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Molekulargenetik Vor etwa 50 Jahren Entwicklung des Strukturmodells der DANN Hat Vorstellung von der lebendigen Materie verändert Genetik Bedeutung für Biologie Erste Vererbungsregel: Gregor Mendel 19. Jhd anhand von Beobachtungen und Kreuzungsversuchen "Erbfaktoren" lassen sich heute in ihrer chemischen Zusammensetzung analysieren Mitte 20. Jhd. Ära der Molekulargenetik Rückt stoffliche Träger der genetischen Information ins Zentrum der Forschung Wissen hat in der Biologie zu neuen Erkenntnissen geführt Wie Forschung funktioniert: DNA als Träger der Erbinformation Genetische Information befindet sich auf den Chromosomen im Zellkern Chromosomen bestehen aus Proteinen und Desoxyribonukleinsäure Man hielt Proteine für Träger der Erbinformation Aufgebaut aus 20 verschiedenen Bausteinen (Aminosäuren) Miescher beschrieb DNA 1928 als phosphorhaltige Säure Entdeckung der Transformation 1982 Griffith, Bakterien für Mäuse tödlich treten in zwei Stämmen auf S-Stamm von Schleimkapsel umgeben R-Stamm ohne Schleimkapsel Kolonie hat raue Oberfläche Nur Bakterien des S-Stamm lösen Erkrankung aus Abgetötete S-Stamm Bakterien ungefährlich Zusammen mit R-Stamm Bakterien tödlich Transformation DNA als transformierendes Prinzip 1944 Avery identifiziert Stoff der Transformationen bewirkt trennt bei S-Pneumokokken Polysaccharide, Proteine und DNA setzt dies R-Pneumokokken zu nur mit DNA vermischte R-Pneumokokken bilden Schleimkapseln transformierte Pneumokokken nun für Mäuse schädlich Beweis: Information für Merkmale in DNA enthalten Das Hershey-Chase-Experiment Experimentierten 1952 mit Bakteriophagen Bestehen nur aus DNA und Proteinhülle, vermehren sich mithilfe von Bekterien Eine Kultur wuchs auf radioaktivem Phosphor der nur in die DNA eingebaut wurde Die andere wuchs auf radioaktivem Schwefel damit nur die Hülle markiert war Unmarkierte Bakterienkultur infiziert Noch vorhandene Phagenreste von Bakterien getrennt und abzentrifugiert Zusammensetzung der DNA Bausteine der DNA Kettenförmiges, unverzweigtes Makromolekül durch Kochen mit Säure hydrolisiert findet sich stets: Desoxyborose, Phosphorsäure und vier verschiedene Basen, die Kohlenstoff- und Stickstoffatome enthalten Pyrimidine: Ring aus sechs Atomen Cytosin und Thymin Purine: Doppelringsystem Adenin und Guanin Anordnung der Bausteine DNA zerlegt Nucleotide Bestehen aus einem Molekül Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer der vier Basen Ohne Phosphatgruppe Nucleoside Zuckerreste der Nucleoside und Phosphatgruppe verbunden, Zucker-Phosphat-Kette, Rückgrat des Moleküls Weist Polarität auf Basenzusammensetzung Chargaff: Anteile der vier Basen unterscheiden sich A+G=C+T A=C, G=T A+T=C+G Wie Forschung funktioniert: Das Watson-Crick-Modell der DNA 1953 erstes Strukturmodell Doppelhelix Räumliche Struktur Rückschließen durch Röntgenbeugungsmuster DNA schraubenformig oder helicale Struktur Molekül besteht aus zwei gleichartigen Strängen Basenpaarung Von vier Basen schließen sich immer nur zwei zusammen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen Kleinere Pyrimidinbase und größere Purinbase Passende Basen: komplementär Konsequenzen des Modells DNA-Stränge entsprechen sich zueinander Richtung des einen Strangs verläuft entgegengesetzt zu der des anderen Strangs antiparallel Nucleotide sind die Buchstaben des genetischen Alphabets codieren die Erbinformation DNA und Chromosomen Erbsubstanz eines Bakteriums besteht aus einem ringförmigen DNA-Molekül mit etwa 5 Millionen Nucleotidpaaren Bei Menschen etwa 3 Milliarden Chromatin DNA mit Vielzahl von Proteinen verbunden Chromatin Verschiedene Verpackungszustände Kompakteste Verpackung bei der Zellteilung Transportform: Chromosomen Ebenen der DNA-Verpackung DNA in zwei Windungen um kugelförmigen Proteinkern gewunden Um Faktor 7 verdichtet Interphase: Filament, in Form von Hohlzylinder aufgewickelt 40fache Verdichtung des Chromatins vor Zellteilung: Bildung von Schleifen durch weiteres Verdrillen und Auffalten wird die Chromatidstruktur eines Metaphasen-Chromosoms erreicht Verdichtung um das 10 000fache Replikation der DNA Zellteilung: Weitergabe der Erbinformation zur nächsten Zellgeneration Vorher verdoppelt identische Replikaton oder Replikation der Erbinformation Das Grundprinzip der Replikation Prinzip der komplementären Basenpaarung DNA Einzelstrang dient als Matrize zur Bildung des komplementären Strangs DNA-Stränge teilen sich Nukleotide mit komplementären Basen lagern sich an Werden zu Ketten verknüpft Replikationsmodell Da Doppelstränge aus einem alten und einem neuen Strang bestehen. Replikationsmechanismus semikonservativ Zwei weitere Modelle: Konservative Replikation: ursprüngliches DNA-Molekül bleibt erhalten Mischung aus alter und neu synthetisierter DANN: disperse Replikation Das Meselson-Stahl-Experiment Bakterien wachsen auf gewöhnlichem Stickstoff das Isotop 15N enthält bilden draus 15N-haltige Nucleotidbasen werden bei jeder Replikation in die DNA eingebaut Bakterien mit schwerer DNA entstehen Bakterium werden auf normalen Nährmedium gegeben Nach jeder Zellteilung: DNA wird extrahiert und untersucht Verschieden schwere DNA-Sorten lassen sich unterscheiden Enzyme der Replikation Kontrollierter Vorgang, durch Enzyme gesteuert Beide Stränge werden durch Enzym Helicase ebtwunden Y-förmige Struktur entsteht: Replikationsgabel Spontan anlagernde Einzelstränge mit DNA-Polymerase verbunden DNA wird stets in 5´3´ Richtung verbunden Zwei Konsequenzen: Startmolekül mit einer freien OH-Gruppe Primer aus RNA, von Primase an beiden Strängen angebracht Kopiervorgang nur an beiden Strängen kontinuierlich In 5´ 3´ Richtung entstehen zunächst DNA-Stücke von 100-200 Nukleotiden Anschließend Verknüpfung in 3´ 5´Richtung An diesem Gabelast kein durchgehendes Wachstum diskontinuierlicher Strang Eigenschaften des Replikationsvorgangs Beginnt an spezifischen Stellen: Replikationsursprüngen Bei Eukaryoten hunderte solcher Startpunkte Beeindruckende Präzision Vorraussetzung für weitgehende unveränderte genetische Information Punktmutation wenn chemisch ähnliche oder nicht komplementäre Base eingebaut wird Korrektur von Replikationsfehlern Enzymische Prozesse sorgen dafür, dass Fehlpaarungen vermieden werden DNA-Polymerase arbeitet sehr präzise Korrekturlesefunktion Falsches Nukleotid Weiterleiten des moleküls wird behindert Exonuclease: trennt fehlgepaarte Nucleotide Fehler in DNA können im Nachhinein entstehen Reperatursystem um DNA-Schäden in den meisten Fällen auszugleichen Chromosomen und Vererbung Mitose Kernteilung, Chromosomen werden kopiert und auf die beiden entstehende Zellen aufgeteilt Verpackungs-, Transport- und Funktionseinheit der DNA Befruchtung Jede haploiden Keimzellen steuert ein Satz Chromosomen bei Eizelle, Zygote, diploid Auf Chromosomen zwei Allele aus väterlichem und mütterlichem Erbgut kombiniert Geschlechtschromosomen Erbgang des Geschlechts erklärbar Gonosomen in denen sich die Geschlechter unterscheiden Männliches Geschlecht XY Geschlechtsverhältnis nach Befruchtung 1:1 Extrachromosomale Vererbung Für einige Merkmale zuständig: Gene in der DNA Werden nur über Zellplasma der Eizelle vererbt
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