Biologie Abitur 2025 – Angewandte Genetik: Lernzettel (PCR, Bildungsplan BW)

PCR & Genetischer Fingerabdruck

Genetischer Fingerabdruck

Individuelle Identifikation durch variable DNA-Abschnitte.

• RFLP: Enzyme schneiden DNA in unterschiedlich lange Fragmente.
• STR: Kurze, sich wiederholende Basenpaare in den Introns.

PCR-Ablauf

Künstliche Vervielfältigung von DNA-Kopien in drei Schritten.

• Denaturierung: Trennung in Einzelstränge bei $94^\circ\text{C}$.
• Hybridisierung: Anlagerung der Primer bei $50-70^\circ\text{C}$.
• Amplifikation: Hitzeresistente Taq-Polymerase synthetisiert komplementäre Stränge bei $70^\circ\text{C}$.

💡 Tipp: Für die PCR wird die hitzestabile Taq-Polymerase aus heißen Quellen genutzt, da normale Proteine bei $94^\circ\text{C}$ denaturieren würden.

Gelelektrophorese & CRISPR/Cas9

Gelelektrophorese

Trennung von DNA-Fragmenten im elektrischen Feld nach ihrer Größe.

• Ladung: Negativ geladene DNA wandert zur positiven Anode.
• Prinzip: Kleine Fragmente wandern schneller durch das Gel als große.
• Bandenmuster: Sichtbarmachung der getrennten Fragmente unter UV-Licht.

CRISPR/Cas9

Molekularbiologische Schere zur präzisen Veränderung von Genen.

• crRNA: Findet komplementär das fehlerhafte Gen.
• Cas-Protein: Schneidet die DNA wie ein Restriktionsenzym.

💡 Tipp: Merk dir für die Gelelektrophorese: Je kleiner das DNA-Fragment, desto weiter wandert es im Gel.

Gentransfer & Plasmid-Technik

Methoden des Gentransfers

Schleust fremde DNA in Zellen ein.

• Natürliche Vektoren: Bakterien (Transformation, Konjugation) oder Viren (Transduktion).
• Künstliche Methoden: Elektroporation, Partikelkanone oder Mikroinjektion per Glaskanüle.

Plasmid-Technik

Einbau von Fremd-DNA in ringförmige Bakterien-DNA.

• Schneiden: Restriktionsenzyme erzeugen komplementäre, klebrige Enden (sticky ends).
• Vektor: Das manipulierte Plasmid transportiert das Gen in die Bakterienzelle.

💡 Tipp: Plasmide sind winzige, ringförmige DNA-Moleküle in Bakterien, die unabhängig vom Hauptchromosom repliziert werden.

Selektion & cDNA-Synthese

Selektion transgener Zellen

Überprüfung, ob Bakterien das gewünschte Gen erfolgreich aufgenommen haben.

• Ampicillin-Test: Nur Bakterien mit aufgenommenem Plasmid überleben auf dem Nährboden.
• Zerstörtes Gen: Wurde die Fremd-DNA korrekt eingebaut, geht die spezifische Resistenz verloren.

cDNA-Synthese

Löst das Problem, dass Prokaryoten keine RNA-Prozessierung (Intron-Spleißen) besitzen.

• Reverse Transkriptase: Schreibt mRNA in komplementäre DNA (cDNA) ohne Introns um.

💡 Tipp: Da Bakterien keine Introns herausschneiden können, muss menschliche DNA immer erst als cDNA ohne Introns eingefügt werden.

Die Farben der Gentechnik

Grüne & Rote Gentechnik

Landwirtschaftliche und medizinische Anwendungen von Genmanipulationen.

• Grüne Gentechnik: Höherer Ertrag und Schädlingsresistenz bei Pflanzen; Risiko von Allergien und Monokulturen.
• Rote Gentechnik: Herstellung von Medikamenten (z. B. Insulin) und Diagnostik; wirft ethische Fragen auf.

Weiße & Gelbe Gentechnik

Industrielle und auf Insekten basierende Verfahren.

• Weiße Gentechnik: Umweltfreundliche Produktion von Enzymen und Biokraftstoffen durch Mikroorganismen.
• Gelbe Gentechnik: Einsatz genetisch veränderter Insekten zur gezielten Schädlingsbekämpfung.

💡 Tipp: Nutze die Farben als Eselsbrücke: Grün steht für Pflanzen, Rot für Blut/Medizin und Weiß für saubere Industrieprozesse.

Graue/Blaue Gentechnik & Diagnostik

Graue & Blaue Gentechnik

Umweltschutz und marine Biotechnologie.

• Graue Gentechnik: Müllverwertung und Abwasserreinigung durch genetisch optimierte Bakterien.
• Blaue Gentechnik: Nutzung von Meeresorganismen zur Gewinnung von Medikamenten oder Algen-Treibstoffen.

Diagnostik vor der Geburt

Untersuchung von Erbgut und Embryonen.

• Pränataldiagnostik (PND): Untersuchung des Fötus in der Gebärmutter (z. B. Fruchtwasseruntersuchung).
• Präimplantationsdiagnostik (PID): Genetische Analyse des Embryos im Reagenzglas vor der Einpflanzung.

💡 Tipp: Invasiv bedeutet immer, dass aktiv in den Körper eingegriffen wird, was bei der PND ein geringes Fehlgeburtsrisiko birgt.

Stammbaumanalyse & Erbgänge

Erbgänge bestimmen

Analyse von Familienstammbäumen zur Risikoermittlung von Erbkrankheiten.

• Autosomal: Frauen und Männer sind gleichermaßen betroffen.
• Gonosomal: Die Krankheit betrifft ein Geschlecht (meist Männer) deutlich häufiger.
• Dominant: Die Krankheit tritt in jeder Generation auf; Merkmalsträger haben kranke Eltern.
• Rezessiv: Generationen werden übersprungen; gesunde Eltern können kranke Kinder haben.

Beispiel: Genotyp-Bestimmung bei autosomal-rezessivem Erbgang:

1. Gesunde Eltern haben ein krankes Kind ($aa$).
2. Beide Eltern müssen heterozygot ($Aa$) sein.

💡 Tipp: Wenn völlig gesunde Eltern ein krankes Kind bekommen, muss der Erbgang immer rezessiv sein.

Genetischer Code & Gentherapie

Translation mit der Code-Sonne

Umschreiben von DNA über mRNA in Aminosäuren (AS).

• Basenpaarung: $A \rightarrow U$, $T \rightarrow A$, $C \rightarrow G$, $G \rightarrow C$.
• Richtung: Die Code-Sonne wird immer von innen ($5'$) nach außen ($3'$) gelesen.

Gentherapie beim Menschen

Einschleusen intakter Gene zur Heilung von Gendefekten.

• Somatisch: Therapie an normalen Körperzellen; in Deutschland unter Auflagen erlaubt.
• Keimbahntherapie: Veränderung von Ei- oder Samenzellen; in Deutschland streng verboten.

Beispiel: DNA-Sequenz $3'\text{-TAC-}\dots 5'$ umschreiben:

1. mRNA bilden: $5'\text{-AUG-}\dots 3'$
2. Aminosäure ablesen: Met (Startcodon).

💡 Tipp: Die Code-Sonne gilt nur für die mRNA-Sequenz in $5'\rightarrow 3'$ Richtung, niemals direkt für die DNA.