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

Biologie

DNA, RNA, Molekularbiologie

Stefan WittwerDieses Dokument ist Teil der saliorel Library.

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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- Zeigt, dass das genetische Material wirklich DNA und Chase nicht Proteine sind (anhand von Viren) DNA hat Phosphor-, Proteine haben Schwefelteilchen. Die beiden wurden in verschiedenen Phagen unter- schiedlich radioaktiv markiert. Es strahlten nun in befallenen Bakterien nur diejenigen, bei deren Viren Phosphor markiert wurde.

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Entdeckung und Aufbau Molekularbiologie

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.

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Entdeckung und Aufbau Molekularbiologie

Zucker

Phosphat

Basen

Quelle: hbg-biologie.de

KERNSÄUREN DNA

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.

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

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Wie DNA den Organismus steuert Molekularbiologie

Histon Ein Histon ist ein bestimmtes Protein, das im Zellkern vorkommt.

*

Quelle: spektrum.de

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

Unterschiede DNA / RNA

RNA-Typen

tRNA Transfer von Aminosäuren zu Ribosomen (Translation)

mRNA Die Messenger-RNA überbringt den Ribosomen eine Abschrift eines Gens (Entsteht bei Transkription)

rRNA 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- Der codogene DNA-String ist der Strang, zu welchem die Strang richtigen Basen* eingesetzt werden, um den komplementären DNA-Strang zu kopieren. * genauer: RNA-Nucleotide

Terminator Endstelle eines Gens (Sequenz auf der DNA)

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Wie DNA den Organismus steuert Molekularbiologie

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 Teil eines euk. Gens, der genetische Information enthält

Intron Teil eines euk. Gens, welcher durch Spleissen entfernt wird

Spleissen Entfernen der Introns („Zusammenkleben“ der Exon-Teile)

Alternatives Spleissen 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.

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Wie DNA den Organismus steuert Molekularbiologie

E P A

Akzeptorstelle

Die nächste tRNA mit dem passenden Anticodon dockt an die mRNA an.

Petipdbindung

Die Aminosäuren werden mit einer Peptidbindung zusammengehängt.

Exit

Die nun unbeladene tRNA wird frei.

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 Sequenz auf der DNA, welches die Genexpression steuert

Regulationsenzym Stellt je nach Regulator einen Repressor her

Repressor Blockiert Promotor, indem er an Operator bindet

Operator Abschnitt, an welcher ein Repressor binden kann

Operon 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

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Wie DNA den Organismus steuert Molekularbiologie

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: 1 Replikationsursprung Eukaryoten: Mehrere

Helicase Trennt den Doppelstrang in zwei Einzelstränge

Einzelstrang-stabili- Lagern sich an Strängen an, um sie zu stabilisieren, sierende Proteine 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 Stellt Starthilfe ‚Primase‘ her Primer 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.

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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.

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Mutation

Mutation Änderung der Basenreihenfolge in der DNA Mutante Lebewesen, das eine bestimmte Mutation aufweist Mutagen Äusserer Einfluss, der eine Mutation auslösen kann

Genmutation Eine Mutation, die sich nur auf ein Gen auswirkt. Punktmutation Eine Mutation, bei der nur eine Base betroffen ist. Substitution Ersetzen einer Base durch eine andere (Fehlsinn-Mutation) Insertion Einfügen einer Base (Raster-Mutation) Deletion Entfernen einer Base (Raster-Mutation)

Fehlsinn-Mutation Andere Aminosäure wird synthetisiert Raster-Mutation Verändert den Leseraster; sehr viele andere Aminosäuren (Stop-Codon nun auch an anderem Ort)

Stille/Stumme Mutation Keine Änderung (gleiche AS)

Chromosomenmutationen Deletion Entfernt einen Genabschnitt Duplikation Eine Genabfolge wird verdoppelt Inversion Eine Genabfolge wird umgekehrt Insertion Teil eines anderen Chromosoms wird eingefügt Translokation Zwei Teile zweier Chromosmen werden ausgetauscht

Mutagene

– Zufällig (bei der Repliktaion) – Zigarettenrauch / Grillrauch – Strahlen (UV, Radioaktivität, Röntgen) – Chem. Substanzen

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