNA-Sequenzierung nach Sanger Schrotschusssequenzierung Emulsion-PCR Reversible Fluoreszenz-Abbruchsequenzierung Pyrosequenzierung Sequenzierung durch Ligation und andere Methoden RNA-Sequenzierung Polymerase-Kettenreaktion PCR Der PCR-Zyklus Matrize und Primer Enzyme PCR-Optimierung RT-PCR und RACE Echtzeit- und quantitative PCR Analyse klonierter Gene Sequenzorganisation S1-Nuklease-Kartierung Primer-Verlängerung 268

15 Inhaltsverzeichnis XIII Gelverzögerung DNase-I-Fußabdruck Reportergene Mutagenese klonierter Gene Mutagenesearten Ortsgerichtete Mutagenese Insertions-/Deletionsmutagenese Zufallsmutagenese durch PCR Funktionelle Genomik und die neuen Technologien Einführung in die Omik-Wissenschaften Genomik Transkriptomik Proteomik Metabolomik Andere Omik-Wissenschaften Allgemeine Genexpressionsanalyse Genomweite Analyse DNA-Mikroarrays Chromatinimmunpräzipitation Gen-Knockouts RNA-Knockdown Proteomik Proteomik Protein-Protein-Wechselwirkungen Zwei-Hybrid-Analyse Protein-Arrays Zelluläre und molekulare Bildgebung Zelluläre Bildgebung Bildgebung biologischer Moleküle in fixierten Zellen Detektion von Molekülen in lebenden Zellen und Geweben Fluoreszierende Proteine und Reportergene Transgene und Stammzelltechnologie Genetisch veränderte und transgene Organismen Stammzellen Induzierte pluripotente Stammzellen Gen- und Zelltherapie Bioinformatik Definition und Anwendungsbereich Anwendungen der Bioinformatik Suche nach Sequenzähnlichkeiten Mehrfachsequenzvergleich Phylogenetische Bäume Strukturelle Bioinformatik System- und synthetische Biologie 318