Inhaltsübersicht Genetik

Du stehst vor einem der spannendsten Themen der Biologie! Die Genetik erklärt, wie Leben auf molekularer Ebene funktioniert. Dieser Überblick zeigt dir alle wichtigen Bereiche, die du für dein Abitur beherrschen musst.

Das Thema gliedert sich in drei Hauptbereiche: Speicherung und Realisierung genetischer Informationen, Mutationen und Vererbung sowie fachliche Verfahren. Jeder Bereich baut logisch aufeinander auf.

Die praktischen Verfahren wie PCR und Gelelektrophorese sind besonders klausurrelevant. Sie zeigen, wie Forscher heute mit DNA arbeiten und Krankheiten diagnostizieren.

Tipp: Verstehe erst die Grundlagen $DNA-Bau, Transkription, Translation$, bevor du dich an die komplexeren Regulationsmechanismen wagst.

DNA-Struktur und Replikation

Deine DNA ist wie eine perfekt organisierte Bibliothek aufgebaut. Sie wickelt sich um Histone (2,5 Mal!), bildet Nucleosome und faltet sich immer weiter zusammen, bis die kompaktesten Chromosomen entstehen. Diese Verpackung ist genial - 2 Meter DNA passen so in jeden Zellkern!

Die semikonservative Replikation ist dein Kopiersystem. Die Helikase öffnet den DNA-Doppelstrang wie einen Reißverschluss. Dann arbeitet die DNA-Polymerase am Leitstrang kontinuierlich, während sie am Folgestrang in kleinen Okazaki-Fragmenten arbeiten muss.

Verschiedene Enzyme helfen dabei: Primase setzt die Start-Sequenzen, Topoisomerase verhindert Verknotungen und Ligase klebt alles zusammen. Das Ergebnis sind zwei identische DNA-Kopien.

Merkhilfe: Die DNA-Polymerase kann nur von 5' nach 3' arbeiten - deshalb entstehen die Okazaki-Fragmente!

Transkription und Translation

Transkription ist das Umschreiben deiner DNA in mRNA - wie eine Fotokopie für die Proteinproduktion. Die RNA-Polymerase startet am Promoter (reich an Adenin und Thymin), öffnet die DNA und kopiert den codogenen Strang (3' nach 5'). Die entstehende mRNA läuft in 5' nach 3' Richtung.

Bei der Elongation wird Guanin zu Cytosin kopiert, aber Adenin wird zu Uracil statt Thymin. Am Terminator löst sich alles wieder ab. Bei Eukaryoten entsteht erst eine prä-mRNA, die noch bearbeitet werden muss.

Die Translation verwandelt mRNA in Proteine. Das Ribosom wandert über die mRNA, beladene tRNA bringen Aminosäuren zur A-Stelle, verknüpfen sie an der P-Stelle und verlassen das Ribosom an der E-Stelle.

Wichtiger Unterschied: Prokaryoten machen Transkription und Translation gleichzeitig, Eukaryoten trennen beides räumlich durch die Kernmembran!

Genregulation bei Eukaryoten

Nicht alle deine Gene sind immer aktiv - Genregulation entscheidet, wann welches Gen abgelesen wird. Transkriptionsfaktoren müssen sich erst an die TATA-Box binden, bevor die RNA-Polymerase starten kann. Enhancer verstärken die Genaktivität, Silencer schwächen sie ab.

DNA-Methylierung ist wie ein dauerhafter Aus-Schalter. DNA-Methyltransferase setzt Methylgruppen meist an Cytosin-Basen, wodurch Gene stumm geschaltet werden. Das ist reversibel, aber stabil - und wird sogar vererbt! Deine Ernährung kann diese Methylierung beeinflussen.

Histonmodifikation funktioniert über die Verpackung. Acetylgruppen lockern die DNA-Wicklung um die Histone (= Euchromatin, Gene aktiv), Deacetylierung macht sie enger (= Heterochromatin, Gene inaktiv).

RNA-Interferenz zerstört gezielt mRNA. miRNA aus der Zelle und siRNA (oft von Viren) binden an komplementäre mRNA und stoppen so die Proteinproduktion.

Faustregel: Lockere Chromatinstruktur = aktive Gene, dichte Struktur = stumme Gene!

Prozessierung und Prokaryoten-Regulation

Prozessierung gibt es nur bei Eukaryoten - hier wird die prä-mRNA für den Transport vorbereitet. Spleißosomen schneiden die Introns (unnötige Teile) heraus und fügen die Exons (wichtige Teile) zusammen. Am 5'-Ende kommt eine Cap-Struktur, am 3'-Ende ein Poly-A-Schwanz - beides schützt die mRNA vor Abbau.

Alternatives Spleißen ist genial: Aus einem Gen entstehen verschiedene Proteine, indem Exons übersprungen oder Introns eingebaut werden. So verdoppelt sich deine Protein-Vielfalt!

Bei Prokaryoten läuft Regulation viel direkter ab. Substratinduktion: Ist Lactose da, wird der Repressor inaktiviert und Lactose-abbauende Enzyme werden produziert. Produkthemmung: Ist genug Tryptophan da, aktiviert es den Repressor und stoppt seine eigene Produktion.

Prokaryoten-Vorteil: Schnelle, direkte Regulation ohne komplizierte Prozessierung - perfekt für schnelle Anpassung!

Genetische Grundbegriffe und Mutationen

Dein Genom enthält alle genetischen Informationen in der DNA. Chromosomen sind die Träger (Menschen haben 46), Chromatiden sind einzelne DNA-Stränge, Gene sind Abschnitte für bestimmte Merkmale, und Allele sind verschiedene Varianten eines Gens.

Genmutationen verändern einzelne Basen. Deletion/Insertion von 1-2 Basen verschiebt das Leseraster komplett - es entsteht ein völlig anderes Protein! Bei Deletion/Insertion von 3 Basen fehlt nur eine Aminosäure. Basenaustausch kann zu Missense (falsche Aminosäure), Nonsense $Stopp-Signal$ oder stummen Mutationen (gleiche Aminosäure) führen.

Chromosommutationen betreffen ganze DNA-Abschnitte: Deletion (fehlt), Duplikation (verdoppelt), Inversion (gedreht), Insertion (eingefügt) oder Translokation (ausgetauscht). Genommutationen verändern die Chromosomenzahl, wie bei Trisomie 21.

Nicht alle Mutationen sind schlecht: Viele sind neutral oder sogar vorteilhaft für die Evolution!

Mendelsche Regeln und Verfahren

Die Mendelschen Regeln erklären, wie Merkmale vererbt werden. 1. Regel (Uniformitätsgesetz): Kreuzung reinerbiger Eltern ergibt einheitliche F1-Generation mit dominantem Merkmal. 2. Regel (Spaltungsgesetz): F1 × F1 ergibt Phänotyp-Verhältnis 3:1 und Genotyp-Verhältnis 1:2:1. 3. Regel: Bei zwei Merkmalen entsteht das Verhältnis 9:3:3:1.

Kopplungsgruppen sind Allele auf demselben Chromosom - sie werden normalerweise zusammen vererbt. Crossing-over kann diese Kopplung durch Chromosomenaustausch aufbrechen.

PCR ist dein molekulares Kopiergerät. Mit Didesoxynukleosid-Triphosphaten (ddNTPs) kannst du die Polymerase an bestimmten Basen stoppen lassen - perfekt für die DNA-Sequenzierung!

PCR-Trick: Normale Bausteine + wenige ddNTPs ergeben DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge für die Sequenzanalyse!

Gelelektrophorese

Gelelektrophorese entschlüsselt deine DNA-Sequenz wie ein molekularer Detektiv. Nach der PCR mit ddNTPs hast du DNA-Fragmente verschiedener Längen, die alle mit derselben Base enden (je nach Reaktionsgefäß).

Die negativ geladenen DNA-Fragmente wandern im elektrischen Feld Richtung Plus-Pol. Kurze Fragmente sind schneller, lange Fragmente langsamer - so trennen sie sich der Länge nach auf. Durch Vergleich der Positionen liest du die Basenreihenfolge ab.

Moderne Variante: Fluoreszenz-markierte ddNTPs in verschiedenen Farben erlauben alle Reaktionen in einem Gefäß. Ein Fluoreszenzdetektor liest die Farbabfolge und bestimmt so die DNA-Sequenz automatisch.

Anwendung heute: Diese Technik wird für Vaterschaftstests, Kriminalfälle und medizinische Diagnostik verwendet!