DNA, RNA, Molekularbiologie

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1 Biologie DNA, RNA, SALI Library ENTDECKUNG UND AUFBAU Entdeckung der DNA 2 Aufbau und Struktur 3 WIE DIE DNA DEN ORGANISMUS STEUERT Kernsäuren: DNA, RNA 4 Proteine 5 GENEXPRESSION Genexpression Ablesen der DNA 5 Transkription 5 Translation 6 Prozessorierung 6 Genregulation 7 DNA-REPLIKATION Replikation Verdoppelung der DNA 8 Ablauf der Replikation 8 Semikonservativer Replikationsmechanismus 9 MUTATION Mutationsarten 10 Stefan Wittwer Dieses Dokument ist Teil der saliorel Library. saliorel.com/files

2 Entdeckung und Aufbau Entdeckung der DNA DNA kommt in eukaryotischen Zellen in den Zellkernen, Mitochondrien und Chloroplasten vor, zudem in Viren und Bakterien. Experiment von Griffith Zeigt, dass es eine Substanz geben muss, über welche Erbinformationen übertragen werden. (Nicht-krankheitserregende Zellen + abgetötete, virulente Zellen ergaben neue lebende Zellen ( S-Zellen ) mit dem gefährlichen Erbgut) Bild: Wikimedia Commons Experiment von Avery Zeigt, dass das genetische Material DNA ist. Lebende, ungefährliche R-Zellen und tote S-Zellen werden wieder zusammengegeben. Mit Enzymen, die jeweils Stärke, Proteine, DNA oder RNA zerstören, kann man durch Wiederholen des Experiments feststellen, dass beim DNA-zerstörenden Enzym keine lebenden S-Zellen entstanden sind. Experiment von Hershey- Chase Zeigt, dass das genetische Material wirklich DNA und nicht Proteine sind (anhand von Viren) DNA hat Phosphor-, Proteine haben Schwefelteilchen. Die beiden wurden in verschiedenen Phagen unterschiedlich radioaktiv markiert. Es strahlten nun in befallenen Bakterien nur diejenigen, bei deren Viren Phosphor markiert wurde. 2 von 10

3 Entdeckung und Aufbau Aufbau und Struktur Die Grundbausteine der DNA sind Nukleotide. Ein Nukleotid besteht aus: _ Phosphorsäure Zucker Base: C G Komplementäre Basen: (bilden H-Brücken) A T A + T G + C Chargaff-Regel Die Chargaff-Regel besagt, dass es in einem DNA-Molekül genau so viele A wie T und G wie C Basen hat. Erklärbar da komplementäre Basen zueinander Doppelhelix Die DNA besteht aus einer Doppelhelix, also zwei Einzelsträngen, die umeinander gedreht sind. Die Basen liegen im Inneren. Basen Zucker Phosphat Quelle: hbg-biologie.de 3 von 10

4 Wie DNA den Organismus steuert KERNSÄUREN DNA Quelle: spektrum.de Chromosomen Menschen haben in der Regel 23 Paare; bestehen aus Chromatin (DNA und Strukturproteine) Nucleosom Komplex aus DNA und Histonen 1. Verpackungsstufe der DNA Nucleotid Bausteine der DNA, bestehen aus Zucker, Phosphorsäure und einer der 4 Basen (C, T, A, G) Die Erbinformation wird in Form von Basen gespeichert. * Histon Ein Histon ist ein bestimmtes Protein, das im Zellkern vorkommt. Basenkategorien Die Basen können in Purine und Pyramidine unterteilt werden: (Unterschiedlicher Aufbau) _ Purine: A + G _ Pyramidine: C + T Komplementäre A + T C + G Basenpaare sind komplementäre Basenpaare Antiparallelität Die komplementären Einzelstränge der DNA verlaufen antiparallel. (Auf der einen Seite verläuft sie von 5 zu 3, auf der anderen von 3 zu 5 ) KERNSÄUREN RNA Unterschiede DNA / RNA DNA RNA Zucker Desoxyribose Ribose Basen A, C, G, T A, C, G, U Struktur Doppelhelix Meist nur Einzelstrang Funktion Speichert Erbinformation u.a. Transkription 4 von 10

5 Wie DNA den Organismus steuert RNA-Typen trna mrna rrna Transfer von Aminosäuren zu Ribosomen (Translation) Die Messenger-RNA überbringt den Ribosomen eine Abschrift eines Gens (Entsteht bei Transkription) Zuständig für Aufbau der Ribosomen Proteine Proteom Ein Proteom ist die Gesamtheit aller Proteine an einem bestimmten Ort (z.b. in einer Zelle / in einem Organismus / ) Genexpression Die Genexpression ist der Vorgang des Ablesens der DNA und dem Herstellen eines Proteins anhand der Erbinformation. Es bedeutet zudem im weiten Sinne, wie Erbinformation in einem Organismus in Erscheinung tritt. Informationen über die Primärstruktur des zu produzierenden Proteins sind auf den Genen codiert. TRANSKRIPTION (1. Phase) Bei der Transkription wird das Gen auf ein Stück RNA übertragen. Promotor Eine Sequenz auf der DNA, ab welcher das Ablesen beginnen soll. Proteine und Enzyme binden an diese Stelle. RNA-Polymerase Enzym, welches in Transkriptionsrichtung (3 > 5 ) den komplementären DNA-Strang kopiert. Codogener DNA- Strang Der codogene DNA-String ist der Strang, zu welchem die richtigen Basen* eingesetzt werden, um den komplementären DNA-Strang zu kopieren. * genauer: RNA-Nucleotide Terminator Endstelle eines Gens (Sequenz auf der DNA) 5 von 10

6 Wie DNA den Organismus steuert Bei Eukaroyten läuft hier noch die Prozessierung ab und die mrna muss durch die Poren aus dem Zellkern herauskommen. PROZESSIERUNG (nach Transkription bei Eukaryoten) Bei Eukaryoten (haben Zellen mit Zellkern) wird bei der Transkription erst eine Prä-mRNA hergestellt, und noch zur mrna prozessiert wird, welche dann den Zellkern verlässt. Exon Intron Spleissen Alternatives Spleissen Teil eines euk. Gens, der genetische Information enthält Teil eines euk. Gens, welcher durch Spleissen entfernt wird Entfernen der Introns ( Zusammenkleben der Exon-Teile) Spleissen einer RNA in unterschiedlicher Weise, sodass verschiedene Proteine entstehen können. (Wahl verschiedener Introns und Exons) Es werden auch vor dem Spleissen am 5 und 3 -Ende Kappen angehängt. TRANSLATION (2. Phase) Die Translation ist das Bilden einer Aminosäurekette (bildet ein Protein) anhand der auf der mrna codierten Basen. 1. mrna verlässt den Zellkern (Eukaryoten) 2. Ein Ribosom dockt an die mrna an. Die erste trna bildet das Protein Met beim Startcodon. E P A Exit Die nun unbeladene trna wird frei. Petipdbindung Die Aminosäuren werden mit einer Peptidbindung zusammengehängt. Akzeptorstelle Die nächste trna mit dem passenden Anticodon dockt an die mrna an. 6 von 10

7 Wie DNA den Organismus steuert Genregulation Die Genregulation ist die Steuerung der Genexpression. Es werden nicht immer alle Proteine benötigt, weshalb die Herstellung durch die Genregulation kontrolliert wird. PROKARYOTEN Regulator Regulationsenzym Repressor Operator Operon Sequenz auf der DNA, welches die Genexpression steuert Stellt je nach Regulator einen Repressor her Blockiert Promotor, indem er an Operator bindet Abschnitt, an welcher ein Repressor binden kann Abschnitt von Genen, deren Genexpression gemeinsam reguliert wird. Wege der Genregulation: Substratinduktion Regulation durch den Ausgangsstoff; Anschalten eines Gens, wenn ein Substrat vorhanden ist (Inaktivierung des Repressors) Endproduktrepression Regulation durch das entstandene Produkt; Abschalten eines Gens, wenn genügend Produkt entstanden ist EUKARYOTEN 1. Grad der Spiralisierung der Doppelhelix 2. Gezielte Inaktivierung bestimmter Abschnitte durch Enzyme 3. Transkriptionsfaktoren am Promotor Enhancer verstärkt Wirkung des Promotors Silencer verhindert Genexpression 4. RNA-Interferenz: RNA-Schnipsel beim Spleissen können Translation verhindern, wenn an mrna gebunden 5. Spleissen 6. Zerstören der mrna, bevor sie zu den Ribosomen gelangt 7. Mehrere Ribosomen lesen dieselbe mrna ab 8. Abwandlung (chemisch) der enstandenen Proteine 8. Abbau von Proteinen durch Enzyme 7 von 10

8 DNA-Replikation Replikation Die Replikation ist das Verdoppeln der DNA / des Erbgutes für die Zellteilung. Die Replikation findet vor der Mitose statt. In der S-Phase findet die DNA-Synthese statt. Ablauf Am Replikationsurprung beginnt das Entwinden der Doppelhelix. Der Ursprung ist oft dort, wo viele A und T Basen vorkommen, da diese schwächer verbunden sind als die anderen Basen. Prokaryoten: Eukaryoten: 1 Replikationsursprung Mehrere Helicase Trennt den Doppelstrang in zwei Einzelstränge Einzelstrang-stabili- sierende Proteine Lagern sich an Strängen an, um sie zu stabilisieren, damit sie nicht wieder einen Doppelstrang bilden Topoisomerase Trennt einen Strang kurzzeitig, damit sich die DNA nicht verdreht. Replikationsblase Es bildet sich eine Replikationsblase, wo der Strang aufgetrennt wird. Auf beiden Seiten an den Replikationsgabeln wird die neue DNA synthetisiert. Primase Primer Stellt Starthilfe Primase her RNA-Nucleotide, die als Starthilfe dienen. Wird später durch DNA-Nucleotide ersetzt. DNA-Polymerase Enzym, welches DNA synthetisiert. Es kann nun in Richtung 3 -> 5 den Leitstrang bilden. Der komplementäre Leitstrang ist der Strang, zu welchem die komplementären Basen angesetzt werden. 8 von 10

9 DNA-Replikation Folgestrang Der Folgestrang kann nur in Fragmenten gebildet werden, da die Leserichtung 3 > 5 hier nicht möglich ist. Hier gibt es mehrere Primer, an welchen dann Okazaki-Fragmente entstehen. Okazaki-Fragmente bestehen aus der neu synthetisierten DNA und dem Primer. Wenn die DNA-Polymerase an einen nächsten Primer stösst, ersetzt er sie durch DNA-Nucleotide. Ligase Die Ligase erstellt die Bindung des letzten mit dem ersten DNA-Nucleotids. Schleifenbildung Durch eine Schleifenbildung werden beide Stränge von derselben DNA-Polymerase (pro Replikationsgabel) abgelesen und synthetisiert. Semikonservativer Replikationsmechanismus Die DNA wird semikonservativ repliziert, sprich der Strang wird nicht 1:1 kopiert, sondern besteht zur Hälfe aus dem orginalen Strang. Der Nachweis funktioniert mit der Markierung unterschiedlicher schwerem Stickstoff. So sieht man, dass nach ersten Zellteilung nur noch mittelschwere DNA exisitert. Mit weiteren Zellteilungen kann man aauch die disperse Replikation ausschliessen. 9 von 10

10 DNA-Replikation Mutation Mutation Mutante Mutagen Änderung der Basenreihenfolge in der DNA Lebewesen, das eine bestimmte Mutation aufweist Äusserer Einfluss, der eine Mutation auslösen kann Genmutation Eine Mutation, die sich nur auf ein Gen auswirkt. Punktmutation Substitution Insertion Deletion Eine Mutation, bei der nur eine Base betroffen ist. Ersetzen einer Base durch eine andere (Fehlsinn-Mutation) Einfügen einer Base (Raster-Mutation) Entfernen einer Base (Raster-Mutation) Fehlsinn-Mutation Raster-Mutation Andere Aminosäure wird synthetisiert Verändert den Leseraster; sehr viele andere Aminosäuren (Stop-Codon nun auch an anderem Ort) Stille/Stumme Mutation Keine Änderung (gleiche AS) Chromosomenmutationen Deletion Duplikation Inversion Insertion Translokation Entfernt einen Genabschnitt Eine Genabfolge wird verdoppelt Eine Genabfolge wird umgekehrt Teil eines anderen Chromosoms wird eingefügt Zwei Teile zweier Chromosmen werden ausgetauscht Mutagene Zufällig (bei der Repliktaion) Zigarettenrauch / Grillrauch Strahlen (UV, Radioaktivität, Röntgen) Chem. Substanzen 10 von 10