Genetik 0 Übersicht 0.1 Grundbegriffe 0.2 Übersichtstabelle 1 ...

Genetik
0 Übersicht
0.1 Grundbegriffe
0.2 Übersichtstabelle
1 Zellgenetik
1.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information
1.1.1 Bau der Zelle
a) vereinfachte Übersicht
b) Karyogramm des Menschen
c) Chromosomensätze anderer Arten
1.1.2 Bau eines Chromosoms
a) Transportform
b) Arbeitsform
1.1.3 Homologe Chromosomen
1.2 Meiose und Befruchtung
1.2.1 Die Mitose (= Zellteilung)
1.2.2 Die Meiose (= Keimzellenbildung)
1.2.3 Vergleich von Mitose und Meiose
1.2.4 Geschlechtszellenbildung bei Mann und Frau
1.2.5 Befruchtung
1.2.6 Neuverteilung der genetischen Information
a) Verteilung der homologen Chromosomen
b) Crossing over
1.2.7 Geschlechtsbestimmung beim Menschen
1.3 Genommutation
1.3.1 autosomale Genommutation (z. B. Trisomie 21)
a) allgemeine Symptome
b) Entstehung
1.3.2 gonosomale Genommutation
a) Symptome
b) Entstehung
2 Klassische Genetik
2.1 Monogene Erbgänge
2.1.1 Monohybride Erbgänge
a) dominant-rezessiver Erbgang (1. und 2. Mendelsche Regel)
b) intermediärer Erbgang
c) kodominanter Erbgang mit multiplen Allelen
2.1.2 Dihybrider Erbgang
a) ungekoppelter dominant-rezessiver Erbgang (3. Mendelsche Regel)
b) Genkopplung
2.1.3 Genmutation und Erbkrankheiten
a) autosomal-dominant vererbt
b) autosomal-rezessiv vererbt
c) gonosomal-rezessiv vererbt
2.2 Polygene Erbgänge
3 Molekulare Genetik
3.1 Chemische Grundlagen
3.1.1 Elektronegativitätsdifferenz, Bindungstyp und zwischenmolekulare Kraft
3.1.2 Struktur von Aminosäuren und Proteinen
a) Primärstruktur
b) Sekundärstruktur

c) Tertiärstruktur
d) Quartärstruktur
e) Form und Funktion
3.1.3 Struktur der Nucleotide und Polyncleotide (= Nucleinsäuren)
a) Bestandteile eines Nucleotids
b) Moleküloberfläche der Bestandteile
3.2 DNA als Träger der genetischen Information
3.2.1 Das Verhältnis der Basen
3.2.2 Doppelhelixstruktur
3.2.3 Struktur der RNA
3.3 Replikation der DNA
3.3.1 Zeitpunkt
3.3.2 Ablauf und beteiligte Enzyme
3.3.3 semikonservativer Mechanismus
3.4 Genexpression (= Proteinbildung)
3.4.1 Transkription von DNA in mRNA
a) Zeitpunkt
b) Ablauf
c) Ort
d) reverse Transkription
3.4.2 Translation der mRNA in Protein
a) Voraussetzungen
b) Ablauf
3.4.3 Der Genbegriff
3.4.4 Genmutation
a) Übersichtsschema
b) Entstehung
c) Folgen
3.5 Gentechnologie
3.5.1 Neukombination der genetischen Information bei einer Bakterienzelle
3.5.2 Anwendungen
a) Biotechnologie
b) transgene Pflanzen
c) transgene Tiere
3.5.3 Gentherapie und Gendiagnostik

Genetik
0 Übersicht
0.1 Grundbegriffe
- Vermehrung = Zunahme der Individuenzahl durch Fortpflanzung
- Fortpflanzung = Erzeugung der Tochtergeneration durch die Elterngeneration
Typen:
ungeschlechtliche F. geschlechtliche F.
Keimzellen nein ja
Energieaufwand
gering hoch
Geschwindigkeit
Variabilität der
Nachkommen
hoch niedrig
niedrig hoch
typisch für: Bakterien, Gliederfüßer
Einzeller, Wirbeltiere,
Hohltiere, Blütenpflanzen,
Samenpflanzen
Vorgänge: Begattung Befruchtung
= Übertragung der = Verschmelzung
Spermien von Eizellen- und
Spermienkern
- Vererbung = Weitergabe von genetischer Information an die Nachkommen
- Genotyp = Gesamtheit der genetischen Informationen eines Individuum
- Phänotyp = Gesamtheit aller Merkmale eines Individuums
=> Abweichungen vom Genotyp durch Umwelteinflüsse
(Vgl. Modifikation)

0.2 Übersichtstabelle
Genetik
Teilgebiet 1 Zellgenetik 2 Klassische Genetik 3 Molekulare
Genetik
Untersuchungsmethode Mikroskop Stammbäume Chemie
Fragestellung -Wie erfolgt die
Verteilung der
genetischen
Information bei
Meiose und
Befruchtung ?
-Genommutationen
Theorien und Modelle Chromosomentheorie
Meiose
- Nach Welchen
Regeln treten
Merkmale in
verschieden
Generationen auf ?
-Genmutationen
Chromosomentheorie
Mendelsche Regeln
- Wie ist die
genetische
Information
aufgebaut und wie
wird sie aktiviert?
-Genmutationen
DNA-Struktur
Proteinbiosynthese
(= Eiweißbildung/
Genexpression)
Anwendungen Züchtung Züchtung Gentechnologie

1 Zellgenetik
1.1 Chromosomen als Träger der genetischen Information
1.1.1 Bau der Zelle
a) vereinfachte Übersicht
c
1
d
e
b) Karyogramm des Menschen
22 Autosomenpaare
44 geschlechtsunabhängige
Chromosomen
c) Chromosomensätze anderer Arten
Tomate 24
Zellmembran mit den Einstülpungen:
c Golgi – Apparat
d Endoplasmatisches Reticulum (ER)
e Kernhülle
genetische Information = Genom, besteht
aus Chromosomen
+
+
1 Gonosomenpaar
insgesamt 46 Chromosomen
Kurzschreibweise: 44, XY bzw. 44, XX
2 Geschlechtschromosomen

Kartoffel 48
Schimpanse 48
Mensch 46
Ö immer geradzahlig!
Ö bei Pflanzen oft Verdopplung/Vervielfachung (= Polyploidisierung)
1.1.2 Bau eines Chromosoms
a) Transportform
b) Arbeitsform
Chromatid = DNS-Faden, spiralisiert
Æ Platzersparnis
Centromer = (Eiweiß-) Andockstelle
für den Spindelapparat
aus Gerüsteiweißen.
Chromatid, entspiralisiert
Æ DNA kann abgelesen werden
es wird eigentlich nur eines benötigt
(Einchromatidchromosomen
vor der Synthesephase)

1.1.3 Homologe Chromosomen
Homologes Chromosomenpaar
Genort mit den Allelen eines Gens
(= Genvarianten am gleichen Genort)
- Die Allele der beiden
Chromatiden eines Chromosoms
sind identisch.
- Die Allele der beiden
homologen Chromosomen
sind homolog zueinander.
In vielen Büchern findet man eine vereinfachte Darstellung mit nur einem Chromatid
pro Chromosom.
Dies entspricht dem Zustand einer Zelle direkt nach der Mitose, noch vor der
Synthesephase. Für die Proteinsynthese sind Einchromatidchromosomen
ausreichend. Aber weder Mitose noch Meiose können so vollständig dargestellt
werden! (Bei der Meiose nur für die Reduktionsteilung geeignet!)

1.2 Meiose und Befruchtung
1.2.1 Die Mitose (= Zellteilung)
Phasen:
Prophase:
- Auflösen der Kernhülle
- Chromatiden der Chromosome haben
sich vorher verdoppelt und spiralisiert
- Spindelapparat-Bildung
Metaphase:
- alle Chromosomen ordnen sich in der
Äquatorialebene an
- Spindelapparat dockt am Centromer an
Anaphase:
- Trennung der Chromatiden voneinander
Telophase:
- Abschnüren der Zellmembran
- Kernhüllen-Bildung
Körperzelle
Äquatorialebene
zwei identische Körperzellen mit Einchromatidchromosomen
...später: Synthesephase: Verdopplung der Chromatiden

1.2.2 Die Meiose (= Keimzellenbildung)
Phasen:
- 1. Reifeteilung: Reduktionsteilung R!
Urkeimzelle
Prophase: • Chromosomen in der Transportform
( vorher verdoppelte Chromatiden, spiralisiert)
• Kernhülle löst sich auf
• Spindelapparat bildet sich
Metaphase: • Anordnen der homologen Chromosomen ober-
und unterhalb der Äquatorialebene
• Andocken des Spindelapparats am Centromer
Anaphase: • Trennung der homologen Chromosomen (je eines
homologen Chromosomenpaars) voneinander
Telophase: • Abschnüren der Zellmembran
(hier keine Kernhüllenbildung!)

Keimzellen (= Gameten)
- 2. Reifeteilung: Äquationsteilung Ä!
Prophase: • Spindelapparat bildet sich
Metaphase: • Anordnen aller Chromosomen in der
Äquatorialebene
• Andocken des Spindelapparats am
Centromer
Anaphase: • Trennung der Chromatiden (je eines
Chromosoms) voneinander
Telophase: • Abschnüren der Zellmembran
• Bildung der Kernhüllen
(die Synthesephase erfolgt erst nach der Befruchtung, daher
Einchromatidchromosomen!)

1.2.3.Vergleich von Mitose und Meiose
vorher
nachher
Zelltyp(-en)
Chromosomensatz
Zahl der
Chromatiden pro
Chromosom
Zelltyp(-en)
Chromosomensatz
Zahl der
Chromatiden pro
Chromosom
In der Anaphase
Trennung der...
voneinander
Mitose
(ohne
Synthesephase)
Körperzelle/
Keimbahnzelle
diploid (2n)
zwei
Körperzelle/
Keimbahnzelle
diploid (2n)
eins
Chromatiden
Meiose
Reduktionsteilung
Urkeimzelle
diploid (2n)
zwei
„Tochterzelle der
Reduktions-
teilung“
haploid (n)
zwei
homologen
Chromosomen
Meiose
Äquationsteilung
„Tochterzelle
der Reduktionsteilung“
haploid (n)
zwei
Keimzelle
haploid (n)
eins
Chromatiden

1.2.4 Geschlechtszellenbildung bei Mann und Frau
Befruchtete Eizelle
Körperzellen Urkeimzelle Keimbahnzellen
Keimzelle
Keimzellenbildung beim Mann ...und bei der Frau
Prophase
R! Metaphase
Ä! Anaphase

1.2.5 Befruchtung
haploide Keimzellen (= Gameten):
Spermienzelle Eizelle
Homologes
Chromosomenpaar
Verschmelzen der
Kerne
(Allele hier zufällig
identisch)
Synthesephase
Verdoppeln der
Chromatiden
diploide Befruchtete Eizelle
(= Zygote)

Anzahl der
Chromosomenpaare
1
2
3
...
23
n
Befruchtete Eizelle
Urkeimzellen
Keimzellen
Mitosen
Befruchtete Eizelle
Befruchtete Eizelle
(nach
Synthesephase)
Urkeimzelle
Keimzelle
Befruchtete Eizelle
(vor Synthesephase)
Chromosomensatz 2n 2n n 2n
Chromatiden pro
Chromosom
Zahl der möglichen Keimzellen
2
4
8
...
8.388.608 => sehr viele!
2n
Befruchtung
zwei zwei eins eins
Ö Die Allele werden neu auf die Tochtergeneration verteilt.
Ö Betrachtet man mehrere Allele, die auf verschiedenen homologen
Chromosomenpaaren liegen, so erhöht sich die Anzahl der
Kombinationsmöglichkeiten sehr stark!

1.2.6 Neuverteilung der genetischen Information
a) Verteilung der homologen Chromosomen
- zufällige Anordnung der homologen Chromosomen ober- und unterhalb der
Äquatorialebene während der Metaphase der Reduktionsteilung:
(Die Darstellung erfordert hier mindestens zwei homologe Chromosomenpaare!)
b) Crossing over
oder
R! Ä! R! Ä!
2x und 2x 2x
und 2x
:= Teile von Chromatiden eines homologen Chromosomenpaares können sich
überkreuzen, abbrechen und an dem anderen Chromatid festwachsen.
Ebenfalls in der Metaphase der Reduktionsteilung:
(Dargestellt nur für ein homologes Chromosomenpaar)
Ö erhöht stark die Zahl der Kombinationsmöglichkeiten, da die Länge der
ausgetauschten Chromatidenabschnitte stark variieren kann.
Keimbahnzelle

Ö es werden nicht nur einzelne Allele ausgetauscht, sondern mehrere, die meist
nahe beieinander liegen. (Diese anderen Allele sind oben nur durch die
Färbung der ausgetauschten Chromatidenabschnitte, unten aber gar nicht
dargestellt!)
A A
B B
R! Ä!
a
A A a A a
B
oder
b
Ö Gekoppelte Gene: Liegen auf dem gleichen Chromosom
a
Ö Entkopplung durch Crossing over (Vgl. 2.1.2 b) Genkopplung)
b
B B
R! mit Crossing over / Ä!
Ö Die Allele müssen nicht an den Enden der Chromatiden liegen, sie werden
dort aber mit höherer Wahrscheinlichkeit ausgetauscht.
a
b
b b

1.2.7 Geschlechtsbestimmung beim Menschen
Chromosomale = Genotypische Geschlechtsbestimmung
Gonosomenkombinationen:
Nicht
homolog!
XY XX
zu erwartendes
Geschlechtsverhältnis: 1 : 1
tatsächlich: 1,20 : 1 nach der Befruchtung
„Lebensdauer“
1,06 : 1 nach der Geburt
0,94 : 1 ab dem Jugendalter

1.3 Genommutation
1.3.1 autosomale Genommutation (z.B. Trisomie 21)
a) allgemeine Symptome
• schräg stehende Augen
• verminderte Intelligenz
u.a.
⇒ nur die Kombination mehrerer Symptome deutet auf ein Syndrom hin.
⇒ hier "Down-Syndrom"
b) Entstehung
Autosomenpaar Nr. 21
O
normal
O
+
Keimbahnzelle
R!
Non-Disjunction:
Nicht-Trennung der homo-
logen Chromosomen von-
einander
Befruch-
tung

1.3.2 gonosomale Genommutation
a) Symptome
- Überlange...
- Männliche...
- Weibliche...
Î Klinefelter Syndrom (1)
b) Entstehung
Eizelle >
Spermium v
- verkürzte Gliedmaßen
- weibliche primäre Geschlechtsmerkmale
- unterentwickelte sekundäre weibliche
Geschlechtsmerkmale
Î Turner-Syndrom (2)
0 X XX
X X0 (2) XX ‚ XXX ‚
Y Y0 XY ƒ XXY (1)
YY YY0 XYY ƒ XXYY
XXX: verminderte Intelligenz XYY: Übergröße, aggressiver,
verminderte Intelligenz

2 Klassische Genetik
2.1 Monogene Erbgänge
:= nur ein Gen bestimmt die Ausprägung eines Merkmals
2.1.1 Monohybride Erbgänge
:= es wird nur ein Merkmal betrachtet
Genotypvarianten: Allel A Allel a
reinerbig mischerbig reinerbig
= homozygot = heterozygot = homozygot
Phänotyp: "A" "A" "a"
Allel A ist dominant gegenüber Allel a
Allel a ist rezessiv gegenüber Allel A
a) dominant-rezessiver Erbgang (1. und 2. Mendelsche Regel)
erster Versuch: Kreuzung zweier reinerbiger Individuen
mit unterschiedlichem Phänotyp
Kreuzungsschema: A: dominantes Allel für rote Blütenfarbe
a: rezessives Allel für weiße Blütenfarbe
"A": Phänotyp rote Blütenfarbe
"a": Phänotyp weiße Blütenfarbe
Achtung: Die
Abbildungen zeigen je
zwei homologe
Einchromatidchromosomen,
nicht
ein Zweichromatidchromosom!

Problem: war die P wirklich reinerbig?
zweiter Versuch: Kreuzung zweier Individuen der F1 - Generation

Organismus Merkmal dominantes Allel rezessives Allel
Erbse Blütenfarbe rot weiß
(Mendel) Samenform rund eckig
Samenfarbe gelb grün
Fruchtfliege Körperfarbe hellbraun schwarz
(Morgan) Flügellänge normal Stummel
Mensch PTH - Schmeckfähigkeit Schmecker Nichtschmecker
(Fox) Zungenrollfähigkeit Roller Nichtroller
Rind Fellfarbe schwarz rotbraun
Gleichmäßigkeit der Färbung gleichmäßig gefleckt
b) intermediärer Erbgang
V D/B: (am Beispiel der Wunderblume)
X P
F1
X F1
F2

F: A: intermediäres Allel für rote Blütenfarbe
A: intermediäres Allel für weiße Blütenfarbe
„A“: Phänotyp rot
„A“: Phänotyp weiß
„A“: Phänotyp rosa
A
P zu F1 1.M.R. F1 zu F2
m\w A A
A A
X P
A A
A A A A
A A A A
A AA AA
A AA AA
A A
A
A
Ga
X F1
m\w A A
A A
A A
A A
A A
A A
A A
A AA AA
A AA AA
A
A A
F1
Ga
F2
2. M.R.
“Spaltungsregel”
1 : 2 : 1

Alleltypen Ebene dominat-rezessiv intermediär kodominant
Genotyp AA A a a a AA AA AA AA AA AA
zwei
(ein Buchstabe
pro Genort)
Phänotyp „A“ „A“ „a“ „A“ „A“ „A“ „A“ „AA“ „a“
Beispiel Erbse: Wunderblume: Mensch:
Blütenfarbe Blütenfarbe Enzymdefekte
Genotyp: AA BB - AB
drei A0 B0 00 -
(mehr als ein
Symbol pro Genort) Phänotyp „A“ „B“ „0“ - „AB“
-
Beispiel Mensch: - Mensch:
Blutgruppe - Blutgruppe

c) kodominanter Erbgang mit multiplen Allelen
Blutgruppe „A“ „B“ “AB” „O“
Rote
Blutkörperchen mit
Antigen
Antikörper im
Blutserum
(eigenes)
Zugegebene
Blutkörperchen mit
Antigenen, bei
denen
Verklumpung
eintritt (= nicht
erlaubte fremde
Spenderblutgruppe)
Zugegebene
Blutkörperchen mit
Antigenen, bei
denen keine
Verklumpung
eintritt (= erlaubte
fremde
Spenderblutgruppe)
„B“
„AB“
„A“
„0“
Ö Es gibt mehr als zwei unterschiedliche Allele am gleichen Genort
„A“
„AB“
„B“
„0“
Ö Bei der kodominanten Allelkombination AB sind beide Allele im Phänotyp
ausgeprägt (typisch auf molekularer Ebene).
=> „Universal-
empfänger-
blut“
„A“
„B“
„AB”
„0”
„A“
„B“
„AB“
=> „Universal-
spenderblut“
„0”

2.1.2 Dihybrider Erbgang
:= es werden zwei Merkmale betrachtet
a) ungekoppelter dominant-rezessiver Erbgang (3. Mendelsche Regel)
dritter Versuch: - Es werden Erbsenpflanzen mit gelben, runden Samen mit solchen
mit kantigen, grünen Samen gekreuzt.
- Anschließend werden die Erbsenpflanzen aus der F1-Generation
miteinander gekreuzt.
Beobachtung: - Alle Samen der F1-Generation sind gelb und rund.
- In der F2-Generation ergeben sich folgende Kombinationen mit
dem Zahlenverhältnis:
gelb, rund : grün, rund : gelb, kantig : grün, kantig =
9 : 3 : 3 : 1
Aufgabe: - Stelle das vollständige Kreuzungsschema mit Kreuzungsquadrat auf
mit den folgenden Symbolen:
Merkmal Samenfarbe: Allele A, a
Merkmal Samenform: Allele B, b
b) Genkopplung
Gekoppelte Gene liegen auf dem gleichen Chromosom. Sie können daher nicht
unabhängig voneinander weitergegeben werden.
=> Ein dihybrider, gekoppelter Erbgang ähnelt daher einem monohybriden Ergang.
!!! Skizziere die Reduktionsteilung für beide Fälle im Vergleich
für ein homologes Chromosomenpaar!
=> Entkopplung durch „Crossing over“ möglich,
(vgl. 1.2.6 b) intrachromosomale Rekombination)
!!! Skizziere ein Crossing over
für ein homologes Chromosomenpaar!

2.1.3 Genmutation und Erbkrankheiten
a) autosomal-dominant vererbt
Æ geschlechtsunabhängig
Æ auch heterozygot krank Aa = „A“ = krank
homozygot oft letal, AA daher selten!
Stammbaum: „A“ P
Æ „A“ F1
„A“ F2
Æ es können keine Generationen übersprungen werden
Æ relativ häufig „A“
Æ typisch: Gerüsteiweiß*-Defekt * = Gerüst-Protein
Name Krankheitsbild + Ursache
Marfan-Syndrom - Bindegewebsschwäche
- überlange Extremitäten
- „Linsenschlotter“
- Arterienwandschwäche
Æ Kollagendefekt
Achondroplasie (= „Zwergenwuchs“) verkürzte Extremitäten
Spalthand - verwachsene Finger
- und/oder gespaltene Mittelhand
Polydaktylie überzählige Finger
Chorea Huntington „Veitstanz“, Nervenerkrankung
b) autosomal-rezessiv vererbt
=> Erkrankung geschlechtsunabhängig
=> typisch: Enzymeiweißdefekte
=> das mutierte Allel führt nur homozygot aa zur Erkrankung
(verringerte Enzymaktivität ist aber bei Aa messbar: „Heterozygoteneffekt“)
Stammbaum:
- weniger Erkrankungen
- Generationen werden übersprungen
- Nachkommen phänotypisch gesunder Individuen können phänotypisch krank sein

Name
Albinismus
Alkaptonurie
Phenylketonurie
Mukoviszidose
Stoffwechselprodukt A –Enzym 1-> Stoffwechselprodukt B –Enzym 2-> normales
Ausscheidungsprodukt C -> Urin
=> Anreicherung und Ablagerung von Stoffwechselprodukt A wenn Enzym 1 fehlt
c) gonosomal-rezessiv vererbt
⇒ Erkrankungen geschlechtsabhängig
- X und Y sind nicht homolog zueinander!
Der entsprechende Genort fehlt auf dem Y-Chromosom =>"0"
Männer:XY A0 = „A“ a0= „a“
Frauen: XX AA= „A“ Aa = „A“ aa = „a“
Konduktorin
Schreibweise: z.B. XaYO ( „a“ = Phänotyp krank
a = rez. Allel für krank )
Stammbaum: - Männer häufiger krank
-Vater krank „a“; Mutter „A“
Mutter XAXa oder XAXA?
-Fall1: Mutter homozygot mit XAXA:
Söhne: „a“, Töchter: „A“
Krankheitsbild
Melanin fehlt, da Enzymdefekt
Töchter aber alle XAXa, daher Konduktorinnen
-Fall 2: Mutter heterozygot XAXa,
Töchter: „A“ und „a“
Söhne: „a“ oder „A“ XA X a X a X a
XaY0 XaY0 Konduktorinen
schwarzer Harn, da Enzymdefekt
Schwachsinn, da Enzymdefekt
zäher Schleim

Fall 1
XaY0
Mutter = komplett gesund
Vater = krank
Fall 2
Mutter = Konduktorin
Vater = krank
XAXA
X P
X a Y0 XA XA
XaY0
XA Xa
XAY0
Xa Y0
XA Xa
XAXA
X P
Xa Y0 XA Xa
XAY0
XAXa
XaY0
XaXa
Beispiel Krankheitsbild
Bluterkrankheit Gerinnungsfaktor (Enzym defekt)
Rotgrün Blindheit „Seheiweiß“ in Zapfen defekt
Lesch-Nyhan-Syndrom mehrere Symptome
Glucose-6-Phpsphat-dehydro-
genase Enzymdefekte im Stoffwechsel
G
F1
G
F1

2.2 Polygene Erbgänge
- additive Polygenie: Die Ausbildung eines Merkmals hängt von der sich addierenden
Wirkung mehrer Gene ab.
- bisher betrachtet:
- jetzt neu:
Häufigkeit (%)
100
- Merkmalsvariante 1 oder Merkmalsvariante 2 : GRPLQDQW-rezessiv
- zusätzlich Mischmerkmalsvariante 3 : LQWHUPHGLlU
- Merkmalsvariante 1 und Merkmalsvariante 2 : NRGRPLQDQW
: DOOH PRQRJHQ
- "stufenlos" alle Merkmalsvarianten
- starker Umwelteinfluss
: SRO\JHQ
~ 80 %
150 175 200
Merkmalsausprägung Körpergröße (cm)
Reaktionsnorm: genetischer Rahmen, innerhalb dessen eine Modifikation
stattfinden kann (Vgl. Toleranzbreite in der Ökologie!)
Modifikation: Veränderung des Phänotyps durch Umwelteinflüsse

3 Molekulare Genetik
3.1 Chemische Grundlagen
3.1.1 Elektronegativitätsdifferenz, Bindungstyp und zwischenmolekulare Kraft
In lebenden Systemen vor allem Moleküle aus der Kombination
Nichtmetall – Nichtmetall.
Geringe EN Hohe EN
C O
H N
P
S
- Fall 1:
a) geringe EN – geringe EN Ö unpolare Atombindung
b) hohe EN – hohe EN Ö unpolare Atombindung
Ö unpolare Moleküloberfläche
Ö Van-der-Waals-Kräfte
zu a.) zum Beispiel: C – H – Bindung ; C – C – Bindung
- Fall 2:
Geringe EN – hohe EN Ö polare Atombindung
Ö polare Moleküloberfläche
Ö Wasserstoffbrückenbindungen
z. B. O - H - Bindung; C - O - Bindung

3.1.2 Struktur von Aminosäuren und Proteinen
H
a) Primärstruktur
N C
H
H
O
N C C
H R
H
R
Polarer Rest Unpolarer Rest
O
C O
n
H
Wasserabspaltung
(-n H2O)
Polypeptidkette
R = Rest
Je nach Rest 20
verschiedene
Aminosäuren als
Bausteine

Die Primärstruktur gibt die Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette an.
AS1-AS2-AS3-AS4-…-ASn (n § – 1000)
b) Sekundärstruktur
Die Polypeptidkette lagert sich durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der
Kette in drei Formen an:
1. „ungeordnet“
.-Helix bei polaren Resten
R
R
R
R
R
-Faltblatt bei unpolaren Resten
R
R
R
Seitenansicht
Draufsicht
vereinfacht
Polypeptidkette (polar)
(mit polarem Rest)
Stützen
(Wasserstoffbrücken)
Polypeptidkette (polar)
(mit unpolarem Rest)
Stützen
(Wasserstoffbrücken)
Die Sekundärstruktur gibt die räumliche Anordnung der Primärstruktur an.
detailliert

c) Tertiärstruktur
Als übergeordnete Raumstruktur können Kugel- oder Faserformen auftreten
Sie wird stabilisiert durch Wechselwirkungen der Reste untereinander und mit der
Umgebung.
- Enzymproteine
- Transportproteine
=> meist
wasserlöslich
z.B. Hämoglobin,
Lysozym,
Glucose-6-
Phosphatdehydrogenase
d) Quartärstruktur
mehrere Untereinheiten (= einzelne Polypeptidketten) lagern sich zusammen zu
einer funktionsfähigen Einheit z.B. Hämoglobin.
- Gerüstproteine
=> meist
wasserunlöslich

Vier
kugelförmige
Untereinheiten
e.) Form und Funktion
Der räumliche Bau = Tertiärstruktur ist entscheidend für die Funktionen.
z.B. „Schlüssel-Schloss-Prinzip“
Kohlenhydrat
(Nährstoffkette)
Drei faserförmige Polypeptidketten
.-+HOL[ LQ .-Helix)
n
funktionsfähiges
Kohlenhydrat
n
passt
=> gewünschtes
Ergebnis erzielt

Zum Vergleich:
- Form kann durch Hitze, Säureeinwirkung und Schwermetalle beeinträchtigt werden
- bei Erbkrankheiten ist die Form verändert (Vgl. Evolution, Malariaverteilung)
- auch für Proteine des Immunsystems entscheidend!
=> weniger statisches Modell des „induced fit“: Während der Wechselwirkung mit
einem geeigneten Substrat verändert auch das Protein ständig seine Struktur
n
funktionsunfähiges
Kohlenhydrat
passt nicht
=> gewünschtes Ergebnis nicht erzielt

3.1.3 Struktur der Nucleotide und Polynucleotide (= Nucleinsäuren)
=> Nucleotide sind die Bausteine der DNA und RNA
a) Bestandteile eines Nucleotids
Nucleinsäure (-acid) DNA RNA
Zucker Desoxyribose Ribose
Phosphorsäure
Basen Adenin A
Nucleotid
P
Phosphorsäure
Thymin T
Cytosin C
Guanin G
P
P
5’
Base
Z
5’
Base
D
3’
3’
Zucker
P
Adenin A
Uracil U
Cytosin C
Guanin G
P
5’
Base
R
3’

) Moleküloberfläche der
Bestandteile
P D R
Base
5’
P
P
Z
Z
Doppelhelixstruktur:
Base
Base
Base Base
Unpolare Van-Der-Waals-Kräfte
Polare Wasserstoffbrückenbindungen
Z
Z
P
P
5’

3.2 DNA als Träger der genetischen Information
3.2.1 Das Verhältnis der Basen
• gefunden: A : T = 1 : 1
C : G = 1 : 1
• Erklärung:
A T 2x Wasserstoff-
brücken-
C G 3x bindungen
A und T bilden ein komplementäres Basenpaar (ebenso C mit G).
3.2.2 Doppelhelixstruktur
5´ 3` 5` 3`
P
P
P
D
D
D
A
C
T
C G
A
T
G
T A
3` 5`
Polynucleotid- komplementär Polynucleotid-
einzelstrang einzelstrang
D
D
D
Polynucleotiddoppelstrang
P
P
P
3` 5`
ca.10 ca.10
Basenpaare
=
eine
vollständigeSchraubenwindung

antiparallel: 5` 3`
3` 5`
3.2.3 Struktur der RNA
• Einzelstrangbestandteile:
U
G
A
R
R
R
P
P
P
3´
5´
Polynucleotideinzelstrang
mit U statt T
und R statt D
• Raumstrukturen:
(Aufsicht)
3´
einfache
Helix
5`

Kleeblatt
• Funktionsformen:
5`
komplementär
mRNA (messager-RNA): vgl. Translation (Expression)
tRNA (transfer-RNA): vgl. Transkription (Expression)
3`

3.3 Replikation der DNA
3.3.1 Zeitpunkt
- in der Synthesephase zwischen zwei Mitosen oder direkt nach der Befruchtung
- Einchromatidchromosomen werden zu Zweichromatidchromosomen.
3.3.2 Ablauf und beteiligte Enzyme
1.) In der Replikationsgabel werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den
beiden komplementären Elternsträngen getrennt.
2.) Der eine Tochterstrang wird direkt durch komplementäre Basenpaarung vom 3’-
Ende des einen Elternstrangs aus angelagert.
3.) Der andere Tochterstrang wird in kurzen Bruchstücken vom 3’
Replikationsgabelpunkt des anderen Elternstrangs angelagert.
4.) Die Bruchstücke des zweiten Tochterstrangs werden zusammengefügt.
beteiligte Enzyme:
1.) Topoisomerase
2.) und 3.) DNA-Polymerase
4.) Ligase („Klebstoff“)
3.3.3 semikonservativer Mechanismus:
(Richtung vom Tochterstrang aus: 5’ -> 3’)
5’
3’
3’
5’
Jeder der beiden Tochterdoppelstränge enthält einen unveränderten Einzelstrang
des Elterndoppelstrangs.

3.4 Genexpression (= Proteinenbildung)
Übersicht:
DNA-
Abschnitt
(Gen)
Nucleotid-
Sequenz
Transkription
3.4.1
mRNA
Nucleotid-
Sequenz
3.4.1 Transkription der DNA in mRNA
a) Zeitpunkt
Translation
3.4.2
Protein
Aminosäure-
sequenz =
Primärstruktur
Faltung
Tertiärstruktur
(= räumlicher
Bau)
Ö Funktion
- bei Bedarf an Proteinen zwischen den Mitosen (Interphase)
Ö (Einchromatid-)Chromosomen in der Arbeitsform
- ein DNA-Abschnitt wird oft mehrfach transkribiert
Ö mehr Protein pro Zeit!
b) Ablauf
beteiligte Enzyme: RNA-Polymerase (= Transkriptase)
Merkmal
1.) der DNA-Doppelstrang wird auf einem kleinen Stück entspiralisiert und die
Einzelstränge werden voneinander getrennt.
2.) An einen der beiden DNA-Einzelstränge (den codogenen Strang) wird durch
komplementäre Basenpaarung die mRNA in 5’→3’ Richtung (von der mRNA
aus betrachtet) angelagert. (Vergleiche Syntheserichtung der DNA-
Tochterstrangbildung bei der Replikation!)

5’
c) Ort
- im Zellkern
- die mRNA wird ins Plasma transportiert
DNA
d) reverse Transkription
3’
codogener DNA-
Strang
mRNA
5’
mRNA-Strang
„normales“ DNA-Virus „Retro“-DNA-Virus: (z.B. HI-Virus)
Virus-
DNA
Virus-RNA
1) reverse Transkription
Enzym: reverse Transkriptase
(= DNA-Polymerase)
DNA
1
3’

3.4.2 Translation der mRNA in Protein
a) Voraussetzungen
- ausreichende Versorgung mit freien Aminosäuren
- mRNA aus dem Kern
- Ribosomen (frei im Plasma oder am rauen ER)
b) Ablauf
AS 5
AS 4 AS 3
3’ 5’
1. Die t -RNA bindet an eine bestimmte Aminosäure (AS).
2. Die t -RNA bindet mit dem Anticodon an das Codon der mRNA.
3. Die neue AS wird an die Vorhergehende angehängt.
4. Die t - RNA löst sich von der m - RNA.
Protein
t - RNA
mRNA
3 ´ 5 ´
AS 3
AS 1
Ribosom
mRNA

3.4.3 Der Genbegriff
- bei Mendel: Gen = „Erbfaktor“
= Genetische Information, die für die Ausprägung eines
bestimmten Merkmals verantwortlich ist
- bei Beadle/Tatum: Gen = Genetische Information, die auf einem bestimmten DNA-
Abschnitt liegt und für die Bildung eines Proteins
verantwortlich ist („Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese“)
- neuere: Gen = Genetische Information, die für die Bildung einer mRNA
(allgemeiner noch eines RNA-Abschnitts) zuständig ist.
Die mRNA wird noch verändert oder kann auch direkt als
siRNA regulatorisch wirken.

3.4.4 Genmutation
a) Übersichtsschema
Veränderung des Phänotyps aufgrund von Veränderungen im Genotyp?
nein ja
nur durch Umwelteinflüsse ? Mutation
ja Veränderung der Chromosomenzahl?
Modifikation ja nein
Genommutation Veränderung der Nucleotidsequenz ?
ja
Genmutation
Austausch einer Base ?
ja nein
Punktmutation fehlende oder zusätzliche Base ?
ja
Rastermutation

stille Mutation (= Sonderfall der Genmutation):
- keine Auswirkung auf den Phänotyp
- möglich: 1. Nucleotidsequenzänderung ohne Primärstrukturänderung
b) Entstehung
(Vgl. Degeneration des genetischen Codes!)
2. Primärstrukturänderung ohne Tertiärstrukturänderung
(bei ähnlichen Resten der AS, z. B. beide unpolar)
- spontan durch Fehler bei der Replikation der DNA und Oxidation von Nucleotiden
- induziert durch Umwelteinflüsse (Mutagene)
- Strahlung
- UV-Strahlung
- Röntgen-Strahlung ionisierend
- Radioaktive Strahlung
- Chemikalien
- Benzol/aromatische Kohlenwasserstoffe
- Schwermetallionen (schädigen DNA-Reparaturenzyme)
- salpetrige Säure
- Basenanaloga (verursachen meist Austausch)
- Farbstoff Acridin (verursacht Einschub, daher oft Rastermutationen)
- Formaldehyd
Æ Reparaturmechanismen werden überfordert
c) Folgen
Körperzellen Keimbahnzellen
ca. 4 - 5 Mutationen oft schon ab wenigen Mutationen
Krebsentstehung spontane Entstehung von Erbkrankheiten

3.5 Gentechnologie
3.5.1 Neukombination der genetischen Information bei einer Bakterienzelle
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Ligase
Ligase
Petrischale
Plasmid = ringförmiges DNA-Molekül (dient
dem Genaustausch bei Bakterien)
Neu einzuschleusender DNA-Abschnitt mit
1. Eiweiß-Gen
2. Antibiotika- Resistenz-Gen
Passagier
Hybridplasmid (= neukombiniertes Plasmid)
Rekombiniertes Bakterium
Antibiotikum
Es überlebte dank Gen 2
(Antibiotikum Resistenz)
Starke Vermehrung
Æ es entstehen:
KLONE = erbgleiche Individuen

(7) ANALYSE (9) EXPRESSION
(8)
Markiertes
Gen 1
= erzwungene Proteinbiosynthese

3.5.2 Anwendungen
a) Biotechnologie
Def.: Einsatz von Mikroorganismen zur Gewinnung eines bestimmten
Stoffwechselprodukts oder Proteins
Gentechnisch
verändert
Nein
Nein
Nein
Nachteile: Oft starke Verunreinigung mit giftigen Nebenprodukten
Ausblick: - nachwachsende Rohstoffe (Methanol, Ethanol, Methan)
Æ Brennstoffe als Energieträger zur Energiegewinnung
- Stickstoff-Fixierung Æ Düngemittel
b) transgene Pflanzen
Organismen Stoffwechselvorgang Produkt Funktion
Hefepilz
EssigsäurebakteriumMilchsäure-
bakterium
Alkohol. Gärung
Essigsäuregärung
Milchsäuregärung
Ja Coli-Bakterium Proteinbiosynthese
(s. Expression)
Bier, Wein
Essig,
Sauerkraut,
Joghurt
Insulin
Somatropin
Somatostatin
Interferon
Erythropoietin
(EPO)
Plasminogen-
Aktivator
(TPA)
Problem: Schäden durch Insektenfraß
Lösungen: - Gen für Resistenz gegen Insektizide in die Pflanze
- Gen für Hemmstoff des Insektenstoffwechsels in die Pflanze
Überträger: „Tumor-induzierendes“ Ti-Plasmid des Agrobakteriums
Risiken: - Übertragung des Gens auf andere Arten (Freilandversuche!)
- Störung des ökologischen Gleichgewichts/ungehemmte
Ausbreitung der veränderten Pflanze
- giftige Nebenprodukte
z.B. Mais
(Rausch)
Haltbarmachen
von
Lebensmitteln
Hormone
Hemmt
Virenvermehrung,
stoppt Tumorwachstum
Regt die
Bildung von
roten
Blutkörperchen
an
Beseitigt
Blutgerinnsel

c) transgene Tiere
Ziele: - höhere Fleischausbeute
- Krebsforschung
z.B. Schwein mit menschlichem Gen für Wachstumshormon,
Krebsmaus
Risiken: - Rückstände in Nahrungsmitteln
- Tierschutz
3.5.3 Gentherapie und Gendiagnostik
- Probleme bei der Gendiagnostik
z.B.: Chorea Huntington - Diagnose möglich, aber Therapie nicht möglich
- Probleme bei der Gentherapie
- Diskriminierung durch Arbeitgeber,
Versicherungen, Staat ( Datenschutz )
z.B.: Mucoviszidose - Transport in die Zelle mit Viren aus Inhalator
- Einfügen ins Chromosom
- Aktivierung und Steuerung des Gens