DNA als Erbsubstanz
• DNA (Desoxyribonukleinsäure)• Träger der Erbsubstanz• Informationen im genetischen Code
verschlüsselt• Makromolekül besteht aus den
chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Suaerstoff, Phosphor und Stickstoff
DNA als Erbsubstanz
Funktion:
• Autokatalytische Funktion: Replikation
• Heterokatalytische Funktion: Übersetzung der Geninformation in Proteine (Transkription und Translation)
Bausteine der DNA
Bausteine der DNA - Basen
Purinbasen
Pyrimidinbasen
Mögliche Basenpaarungen
Basen bilden Wasserstoff-brückenbindungen aus
• zwischen Stickstoff und Wasserstoff oder
• zwischen Sauerstoff und Wasserstoff
Erhöhung der Stabilität
Mögliche Basenpaarungen
Jeweils Pyrimidinbase-Purinbase
δ+
δ+
δ+
δ+
δ+
δ-
δ-
δ-
δ-
δ-
Bausteine der DNA - Ribose
Bausteine der DNA - Phosphorsäure
Man nehme:
DesoxyribosePhosphorsäure
Doppelhelix - Struktur
• Stränge verlaufen antiparallel
• 5´-3´-Richtungen• Vollständige Windung
verläuft über 3,4nm und enthält 10 Basenpaare
Unterschiede DNA - RNA
• DNA liegt doppelsträngig vor
• RNA baut statt Thymin Uracil ein
• Ribose statt Desoxyribose
Problem:Wie kommen mehrere
Meter DNA in eine Zelle ?!?
Lösung:
DNA muss dichter gepackt bzw. kondensiert werden!!!
Das Chromatin besteht deshalb aus folgendenKomponenten:
• DNA-Faden• aus einer Gruppe basischer Proteine, Histone• aus Nicht-Histon-Chromatin-Proteinen
Histone
• Histone sind basische Proteine, die ca. die Hälfte des Chromatins ausmachen
• 5 Klassen: H1, H2A, H2B, H3, H4• Sie bilden das „Rückgrat“ des
Chromosoms bzw. des Chromatins, das aus elementaren Untereinheiten, den Nucleosomen besteht
Nucleosomen
Bestehen aus• Histon-Oktamer
( je 2x H2A, H2B, H3 und H4)
• 1x H1• 200bp DNA
Die Verpackung geht weiter…
…bis zum Chromosom
DNA-Doppelhelix Ǿ2nm 10bp/Windung
Nukleosomen-Kerne Ǿ10nm 80bp/Windung
Solenoid Ǿ30nm 1200bp/Windung
Chromatin-Schleifen Ǿ250nm 100000bp/Schleife
Chromosomentypen
Realer männlicher Karyotyp
Visualisierung des Heterochromatins
oder
C-Banding
Färbungsmethode zur Visualisierung von konstitutivem
Heterochromatin
Konstitutives Heterochromatin (=20% des menschlichen Genoms)spät replizierendwenig Gene höchst polymorphwahrscheinlich nie transkribiert
Lokalisierung von Heterochromatin
rund um die Centromer-Region (peri-zentrische oder proximale Banden)
( v.a. in Chromosomen 1,9 und 16) an den Chromosomenenden
( telomerische oder distale Banden)im langen Arm des Y-Chromosoms
Verwendung
1. Zur Identifizierung überzähliger oder fehlender Chromosomen2. Zur Identifizierung von Inversionen in Chromosom 93. Zur Identifizierung von Verkürzungen/ Verlängerungen der
heterochromatischen Regionen in Chromosomen 1, 9 oder 16
C-Banding Lymphozyten
9
16
1
1
16
9
G-Banding Lymphozyten
FISH – Fluorescence in situ hybridisation
Denaturierung (Hitze)
DNA-Strang
Hybridisierung mit Probe
Detektion
Zur Markierung einzelner Chromosomen
2x
2x
Zellzyklus
Was ist ein Zellzyklus?
• Weg von Zellteilung zu Zellteilung• Setzt sich aus unterschiedlichen Phasen
zusammen• Kontrolle der einzelnen Phasen• Verhindern von fehlerhafter Zellteilung
durch z.B. beschädigte DNA• Kontrollfehler: KREBS
Zellzyklusphasen
Mitose oder wie teilt sich eine Zelle?
Die Mitose-Stadien
Mitose – Animation
Wie wird eigentlich DNA verdoppelt/repliziert?!?
Theoret. Replikationsmöglichkeiten
semikonservativ
konservativ
dispersiv
Replikation• Aufwindung durch Helicase, es entsteht
eine Replikationsgabel, • Trennung der komplementären
Nukleotidstränge (jeder Strang als Matrize für die Bildung eines neuen DNA-Strangs = semikonservativ)
• Polymerase III katalysiert die Replikation von 5´nach 3´. Am führenden Strang ist die Replikation kontinuierlich
• Am rückläufigen Strang erfolgt die Replikation diskontinuierlich, ausgehend von Primern
• Die Primer dienen als Startpunkt für die DNA-Polymerase III, die mit der DNA-Replikation beginnt (Okazaki-Fragmente). Die Lücken zwischen den Teilstücken werden durch DNA-Polymerase I aufgefüllt und gleichzeitig die Primer wieder entfernt
• Teilstücke werden mittels Ligase kovalent verknüpft
Replikation - Animation
Beweis der semikonservativen
ReplikationSCE-Banding
Während des Zellzyklus wird ein markierter Farbstoff angeboten, der in den neuen Strang eingebaut wird
Unter dem Fluoreszenz-mikroskop ist der ein-gebaute Farbstoff zu erkennen
Fehler im Zellzyklus/ in der Mitose1. Fehler beim Spindelapparat
Fehlverteilung der Chromosomen
z.B.Trisomie 21
aber: in Landwirtschaft oft polyploide Pflanzen
2. Fehler in der S-Phase
Überproduktion von DNA
Tumorbildung
Fehler im Zellzyklus/ in der Mitose
Genetik ( z.B. an der Uni)
• Verschiedenste Fragestellungen
( Wie ? Wo ? Wann ?)• Verschiedenste Teilgebiete ( Bakterien, Mensch, Pflanzen )
Pflanzenphysiologie
• Wo wird welche DNA bzw. wo werden welche Proteine ge-braucht?
DNA wird mit Reportergen
( Farbstoff) versehen
d.h. hergestellte Proteine haben bestimmten Farbstoff
Pflanzenphysiologie Modellpflanze Arabidopsis
thaliana
Frage: Wann wird ProteinAtGRP7 zum Schutz vorUV-Strahlung hergestellt?
Konjugativer Gentransfer bei Bakterien
Frage: Warum wirken Antibiotika bald nicht mehr?
Zufällig resistente Bakterien geben ihre DNA ( und damit die Gene für Resistenz) über Plasmabrücken an andere Bakterien weiter, die diese in ihr Genom einbauen
Alles klar ?!?
