Arbeitsblatt: Molekulargenetik

Genetik – Vererbungslehre Definition: Die Genetik, oder Vererbungslehre beschäftigt sich mit dem Bau, den Eigenschaften und den Wirkungen der genetischen Informationen und den Gesetzmässigkeiten bei der Weitergabe von Generation zu Generation. Die Genetik lässt sich in drei verschiedene Bereiche einordnen: 1. Molekulargenetik 1.1. Einleitung In der ersten Hälfte des 20 Jhd. gelang es den Amerikanern Griffith und Avery mit Hilfe einer, zu Lungenentzündung führenden Bakteriengattung zu zeigen, dass die DNA (Desoxyribonucleinacid) Träger der Erbinformationen ist. Doch was ist die DNA, wo ist sie und wer hat sie Jeder biologische Organismus, also nicht nur Menschen, sondern alle tierischen und pflanzlichen Lebewesen, bestehen aus unterschiedlichen Organen, die aus mehreren Geweben aufgebaut sein können. Alle Gewebe bestehen aus Zellen. Die Zellen der pflanzlichen Organismen besitzen eine stabile Zellwand aus Cellulose, die ihnen eine starre Form verleiht. Im Inneren findet man unter anderem die Vakuolen (Zellsafträume) und die Plastiden, die für die Photosynthese verantwortlich sind. Die Zellen der tierischen Organismen werden von einer dünnen Zellmembran umschlossen. Weder Vakuolen noch Plastiden sind vorhanden, dafür andere lebensnotwendige Zellorganellen. Sowohl bei Pflanzen wie auch Tierzellen schwimmen diese Zellorganellen im Cytoplasma, der Zellraumflüssigkeit. Fast alle biologischen Zellen, ob pflanzlichen oder tierischen Ursprungs besitzen im Cytoplasma einen Zellkern (Nucleus) der die DNA, also die gesamte Erbinformation des Lebewesens besitzt. Ein menschlicher Organismus z.B. besteht aus ca. 100 Trillionen Zellen, und (fast) jede dieser Zellen enthält einen Zellkern, der die gesamte Informationen des Lebewesens beinhaltet. Eine Hautzelle könnte also theoretisch auch die Aufgaben einer Hirnzellen übernehmen, eine Herzmuskelzelle die Aufgabe einer Haarwurzelzelle. Jeder Zellkern trägt so zahlreiche Informationen mit sich herum, die er nie gebrauchen kann. Was hier nach Verschwendung klingt, ist in Wirklichkeit das Produkt aus der Entstehung des Lebens. Jeder biologische Körper ist aus einer Zelle entstanden. Der biologische Start des menschlichen Wesens beginnt mit der Befruchtung der weiblichen Eizelle durch ein männliches Spermium. Diese befruchtete Eizelle oder Zygote beinhaltet in ihrem Zellkern die gesamte DNA für einen ausgewachsen Menschen. Die Zygote und damit ihr gesamter Inhalt beginnt sich zu teilen. Aus 2 werden 4 – 8 – 16 – 32 – etc. Zellen die alle den gleichen Inhalt haben. Um die Mechanismen der Molekulargenetik zu verstehen wenden wir uns als erstes dieser Zellteilung, der Mitose zu. 1.2. Mitose 7 Den gesamten Vorgang vom Entstehen zweier Zellen aus einer Mutterzelle bis zur erneuten Teilung der beiden Tochterzellen bezeichnet man als Mitosezyklus. Man hat diesem kontinuierlich verlaufenden Prozess in verschiedene Phasen eingeteilt, was die Übersicht erleichtert. Die Mitose mit Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase läuft im Prinzip bei allen tierischen und pflanzlichen Zellen gleich ab. Bei menschlichen Zellen besteht die DNA aus 46 2ChromatidChromosonem, die ihre Form und ihr Aussehen ändern können. Vor der Zellteilung liegt die Erbsubstanz im Zellkern als fädiges Knäuel vor. Die Chromatinfäden verdichten und verkürzen sich zu Chromosomen, einer kompakten Transportform des Erbgutes. Chromatinstruktur der DNA 2ChromatidChromosom Mitosezyklus 1.3. DNA – Träger des Erbgutes Die Chromosomen bzw. das Chromatin, sind die Träger der Erbinformationen. Jeder biologische Organismus hat eine unterschiedliche Zahl an Chromosomen in seinen Zellkernen, aber ein und derselbe Organismus hat in allen Zellkernen die gleiche Zahl an Chromosomen. In allen menschlichen Zellkernen befinden sich 46 2ChromatidChromosomen, in gekürzter Form, oder als langestreckte, fädige Strukturen. Wie aber ist der molekulare Aufbau der DNA? Dem Amerikaner Watson und dem Engländer Crick gelang es als erste den chemischen Aufbau der Chromosomen und deren räumliche Struktur zu entschlüsseln. Eine chemische Analyse ergab, dass die Chromosomen aus Zuckermolekülen (Desoxyribosen), Phosphorsäuremolekülen und vier verschiedenen organischen Basen bestehen: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Man fand heraus, dass die Moleküle der DNA zu langen Ketten verknüpft sind. Dabei bilden abwechselnd Zucker und Phosphorsäuremoleküle eine Kette, wobei jedes Zuckermolekül mit einer der vier Basen verbunden ist. Kettenform der DNA Die DNA besteht also aus sich wiederholenden Grundbausteinen mit je einem Zucker, einem Phosphorsäure und einem Basenmolekül. Eine solche Einheit bezeichnet man als Nucleotid. Durch den Einsatz der Röntgenstrukturanalyse gelang es den räumlichen Bau der DNA aufzuklären. Die entspiralisierte DNA sieht im Modell aus wie eine Strickleiter. DNAStrickleitermodell 1.4. Feinbau der Chromosomen – DNA Doppelhelix Sowohl der Chromatinfaden als auch des 1ChromatidChromosom bestehen also aus einem DNA Strang. Er ist aus zwei langen Fadenmolekülen mit vielen Querverbindungen aufgebaut, ist also einer Strickleiter vergleichbar. Die Holme entsprechen den ZuckerPhosphorsäureketten, die Sprossen werden durch die Basenpaare gebildet. Dabei stehen sich immer Adenin und Thymin, bzw. Cytosin und Guanin gegenüber. Man spricht von sich ergänzenden, komplementären Basen. Das Gebilde ist um eine gedachte Achse gedreht – man bezeichnet sie als eine Doppelhelix Bild links). Denkt man sich das grösste Chromosom des Menschen aus einer gestreckten DNADoppelhelix aufgebaut, so hätte es eine Länge von 73mm. Tatsächlich ist der DNAStrang aber nicht gestreckt, sondern um kugelige EiweissKomplexe (Histone) aufgewunden (Perlenschnurstruktur). Um jede Kugel windet sich der Strang 1,5 – 2mal und läuft zur nächsten Kugel weiter (Bild rechts). Durch die Aufspulung um die Proteinkomplexe hat der Chromatinfaden nur etwa 16% der Länge des vollständig gestreckten DNAStranges. Eine weitere Verdichtung sorgt dafür, dass der Chromatinfaden nur etwa die Länge von 1,3mm hat. Während der Mitose erfährt der Faden eine Umwandlung zur Transportform und erreicht in der Metaphase der Mitose seine stärkste Verkürzung (Bild rechts). DNADoppelhelix; ver und entschraubt Feinbau der Chromosomen 1.5. Identische Verdopplung der DNA Die DNA ist als Träger der Erbinformationen in jeder Zelle, bzw. in jedem Zellkern, vollständig vorhanden. Deshalb ist es notwendig, sie vor jeder Zellteilung zu kopieren. Dieser Vorgang muss sehr präzise ablaufen, denn jeder Fehler würde eine Änderung im Erbgut, eine Mutation, bedeuten. Die eindeutige Paarung der Basen ermöglicht es, von diesem Molekül ein Duplikat herzustellen. Werden nämlich jeweils die beiden Basenpaare einer Sprosse getrennt, so entstehen zwei einzelne Stränge. Die zweite, fehlende Hälfte des Moleküls lässt sich nun wie bei einem Puzzlespiel genau ergänzen. Die dazu benötigten Bausteine, die Nucleotide, sind im Zellkern in ausreichender Menge vorhanden. Diese identische Verdoppelung der DNA geschieht immer vor einer Zellteilung. Zu Beginn einer Mitose besitzt deshalb jedes Chromosom zwei identische Chromatiden, die während der Mitose gleichmässig auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Somit wird garantiert, dass jede neue Körperzelle die vollständige Information erhält. Menschliche Körperzelle vor der Mitose: Menschliche Körperzelle nach der Mitose: Menschliche Keimzelle (Eizelle bzw. Spermiumzelle) ?: Verdoppelung der DNA (schematisch) 1.6. RNA Ribonucleinacid Bei der Analyse von Zellen findet man neben der DNA im Zellkern noch einen grossen Anteil einer anderen Nucleinsäure im und ausserhalb des Zellkerns – die RNA oder Ribonucleinacid. Wie die DNA besteht sie aus Zucker Phosphorsäuremolekülen und vier organischen Basen. Vergleich von: DNA – Desoxyribonucleinacid RNA Ribonucleinacid Vorkommen: Kettenform: Namen (Zuckerform): RNANucleotide können sich mit DNANucleotiden komplementär paaren. DNAStrang RNAStrang In jeder Zelle kommen zwei verschiedene RNATypen vor: die messengerRNA, kurz mRNA genannt und die transferRNA, kurz tRNA genannt. 1.7. Proteinbiosynthese vom Gen zum Merkmal Ihr Chemielehrer möchte, dass sie im Unterricht roten Farbstoff herstellen. Unter seinen Büchern im Sammlungsschrank befindet sich ein Ordner, der die zugehörigen Arbeitsanweisungen enthält. Also kopiert er die entsprechenden Seiten und teilt die Kopien an die Schülergruppe aus. Diese lesen die Arbeitsblätter und stellen den gewünschten Versuchsablauf zusammen. Gibt man dann geeignete Substanzen hinzu, wird der Farbstoff hergestellt. Was hat das Beispiel mit der Überschrift zu tun? Damit Tulpenblüten rot blühen können, müssen sie in den Zellen ihrer Blütenblätter roten Farbstoff bilden; und das läuft so ähnlich ab wie im oberen Beispiel. Den Ausgangspunkt, nämlich den Informationsspeicher für die Herstellung von rotem Blütenfarbstoff liegt im Erbgut. Es ist ein Gen, also ein DNAAbschnitt, der auf einem Chromosom liegt und eine bestimmte Abfolge von Basen besitzt. Daraus muss über mehrere Zwischenschritte etwas aufgebaut werden, womit dieser Farbstoff letztlich hergestellt werden kann. Die Werkzeuge, mit denen die Zelle eine solche Leistung vollbringt, sind spezielle Proteinmoleküle, die Enzyme. Also besitzen die Gene der rotblühenden Tulpe die Informationen dafür, diese Enzyme herzustellen Proteine, langkettige Moleküle aus maximal 20 verschiedenen Aminosäuren (Bausteine der Proteine) werden in der Zelle nur von Ribosomen gebildet. Das sind winzige Zellorganellen, die in grosser Zahl im Cytoplasma liegen. Ribosomen werden auch als Proteinfabriken der Zelle bezeichnet. Wie gelangt aber die Information, die verschlüsselt in der DNA im Kern steckt, zu den Ribosomen ins Cytoplasma, und wie wird die „Basensprache der DNA in „Aminosäuresprache der Proteine übersetzt? Die zellbiologischen Vorgänge der Verwirklichung von Erbinformationen zu Merkmalen bezeichnet man als: Proteinbiosynthese. Proteinbiosynthese in der Übersicht Proteinbiosynthese in der Zelle (1) Zuerst spaltet sich der DNADoppelstrang an einer Stelle teilweise auf. Eine der beiden Stränge trägt die Information. Von diesem codogenen Strang wird eine einsträngige Kopie mit Hilfe von RNA Nucleotiden hergestellt. Ist die Kopie vollständig, löst sie sich von der DNA und wandert als „Bote (messengerRNA oder m RNA) durch die Poren der Kernmembran ins Zellplasma. Ein Abschnitt der DNA wird auf das Botenmolekül mRNA umgeschrieben oder kopiert, und kann so den Zellkern verlassen um zu den Ribosomen zu gelangen; man nennt diesen Prozess: TRANSKRIPTION. Wie entsteht jetzt das entsprechende Protein? Proteine bestehen aus 20 verschiedenen Aminosäuren. Jedes Protein ist gekennzeichnet durch eine typische Zahl und Reihenfolge von Aminosäuren. Diese Abfolge muss also in der „Sprache der DNA und der daran kopierten mRNA verschlüsselt sein; und es muss möglich sein, diese Informationen zu lesen und zu übersetzten. In vielen Versuchen wurde die „Schrift der DNA der genetische Code geknackt: Die Abfolge von drei Basen, ein Triplett, ist das Codewort (Codon) für eine der 20 Aminosäuren. Für jede Aminosäure kennt man heute das dazugehörende Basentriplett. Wer liest am Ribosom die Basentripletts ab und lagert die dazugehörenden Aminosäuren an? Es handelt sich dabei um die bereits erwähnte transferRNA, kurz tRNA. Jedes tRNAMolekül ist in der Lage, eine ganz bestimmt Aminosäure an sich zu binden. Welche Aminosäure das ist, wird durch drei Basen (Basentriplett) bestimmt, die mit der tRNA verbunden sind. Am Botenmolekül mRNA, das die Informationen trägt, gleitet das Ribosom entlang. Dort ist immer ein Triplett (Codon) von Basen ablesebereit, in unserem Beispiel GCG für die Aminosäure ALANIN. Von den tRNAMolekülen passt nur eine Art, nämlich die mit dem Triplett CGC (Anticodon). Es lagert sich an, und die mitgebrachte Aminosäure ALANIN wird nun an das Ende der bereits vorhandenen Kette von Aminosäuren angeheftet. Dann wird das nächste CodonTriplett abgelesen usw. Die jeweils mitgebrachten Aminosäuren werden genau in der Reihenfolge miteinander verbunden, wie es der Abfolge der Basentripletts aus der mRNA entspricht. Die entstandene Aminosäurekette wird zu einem Protein, bzw. einem Enzym, welches in der Zelle bzw. im Organismus eine Aufgabe erfüllt (roter Blütenfarbstoff). Das Übersetzten von Basensprache in eine genau festgelegte Abfolge von Aminosäuren und damit zu einem Protein/Enzym bezeichnet man als: TRANSLATION. Bei allen Lebewesen ist die Ausbildung eines Merkmals an bestimmt Enzyme gebunden. Sie werden stets durch Transkription, d.h. durch Kopieren der DNA in das Botenmolekül mRNA, und nachfolgende Translation am Ribosom mithilfe der tRNA gebildet. Die „Sprache der DNA wird in den Zellen aller Lebewesen „verstanden. Proteinbiosynthese in der Zelle (2) 1.8. Der genetische Code Die mRNA dient als Botenmolekül zwischen Zellkern und Ribosomen; sie vermittelt zwischen dem Ort der Speicherung (DNA) und dem Ort der Verwirklichung (Ribosomen) der genetischen Informationen. Durch das Ablesen der Basensequenz mittels der mRNA kommt es zu einer bestimmten Basenfolge, welche die Bauanleitung für ein Protein beinhaltet. Der genetische Code arbeitet mit den vier Basen, die in festgelegter Reihenfolge miteinander verknüpft sind. Würde ein Codewort für eine Aminosäure (AS) nur aus einer Base bestehen, so könnten in der RNA nur 4 AS codiert werden. Auch Codewörter mit zwei Basen reichen mit möglichen Kombinationen nicht aus. Tatsächlich wird eine AS durch eine Gruppe von drei Basen, also einem Basentriplett der m RNA codiert. Man bezeichnet ein solches mRNACodewort als Codon. In Versuchen konnte man 61 der möglichen TriplettKombinationen einer AS zuordnen. Die meisten der 20 AS werden durch mehrere Basentripletts codiert. So kann z.B. die AS Prolin durch die Codons CCU,CCC,CCA oder CCG verschlüsselt sein. Es existieren drei Basentripletts, denen keine AS zugeordnet werden konnte. Sie haben die Funktion eines Stopsignals. Sie codieren die Informationen für die Beendigung der Synthese eines Proteins. Die Vorgänge der Proteinbiosynthese lassen folgenden Fluss der genetischen Informationen zu: DNA mRNA Protein/Enzym Die damit festgelegte Richtung des Informationsflusses wird als Dogma der Molekularbiologie bezeichnet. Dem Codon auf der mRNA entspricht ein komplementäres Basentriplett auf der DNA. Dieses heisst Codogen; mit ihm ist die genetische Information für eine AS festgelegt. Diese Information wird in ein Codon umgeschrieben, das dann von einem Anticodon der tRNA erkannt wird. Welche mRNAMoleküle zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle nachgewiesen werden können, hängt von der jeweils gerade abgerufenen genetischen Information ab.