Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie

Chromosomen und genetische Information

Chromosom: Die genetische Information liegt in zwei Zustandsformen vor:

• Chromatin: Arbeitsform, entspiralisiert, gallertartige Substanz.
• Chromosomen: Transportform, spiralisiert, nur kurz vor und während der Zellteilung sichtbar.

Chemische Zusammensetzung: 35 % DNA, der Rest besteht aus Proteinen, davon hauptsächlich Histone.

Bau eines Metaphasenchromosoms

Ein Metaphasenchromosom besteht aus: Chromatiden (Schwesterchromatiden), dem p-Arm, der Centromerregion mit Kinetochoren, dem q-Arm und den Telomeren.

Charakterisierung von Chromosomen

Chromosomen sind charakterisiert durch: absolute Größe, Lage des Centromers, Länge der Chromosomenarme, charakteristische Banden und Sekundärschnürungen.

• Homologe Chromosomen: In Form und Größe identisch.
• Autosomen: Körperchromosomen.
• Gonosomen: Geschlechtschromosomen.
• Chromosomensatz: Gesamtheit der Chromosomen einer Zelle.
• Haploider Chromosomensatz (n): Einfacher Chromosomensatz; von jedem Chromosom gibt es nur eines.
• Diploider Chromosomensatz (2n): Doppelter Chromosomensatz; von jedem Chromosom gibt es ein Paar (homologer Chromosomensatz).
• Somazellen: Körperzellen des Menschen mit diploidem Chromosomensatz.

Bau der DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Die DNA ist der Speicher des genetischen Codes. Sie besteht aus:

• Phosphat
• Zucker (Desoxyribose)
• Vier organischen Basen: Thymin, Adenin, Cytosin und Guanin.

Raumstruktur der DNA

Die DNA ist schraubig gewunden (Alpha-Helix-Struktur) und liegt gewunden über Histonkomplexen vor (typische Metaphasenchromosom-Struktur). Sie besitzt Wasserstoffbrücken zwischen korrespondierenden Paaren und ist gegenläufig konstruiert. Vorteile der Verpackung der DNA in Chromosomen: leichterer Transport, höherer Schutz, gleiche Information auf kleinerer Fläche.

RNA (Ribonukleinsäure)

• Komponenten: Zuckermolekül (Ribose), Phosphatrest, vier organische Basen: Purinbasen (Adenin/Guanin) und Pyrimidinbasen (Uracil/Cytosin).
• Die RNA liegt im Wesentlichen als Einzelstrang vor.
• Abschnittsweise treten Paarungen innerhalb des Moleküls auf.

Die drei Arten der RNA

• m-RNA (messenger-RNA): Befindet sich im Zellkern und Cytoplasma; der Informationsgehalt der DNA wird in RNA übersetzt.
• t-RNA (transfer-RNA): Befindet sich im Cytoplasma; dient z. B. dem Transport der Aminosäuren (AS) zu den Ribosomen.
• r-RNA (ribosomale RNA): Bestandteil der Ribosomen; baut Ribosomen auf und sorgt dafür, dass diese ihre Funktion erfüllen.

Der Vorgang der Mitose

Interphase: G1 (Vermehrung des Zellplasmas, Wachstum der Zelle), S (DNA-Synthese, Verdopplung der Erbsubstanz), G2 (Vorbereitung des Stoffwechsels auf die nächste Teilung). Das Chromatin verdichtet sich, Chromosomen werden sichtbar, der Spindelapparat bildet sich.

Phasen der Mitose

1. Prophase: Durch starke Aufspiralisierung des Chromatins werden die aus zwei Chromatiden bestehenden Chromosomen im Kern sichtbar. Die Centrosomen wandern zu den Zellpolen und der Spindelapparat beginnt sich auszubilden. Die Kernmembran löst sich auf. Am Centromer bilden sich auf beiden Chromatiden spezielle Proteinstrukturen, die Kinetochore, und verbinden sich mit den Spindelfasern.
2. Metaphase: Die Centromere liegen nun alle in der Äquatorialebene der Zelle, in der sich auch die durch starke Aufspiralisierung extrem verkürzten Chromosomen in der Mitte zwischen den beiden Spindelpolen anordnen. Die Centromere verlieren ihre die Chromatiden verbindende Funktion. Der Chromosomenbestand kann in der Metaphase besonders gut erfasst werden (Karyogramm).
3. Anaphase: Die Chromosomenhälften (Chromatiden) wandern auf den Zugfasern des Spindelapparats zu den Polen, sodass nachher an jedem Zellpol ein vollständiger Chromosomensatz vorliegt.
4. Telophase: Die Teilungsspindel verschwindet, die Chromosomenstruktur lockert sich und es bildet sich eine neue Kernhülle.

Anschließend erfolgt die Cytokinese (Zellteilung). Sinn der Mitose: Bildung genetisch identischer Zellen. Die Mitose ist die Voraussetzung für Wachstum; sie legt die Grundlagen dafür.

Identische Replikation der DNA

Modelle der Replikation

• Konservatives Modell: Das ursprüngliche DNA-Molekül bleibt komplett erhalten; das Tochtermolekül bestünde aus zwei neu gebildeten Strängen.
• Semikonservatives Modell: Beide Doppelstränge bestehen aus einem alten und einem neuen Einzelstrang (Mutterstrang + Komplementärstrang).
• Dispersives Modell: Jeder Strang der neuen Doppelhelix enthält eine Mischung aus alter und neu synthetisierter DNA. Die ursprünglichen DNA-Stränge zerfallen in Bruchstücke und werden nach der Replikation wieder verbunden.

Beteiligte Enzyme

• Helicase: Öffnung und Aufspaltung des Doppelstrangs.
• Polymerase: DNA-Synthese.
• Ligase: Verbindung von Fragmenten.
• Primase: Primersynthese.

Ablauf der Replikation

• Die Helicase spaltet die Doppelstränge zu zwei Einzelsträngen durch die Auflösung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen.
• Damit die Replikationsgabel geöffnet bleibt, lagern sich Einzelstrang-Bindungsproteine an.
• An den DNA-Matrizen wird ein 6–30 Nukleotide langer Primer angelockt.
• Somit kann die DNA-Polymerase mit der Elongation beginnen.
• Die DNA-Polymerase katalysiert die Verbindung neuer DNA-Nukleotide mit dem vorliegenden Elternstrang.
• Diese Reaktion kann nur von 5' nach 3' fortschreiten, d. h. nur beim Leitstrang kontinuierlich.
• Der Folgestrang verläuft antiparallel. Die Eltern-DNA muss ein Stück geöffnet sein, und es müssen immer neue Primer als Anheftungsstelle der DNA-Polymerase eingesetzt werden.
• Dazwischen werden diskontinuierliche Okazaki-Fragmente gebildet.
• Wenn die DNA-Polymerase auf den Primer des vorhergehenden Fragments trifft, werden die RNA-Nukleotide gegen DNA-Bausteine ausgetauscht.
• Die Lücken im neuen DNA-Strang werden durch die DNA-Ligase verbunden.
• Die Replikation endet an bestimmten Basensequenzen der DNA.

Das Meselson-Stahl-Experiment

E.-coli-Bakterien wuchsen auf einem Nährboden, der das Isotop 15N enthielt. Die Bakterien bildeten 15N-haltige Nukleotidbasen, die bei der Replikation in die DNA eingebaut wurden (Bakterien mit schwerer DNA). Forscher übertrugen die Bakterien auf ein Nährmedium mit 14N. Nach jeder Zellteilung extrahierten sie die DNA und untersuchten sie mithilfe der Dichtegradientenzentrifugation. Mit dieser Methode lassen sich verschieden schwere DNA-Sorten unterscheiden. Moleküle der gleich schweren Sorte lagern sich in derselben Höhe ab und sind als Banden sichtbar.

Molekularbiologische Verfahren

PCR (Polymerase-Kettenreaktion)

Künstliche Replikation der DNA mit dem Ziel, kleine DNA-Mengen zu vervielfältigen. Man benötigt: DNA zum Vervielfältigen, Nukleotide, Polymerase (Taq-Polymerase), DNA-Primer und Primase.

Ablauf der PCR

1. Denaturierung: Bei 94 °C werden die Wasserstoffbrücken zwischen den zu vervielfältigenden DNA-Strängen getrennt (zwei Einzelstränge).
2. Hybridisierung: Bei ca. 60 °C lagern sich zwei DNA-Primer an komplementäre Abschnitte an.
3. Polymerisierung: Bei 72 °C beginnt die Taq-Polymerase am Primer mit der Anlagerung der komplementären Nukleotide an die DNA-Einzelstränge. Vom 3'-Ende des Primers werden Nukleotide verknüpft.

Die Schritte 1–3 bilden den PCR-Zyklus, der 20 bis 30 Mal wiederholt wird, bis eine nachweisbare DNA-Menge entstanden ist.

Gelelektrophorese

Trennverfahren zur Auftrennung von Gemischen geladener Teilchen.

• Die Stofftrennung beruht auf der unterschiedlich schnellen Wanderung der geladenen Teilchen in einem gelartigen Trägermaterial.
• Nukleinsäuren sind bei pH 7 aufgrund der Phosphatgruppen (PO4³⁻) negativ geladen.
• Bei Proteinen hängt die Ladung von den Aminosäuren ab.
• Wanderung im Gel von der Kathode zur Anode.
• Ermöglicht die Trennung nach Molekülmasse; gleich große Fragmente konzentrieren sich zu einer Bande.

Der genetische Fingerabdruck

1. DNA-Entnahme (z. B. Blutspur).
2. PCR (die drei Phasen).
3. Gelelektrophorese (Sinn: DNA-Doppelstränge zerfallen und liegen auf dem Gel in den Banden als Einzelstränge vor).
4. Blotting: DNA-Material wird auf eine Folie übertragen. Da die DNA unsichtbar ist, folgt Schritt 5.
5. Die Folie wird in eine Flüssigkeit mit radioaktiv markierten DNA-Sequenzen gegeben (DNA-Sonden).
6. Überschüssige Sonden werden abgewaschen.
7. Die Folie wird mit Röntgenfilm beschichtet; markierte DNA-Abschnitte werden als schwarze Banden sichtbar.

Proteinstrukturen

• Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren (AS-Sequenz).
• Sekundärstruktur: Beruht auf dem Vorhandensein von Wasserstoffbrücken. Man unterscheidet Alpha-Helix und Beta-Faltblatt.
• Tertiärstruktur: Vollständige räumliche Anordnung eines biologisch aktiven Proteins.
• Quartärstruktur: Mehrere Moleküle in Tertiärstruktur sind zu einer Quartärstruktur verbunden.

Zusätzliche Bindungskräfte: Ionenbindung (+/-), Wasserstoffbrücken (H), Disulfidbrücken (S-S).