Molekulare Genetik

1. Schematischer Aufbau der DNS

DNS = Desoxiribonucleinsäure (engl. ­acid, daher DNA)

Z = Zucker

P = Phosphat

B = Base

2. Die Basenpaare der DNS

Innerhalb der DNS kommen immer nur bestimmte Basenpaare vor, diese sind:

A

denin -

T

hymin

G

uanin -

C

ytosin

Adenin und Guanin sind Purinbasen und Guanin und Cytosin sind Pyrimidinbasen.

Beispiel einer solchen Andordnung von Basenpaaren in einem DNS-Abschnitt:

A ­ T

C ­ G

C ­ G

G ­ C

T ­ A

A ­ T

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3. Die RNS (engl. RNA)

Im Gegensatz zur DNS ist sie einsträngig. Das Thymin wird durch Uracil ersetzt, aber

die Paare bleiben gleich.

4. Speicherung von Informationen im genetischen Code

4.1. Grundlagen

Die Informationen werden durch unterschiedliche Abfolge der Basen in der DNS

codiert. Und zwar in der Form eines sogenannten Triplett-Codes, bei dem immer drei

aufeinander folgende Basen eine Aminsoäure codieren.

4.2. Vorgang des Ablesens

Transkription

Translation

DNA m-RNA Zytoplasma Ribosomen Protein

Zellkern

Abgabe aus

Zellkern

Es wird nur eine Seite der DNS ausgelesen, was auf der anderen Seite ist, ist

unerheblich.

Die m-RNA (Boten-RNA) wird aus der DNS gebildet und wandert zu den Ribosomen,

die aus einer grossen und einer kleinen Untereinheit bestehen. Dort wird die m-RNA

von t-RNA′s ausgelesen. Diese haben eine Kleeblattform. Auf der einen Seite haben

sie den genetischen Code und auf der anderen Seite die dazu passende

Aminosäure. Trifft die t-RNA nun in einem Ribosom an der a-Stelle auf einen

passenden m-RNA-Code, setzt sie die Aminosäure frei. Die m-RNA wandert weiter

und der Vorgang wiederholt sich solange, bis das Kettenende durch ein Triplett

signalisiert wird.

Die Aminsoäuren verbinden sich während des Ablesevorgangs zu einer Kette, die

dann das Protein bilden. Dabei verbinden sich immer die an der p-Stelle vorhanden

Aminosäuren mit der Aminosäure an der a-Stelle. Danach rutscht die gesamte Kette,

wieder weiter auf die p-Stelle und an der a-Stelle kann wieder eine t-RNA ankoppeln.

Siehe hierzu auch im Linder auf den Seiten 363-366

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4.3. Beispiel für Umwandlung von DNS in Proteine

Für die Umwandlung von der t-RNA in Proteine wird die

Codesonne

verwendet.

Diese zeigt die einzelnen Aminosäuren auf, die zusammen dann das Protein bilden.

ATG CCT ATT CGG GCA CCC TAA DNS

Codogen

TAC GGA TAA GCC CGT GGG ATT

A

Codon

UG

CCU

AUU

CGG

GCA

CCC

UAA

m-RNA

UAC

Anti-Codon

GGA

UAA

GCC

CGU

GGG

AUU

t-RNA

Met

Pro

ile

Arg

Ala

Pro

K.-E.

Protein

(aus Aminosäuren)

5. Peptidbindungen

Aminogruppe

Carboxylgruppe

Aminosäure1 Aminosäure2

H

Peptidbindung

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6. Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Prokaryoten und Eukaryoten

Prokaryoten Eukaryoten

keinen Zellkern

Zellkern

ein Chromosom

viele Chromosomen

kleine, ringförmige DNS (=Plasmide) -

haploid diploid

- Maiose

-

ER, Golgiapparat, Mitrochondrien

Ribosomen (70s*)

Ribosomen (80s*)

Zellwand: Murein*1 -

Erläuterungen:

* Swendbergkonstante: Konstante die angibt, wie schwer etwas ist. Desto größer die

Zahl umso schwerer ist es.

*1 Polysacharid

7. Bakteriophagen

7.1.

Aufbau einer Bakteriophage

Eiweißhülle

Kopf

DNS

kontraktiele Eiweiße

Schwanz

Schwanzfäden

Fußplatte

Stachel

Bakteriophagen sind Viren, die sich nur mit der Hilfe von Bakterien vermehren
können.

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7.2. Vermehrung von Bakteriophagen

1.

Adsorption:

Die Bakteriophagen landen auf einer Bakterie und docken an.

2.

Injektion der DNS:

Genmaterial wird in die Zelle gespritzt; Es bleibt nur die leere

Hül e der Bakteriophage über, die sich auflöst

3. Vermehrung der Phagenbestandteile in der Bakterie

4.

Lyse:

Auflösen der Zellwand der Bakterie; Freisetzen der Phagen

Lyse

Zusammenlagerung

der Bausteine zu

Adsorption

neuen Phagen

Einbau der Phagen-

Bildung von

Injektion

DNS in das

Phagenproteinen

Bakterienchromosom:

Prophage

Phagen-DNS

Bakterien-DNS

Vervielfältigung

Abbau des

der Phagen-DNS

Bakterienchromosoms

(teilweise gehen Reste des

Bakterienerbgutes in die

Phagen-DNS über)

unbestimmte

Freisetzen der Zeit

Zellteilung:

Phagen-DNS

Vermehrung

Anmerkungen:

Lytischer Zyklus

Lysogener

Zyklus

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8. Bakterien (hier als Beispiel: Escherichia coli)

8.1. Aufbau von Escherichia coli

Wandaußenschicht (aus Lipiden und Proteinen)

Speicherkörner

Pili

Plasmid

Ribosomen

Bakterienchromosom

Geißel

Zellmembran

Zellwand (Murein)

Membranstrukturen

8.2. Wachstum von E. coli

lg der Zellzahl pro

ml

7 107

6 106

5 105

exponentielle

Phase

4 104

3 103

2 102

1 101

Stunden

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

8.3. Keimzahlbestimmung

1:100 1:100

1:10 1:10 1:10

0,1 ml

0,1 ml

1 ml

1 ml

1 ml

9,9

9,9

9,0

9,0

9,0

ml

ml

ml

ml

ml

ÜNK

Verdünnungs-

0,1 ml

0,1 ml

0,1 ml

(Übernachtungs-

Lösung

kultur)

Ausplattieren auf Agar-Platten

---

8.4. Flukutationstest

Kontrol e

Kontrol e

Nährboden mit

Nährboden ohne

Antibotikum

Antibotikum

20 ml

Bakterienkultur

Vermehrung

40 x 0,5 ml

der Bakterien

40 x 0,5 ml

ausplattiert

Vermehrung der

Bakterien

Antibotikum resistente

Bakterienstämme entstehen

Mutanten

Ergebnis: Mutanten treten spontan und zufällig auf. Es gibt keine Regelmäßigkeiten,

wie der rechte Versuch zeigt, dort gibt es mal mehr und mal weniger resistente

Bakterien.

8.5. Genfaktoren bei Bakterien

Bakterien könen Stoffe synthetisieren. Mutanten einer Bakterien-Art wiederum nicht

(solche Bakterien werden auch Mangelmutante genannt). Das heißt, das in den

Erbinformationen die Informationen für das Bilden eines Stoffes nicht vorhanden

sind. Dies wird durch ein Minus gekennzeichnet, zum Beispiel leu- heißt, daß die

Bakterie nicht in der Lage ist Leucin zu bilden, weil ihr das nötige Erbgut fehlt. Bei

leu+ hingegen wäre diese Bakterie in der Lage Leucin zu bilden. Diese Schreibweise

kann auch mit beliebigen Buchstaben (z. B. A, B, C, etc., außer F) erfolgen, wobei

die Buchstaben dann für beliebige Eigenschaften stehen können.

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9. Genübertragung bei Bakterien

9.1. Genübertragung zwischen Bakterien

9.1.1. Versuch zu Genübertragung

E. coli

E. coli

A-, B-,C+,D+

A+, B+,C-,D-

bakteriendichter

Filter

kein Wachstum auf

Minimalnährboden

+

+

Nach Entfernen des Filters, wachsen die Bakterien auf dem Minimalnährboden.

Schaut man sich das Erbgut dieser Bakterien an, so ergibt sich dieses Bild:

A+, B+, C+, D+. Daraus ergibt sich, daß die Bakterien Genaustausch betrieben haben

und daher nun auf dem Minimalnährboden wachsen können, weil sie alle Stoffe, die

sie zum Wachsen brauchen, nun aus dem Minimalnährboden syntetisieren können.

Daraus ergibt sich als Ergebnis:

Genaustausch ist nur dann möglich, wenn die Bakterien direkten Kontakt miteinander
haben, und eine Plasmabrücke aufbauen können.

9.1.2. Der Fertilitätsfaktor

Der Fertilitätsfaktor (abgekürzt: F) befähigt eine Bakterie eine Plasmabrücke

auszubilden. Es gibt verschiedene Arten:

F+ = Der Fertilitätsfaktor ist vorhanden, und befindet sich frei im Plasma, als Plasmid;

die Bakterie kann eine Plasmabrücke aufbauen

F- = Der Fertilitätsfaktor ist nicht vorhanden, die Bakterie kann keine Plasmabrücke

aufbauen

Hfr = Der F-Faktor ist in dem Chromosom der Bakterie eingebaut (kann jedoch auch

wieder heraus gehen), daher sind Bakterien dieser Art bei der Teilung immer

F+

F-Faktor (F+)

F-Faktor eingebaut in

Chromosom (Hfr)

---

Bei einer Konjugation, also dem Bilden einer Plasmabrücke zwischen zwei Bakterien,

von dem eine F+ und die andere F- ist, wird der F+-Faktor auf die F- Bakterie

übertragen, daher sind im Anschluss beide F+. Es kommen jedoch trotzdem immer

wieder F- Bakterien vor, weil bei der Meiose der F- Faktor in einer Bakterie verbleibt

und daher eine Bakterie F+ und eine F- ist.

F+

F-

F+

F+

F+

F- F+

Sonderfall:

Es kann bei der Hfr-Bakterie passieren, daß wenn sich der F-Faktor aus dem

Chromsom herauslöst, er einen Teil des Erbgutes mit sich nimmt. Diese Bakterien

bezeichnet man als F`, und den Vorgang als Sexduktion.

F

leu

F

leu

Übersicht:

F+

F+

F-

Genaustausch

Hfr

---

9.1.3. Ablauf des Genaustausches über die Plasmabrücke

F+

gal-

gal+

leu+

leu-

Mit Hilfe des Genaustausches kann man auch Genkarten erstellen. Schaut man sich

an, wie lange es dauert, bis eine Eigenschaft übertragen wurde, so kann man damit

die Lage dieser Eigenschaft bestimmen.

nach 7 min: leu-, gal-

nach 9 min: leu+, gal-

nach 25 min: leu+, gal+

9.2. Genübertragung zwischen Bakterien durch Bakteriophagen

9.2.1. Versuch zu Genübertragung durch Bakteriophagen

Phagen

Bakterien

Bakterien

Bakterio-

phagen

Bakterien-

Bakterien

wildtyp

Leucin-Mangelmutante

---

9.2.2. Transduktion

Bei der Transduktion wird Erbmaterial von Bakterien durch Bakteriophagen auf

andere Bakterien übertragen.

Wenn eine Bakteriophage ihr Erbmaterial in eine Bakterie eingespritzt hat, so bleibt

dies beim Lysogenen Zyklus zunächst inaktiv. Nach einer gewissen Zeit wird die

Phagen-DNS aktiv und das Bakterienchromosom wird zersetzt. Bei diesem Vorgang

kann es vorkommen, daß ein Teil des Bakterienerbgutes in die Phagen-DNS

hineinkommt. Die Phagen, die hieraus entstehen besitzen dann einen Teil des

Erbgutes der Bakterie. Spritzen diese Phagen nun ihr Erbgut in eine andere Bakterie,

so besitzt diese Bakterie nun auch die Fähigkeiten, die die Phage hat. (siehe auch

Versuch oben, wo die Phagen, die Eigenschaft Leucin zu synthetisieren an die

Mangelmutante weitergeben).

10. Genregulation am Beispiel von E. coli

10.1. Beispiel für Genregulation

Bakteriendichte

Galaktosidase

r

e

lative Einheiten

50 100

min

Verarbeitung von

Verarbeiten von Lactose

Glucose

durch Galaktosidase

Glucose ist aufgebraucht (Stagnation des Wachstums), also

muß nun ein anderer Stoff verarbeitet werden, also muß ein

Enzym gebildet werden (in diesem Fall G.); nun können die

Bakterien weiter wachsen

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10.2. Vorgang der Genregulation bei E. coli

10.2.1. Abbauender Stoffwechsel

lac-Operon

Regulator

Promotor Operator

S

1

S2

S3

m-RNA

bildet

Polymerase

aktiv

Repressor

keine Enzym-Synthese, weil Operator durch

Repressor blockiert wird, deshalb kann die

m-RNA S

1-3 nicht ablesen.

inaktiver

inaktiver Repressor kann sich aufgrund seiner

Repressor

geänderten Form nicht in den Operator setzen,

die m-RNA kann die S1-3 ablesen und die

Enzym-Synthese kann ablaufen

Lactose

Substratinduktion: Durch Substrat wird eine Änderung des Repressorzustandes
erreicht, dieser kann den Operator nicht mehr blockieren und die m-RNA Polymerase
kann das Enzym bilden.

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10.2.2. Aufbauender Stoffwechsel

try-Operon

Regulator

Promotor Operator

S

S

1

S2

S3

4

m-RNA

bildet

Polymerase

E

1

E2

E3

E4

inaktiv

Vor-

Repressor

stufe

P1

P2

P3

Tryptophan

Endprodukt

aktiver

Repressor

Enzymsynthese wird

gestoppt

Hinweis: Der Vorgang der Produktsynthese, der hier dargestellt wird, findet auch

beim abbauenden Stoffwechsel statt.

Endproduktrepression: Das Endprodukt, welches nach der Synthese entsteht,
unterdrückt die weitere Synthese.

10.2.3. Repressor

Für den Repressor gibt es Enzyme, die diesen, wenn er nicht mehr gebraucht wird,

auflösen.

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