Biologie Genetik (Paula und Leyla)

Erforschung der Proteinbiosynthese

Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen und epigenetischen Strukturen auf einen Organismus?

12. Krebsentstehung

11. Epigenetik

10. Genommutationen

9. Chromosomenmutationen

7. Genregulation bei Eukaryoten

6. Genregualtion bei Prokaryoten

5. PBS: Pro- und Eukaryoten

4. PBS: Translation

3. PBS: Transkription

2. Der genetische Code

8. Genmutation

1. Der Wandel des Genbegriffes

Inhalt

• Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese
• ein Gen codiert ein Enzym
• Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese
• ein Gen codiert ein Protein
• Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese
• jeweils die α- und β-Ketten werden durch ein eigenes Gen codiert
• Ein-Gen-eine-RNA
• ein Gen codiert ein bstimmtes Produkt bei der Transkription
• (umfasst die Codierung von Polypeptiden und verschiedenen RNA-Typen)

Der Wandel des Genbegriffs

Der genetische Code

• es gibt 20 Aminosäuren, aber nur vier verschiedene Nukleotide
• drei aufeinanderfolgende Nukleotide codieren jeweils eine Aminosäure -> wird Codon genannt

Grundlegende Eigenschaften:1. kommafrei - die Tripletts folgen lückenlos aufeinander2. nahezu universell - gilt für fast alle Lebewesen3. eindeutig - jedes Codos codiert nur für eine Aminosäure 4. redundant - fast alle Aminosäuren werden durch mehrere Triplets codiert

Proteinbiosynthese: Transkription

• einer der zwei Hauptschritte der Proteinbiosynthese
• Erbinformation der doppelsträngigen DNA wird auf die einzelsträngige mRNA umgeschrieben
• diese Kopien sind transportfähig

Proteinbiosynthese: Transkription

• wenn der Terminator /Stoppsequenz erreicht wird, endet die Transkription
• RNA-Polymerase und mRNA-Einzelstrang lösen sich von der DNA
• Schließung der entwundenen DNA-Stränge zum Doppelstrang

3. Termination

• codogener Strang /Matrizenstrang wird in 3´5´-Richtung abgelesen
• durch die RNA-Polymerase wird eine zum Matrizenstrang komplementäre mRNA synthetisiert (mRNA verläuft in 5´3´-Richtung)
• Base Thymin durch Uracil ersetzt
• transkribierte DNA schließt sich wieder zusammen

2. Elongation

• RNA-Polymerase bindet an Promoter-Region (TATAAT)
• Entwindung der DNA-Stränge

1. Initiation

Proteinbiosynthese: Translation

• einer der zwei Hauptschritte der Proteinbiosynthese
• Information der mRNA wird an den Ribosomen im Cytoplasma in Aminosäurensequenzen übersetzt
• eine mRNA kann mehrmals translatiert werden, bis sie vom Enzym Nuclease zersetzt wird

• befindet sich an der A-Stelle ein Stoppcodon (UAA, UAG oder UGA) wird die Translation abgebrochen
• tRNA löst sich aus der E-Stelle; Aminosäurenkette löst sich vom Ribosomen
• Ribosom zerfällt in seine zwei Untereinheiten

• tRNA befindet sich an P-Stelle
• P-Stelle bestzt; A-Stelle wird mit nächster Aminosäure-tRNA besetzt
• Aminosäure der P-Stelle reagiert mit Aminosäure der A-Stelle (Peptidbildung)
• Ribosom rückt ein Codon weiter Richtung 3´-Ende; tRNA der P-Stelle rutsch auf E-Stelle; tRNA der A-Stelle rückt auf P-Stelle
• neue AS-tRNA besetzt A-Stelle (wieder Peptidbildung; E-Stelle wird frei)

Proteinbiosynthese: Translation

3. Termination

2. Elongation

• mRNA lagert sich am Startcodon (AUG) an der kleinen Untereinheit des Ribosomen an
• Starter tRNA lagert sich komplementär mit dem Anticodon des Ribosomen an
• große Ribosomeneinheit kommt hinzu

1. Initiation

1. Transkription (Zellkern) und Translation (Cytoplasma) räumlich und zeitlich voneinander getrennt
2. Translation beginnt erst nach kompletter Synthese, Spleißvorgang und Transport ins Cytoplasma
3. prä-mRNA durch Spleißen, Capping und Anheften des Poly-Schwanzes prozessiert
4. Wegen Schutzmechanismen (5´-Ende: Kappe, 3´-Ende: Poly A) ist der Abbau verzögert
5. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit.

VS

Eukaryoten

1. Transkription und Translation sind nicht räumlich und zeitlich getrennt (durch eine Kernhülle)
2. Translation beginnt schon während der Transkription
3. mRna direkt ablesefertig (ohne Introns) transkribiert
4. mRNA wird nach kurzer Zeit abgebaut , da keine Schutzmechanismen vorhanden sind

Prokaryoten

Das abzubauende Substrat führt die Bildung der dazu nötigen Enzyme herbei

Lactose vorhanden:

• Lactose bindet an Repressor und inaktiviert ihn indem er die Raumstruktur verändert
• So wird der Operator nicht blockiert; Rna-Polymerase kann Strukturgene ablesen
• lactoseabbauende Enzyme werden synthetisiert

-> Lactose wird abgebaut

keine Lactose vorhanden:

• Repressor aktiv; bindet an den Operator und blockiert ihn
• Rna-Polymerase kann so keine Strukturgene ablesen -> keine Enzymsynthese

Genregulation bei Prokaryoten:Substratinduktion

VS

Tryptophan vorhanden

• Tryptophan bindet an den inaktiven Repressor und aktiviert ihn; dieser blockiert darauf den Operator
• RNA-Polymerase kann Strukturgene nicht ablesen; es werden keine tryptophanbildende Enzyme synthetisiert

Trypthophan nicht vorhanden

• Repressor ist inaktiviert; Operon ist nicht blockiert
• RNA-Polymerase liest Strukturgene ab
• tryptophanbildende Enzyme werden synthetisiert

Genregulation bei Prokaryoten:Endproduktrepression

Histon-Acetylierung:Veränderung der Chromatinstruktur

• DNA muss für Transkription "lesbar" gemacht werden, um ein Gen zu aktivieren
• Bindung von Acetylgruppen an Histone -> Auflockerung des Chromatins und somit Lesbarkeit der DNA
• Förderung der Transkription

Genregulation bei Eukaryoten:vor der Transkription

DNA-Mythelierung:Verdichtung des Chromatins

• bestimmte Proteine können an DNA gehängt werden
• Methyltransferase hängt Methylgruppen an Cytosinbasen
• Proteine können nun an Methylgruppen binden; RNA-Polymerase ist blockiert
• Hemmung der Transkription

This paragraph is ready to hold stunning creativity, experiences and stories.

Silencer

• Kontrollsequenz, welche Genaktivität reduziert bzw. deaktiviert
• Transkriptionsrate wird unterdrückt
• Silencer benötigen weitere Transkriptionsfaktoren: Repressorproteine bzw. Repressoren

Transkriptoinsfaktoren sind regulatorische Proteine, die für die Aktivierung bzw. Inaktivierung eines Gens zuständig sind.Sie können an den Promotor, aber auch an DNA-Sequenzen der Kontrollsequenz binden.

Enhancer

• Kontrollsequenz, welche das Gen aktiv werden lässt
• Transkriptionsrate wird gesteigert
• Enhancer benötigt weitere Transkriptionsfaktoren: Aktivatoren sind für Regulierung zuständig

Genregulation bei Eukaryoten:während der TranskriptionTranskriptionsfaktoren

Spleißen

• "unnötige" Informationen (die nicht codierenden Introns) werden rausgeschnitten und entfernt
• Exons werden miteinander verknüpft

Editing

• Reihenfolge mancher Basen wird verändert

-> erzeugt größere Proteinvielfalt

Capping/Polyadenylierung

• 5´-Ende erhält eine Kappe, ein Guanin-Nukleotid (5´-Cap)
• 3´-Ende erhält einen Poly-A-Schwanz aus Adenin-Nukleotiden
• RNA ist vor dem Abbau geschützt und wird ins Cytoplasma transportiert

RNA-Prozessierung

Mutation

• Mutationen werden durch Mutagene ausgelöst:
• Chemikalien
• Strahlungen
• spontan auftretende, dauerhafte Veränderung des Erbgutes
• Mutation in einer Körperzelle: kann an eine Tochterzelle weitergegeben werden
• Mutation in einer Keimzelle: kann an die Nachkommen weiter vererbt werden

Rastermutation: Leseraster verschiebt sich

• Deletion: Base geht verloren

• Insertion: Einbau einer zusätzlichen Base
• komplettes leseraster wird verändert

Genmutation

Punktmutation: Basenaustausch

• Stumme Mutation: Aminosäurensequenz bleibt trotz Austausch einer Base gleich
• Missense Mutation: Austausch einer Base führt zu einer neuen Aminosäure
• Nonsense Mutation: Austausch einer Base führt zum Abbruch der Proteinbildung, da Stopp-Codon

Chromosomenmutation

• Deletion: bereich eines Chromosoms wird entfernt
• Duplikation: Vervielfältigung einer Chromosomensequenz
• Inversion: Ein Fragment wird herausgeschnitten und in umgekehrter Orientierung wieder eingesetzt
• (reziproke) Translokation: Teilstücke eines Chromosoms lagern sich an ein anderes Chromosom an

Der ganze Chromosomensatz wird vervielfacht oder halbiert

• Haploidie: Chromosomensatz halbiert
• bei Tieren letal, bei Pflanzen zarterer Bau
• Polyploidie: Chromosomensatz vervielfacht
• bei Tieren letal, bei Pflanzen erhöhte Proteinbiosynthese und Stoffwechselaktivität

Genommutation

Einzelne Chromosomen können hinzu kommen oder verloren gehen (Aneuploidie)

• Trisomie: ein Chromosom liegt nicht zweifach vor, sondern dreifach
• Monosomie: ein homologes Chomosom eines Chromosomenpaares fehlt
• grundsätzlich letal (Ausnahme: Turner-Syndrom)

Epigenetische veränderungen:

• DNA-Methylierung
• Histon-Moifikation

(siehe Genregulation: Eukaryoten)

• sind reversibel

Die Epigenetik (engl. epigenetics) beschäftigt sich mit dem Einfluss der Umwelt auf die Genaktivität. Dabei werden sowohl die Einflussfaktoren als auch die beteiligten Mechanismen untersucht

Epigenetik

Epigentische Mechanismen werden von diesen Prozessen und Faktoren beeinflusst:

• Chemikalien
• Ernährung
• Stress

• Wachstumsfaktoren von benachbarten Zellen binden an Rezeptoren der Zellmambran, so wird kaskadenartig ein Signal an Gene im Zellkern weitergeleitet
• Hier gibt es Gene die das normale Zellwachstum regulieren -> Proto-Onkogene
• Ebenso geibt es Gene, deren Genprodukte die Zellteilunng hemmen

-> Tumorsupressor-Gene

Krebsentstehung

• Bösartige Tumore verdrängen wegen unkontrollierter Vermehrung gesundes Gewebe und enziehen diesen lebensnotwendigen Stoff, wodurch dieses zerstört wird
• In gesunden Zellen werden Zellzyklus, -teilung und die Differenzierung durch Signale reguliert

Die Mutation eines Proto-Onkogens zum Onkogen wirkt sich dominant aus, durch Mutation unwirksam gewordene Tumorsupressorgene wirken dagegen repressiv

• Translokation: neuer Genort mit besonders aktiven Promotor

-> Wachstumsfördernde Proteine im Überschuss

• Vervielfältigung des Gens: Proto-Onkogene können dupliziert oder multipliziert werden

-> Wachstumsfördernde Proteine im Überschuss

• Punktmutation: überaktives oder abbauresistentes ->Wachstumsförderndes Protein

Durch Mutationen werden Proto-Onkogene zu Onkogenen

Krebsentstehung

Danke!