Biologie für Mediziner WS 2012/13
Biologie für Mediziner WS 2012/13
Biologie für Mediziner WS 2012/13
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<strong>Biologie</strong> für <strong>Mediziner</strong> <strong>WS</strong> <strong>2012</strong>/<strong>13</strong><br />
Praktikum<br />
19.11. + 20.11.<br />
Dr. Carsten Heuer: Mitose/Meiose<br />
Skript Genetik ausdrucken !!<br />
26.11. + 27.11.<br />
Dr. Carsten Heuer: Sinneswahrnehmung,<br />
Signaltransduktion<br />
Skript Sinne ausdrucken !!<br />
Download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1
<strong>Biologie</strong> für <strong>Mediziner</strong> <strong>WS</strong> <strong>2012</strong>/<strong>13</strong><br />
Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg<br />
1. Endozytose<br />
2. Lysosomen<br />
3. Genetik 1: Zellkern, Chromosomen <br />
4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation <br />
5. Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)<br />
6. Reifeteilung (Meiose)<br />
7. Signaltransduktion 1: Zellkommunikation<br />
8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten<br />
9. Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte Rezeptor-<br />
Signalwege<br />
10. Apoptose, Nekrose<br />
Folien zum download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1
Zellkern (Nucleus)<br />
•Der Zellkern ist die genetische<br />
Steuerzentrale eukaryotischer<br />
Zellen<br />
• Er enthält die genetische<br />
Information in Form<br />
doppelsträngiger DNA<br />
DNA = Desoxyribonucleic acid<br />
Nucleus
Zellkern Mensch<br />
ZK<br />
• Durchmesser: 5-8 µm<br />
• enthält 2 m DNA<br />
• entspricht einem Tennisball<br />
mit 20 km feinen Fäden!
Weitergabe genetischer Information<br />
Replikation = Herstellung einer Kopie einer DNA<br />
erfolgt im Kern<br />
Durch Transkription (im Kern)<br />
und Translation (im Cytoplasma) wird die<br />
genetische Information umgesetzt<br />
DNA DNA RNA Proteine
Aufbau des Zellkerns<br />
Im Kernplasma befinden sich keine Membranen<br />
Prominenteste Struktur ist der Nucleolus, in dem<br />
die Synthese der Ribosomen stattfindet<br />
Nucleus<br />
Nucleolus
DNA-Schlaufen zur<br />
Produktion<br />
ribosomaler RNA<br />
erstrecken sich in<br />
den Nucleolus<br />
Funktion des Nucleolus:<br />
• Transkription ribosomaler RNA<br />
• Zusammenbau der<br />
ribosomalen Untereinheiten
Nucleolus:<br />
Zusammenbau von<br />
Ribonucleoproteinkomplexen<br />
• 45S-Voräufer rRNA<br />
• Verpackung in Ribonucleo-<br />
Proteinpartikel<br />
• Prozessierung und Addition<br />
weiterer Stücke<br />
• Getrennter Transport der<br />
ribosomalen Untereinheiten<br />
ins Cytoplasma<br />
• Zusammenbau der Telomerase<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Kernhülle<br />
• besteht aus einer äußeren<br />
und einer inneren Membran<br />
• dazwischen: perinucleärer<br />
Raum<br />
Kernhülle
Kernhülle<br />
• Der perinucleäre Raum steht mit dem endoplasmatischen Retikulum<br />
(ER) in Verbindung<br />
• In der Kernhülle befinden sich komplex aufgebaute Kernporen (Pfeil)<br />
ER
Kernporen
Kernimport, Kernexport<br />
• Kernproteine tragen ein Kernlokalisierungssignal (NLS = nuclear<br />
localization signal), das von einem Importrezeptor erkannt wird.<br />
• Das Kernlokalisierungssignal wird beim Import nicht entfernt,<br />
damit Kernproteine auch nach der Mitose wieder in den Zellkern<br />
gelangen.<br />
• Zum Export vorgesehen Proteine werden mit einem Exportsignal<br />
(NES) versehen Exportrezeptor<br />
• Import- und Exportrezeptoren werden recylced<br />
• Transportrichtung wird durch Energie-liefernden Ran-GTP/Ran-GDP<br />
Zyklus vorgegeben<br />
• Ran (ras-related nuclear protein): Mitglied einer Familie von G-<br />
Proteinen
Kernimport Kernexport<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Kernlamina<br />
Unterhalb der Kernhülle befindet sich die<br />
Kernlamina, die die Stabilität des Kerns bewirkt:<br />
= Geflecht aus Intermediärfilamenten<br />
Die Kernlamina setzt sich aus drei verschiedenen<br />
Proteinen zusammen (Lamin A, B, C), von denen<br />
Lamin B mit den Chromosomen in Verbindung steht.
Kernlamina
Zusammenfassung:<br />
Zellkern-Struktur während der Interphase
<strong>Biologie</strong> für <strong>Mediziner</strong> <strong>WS</strong> <strong>2012</strong>/<strong>13</strong><br />
Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg<br />
1. Endozytose<br />
2. Lysosomen<br />
3. Genetik 1: Zellkern, Chromosomen <br />
4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation <br />
5. Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)<br />
6. Reifeteilung (Meiose)<br />
7. Signaltransduktion 1: Zellkommunikation<br />
8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten<br />
9. Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte Rezeptor-<br />
Signalwege<br />
10. Apoptose, Nekrose<br />
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Struktur eukaryotischer Chromosomen<br />
• Eukaryotische DNA ist zu Chromosomen<br />
verpackt<br />
• Chromosomen = Erbmaterial im Zellkern
Struktur eukaryotischer Chromosomen<br />
Chromosomen liegen während der Lebensdauer<br />
einer Zelle in verschiedenen Stadien vor<br />
fädige Interphasechromosomen<br />
kondensierte Mitosechromosomen<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Fädige Interphasechromosomen
Kondensierte Mitosechromosomen<br />
Menschliche Chromosomen (Mann)<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Menschliche Mitosechromosomen<br />
22 autosomale Chromosomen(paare)<br />
X-Chromosom<br />
Y-Chromosom<br />
Centromere<br />
Giemsa-Färbung<br />
dunkle G-Banden:<br />
reich an Adenin, Thymin (AT)
Wichtige DNA-Sequenzelemente
Wichtige DNA-Sequenzelemente<br />
Telomer: Chromosomenende, bei Wirbeltieren mehrere<br />
tausendfache Repeats der Sequenz: TTAGGG<br />
Funktion für Stabilität der DNA<br />
notwendig zum Ansetzen der DNA-Polymerase<br />
(repeats werden bei Zellteilung verkürzt)<br />
Centromer: primäre Einschnürungsstelle des<br />
Metaphase-Chromosoms, halten die Chromatiden<br />
zusammen; Bildung der Kinetochore (seitliche<br />
Proteinkomplexe): Ansatzstelle für Teilungsspindel<br />
Replikationsstartpunkt: Beginn der Verdoppelung der<br />
DNA, meist mehrere Replikationspunkte
Interphasechromosomen<br />
Euchromatin<br />
wird aktiv transkribiert<br />
Heterochromatin<br />
inaktiv, elektronendicht
Gene in der Nähe<br />
des Telomers<br />
sind inaktiv<br />
Positionseffekte<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Inaktivierung eines X-Chromosoms
Barr-Körperchen (inaktiviertes X-Chromosom)<br />
X-Chromosom: ca. 1000 Gene<br />
Inaktivierung eines X-Chromosoms<br />
Erzeugung gleicher Mengen Protein<br />
bei Mann/Frau<br />
Schildpattmuster Katze:<br />
X-chromsomales rot-Allel<br />
schwarz Allel
Aufbau der Chromosomen<br />
Die negativ geladene DNA ist in den Chromsomen<br />
mit basischen Proteinen (u.a. Histone) assoziiert:<br />
Histone bilden die Nucleosomen
Aufbau der<br />
Nucleosomen<br />
Chromosomen:<br />
1/3 DNA<br />
2/3 Proteine<br />
Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle
Aufbau der Nucleosomen<br />
Nukleosomen sind aus vier verschiedenen<br />
Histonmolekülen aufgebaut (H2A, H2B, H3 und H4),<br />
von denen je zwei Kopien in einem Nukleosom vorkommen<br />
Zwischen den<br />
Histonkomplexen<br />
befindet sich Histon H1<br />
(Linkerhiston)
30 nm Kondensierung Chromatinfaser der Chromosomen
Verkürzung der Chromosomen<br />
• Während der Kernteilung und im Heterochromatin<br />
liegen die Chromosomen sehr stark verkürzt vor<br />
• Dabei bilden sich geordnete Superstrukturen, die<br />
eine geordnete Verteilung auf die Tochterzellen<br />
erlauben
Verpackungsstufen<br />
im Chromatin
Interphasechromosom<br />
Mitosechromosom
Zusammenfassung:<br />
Struktur und Aufbau der Chromosomen:<br />
• Eukaryotische DNA: zu Chromosomen verpackt<br />
• Interphase- oder Mitose-Chromosomen<br />
• Interphase-Chromosomen: Hetero-, Euchromatin<br />
• Spezielle DNA-Sequenzen: effiziente Replikation<br />
• Aufbau und Verpackung von Chromatin
<strong>Biologie</strong> für <strong>Mediziner</strong> <strong>WS</strong> <strong>2012</strong>/<strong>13</strong><br />
Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg<br />
1. Endozytose<br />
2. Lysosomen<br />
3. Genetik 1: Zellkern, Chromosomen <br />
4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation <br />
5. Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)<br />
6. Reifeteilung (Meiose)<br />
7. Signaltransduktion 1: Zellkommunikation<br />
8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten<br />
9. Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte Rezeptor-<br />
Signalwege<br />
10. Apoptose, Nekrose<br />
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Aufbau der DNA<br />
DNA (und RNA) sind aus Nukleotiden aufgebaut.<br />
Ein Nukleotid besteht aus einem<br />
Zuckerrest (Ribose bzw. Desoxyribose), einer<br />
Phosphatgruppe und einer<br />
organischen Base (N-haltig).
Nucleotid<br />
Cytidinmonophosphat<br />
• N-haltige Base,<br />
• 5-Kohlenstoff-Zucker,<br />
• Phosphatgruppen
Phosphate<br />
Monophosphat<br />
Diphosphat<br />
Triphosphat
Zucker
Base-Zucker-Bindung
Basen<br />
RNA: A –G –C –U<br />
DNA: A –G –C –T
Nucleoside und Nucleotide
Nucleotide<br />
• Energieträger (ATP)<br />
• Coenzyme (Coenzym A)<br />
• Signalmoleküle (cAMP)
Nucleotide<br />
werden durch<br />
Phosphodiesterbindungen<br />
verknüpft
5’<br />
H<br />
H<br />
DNA<br />
H<br />
3’<br />
H
5’<br />
OH<br />
OH<br />
RNA<br />
OH<br />
3’<br />
OH
Aufbau der DNA<br />
Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidsträngen,<br />
die über komplementäre Basenpaarungen<br />
miteinander verbunden sind
Basenpaare<br />
GC-Basenpaar<br />
AT-Basenpaar
Struktur der DNA<br />
1953 James Watson and Francis Crick
Cambridge 1953<br />
Nobelpreis 1962<br />
Francis Crick<br />
James Watson
DNA-Modell<br />
Watson/Crick
DNA-Doppelhelix<br />
• 4-Buchstaben-Code<br />
• Eine vollständige Drehung<br />
nach 10 Basenpaaren<br />
• Doppelhelix<br />
Mechanismus zur<br />
Erstellung identischer<br />
Kopien
Beide Stränge<br />
antiparallel:<br />
3´ 5´<br />
5´ 3´<br />
Major<br />
groove<br />
Minor<br />
groove
„major groove“<br />
„minor groove“
Zusammenfassung: Aufbau der DNA<br />
• DNA = Doppelhelix<br />
• Zwei komplementäre Polynukleotidstränge<br />
durch komplementäre Basenpaarung: A-T, G-C<br />
• Eine Doppelhelix gewunden um Nukleosomen<br />
= ein Chromatid = ein haploides Chromosom<br />
• Replikation = konservative DNA-Verdopplung<br />
durch DNA-Polymerasen
<strong>Biologie</strong> für <strong>Mediziner</strong> <strong>WS</strong> <strong>2012</strong>/<strong>13</strong><br />
Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg<br />
1. Endozytose<br />
2. Lysosomen<br />
3. Genetik 1: Zellkern, Chromosomen <br />
4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation <br />
5. Genetik 2: Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)<br />
6. Reifeteilung (Meiose)<br />
7. Signaltransduktion 1: Zellkommunikation<br />
8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten<br />
9. Signaltransduktion 2: Enzymgekoppelte Rezeptor-<br />
Signalwege<br />
10. Apoptose, Nekrose<br />
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Replikation der DNA<br />
Bei der Replikation der DNA wird anhand eines<br />
Stranges (Matrize) der komplementäre Gegenstrang<br />
gebildet (semikonservative Replikation)
Die DNA = Matrize für ihre Replikation
Replikation der DNA<br />
Modell falsch!
Anfügen neuer<br />
Nucleotide an das<br />
3´-Ende einer<br />
Polynucleotidkette<br />
Strang wächst stets in 5´ 3´-Richtung
Replikation der DNA<br />
Die Replikation der DNA erfolgt immer nur<br />
in 5’ 3’-Richtung<br />
Deswegen unterscheidet man bei der Replikation<br />
des Doppelstranges einen<br />
kontinuierlichen Strang (Leitstrang) und einen<br />
diskontinuierlichen Strang (Folgestrang)<br />
Beginnt an bestimmten Stellen<br />
(Replikationsursprung)
Die DNA Replikation startet an mehreren<br />
Orten gleichzeitig<br />
Replikationsursprung<br />
Replikationsgabel
Asymmetrische Replikationsgabeln<br />
Okazaki-Fragment
Replikationsgabeln in eukaryotischen Chromosomen
Replikation der DNA<br />
Die DNA wird durch die DNA-Polymerase repliziert.<br />
Die DNA-Polymerase katalysiert die<br />
Verknüpfung von Desoxyribonukleotiden in 5´-3´-<br />
Richtung<br />
Sie hat proofreading-Aktivität<br />
DNA-Po.
Replikation der DNA - schematisch<br />
Leitstrang<br />
Folgestrang
Replikation der DNA<br />
>27 Proteine beteiligt<br />
b: reale 3-dimensionale Faltung der Replikationsgabel<br />
Alberts (2003) Nature 421:431-435
Zusammenfassung: DNA-Replikation<br />
• DNA wird durch DNA-Polymerasen repliziert<br />
• DNA-Polymerasen katalysieren Phosphodiester-Bindung<br />
• DNA-Polymerasen haben proofreading-Aktivität =<br />
sie korrigieren sich selbst<br />
• DNA-Synthese an der Replikationsgabel durch<br />
Replikationsmaschine:<br />
DNA-Topoisomerase<br />
DNA-Polymerase<br />
DNA-Helikase<br />
DNA-Primase<br />
Einzelstrang-Bindeproteine<br />
DNA-Ligase
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