die Versuche von Griffith und Avery beschreiben und interpretieren können Gemeinsamkeit der Proteine und Nukleinsäuren: langkettige, unverzweigte Moleküle Bakterium: Streptococcus pneumoniae (S-Zellen = virulent; R-Zellen = nicht virulent) Virulent = Sie rufen bei Mäusen eine tödliche Lungenentzündung hervor. Dies geschieht unter anderem durch die Bildung von Schleimkapseln. Griffith vermischte abgetötete S- und lebende R-Zellen. Die toten S-Zellen transformierten ihre DNS auf die lebenden R-Zellen, sodass diese Schleimkapseln bildeten und virulent wurden. Er injizierte lebende R-Zellen (Maus lebt), tote S-Zellen (Maus lebt), lebende S-Zellen (Maus tot) und tote S-Zellen mit lebenden R-Zellen (Maus tot). Avery wusste durch Griffith, dass vererbte Fähigkeiten auf stofflicher Basis weiter gegeben wurden. Avery trennte die DNS und die Proteine abgetöteter S-Zellen voneinander und mischte dann entweder die DNS oder die Proteine mit lebenden R-Zellen. Bei dem Protein-S- Zellen-Gemisch zeigten sich keine Veränderungen. Bei dem Gemisch mit der DNS kam heraus, dass die DNS der S-Zellen die Fähigkeit zur Kapselbildung auf die R-Zellen übertragen hat. Diesen Vorgang nennt man Transformation. den molekularen Aufbau der DNA erklären können DNS = Desoxyribonukleinsäure Bausteine: -Phosphat [PO 4 ] 3- -Zucker (Desoxyribose) -Base (Adenin Thymin, Cytosin Guanin) 1
Ein Zuckermolekül, eine Phosphatgruppe und eine Base bilden ein Nukleotid. Die DNS ist daher ein Polynukleotid. Zwischen Adenin Thymin bilden sich ZWEI H- Brücken Zwischen Cytosin Guanin bilden sich DREI H- Brücken Leserichtung erfolgt von 3 nach 5 Weiteres: Eigenschaften eines Moleküls mit Erbsubstanz Eigenschaften Informationen Verschlüsseln können Leserichtung muss vorhanden sein Unveränderte Verdoppelung muss stattfinden können Stabil muss es sein, trotzdem veränderbar Gewährleistet durch Reihenfolge der Basen/Basensequenz Leserichtung von 3 nach 5 Ende Komplementäre Basenpaare Mutationen sind möglich die Vorgänge bei der Replikation der DNA erklären können und die wichtigsten drei (ohne Primase) daran beteiligten Enzyme und ihre Aufgaben kennen Replikation: Die Replikation beginnt an einem bestimmten DNS-Abschnitt (Replikationsursprung). Dort lagert sich ein Komplex aus verschiedenen Replikationsenzymen an. An dieser Stelle wird die DNS entschraubt, dann werden durch das Enzym Helicase die H-Brücken gelöst und die DNS in ihre Einzelstränge aufgeteilt. Proteine heften sich locker an die freien Basen, dass sich die Einzelstränge nicht wieder vereinigen. Vom Replikationsursprung ausgehend, verläuft die Replikation in beide Richtungen, es bilden sich also zwei Replikationsgabeln. An die Einzelstränge synthetisiert das Enzym Primase den Primer (eine kurze Nukleotidsequenz). Der Primer dient dann als Ansatzstelle für die DNS-Polymerase, denn diese Enzyme können die Nukleotidketten zwar verlängern, aber nicht neu bilden. Die DNS- 2
Polymerase setzt alle komplementären Basenpaare der Einzelstränge an. Die Basensequenz des elterlichen Einzelstrangs ist also eine Matrize, die die Basensequenz des Tochterstrangs vorgibt. Jede neue Doppelhelix entsteht daher zur Hälfte aus einem neu synthetisierten Tochterstrang. Somit ist die Replikation Semikonservativ. An einer bestimmten Basensequenz löst sich der Replikations-Enzym-Komplex schliesslich wieder von der DNS ab. Die Replikation ist beendet. Im Gegensatz zur Prokaryoten-DNS wird die Eukaryoten-DNS in mehreren Abschnitten verdoppelt (sie hat mehrere Replikationsursprünge). Vor der Replikation steht jedes Chromosom aus einer Chromatide (1C), nach der Replikation aus zweien (2C). Diese werden während der Mitose voneinander getrennt. Die Polymerase SYNTHETISIERT vom 5 zum 3 Ende hin (oder: vom codogenen Strang aus gesehen läuft es vom 3 zum 5 Ende hin (umgekehrt))!!! Enzyme: Helicase: Polymerase: Ligase: Primase: Bricht die H-Brücken zwischen C-G/T-A auf und trennt so die Doppelhelix in zwei Einzelstränge. Bindet die neuen Nukleotide an den neu entstandenen Einzelstrang. Das eine arbeitet kontinuierlich, das andere diskontinuierlich aber beide vom 5 zum 3 Ende hin. Verbindet die Replikationsursprünge miteinander (später auch gebrach in der Gentechnologie). Setzt die erste Basensequenz (Primer) an den neu entstandenen Einzelstrang, da die Polymerase keinen neuen Strang beginnen kann ( Starthilfe ). mindestens drei Unterschiede im Aufbau der DNA und der RNA kennen DNA RNA Strang Doppelstrang Einzelstrang Länge Gesamte genomische Information Nur kleiner Teil genomischer Information Zucker Desoxyribose Ribose Base Thymin Uracil 3
den Begriff Transkription definieren, den Ablauf beschreiben und einen beliebigen DNA- Abschnitt in die entsprechende mrna übersetzen können Transkription: Der Vorgang, bei dem die Synthese von RNA anhand einer Vorlage (DNS) stattfindet. Vorgang: Initiation: Die RNA-Polymerase bindet an die Promotorregion. Das bewirkt, dass die DNS entwunden und in Einzelstränge aufgeteilt wird. Elongation: Die RNA-Polymerase bewegt sich am codogenen Strang der DNS entlang und knüpft die komplementären Nukleotide an (Thymin wird durch Uracil und Desoxyribose druch Ribose ersetzt). Termination: Nach dem Ablesen der Terminatorsequenz löst sich die Polymerase von der DNS und die mrna wird freigesetzt. Polymerase SYNTETHISIERT vom 5 zum 3 Ende (oder: es läuft vom codogenen Strang gesehen vom 3 zum 5 Ende (umgekehrt))!!! das Prinzip des genetischen Codes erklären können Genexpression = Vorgang, mit dem sich eine Zelle die in ihren Genen enthaltenen Informationen zugänglich macht (Transkription/Translation). Struktur und Funktion von Proteinen werden durch die Aminosäuresequenz bestimmt. In der Basensequenz der mrna ist festgelegt, in welcher Reihenfolge Aminosäuren zu langen Ketten verbunden werden müssen, um ein funktionsfähiges Protein zu erhalten. Der genetische Code liefert die Übersetzungsvorschrift, um aus einer mrna-basensequenz die Aminosäuresequenz eines Proteins abzuleiten. In der Abfolge der Nucleotidbasen der mrna ist die Aminosäuresequenz codiert. Da es nur 4 Basen, aber 20 verschiedene Aminosäuren gibt, muss eine Gruppe von mehreren Nucleotiden ein Codon (Codewort) bilden und für eine Aminosäure codieren. Stünde eine Base für eine Aminosäure, könnten nur vier verschiedene Aminosäuren, durch Zweiergruppen nur 4 2 = 16, und erst durch Dreiergruppen 4 3 = 64 verschiedene (20) Aminosäuren verschlüsselt werden. (1 Dreiergruppe = 1 Basentriplett) Da es jetzt nur 20 Basen, aber 64 mögliche Basentriplette gibt, können manche Aminosäuren mehrfach codiert werden. Der Genetische Code ist somit redundant. Das bedeutet, dass die meisten Aminosäuren von mehreren verschiedenen Codons verschlüsselt werden (die sich meist in der 3. Base des Tripletts unterscheiden). AUG = Startcodon/Anfangspunkt der Translation 4
UAG UAA Stoppcodon/Endpunkt der Translation UGA Der Genetische Code ist universell (bei fast allen Organismen Arten derselbe). den Ablauf der Translation mit den beteiligten Molekülen erklären können Translation = Vorgang, bei dem die Synthese von Proteinen durch die Vorlage (mrna) in jeder Zelle, stattfindet. Sie ist nach der Transkription der zweite Schritt in der Genexpression. Ablauf: Initiation 1: Anlagerung der kleinen Ribosomen-Untereinheit an das Startcodon der mrna. Initiation 2: Die trna mit dem Anticodon für das Startcodon wird an der P-Stelle (2. Stelle) des Ribosoms an das Startcodon der mrna gebunden. Sie trägt die spezifische Aminosäure für dieses Codogene Basentriplett. Elongation 1: Eine nächste trna dockt an der A-Stelle (1. Stelle) des Ribosoms an, welche wieder eine nächste Aminosäure enthält. Elongation 2: Die erste Aminosäure wird an die zweite geheftet, somit wird der Teil der Aminosäuresequenz zum Protein. Elongation 3: Das Ribosom rückt ein Triplett nach rechts. Dort dockt eine dritte trna an. Die erste trna macht sich bereit, das Ribosom in der E-Stelle zu verlassen. Elongation 4: die erste trna verlässt das Ribosom. Anschliessend rückt das Ribosom ein Triplett weiter und so kann die vierte trna andocken (A-Stelle), welche eine weitere Aminosäure enthält und verknüpft. Termination 1: Nun steht die Translation am Ende, denn ein Stoppcodon auf der mrna ist erreicht. Für dieses Basentriplett gibt es keine Aminosäure ein Release- Faktor kommt zum Einsatz und beendet die Translation. Termination 2: Der Komplex löst sich auf, die Proteinsynthese ist abgeschlossen. Ribosom läuft hier vom 5 zum 3 Ende! mit Hilfe einer Codesonne die Information der mrna in die entsprechende Aminosäuresequenz übersetzen können Es muss immer auf das Codon der mrna geschaut werden, nicht auf das Anticodon der trna!!! 5
die Ein Gen- ein Enzym (ein Polypeptid) Hypothese kennen und anhand eines Beispiels erklären können Genetiker erkannten, dass einem Schimmelpilz, dem ein einziges Enzym fehlte, den gesamten Tryptophanstoffwechsel nicht zu Ende bringen konnten. Sie konnten also aus der Shikimisäure kein Tryptophan herstellen, wenn dazwischen ein Enzym fehlte. Sobald sie Tryptophan herstellen konnten, begannen sie zu wachsen. Wurde der Stoffwechsel durch ein defektes/fehlendes Enzym unterbrochen, zeigte sich kein Wachstum. Es musste also die Säure nach dem defekten/ fehlendem Enzym hinzugegeben werden, damit ein Wachstum vorhanden war. Sie erkannten so, dass ein Gen, ein Enzym codiert und erdachten die Ein Gen-ein Enzym- Hypothese. Shikimisäure Chorrisminsäure Anthranilsäure Indol Tryptophan Enzym 1. Enzym 2. Enzym 3. Enzym 4. die Zusammenhänge zwischen Enzymdefekten und verschiedenen Krankheiten im Phenylalaninstoffwechsel erklären können Phenylalanin ist eine essentielle Aminosäure. Phenylalanin wird durch das Enzym Phenylalanin-Hydroxylase zu Tyrosin abgebaut. Der Abbau von Tyrosin zu den Endprodukten Kohlendioxid und Wasser läuft über die Homogentisinsäure. Tyrosin ist aber auch Ausgangsstoff für weitere wichtige Produkte (Schilddrüsenhormon Thyroxin und Farbstoff Melanin). a) PKU: Enzym 1 fehlt/defekt b) Albinismus: Enzym 4 fehlt/defekt c) Alkaptonurie: Enzym 3 fehlt/defekt d) Erblicher Kretinismus: Enzym 5 fehlt/defekt 6
Albinismus Es fehlt ein Enzym, welches Tyrosin zu Melanin abbaut. Dadurch können Melaninverbindungen nicht genügend produziert werden (Melanin = Pigmentfarbstoff). So kommt es zu weisser Haut und oft auch roten Augen. Alkaptonurie Es fehlt ein Enzym, welches Homogentisinsäure zu Kohlendioxid und Wasser abbaut. Die Homogentisinsäure wird im Harn ausgeschieden. Der Urin des Betroffenen färbt sich mit Luftkontakt schwarz. Manchmal sind auch bei Patienten die Ohrknorpel und die Weisse Augenbindehaut schwarz gefärbt, da sich die Homogentisinsäure mit dem Knorpel- und Bindegewebe verbinden kann. Erblicher Kretinismus Es fehlt ein Enzym, welches Tyrosin zu Thyroxin verarbeitet. Folgen sind Hemmungen der geistigen/körperlichen Entwicklung. Das fehlende Thyroxin wäre nämlich nötig für die Wirkung des Wachstumshormons Somatotropin. Symptome: Zwergwuchs, dicke Zunge, Taubheit, breites Gesicht Ursachen und Folgen bzw. Symptome der folgenden Krankheiten kennen: Sichelzellanämie, PKU, Down-Syndrom Sichelzellanämie: Ursachen: Eine Base im sechsten Triplett der DNS wurde ausgetauscht (Punktmutation. Anstatt CAT ist es CTT). Dadurch bildet sich das Hämoglobin nicht aus, wie beim gesunden Folgen: Erythrozyten. Bei Sauerstoffmangel werden die Erythrozyten sichelförmig. Die Leukozyten greifen alle Sichelzellen an, daher auch nun die sichel-erythrozyten. Es kommt zur Blutarmut. Es bietet aber auch Vorteile. Die betroffenen Erythrozyten mit Plasmodien gehen in die Sichelform über und werden mit samt den Erregern abgebaut. So steigen die Überlebenschancen der betroffenen, in Malariagebieten. 7
PKU: Ursachen: Es fehlt ein Enzym, welches Phenylalanin zur Aminosäure Tyrosin abbaut. So kommt es zu einer 10-30-mal höheren Phenylalanin-Konzentration. Gleichzeitig wird es zu Phenylketon umgewandelt und im Harn ausgeschieden. Folgen: Der hohe Gehalt des Blutes an beiden Stoffen (Phenylalanin/Phenylketon) verhindert die Ausreifung des ZNS. Es kann zu kognitiven Störungen/epileptischen Anfällen kommen. Der IQ liegt selten über 60. Ausserdem herrscht eine Pigmentarmut in Haar und Haut. Gutherie- Test: Bei Neugeborenen wird wenig Blut entnommen und auf einen Nährboden von Bakterien gebracht, welche zum Wachsen auf Phenylalanin angewiesen sind. Bei hohem Wachstum PKU. Behandlung: Phenylalaninarme Diät. Auch in der Schwangerschaft, da Phenylalanin durch die Plazentaschranke ins Fötale Blut geraten kann. Down-Syndrom: Ursachen: Bei der Meiose findet eine Nondisjunction statt. Die Chromosomen Nr. 21 trennen sich bei dieser Meiose nicht voneinander. So fand beim Betroffenen eine Genommutation statt. (47, XX oder 47, XY Chromosom 21 3x vorhanden) Symptome: -dicker und kurzer Hals -Infektionsanfällig -Herzfehler -leiden häufig an Leukämie die möglichen Auswirkungen einer Mutation erklären können 8
verschiedene Mutationstypen und jeweils mindestens ein Beispiel aus der Humanbiologie nennen können Nach Art von Mutation: Genmutation Punktmutation: Eine Base Sichelzellanämie wurde ausgetauscht. Rastermutation: Eine Base -- wurde entfernt (Deletion), hinzugefügt (Insertion) oder umgedreht (Inversion). Chromosomen Mutation Strukturelle Veränderung eines Katzenschreisyndrom Chromosoms, z.b Stückverlust Stückaustausch zwischen Myeloische Leukämie verschiedenen Chromosomen Genommutation Chromosomenzahl verändert Trisomie 21 Nach betroffenen Zellen: -Somatische Mutationen -Keimbahnmutationen (Der Träger kann betroffen sein, wäre dann somatisch. Die Nachkommen sind jedoch betroffen.) die grundlegenden Methoden und Werkzeuge der Gentechnologie kennen und das Vorgehen am Beispiel der Insulinherstellung erklären können Gentechnik: Gezielte Übertragung fremder Gene in den Genbestand einer Zelle/eines Organismus. Die veränderten Organismen nennt man transgen. Werkzeuge: Restriktionsenzym: Zerschneidet die DNS an genau definierten Stellen Vektoren: Zum Transportieren und einschleusen artfremde Gene in einen Organismus Marker: Die fremde DNS, die in den Organismus eingeschleust wird, wird markiert, um den erfolgreichen Einbau kontrollieren zu können (z.b Antibiotikaresistenz). Promotoren: Sie sind die Schalter, welche die Expression des Gens aktivieren, so dass es zum Ausdruck kommt. 9
Methode anhand der Insulinherstellung: Es gibt verschiedenste Restriktionsenzyme. Jede Art spaltet die DNS spezifisch an einer bestimmten Stelle, die sin an der DNS-Sequenz erkennt. Diese Sequenzen weisen häufig Palindrome auf (vor- und rückwärts dasselbe). Da die Enden der Schnittstellen zueinander komplementär sind und sich wegen der Basenpaare wieder zueinander finden können, heissen sie sticky-ends. Nebenbei muss noch ein Plasmid eines Bakteriums durch dasselbe Restriktionsenzym geschnitten werden, damit dieselben Schnittstellen entstehen. Ebenfalls muss gleich ein Markergen eingeschleust werden, damit die Kontrolle später erfolgen kann. Die geschnittene Insulin-DNS wird nun durch das Enzym Ligase an die komplementären Enden des Plasmids geknüpft. Dieses rekombinierte Plasmid wird in das Bakterium eingeschleust (Transformation). Danach werden die Bakterien selektioniert. Das geschieht durch das eingesetzte Markergen (Bsp. Antibiotikaresistenz). Sie werden z.b auf einen Antibiotika-Nährboden gegeben. Fazit: Die Bakterien mit dem Antibiotikaresistenz-gen wachsen, die anderen sterben ab/wachsen nicht. 10