Genetik & Molekulargenetik
IB 1 & 3 · Molekulargenetik, Genregulation & Krebs · Q-Phase
Inhaltsverzeichnis
Aufbau der DNA
Abb. 1: DNA-Doppelhelix – Basenpaarung nach Chargaff (A–T: 2 H-Brücken, G–C: 3 H-Brücken)
DNA-Doppelhelix
Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist ein Doppelstrang, der sich zu einer Doppelhelix windet. Jeder Strang besteht aus Nukleotiden, die aus einer Desoxyribose (Zucker), einer Phosphatgruppe und einer Stickstoffbase bestehen.
Purinbase – paart sich mit Thymin (T) über 2 Wasserstoffbrücken
Pyrimidinbase – paart sich mit Adenin (A) über 2 Wasserstoffbrücken
Purinbase – paart sich mit Cytosin (C) über 3 Wasserstoffbrücken
Pyrimidinbase – paart sich mit Guanin (G) über 3 Wasserstoffbrücken
Die beiden DNA-Stränge verlaufen antiparallel (5'→3' und 3'→5')
A = T und G = C in der DNA (komplementäre Basenpaarung)
DNA-Replikation
Was ist Replikation?
Die Replikation ist die Verdopplung der DNA vor der Zellteilung. Sie verläuft semikonservativ: Jeder neue DNA-Doppelstrang besteht aus einem alten Mutterstrang und einem neu synthetisierten Tochterstrang.
Ablauf der Replikation
Helicase trennt den Doppelstrang durch Aufbrechen der Wasserstoffbrücken (Replikationsgabel)
Primase synthetisiert kurze RNA-Primer (Startsequenzen) an beiden Strängen
DNA-Polymerase III verlängert den Primer in 5'→3'-Richtung (liest Matrize in 3'→5')
Leitstrang (leading strand): kontinuierliche Synthese in Richtung der Replikationsgabel
Folgestrang (lagging strand): diskontinuierliche Synthese als Okazaki-Fragmente
DNA-Polymerase I ersetzt RNA-Primer durch DNA
Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente
Leitstrang vs. Folgestrang
- Kontinuierliche Synthese
- Wächst in Richtung der Replikationsgabel
- Nur ein Primer nötig
- Schnellere Synthese
- Diskontinuierliche Synthese
- Wächst entgegen der Replikationsgabel
- Viele Primer nötig (Okazaki-Fragmente)
- Langsamer, Ligase nötig
Transkription
Was ist Transkription?
Bei der Transkription wird die genetische Information von der DNA in eine mRNA (messenger RNA) umgeschrieben. Sie findet im Zellkern statt. Die mRNA ist einsträngig und enthält Uracil (U) statt Thymin (T).
Ablauf der Transkription
RNA-Polymerase bindet an den Promotor (Startsequenz vor dem Gen)
DNA-Doppelstrang wird lokal aufgetrennt
RNA-Polymerase liest den Matrizenstrang in 3'→5'-Richtung
Freie RNA-Nukleotide werden komplementär angelagert (A→U, T→A, G→C, C→G)
RNA-Polymerase synthetisiert die prä-mRNA in 5'→3'-Richtung
Terminator-Sequenz: Transkription endet
RNA-Prozessierung: Spleißen (Introns raus, Exons zusammen), 5'-Cap, 3'-Poly-A-Schwanz
Codierende Abschnitte der prä-mRNA, die in der reifen mRNA verbleiben
Nicht-codierende Abschnitte der prä-mRNA, die herausgespleißt werden
Modifiziertes Guanosin am 5'-Ende; schützt mRNA und erleichtert Ribosomenbindung
Kette aus Adeninnukleotiden am 3'-Ende; schützt mRNA vor Abbau
Translation
Was ist Translation?
Bei der Translation wird die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz (Protein) übersetzt. Sie findet an den Ribosomen statt. Der genetische Code ist ein Triplett-Code: je 3 Basen (Codon) codieren für eine Aminosäure.
Ablauf der Translation
Initiation: Ribosom bindet an 5'-Cap der mRNA; Startcodon AUG wird erkannt; tRNA mit Methionin bindet
Elongation: tRNA bringt passende Aminosäure (Anticodon komplementär zum Codon)
Peptidyltransferase knüpft Peptidbindung zwischen Aminosäuren
Ribosom verschiebt sich um ein Codon (Translokation)
Termination: Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) → Freisetzungsfaktor → Polypeptid wird freigesetzt
Posttranslationale Modifikation: Faltung, Glykosylierung, Spaltung etc.
Triplett auf der mRNA, das für eine Aminosäure oder ein Stoppcodon codiert
Komplementäres Triplett auf der tRNA, das an das Codon bindet
Transfer-RNA: Adaptormolekül, das Aminosäure und Codon verbindet
AUG codiert für Methionin und startet die Translation
UAA, UAG, UGA: codieren für keine Aminosäure, beenden Translation
Universell (gilt für fast alle Lebewesen), degeneriert (mehrere Codons pro AS)
Genmutationen
Was sind Mutationen?
Mutationen sind Veränderungen im Erbgut. Genmutationen betreffen einzelne Gene (Basensequenz). Sie können spontan auftreten oder durch Mutagene (Strahlung, Chemikalien) ausgelöst werden.
Ein Basenpaar wird durch ein anderes ersetzt. Kann stumm, missense oder nonsense sein
Ein oder mehrere Basenpaare werden eingefügt → Leserasterverschiebung (frameshift)
Ein oder mehrere Basenpaare werden entfernt → Leserasterverschiebung (frameshift)
Codon ändert sich, aber dieselbe Aminosäure wird eingebaut (Degeneriertheit des Codes)
Codon ändert sich → andere Aminosäure → verändertes Protein (z.B. Sichelzellanämie)
Codon wird zu Stoppcodon → vorzeitiger Abbruch → meist nicht-funktionales Protein
Sichelzellanämie als Beispiel
Bei der Sichelzellanämie führt eine Substitution (A→T) im Beta-Globin-Gen dazu, dass Glutaminsäure durch Valin ersetzt wird. Das veränderte Hämoglobin (HbS) bildet unter Sauerstoffmangel Fasern → Erythrozyten werden sichelförmig → Verstopfung kleiner Blutgefäße.
Genregulation & Epigenetik
Lac-Operon (Prokaryoten)
Das Lac-Operon bei E. coli ist ein klassisches Beispiel für Genregulation. Ohne Laktose: Repressor bindet an Operator → Gene werden nicht abgelesen. Mit Laktose: Laktose bindet an Repressor → Repressor löst sich → Gene werden abgelesen.
Epigenetische Mechanismen
- Methylgruppen an Cytosin (CpG-Inseln)
- Hemmt Transkription → Gen wird 'stumm geschaltet'
- Vererbbar (epigenetisches Gedächtnis)
- Wichtig bei Imprinting und Krebs
- Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung von Histonen
- Acetylierung: Chromatin öffnet sich → Transkription aktiv
- Deacetylierung: Chromatin verdichtet sich → Transkription gehemmt
- Kein Eingriff in DNA-Sequenz
Veränderungen der Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz; können vererbt werden
Umstrukturierung des Chromatins zur Regulation der Zugänglichkeit von Genen
Elternspezifische Methylierung: Nur das Gen eines Elternteils wird exprimiert
Bei Frauen wird eines der beiden X-Chromosomen durch Methylierung inaktiviert (Barr-Körper)
Krebs & Onkogene
Entstehung von Krebs
Krebs entsteht durch unkontrollierte Zellteilung infolge von Mutationen in Genen, die das Zellwachstum regulieren. Es müssen meist mehrere Mutationen zusammentreffen (Mehrstufenmodell der Karzinogenese).
Proto-Onkogene vs. Tumorsuppressorgene
- Normale Funktion: fördern Zellwachstum
- Mutation → Onkogen: dauerhafte Aktivierung
- Wirken dominant (ein mutiertes Allel reicht)
- Beispiel: RAS-Gen, HER2
- Normale Funktion: hemmen Zellwachstum, reparieren DNA
- Mutation → Verlust der Hemmung
- Wirken rezessiv (beide Allele müssen mutiert sein)
- Beispiel: p53, BRCA1/2
Tumorsuppressor: erkennt DNA-Schäden → stoppt Zellzyklus oder löst Apoptose aus
Programmierter Zelltod: wichtig für Kontrolle der Zellzahl und Eliminierung geschädigter Zellen
Krebszellen lösen sich vom Primärtumor, wandern über Blut/Lymphe und bilden Tochtergeschwülste
Enzym, das Telomere verlängert; in Krebszellen oft reaktiviert → Unsterblichkeit der Zellen