BIOWISSENSCHAFTEN. Die Biowissenschaften. Biochemie. Molekularbiologie. Mikrobiologie. Botanik, Zoologie. Genetik. Biotechnologie.

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1 Die Biowissenschaften Mikrobiologie Biotechnologie Biochemie Genetik Molekularbiologie Botanik, Zoologie weitere Disziplinen Physiologie Zellbiologie Zentrum f. Angew. Genetik BIOWISSENSCHAFTEN

2 Genetik ist die Lehre der Vererbung Die Genetik beschäftigt sich mit dem Vorgang, bei dem Merkmale von Eltern auf Nachkommen weitergegeben werden. Gene sind physikalische Elemente (physikalische Einheiten; Faktoren), die für die Konstanz aber auch für dievariabilität der vererbten Merkmale verantwortlich sind. Molekulare Genetik untersucht die Moleküle, die für vererbbare Merkmale verantwortlich sind. Sie ist eine experimentelle Wissenschaft (im Gegensatz zur beschreibenden). Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

3 Bestandteile lebender Zellen Wasser (H 2 O - 80 %), das restliche Zelltrockengewicht enthält Protein/Eiweiss (Enzyme, Hüllproteine - 50 %), Fette (Lipide, Cholesterin - 20% ), Zucker (Glykogen, Kohlenhydrate - 20%) Nukleinsäuren (DNA/RNA %). Desoxy-ribonukleinsäure - DNA - Doppelsträngig (Zucker, Phosphor, Basen) Ribonukleinsäure - RNA - Einzelsträngig (Zucker, Phosphor, Basen) Ein Mensch besteht aus ~5x10 14 Körperzellen. DNA/RNA ist in jeder Körperzelle enthalten (~ 6x10-12 g, ~6 pg) und liegt in Chromosomen vor. Ein Mensch von 100 kg enthält daher ~ 0.2 kg DNA/RNA.

4 DNA Mengen und Längen DNA in jeder menschlichen Zelle Gramm DNA in einem menschlichen Körper zurück 46 Chromosomen 6 Milliarden Basenpaare 2 Meter lang 6 Picogramm = 6x x Erde Sonne und DNA-Produktion für rote Blutkörperchen Wien Miami in 1 Sekunde DNA-Aufnahme mit täglicher Nahrung ca. 1 Gramm Normale Tomaten enthalten keine Gene, nur genmanipulierte Tomaten enthalten Gene. (Eurobarometer, 1999) WEISS NICHT 30% FALSCH 35% RICHTIG 35%

5 Aufnahme von Mikroben und DNA kanamycin-resistente Bakterien werden jeden Tag auf natürliche Weise gegessen (in GB). 1 Million kanamycin-resistente Bakterien leben in den Eingeweiden eines durchschnittlichen Menschen. 1 menschl. Zelle enthält 6 Milliarden Basenpaare DNA; 1 Mundvoll Gemüse enthält 5 Milliarden Basenpaare DNA. Quelle?????

6 Chromosomenzahl in verschiedenen Lebewesen Normale Chromosomenanzahl in einigen Lebewesen* Bakterien 1 Biene (weiblich)32 Fruchtfliege 8 Fuchs 34 Roter Klee 14 Katze 38 Gartenerbse14 Maus 40 Bäckerhefe16 Ratte 42 Mais 20 Kaninchen 44 Frosch 26 Mensch 46 Hydra 30 Huhn 78 * diploider Chromosomsatz, außer bei der Bäckerhefe: haploider Chromosomensatz Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

7 Architektur von Chromosomen Karyogramm Mensch, männlich Die Bandenmuster von Chromosomen (hier gefärbt mit Giemsa- Farbstoff) sind hoch spezifisch für die einzelnen Chromosomen. Rechts: Erscheinungsbild unter dem Mikroskop Links: geordnet nach den wichtigen Charakteristika Größe und Bandenmuster Zentrum f. Angewandte Genetik

8 Genotyp - Phänotyp Genotyp Phänotyp Trisomie 21 - Mongolismus Genotyp Phänotyp Genotyp Normal

9 Aufbau von Chromosomen Telomer = Chromosomenende Kinetochor Zentromer Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

10 Molekularer Aufbau von Chromosomen (1) Die DNA ist in Nucleosomen verpackt Eukaryote Chromosomen bestehen aus einer DNA-Doppelhelix in enger Assoziation mit Histonproteinen und einer Reihe weiterer Proteine, die eine funktionelle Rolle an den Chromosomen ausüben. Die Gesamtheit der Komponenten wird als Chromatin bezeichnet. Modell eines Nucleosoms: Die DNA- Doppelhelix ist 2 x um ein Histon-Oktamer (ein Komplex aus 8 Histonproteinen) gewunden. Zentrum f. Angewandte Genetik Modell einer 30 nm-faser eines Chromosoms (in teilweise aufgelockertem Zustand)

11 Molekularer Aufbau von Chromosomen (2) Modell der Chromosomenstruktur Die Chromosomen sind in mehreren Organisationsstufen aufgebaut, die je nach Zustand der Zelle dynamisch ineinander übergehen. Links ist eine gelockerte Struktur gezeigt (typisch für die Interphase); rechts liegt ein dicht kondensierter Zustand vor (typisch für die Metaphase). Zentrum f. Angewandte Genetik

12 Aufklärung der DNS-Struktur Struktur (34 Angström = 3,4 nm) DNS-Doppelhelix nach James Watson & Francis Crick, Nature, 1953 Zentrum f. Angewandte Genetik Grundlagen für die Aufklärung der DNS- Struktur: Chargaff sche Regel der Basenverhältnisse Hinweis auf Komplementarität der Basenpaare A-T und G-C Röntgenstrukturanalysen (durchgeführt v.a. durch Maurice Wilkins u. Rosalind Franklin) Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und antiparallel (5 3 - bzw Strang) Implikationen aus der DNA-Struktur: Sequenz der Nukleotide für genet. Information verantwortlich Replikationsmodell Nobelpreis 1962 für J. Watson u. F. Crick

13 Nomenklatur der DNS- und RNS-Bausteine Allgemeine Struktur eines Nukleotids Nukleotide: Grundbausteine der DNS und RNS bestehen aus je 1 Zucker (Ribose in RNS bzw. 2-Desoxyribose in DNS), Phosphat und je 1 N-hältigen Base Basen in den Nukleotiden der DNS: Purine: A (Adenin), G (Guanin) Pyrimidine C (Cytosin), T (Thymin) Basen in den Nukleotiden der RNS: wie in DNS, jedoch U (Uracil) statt T Am Aufbau der DNS- und RNS-Nukleotide beteiligte Zucker:

14 Chemische Struktur der DNS-Bausteine PURIN-Nukleotide (A und G) PYRIMIDIN-Nukleotide (C, T und U) Zentrum f. Angewandte Genetik

15 Ausschnitt aus einer DNS-Kette Orientierung von 5 - Phophatende in Richtung 3 - OH-Ende Verbindung der Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen Einige Möglichkeiten der Kurzschreibweise von DNS-Ketten: Zentrum f. Angewandte Genetik

16 Aufbau des DNA- Doppelstrangs je 3 Nukleotide kodieren für 1 Aminosäure Base (A, T, C, G) Ribose Phosphat Nukleotid Basenpaarung: jedem Adenin (A) liegt ein Thymin (T) gegenüber jedem Guanin (G) liegt ein Cytosin (C) gegenüber Wasserstoffbrückenbindungen halten die beiden komplementären Stränge zusammen

17 Transfer der genetischen Information: Replikation, Transkription, Translation (reverse Transkription) Zentrum f. Angewandte Genetik

18 Die DNA kodiert den Bauplan eines Organismus DNA RNA Protein (Aminosäuren) Eiweiss

19 Der genetische Code Degeneration des genetischen Codes: Die Anzahl der Codons für verschiedene Aminosäuren ist unterschiedlich (1-6); 4 Satzzeichencodons: 1 Startcodon AUG 3 Stopcodons (Terminationscod ons, nonsense codons) Zentrum f. Angewandte Genetik

20 DNA Replikation Quelle: Institut für Med. Biologie & Humangenetik, Graz

21 DNA-Synthese an beiden Strängen der Replikationsgabel Zentrum f. Angewandte Genetik kontinuierlicher Strang diskontinuierlicher Strang

22 Transkription: Grundmechanismus Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

23 Transkription: Allgemeine Eigenschaften eines Promoters Positionen vor (-) bzw. nach (+) der Initiationsstelle der RNA-Synthese Promotoren sind die Erkennungs- und Bindungsstelle für die RNA- Polymerase (das RNA-Polymerase-Holoenzym). Sie liegen kurz vor ( stromaufwärts ) einem kodierenden Bereich und besitzen eine Consensus - Sequenz (= gemeinsame Grundstruktur). Zentrum f. Angewandte Genetik Initiationsstelle der RNA-Synthese

24 RNA ohne Introns = mrna Introns sind DNA Sequenzen, die auf RNA Ebene entfernt werden und nicht für das Protein kodieren. Hühner Ovalbumin Gen; A-G = Introns; 1 7 = Exons Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

25 Die Codon-Anticodon Interaktion erfolgt antiparallel (siehe Schema), wobei die 5 -Position des Anticodons als Wobble -Position bezeichnet wird. Diese Base kann nach den wobble - Regeln mit mehr als einer Base an der 3 -Position des Codons H-Brücken ausbilden (siehe Tabelle). An dieser Position kommt imanticodon häufig die Purinbase Inosin (I) vor. Konsequenz: 1 trna (die eine Aminosäure trägt; hier: Ser) kann 2 Codons (hier: UCC oder UCU) in der mrna erkennen Zentrum f. Angewandte Genetik

26 Die funktionellen Domänen in einem trna-molekül: Struktur der trna 3-dimensionale Struktur einer trna: Zentrum f. Angewandte Genetik Einige seltene Basen in der trna: DHU= Dihydro-Uridin Ψ= Pseudo-Uridin mg= Methyl-Guanosin

27 Translation: : Die Schritte der Elongation Für die Elongation der Polypeptidkette werden zusätzliche Proteinfaktoren, sog. Elongationsfaktoren (EF), benötigt. Im Translokationsschritt wird die Polypeptidkette von der PeptidyltRNA (an der P-Stelle) auf die Aminoacyl-tRNA (d.h. auf die neu angekommene Aminosäure an der A-Stelle) übertragen. Danach bewegt sich das Ribosom um 1 Codon nach vorne (d.h. von 5 - in 3 -Richtung auf der mrna). Dadurch wird die entladene trna von der P-Stelle freigesetzt und die úm 1 Aminosäure verlängerte Peptidyl-tRNA gelangt an die P- Stelle. Die A-Stelle wird damit für eine neue Aminoacyl-tRNA zugänglich. Zentrum f. Angewandte Genetik

28 Proteine werden im Zytoplasma, an den Ribosomen synthetisiert Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

29 Wie Proteine entstehen (1) Polypeptide Ribosomen Richtung der Translation Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

30 Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien Wie Proteine entstehen (2)

31 Einige Definitionen: Mutation: Mutationen Wechsel in Nukleotidequenz eines DNA-Moleküls oder Veränderung von Genen oder Chromosomen entweder innerhalb von Genen ( kann zu Änderung des Phänotyps führen) oder zwischen Genen ( stille Mutation: kein Effekt auf die Zelle / den Organismus) Genotyp: genetische Konstitution Phänotyp: beobachtbare Charakteristika Wildtyp (wt): Organismus mit gewöhnlichem Phänotyp Mutante: Träger einer Mutation; Organismus mit geändertem Phänotyp; vom wt abweichender Phänotyp Mutagen: chem. oder physik. Agens, welches eine Mutation verursacht Somatische Mutation: betrifft nur die Körperzellen; nicht vererbbar Keimbahnmutation: betrifft die Keimzellen, daher vererbbar Nullmutation: der Ausfall einer Genfunktion Zentrum f. Angewandte Genetik

32 Punktmutationen in mrnas verändern die Aminosäuresequenz der Proteine Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

33 Deletion Duplikation Inversion Mutationsarten Mutationen können oft ganze Bereiche eines Chromosoms betreffen.

34 Mutationen Mögliche Ursachen für Mutationen: DNA-Replikationsfehler (zb durch seltene tautomere Basenformen; siehe Vorlesungsteil Molekulare Genetik) zufällige, spontane Veränderungen in den Basen der DNA (zb Depurination, spontane Desaminierung) Crossing-over Fehler (= Rekombinationsfehler): können zu Deletionen oder Duplikationen führen strahleninduzierte Veränderungen (zb durch UV- oder Röntgenstrahlung, radioaktive Strahlung); UV führt häufig zu Thymin- Dimeren (Quervernetzung benachbarter T-Reste) Destabilisierung mobiler genetischer Elemente (Transposons) Zentrum f. Angewandte Genetik

35 Mögliche Konsequenzen von Mutationen auf DNA-Ebene (Basenveränderungen): Veränderungen einer Aminosäure (engl. missense mutation ): durch Änderung eines Codons Leserasterverschiebung (engl. frameshift mutation ): Durch Insertion oder Deletion von Basenpaaren (soferne Zahl der inserierten oder deletierten Basenpaare kein Vielfaches von 3 ist) Kettenabbruch (engl. nonsense mutation ): durch Änderung eines Codons in ein Stopcodon Kettenverlängerung: durch Änderung eines Stop-Codons in ein Aminosäure-kodierendes Codon) Stille Mutation: Änderung eines Codons in ein anderes Codon, welches für dieselbe Aminosäure (Synonymcodon) kodiert (siehe Degeneration des genetisches Codes), führt daher nicht zu Proteinveränderungen Zentrum f. Angewandte Genetik

36 Veränderungen in der DNA - Folgen von Mutationen Genetische Defekte (Mutationen) in der DNA von Körperzellen (somatische Mutationen) sind oft Ursache für sporadische Krebserkrankungen Körperzellen Genetische Defekte (Mutationen) in der DNA von Keimzellen wie Spermien und Oozyten (konstitutionelle Mutationen) passieren die Keimbahn und führen zu erblichen Krebserkrankungen oder Erbkrankheiten Keimzellen

37 Zellteilung - Veränderungen in der DNA - Mutationen DNA DNA ** + DNA * + * * + z. Bsp. Krebszelle

38 DNA - Reparatur Da die DNA ihre Information weiter geben muss, müssen Fehler bei der Replikation möglichst niedrig gehalten werden. Fehler werden auch repariert. DNA Schäden können auch oft repariert werden. Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

39 Rekombination Unter Rekombination versteht man die Neuanordnung des genetischen Materials. Neben den Mutationen ist die Rekombination der zweite wichtige Vorgang, der zur Veränderung des genetischen Materials führt. Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien

40 Regulation der Genexpression Da nicht alle Gene einer Zelle gleichzeitig gebraucht werden, muss die Expression der Gene reguliert werden. In Prokaryoten sind viele Gene, die funktionell zusammengehören, z.b. alle Gene für die Synthese einer bestimmten Aminosäure oder zur Verwertung einer bestimmten Kohlenwasserstoffquelle, in Operons organisiert und können gemeinsam reguliert werden. Reguliert kann auf der Ebene der Transkription, der Translation, durch Abbau der mrna, durch Abbau der Proteine werden. Quelle: Inst. f. Genetik, VBC Wien