Klausur 2016, Fragen und Antworten PDF

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vollständig beantwortete Fragensammlung Genetik und Genomik, Prof. Hammerschmidt, Wintersemester 2015/2016, super strukturiert und erklärt zum lernen...

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Klausur „Molekulare Genetik und Genomik“ Fragesammlung Prof. Dr. Sven Hammerschmidt Allgemeine Genetik 1. Woraus besteht die Erbinformation (DNA)?  

Nukleinsäure, ein Polymer aus organischen Molekülen Monomere der Nukleinsäuren sind Nukleotide, welche drei Bestandteile haben: Ein Zuckermolekül (Pentose), eine organische Base (Purin-(G,A) oder Pyrimidinbase (C,T/U)) und einem Phosphatrest

2. Wie sind die entscheidenden Versuche dazu gewesen? Griffith in Maus und Avery et al. Transformation Griffiths Experiment, das 1928 von Frederick Griffith durchgeführt wurde, war der erste Nachweis der Transformation bei einem Bakterium, also der Übertragung von genetischer Information zwischen Bakterien. Er experimentierte dabei mit dem Bakterium Streptococcus pneumoniae, das bei Mäusen Lungenentzündungen hervorruft. Dieses Bakterium kommt in zwei Varianten vor: als "SZellen" (smooth, glatt), die Schleimkapseln bilden können und daher im Lichtmikroskop glatt erscheinen sowie krankheitserregend sind. Die "R-Form" (rough, rau) dagegen hat die Fähigkeit zur Kapselbildung verloren, erscheint rau und ist nicht pathogen, da sie wegen der fehlenden Schutzkapsel vom Immunsystem der Maus erkannt wird. Das Griffith-Experiment besteht nun aus folgenden vier Schritten:  Mäuse, denen Pneumokokken der S-Form injiziert werden, erkranken an Lungenentzündung.  Mäuse, denen Pneumokokken der R-Form injiziert werden, bleiben gesund.  Durch Hitze abgetötete Pneumokokken der S-Form werden injiziert. Die Tiere erkranken nicht. Tote Pneumokokken sind demnach nicht pathogen.  Wird Mäusen die abgetötete S-Form zusammen mit der lebenden R-Form injiziert, erkranken sie und sterben. Im Blut der erkrankten Mäuse können lebende Bakterien der S-Form nachgewiesen werden. Damit war bewiesen, dass eine Transformation stattgefunden hatte: die Fähigkeit der Schleimkapselbildung wird von den toten S-Zellen auf die lebenden R-Zellen übertragen. Avery, MacLeoad and McCarthy: DNA ist das transformierende Prinzip 1944 Durch das Experiment an Pneumokokken ein erstes starkes Indiz dafür, dass die DNA und nicht, wie man bis dahin annahm, Proteine Träger der Erbinformation sind. Er und seine Mitarbeiter haben Pneumokokken der S-Form zentrifugiert sodass sich die Zellen auf dem Boden des Reagenzglases befanden, dann durch Hitze abgetötet. Danach Extrahierten sie Kohlenhydrate Lipide und Proteine aus dem Pneumokokken S-Form Filtrat. Als nächstes haben sie zur Kontrolle lebende Pneumokokken der R-Form dazu gegeben und beobachteten die Transformation im Medium waren lebende Pneumokokken der S-Form. Als nächstes behandelten sie sie den zuvor gewonnen S-Zellextrakt (Proteine, KH und Lipide) vor der Transformation mit unterschiedlichen Enzymen. Als erstes mit Protease, die alle Proteine auflöste und eine Transformation fand trotzdem statt. Schlussfolgerung Proteine nicht der aktive Faktor. Danach behandelten sie das Zellextrakt mit Ribunuklease, das alle RNA auflöste und eine Transformation fand trotzdem statt. Schlussfolgerung RNA nicht der aktive Faktor. Danach behandelten sie das Zellextrakt mit Desoxyribunuklease, das alle DNA auflöste und eine Transformation fand nicht statt. Schlussfolgerung eine Nucleotidsäure des Typs Desoxyribose (DNA) ist der aktive Faktor der Transformation und Transformation ist vererbbar, da Kapsel auch in späteren Generation gebildet wird.

3. Wie ist der Transformationsfluss in einer Zelle aus genetischer Sicht? Allg. die Bez. für die Übertragung von genetischer Information durch Aufnahme freier DNA. Es erfolgt eine Insertion ins Genom. Als Insertion bezeichnet man in der Genetik das Einfügen eines Nukleotids oder DNA-Abschnitts in eine DNA-Sequenz. Die homologe Schleimkapsel bildende DNA-Frequenz wird von der Pneumokokken R-Form aufgenommen. Es erfolgt eine Insertion ins Genom und anschließend Rekombination und Zellteilung. 4. Was besagt das Hershey und Chase Experiment von 1952? Transduktion: Die Genübertragung mit Hilfe von Bakteriophagen oder anderen Viren auf Bakterien. Was tritt in die bakterielle Zelle eine und steuert die Phagenvermehrung? Hershey und Chase züchteten nun Phagen, die als T2-Phagen bezeichnet wurden, einmal unter Zugabe von radioaktiv markiertem Schwefel (35S) und in einer zweiten Petrischale unter Zugabe von radioaktiv markiertem Phosphor (32P). Der radioaktive markierte Schwefel wurde dabei in die Proteine eingebaut. Der radioaktiv markierte Phosphor in der anderen Petrischale wurde dagegen in die DNA der gezüchteten Phagen eingebaut. Die markierten Phagen infizieren nicht markierte Bakterien. Danach wurden die Phagenhüllen von den bakteriellen Zellen abgetrennt. In der einen Kultur waren die abgetrennten Phagenhüllen 35S markiert und die infizierten Bakterien nicht markiert. Das bedeutet in den Bakterien werden lebende nicht markierte Phagen gebildet. In der anderen Kultur waren die abgetrennten Phagenhüllen nicht markiert und die infizierten Bakterien 32p markiert. Das bedeutet in den Bakterien werden lebende 32p markierte Phagen gebildet. Schlussfolgerung nur Phagen-DNA dringt in Wirtszelle ein und steuert die Phagenproduktion. 5. Wie ist die DNA aufgebaut?     

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2 lange Nucleotidketten sind um eine zentrale Achse gewunden und bilden eine rechtsgängige Doppelhelix (natürliche B-DNA) Antiparalleler Verlauf der Nucleotidketten, Orientierungen verlaufen in entgegengesetzter Richtung (3‘  5‘ und 5‘  3‘ ) Basen beider Ketten sind flache Strukturen und sind senkrecht zur Achse ausgerichtet Die Basen sind übereinander gestapelt, 0,34 nm (3,4 Å) auseinander und auf der Innenseite der Helix Stickstoffbasen der gegenüberliegenden Ketten sind über H-Brücken verbunden; nur A=T und G=C Paare sind erlaubt (bei anderen Durchmesser der DNA größer als 2,0 nm (20 Å)) DNA wird durch hohe Anzahl an H-Brücken stabilisiert , komplementäre Basenpaarung Pro Windung 3,4nm (34 Å) lang; dies entspricht 10,4 Basen große Furchen 2,2 nm (22 Å) und kleine Furchen 1,2 nm (12 Å) entlang der Achse im Molekül, abwechselnd Durchmesser von 2 nm (20 Å) der Doppelhelix Polymer aus Desoxyribonukleotide Einheiten (Nukleotide) hat drei Bestandteile: Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker Desoxyribose sowie einer Base An der 3'-Position ist eine OH-Gruppe vorhanden, welche die Desoxyribose über eine sogenannte Phosphodiesterbindung mit dem 5'-Kohlenstoffatom des Zuckers des nächsten Nukleotids verknüpft die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Zucker-Phosphat Rückgrat des Moleküls und ragen nach außen Einheiten aus Base und Zucker (ohne Phosphat) werden als Nukleoside bezeichnet Die Phosphatreste sind aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil, sie geben DNA in wässriger Lösung insgesamt eine negative Ladung  sauer (DNS)

6. Welche DNA-Modelle gibt es neben der B-DNA noch? 

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A-DNA: 11 Bp pro Windung, rechtsgängig, Basen sind anders orientiert, zur Achse deshalb kleine und große Furche anders als bei B-DNA, Durchmesser 2,6 nm, repräsentiert DNA-RNA und RNA-RNA Doppelhelices Z-DNA: 12 Bp pro Windung, linksgängig, synthetische DNA die nur aus G-C-Bp besteht, Durchmesser 1,8 nm, weißt eine zick-zack Struktur auf P-DNA: wenn die DNA künstlich gestreckt wird, dadurch länger und schmaler als B-DNA, Phosphatgruppen sind im inneren des Moleküls, 2,62 Bp pro Windung

6. Was besagt die Chargaff-Regel? Gesetzmäßigkeit über die quantitative Basenzusammensetzung der DNA, die erstmals von E. Chargaff formuliert wurde. Demnach stimmen in einem DNA-Molekül die Anzahl der Basen Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin bzw. der Purinbasen und Pyrimidinbasen exakt überein. Des weiteren ist die Basenzusammensetzung eng verwandter Arten ähnlicher als die von phylogenetisch weiter entfernten Taxa.  A% = T% und G% = C% Bsp. Mensch: Purine: A 31 G 19,1 Pyrimidine C 18,4 T 31,5 7. An welchen zellulären Prozessen sind DNA-bindende Proteine beteiligt? DNA-Replikation (Einzelstrangbindendeproteine – Stabilität ), Transkription (Transkriptionsfaktoren), Regulation der Genexpression (Regulatorproteine und Repressoren), Translation (Translationsfaktoren), DNA-Konformation (Kernhistone) Die Fähigkeit der DNA-bindende Proteine, an DNA zu binden, ist auf eine Reihe so genannter DNABindungsmotive zurückzuführen – Bsp. Helix-Turn-Helix-Motiv (HTH-Motiv), Zink Finger,Leucin Zipper 8. DNA in Mikroorganismen: wie liegt sie vor? DNA liegt bei Prokaryoten im Cytoplasma in ringförmiger dsDNA vor und ist mit Histon-ähnlichen Proteinen assoziiert. Ein funktionsfähiges Chromosom (Chromosomale DNA) und Plasmid DNA. Bei Prokaryoten Phagen und Viren kann die Erbinformation auch in ssDNA, dsRNA ssRNA vorliegen 9. Wie liegt die DNA in Eukaryoten vor? Im Zellkern ist die dsDNA und Proteine mit komplexen Nucleoproteinstrukturen assoziiert Chromatin nur in der Mitose sichtbar, aus dicht spiralisierten Chromatinfasern, Interphase: Chromatin entspiralisiert, Verdichtung bedeutet ca. 10.000-fache Kondensation der Länge 10. Welche RNA-Arten gibt es in den Zellen und welche Funktion haben sie? Größe Transfer-RNA t-RNA ribosomale RNA rRNA Prokar. 70S ribosomale RNA rRNA Eukar. 80S messenger RNA mRNA

bei Bakterien 3 Arten: aus etwa 120 (5S rRNA), 1540 (16S rRNA) bzw. 2900 (23S rRNA) Nukleotiden

Funktion Übertragung von Aminosäuren zum Proteinsyntheseapparat Struktur und Funktionselemente von Ribosomen

4 Arten aus etwa 120 (5S rRNA), 160 (5,8S rRNA), 4800 (28S rRNA), 1800 (18S rRNA) Nukleotiden

Struktur und Funktionselemente von Ribosomen

80 – 95 Nukleotide

sehr verschieden von einigen hundert bis zu mehreren tausend Nukleotiden

die Boten-(messenger)- RNAs enthalten Abschriften der Gene für die Synthese von Proteinen kleine nukleäre RNA (snRNA): wirkt an der Bildung von mRNAs mit, Telomerase-RNA: an der DNAReplikation an den Enden der Chromosomen beteiligt, Antisense-RNA und short-interfering RNA (siRNA): an der Genregulation beteiligt

11. Wie viele Basen enthalten die Genome von Viren, Bakterien und des Menschen? Viren: 3.000 ; Bakterien: 3.000.000 (3 Mill.) ; Mensch: 3.000.000.000 (3 Mrd.) 12. Wie heißen die die Enzyme, mit der die DNA an spezifischen Sequenzen gespalten werden? Restriktionsenzyme 13. Was ist ein Kinetochor und was ist seine Rolle während der Mitose? Kinetochoren sind halbkugelförmige Strukturen aus Proteinen und DNA, die sich um das Centromer anlagern. Die Kinetochoren sind die Bindungstelle für den Spindelapparat, der die Chromatide der Chromosomen in der Anaphase der Mitose oder Meiose II trennt. Daher spricht man beim Spindelapparat auch von den "Kinetochor-Mikrotubuli". Die Kinetochoren können in zwei Schichten eingeteilt werden: Eine äußere Schicht, welche die Bindungstelle des Spindelapparats bildet und eine innere Schicht, die dem Centromer zugewandt ist. 14. Was ist ein Centromer und welche Positionen der Centromere gibt es in den Chromosomen? Wie verhält es sich jeweils mit den Chromosomenarmlängen in den entsprechenden Chromosomen  

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Centromere zunächst als Einschnürungen auf eukaryotischen Chromosomen beschrieben Region eines Chromosoms, die die Schwesterchromatiden zusammenhält und in der Meta/Anaphase von Mitose und Meiose als Ansatzpunkt für die Spindelfasern dien Bildung der Kinetochore – Bindung an Mikrotubuli Variationen der Centromere: a) klein und nicht repetetive Sequenzen b) größer und vor allem repetetiven Sequenzen c) größte Bereich aus repetetiven Sequenzen Die Lage des Centromers kann entweder relativ mittig (metazentrisch), zwischen Mitte und Ende (submetazentrisch), nahe am Ende (akrozentrisch) oder am Ende (telozentrisch) der DNA-Stränge liegen metazentrisch: p- und q-Arm gleich lang submetazentrisch: p-Arm klein, q-Arm länger akrozentrisch: p-Arm sehr klein, q-Arm normal lang telozentrisch: kein p-Arm, nur normal lamger q-Arm

15. Was ist ein Nucleosom und wie ist es aufgebaut? Nukleosomen bilden einen Komplex aus DNA, snRNA und Histonen. Dies ist die erste Verpackungsstufe der DNA im Zellkern eukaryotischer Zellen (2 nm DNA zu Nucleosomen von 11 nm, dann zu 30 nm dicken Chromatinfaser). Als Nukleosom bezeichnet man die Einheit von DNA und einem Histonoktamer. Um so einen Proteinkomplex sind 146 Basenpaare der DNA als linksgängige Superhelix gewunden. Durch die Windung der DNA um den Histon-Komplex verkürzt sich die Länge der DNA auf ein Siebtel (1,7 Windungen pro Nucleosom). 16. Mögliche chemische Modifizierung der DNA Acetylierung erfolgt durch HAT (Histonacetyltransferase), Acetylgruppe an Lysin, damit positive Ladung des Lysins verändert wird, Lysin in großen Mengen in Histonen, Acetylierung verursacht Genaktivierung (u.a. Chromatinfaser geöffnet), Effekt stark in Regionen in denen aktive Gene liegen Methylierung durch Methyltransferase, Arginin und Lysin werden methyliert, Aktivierung der Gene Methylierung von Histonen in Nucleosomen korreliert mit positiver Genaktivität Phosphorylierung durch Kinasen, Serin und Histidin werden an den OH-Gruppen phosphoryliert, im Zellzyklus verstärkte Produktion des Histons H3, nimmt an, das diese Modifizierung mit Entfaltung und Verdichtung des Chromatins zusammenhängt bei der Replikation 17. Welches sind die Phasen des Zellzyklus und in welcher Phase erfolgt die DNA Synthese/Replikation? G0-Phase  G1-Phase  S-Phase  G2-Phase Mitose  G1-Phase S-Phase: Synthesephase erfolgt die DNA Replikation 18. Was sind Allele?   

Allele bezeichnen die verschiedene Ausprägungsformen (Zustandsformen) eines Gens (z.B. normal (Wildtyp) oder mutiert) Bei diploiden Organismen liegen alle Chromosomen in zweifacher Ausführung vor (homologe Chromosomen)  Diploide Organismen besitzen von jedem Gen zwei Kopien Liegen zwei gleiche Allele vor, ist der Organismus für dieses Gen homozygot. Bei zwei verschiedenen Allelen ist der Organismus für das Gen heterozygot.

19. Was ist der synaptonemale Komplex? Wann entsteht er und was passiert?      

Entsteht nur in der Meiose während des Zygotän bezeichnet einen Proteinkomplex, der die Paarung und Rekombination homologer Chromosomen während der Meiose vermittelt Struktur zwischen den Homologen Chromosomen, die durch die Synapse verbunden sind ist eine dreigeteilte Struktur mit zwei Seitenregionen und einem Zentralelement

synaptonemale Komplex ist der Motor für die Paarung der Homologen und der Segregation in der Meiose Die Entwicklung dieses Proteinkomplexes ist Voraussetzung für Crossing-over und der Ausbildung von Chiasmata

20. Erklären sie den Begriff Chiasma? Als Chiasma werden die Überkreuzungspunkte zweier Chromatiden homologer Chromosomen während eines Crossing-over bei der Meiose bezeichnet

21. Beschreiben sie die prinzipiellen Vorgänge während der Mitose in Eukaryoten? Mitose: Kernteilung ist die Zellkernteilung bei Zellen von eukaryotischen Lebewesen. Im Anschluss an die Kernteilung erfolgt meistens die Teilung des Zellleibs (Zytokinese), sodass aus einer Zelle zwei Tochterzellen entstehen.  Prophase: Die Zellorganellen bilden sich zurück und zerfallen, die Chromosomen kondensieren und werden lichtmikroskopisch sichtbar. Die verdoppelten Centriole wandern zu den entgegengesetzten Polen des Nukleus. Zwischen ihnen entstehen die Spindelfasern.  Prometaphase: Die Spindelfasern dringen in den Bereich des jetzt hüllenlosen Kerns ein. Kernmembran und Kernkörperchen lösen sich auf. Die Kinetochore-Mikrotubuli greift in die Schnürstellen der Chromosome (Kinetochor) und löst damit die Proteolyse der CohesinProteinkomplexe aus, die für die Schwesterchromatidenkohäsion sorgen.  Metaphase: die kondensierten Chromosome werden durch die Mikrotubuli des Spindelapperates zwischen den Spindelpolen in der Äquatorialebene ausgerichtet. Die Metaphase ist abgeschlossen, wenn alle Chromosomen in dieser Metaphaseplatte ausgerichtet sind.  Anaphase: die beiden Chromatiden eines Chromosoms werden durch die Spindelfasern getrennt und (mit dem Zentromer voran) in Richtung Spindelpole auseinandergezogen. So erhält jeder Pol einen vollständigen Chromatidensatz.  Telophase: Die Kinetochorfasern depolymerisieren, die Kernhülle wird wieder gebildet und die Chromosomen dekondensieren.  Cytokinese: (Zellteilung) werden die Zellbestandteile auf die entstandenen Zellen verteilt und fehlende Organellen neu gebildet. Das Zytoplasma wird an der Einschnürungsstelle getrennt und es entstehen zwei Tochterzellen. (nicht mehr Bestandteil der Mitose) 22. Die Prophase I der Meiose wird in fünf Abschnitte unterteilt Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän, Diakinese. Beschreiben sie die Vorgänge in diesen Abschnitten. Als Meiose, auch Reifeteilung oder Reduktionsteilung, wird eine besondere Form der Kernteilung diploider Zellen bezeichnet, bei der die Chromosomenzahl halbiert wird, indem jedem der beiden Tochterkerne je ein homologer Partner eines Chromosomenpaars zugeteilt wird. Im Rahmen eines Kernphasenwechsels ist dies der Übergang zur haploiden Phase. Damit einher geht gewöhnlich eine Rekombination. Prophase I:  Leptotän: Die Chromosomen sind als fadenartige Strukturen sichtbar und kondensieren.  Zygotän: homologe Chromosomenpaarung, in der sich ein mütterliches Chromosom an ein homologes väterliches lagert. Die paarig angeordneten Chromosomen bilden ein Bivalent. Die Chromosomenpaarung verläuft reißverschlussartig, wobei sich zwischen beiden Chromosomensträngen ein so genannter synaptonemaler Komplex bildet, der beide Stränge zusammenhält.  Pachytän: Es kommt zu einer weiteren Kondensation der gepaarten Chromosomen. In diesem Stadium überkreuzen sich die Chromatiden und tauschen genetisches Material aus. Beim diesem Crossing-over werden mütterliches und väterliches Erbgut rekombiniert. Die vier Chromatiden werden Tetrade genannt.  Diplotän: die homologen Chromosomen werden voneinander getrennt, wobei die rekombinierten Stellen über so genannte Chiasmata noch miteinander verbunden bleiben. Während der Trennung rücken diese Kreuzungsstellen immer weiter an das Chromosomenende. Dieser Vorgang wird als Terminalisierung bezeichnet.  Diakinese: Die volle Kondensation der Chromosome beginnt und die Kernhülle löst sich auf.

Metaphase I: Tetrade homologe Chromosomenpaare werden in der Äquatorialebene ausgerichtet. Unabhängige Anordnung der Chromosomen (Rekombination) Anaphase I: Die homologen Chromosomenpaare wandern zu den entgegengesetzten Zellpolen und werden dadurch getrennt. Schwesterchromatiden an Centomer verbunden Telophase I: Die Kinetochorfasern depolymerisieren, die Kernhülle wird wieder gebildet und die Chromosomen dekondensieren. Citokinese: Die Plasmamembran wird eingeschnürt, es entstehen zwei haploide Tochterzellen. Prophase II: Die Chromosomen kondensieren sich erneut. Nach der Auflösung der Kernhülle entsteht eine Teilungsspindel. Metaphase II: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an. Anaphase II: Die Schwesterchromatiden werden am Centromer voneinander getrennt und die nun getrennten Chromatiden wandern zu den Zellpolen. Telophase II: Die Chromatiden befinden sich an den Zellpolen und die Kerne bilden sich. Durch die Teilung der diploiden Mutterzelle entstehen 4 Zellen mit jeweils einem haploiden Chromosomensatz. 23. Warum kann es bei der Meiose zu erheblichen genetischen Veränderungen kommen, während die bei der Mitose nicht der Fall ist? Gehen sie kurz auf die Verteilung der Erbinformation ein und eventuelle Ereignisse während der Meise. Die Erbinformation der Haploiden Keimzellen stammt in der Meiose zur Hälfte vom Vater und zur anderen Hälfte von der Mutter. Unter Rekombination versteht man in der Biologie die Neuanordnung von genetischem Material in den Zellen und im engeren Sinne den Austausch von Allelen. Durch Rekombination kommt es zu neuen Gen- und Merkmalskombinationen in der Tochtergeneration. Man unterscheidet zwischen Intrachromosomaler Rekombination und Interchromosomaler Rekombination. Intrachromosomaler Rekombination, die durch Crossing Over zustande kommt. Dabei findet durch Überlappung in der Prophase I (Pächyten) ein Chromatiden-Stückaustausch von Erbinformationen von homologen Chromosomen statt. (Durch Neukombination von Allelen innerhalb von Chromosomen durch Crossing-over) Interchrom...