Grundlagen der Genetik und Zellorganellen

Der Aufbau einer Zelle unterscheidet sich je nach Organismustyp. Eukaryotische Zellen besitzen verschiedene Organellen wie Zellmembran, Mitochondrien, Ribosomen und den Zellkern (Nucleus). Pflanzenzellen haben zusätzlich Chloroplasten, Vakuolen und eine Zellwand. Bei Prokaryoten fehlt der Zellkern und die DNA liegt frei im Zytoplasma vor.

Die DNA besteht aus Nukleotiden mit den Bestandteilen Phosphat, Zucker und einer Base (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin). Sie bildet eine antiparallele Doppelhelix, wobei sich immer komplementäre Basen gegenüberliegen. Die DNA wird über mehrere Stufen verpackt: vom Nukleosom über Filament und Rosette bis zum Chromatid.

Bei der DNA-Replikation wird der Doppelstrang durch Helicase aufgetrennt und von DNA-Polymerasen kopiert. Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, während der Folgestrang in Okazaki-Fragmenten entsteht, die später verbunden werden. Dieser Prozess findet in der S-Phase der Interphase statt.

Gut zu wissen: Die PCR $Polymerase-Kettenreaktion$ ahmt den natürlichen Replikationsprozess nach und ermöglicht die gezielte Vervielfältigung von DNA-Abschnitten. Sie ist grundlegend für viele gentechnische Verfahren.

Im Gegensatz zur DNA ist RNA einzelsträngig, enthält Ribose statt Desoxyribose und Uracil statt Thymin. Sie erfüllt verschiedene Funktionen: m-RNA (kodiert für Proteine), r-RNA (bildet Ribosomen), t-RNA (überträgt Aminosäuren) und weitere RNA-Arten mit regulatorischen Funktionen.

Genexpression: Von der DNA zum Protein

Die Transkription ist der erste Schritt der Proteinbiosynthese. Dabei wird eine DNA-Sequenz in m-RNA umgeschrieben. Dieser Prozess läuft in drei Phasen ab: Initiation (Start an einem Promotor), Elongation $Verlängerung der RNA-Kette$ und Termination (Ende an einer Stoppsequenz).

Bei der anschließenden Translation wird die genetische Information der m-RNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Hierbei spielen t-RNAs eine wichtige Rolle, die mit ihren Anticodons an die Codons der m-RNA binden und die entsprechenden Aminosäuren mitbringen. Die Translation findet an Ribosomen statt, die entlang der m-RNA wandern und dabei die wachsende Polypeptidkette bilden.

Der genetische Code ist die Zuordnung der Basentripletts (Codons) zu den Aminosäuren. Er ist universell, eindeutig und redundant (verschiedene Codons können für dieselbe Aminosäure codieren). Das Startcodon ist AUG, während UAA, UAG und UGA als Stoppcodons dienen.

Bei Eukaryoten unterscheidet sich die Proteinbiosynthese von der bei Prokaryoten. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass bei Eukaryoten Transkription und Translation räumlich getrennt ablaufen. Zudem wird die primäre RNA-Kopie $Prä-mRNA$ modifiziert: Introns werden herausgeschnitten (Spleißen) und ein Poly-A-Schwanz sowie eine 5'-Cap-Struktur werden angefügt.

Aufgepasst: Beim alternativen Spleißen können auch Exons herausgeschnitten werden, wodurch aus demselben Gen verschiedene Proteine entstehen können - ein wichtiger Mechanismus für die zelluläre Vielfalt!

Genregulation und Epigenetik

Die Genregulation bei Prokaryoten funktioniert nach einfachen Prinzipien. Das Lac-Operon-Modell zeigt, wie Gene für den Laktoseabbau nur dann aktiviert werden, wenn Laktose vorhanden ist (Substratinduktion). Beim Trp-Operon hingegen werden Gene für die Tryptophan-Synthese abgeschaltet, wenn genug Tryptophan vorhanden ist (Endproduktrepression).

Bei Eukaryoten ist die Genregulation komplexer und findet auf mehreren Ebenen statt: Transkription, RNA-Prozessierung, Translation und Proteinaktivität. Neben dem Promotor gibt es weitere regulatorische Sequenzen wie Enhancer und Silencer, an die Transkriptionsfaktoren binden können.

Die Epigenetik umfasst Veränderungen der Genexpression ohne Änderung der DNA-Sequenz. Eine wichtige epigenetische Modifikation ist die DNA-Methylierung, bei der Methylgruppen an Basen (meist Cytosin) angehängt werden. Dies kann Gene inaktivieren und ist von äußeren Einflüssen abhängig.

Auf der Ebene der Histone kann die Genaktivität durch Acetylierung und Methylierung gesteuert werden. Die Acetylierung von Histonen führt zur Lockerung der Chromatinstruktur (Euchromatin) und erleichtert den Zugang zur DNA, während die Methylierung zur Bildung von inaktivem Heterochromatin führen kann.

RNA-Interferenz ist ein weiterer Mechanismus zur Genregulation. Kleine RNA-Moleküle $mi-RNA, si-RNA$ können die Expression von Genen hemmen, indem sie an komplementäre m-RNA binden und deren Abbau bewirken. Dieser Prozess spielt auch eine wichtige Rolle bei der Virusabwehr.

Merke dir: Epigenetische Veränderungen sind oft reversibel und können durch Umwelteinflüsse wie Ernährung oder Stress beeinflusst werden. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und bei verschiedenen Krankheiten.

Mutationen und Meiose

Genmutationen sind Veränderungen in der DNA-Sequenz. Sie können durch Mutagene wie Strahlung oder Chemikalien ausgelöst werden. Wir unterscheiden zwischen Punktmutationen (Austausch einzelner Basen) und Rasterschubmutationen (Insertion oder Deletion). Je nach Auswirkung auf das Protein können Punktmutationen stumm (ohne Veränderung der Aminosäuresequenz), missense (andere Aminosäure) oder nonsense (vorzeitiger Abbruch der Translation) sein.

Die Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung, die zur Bildung von haploiden Keimzellen führt. Sie umfasst zwei aufeinanderfolgende Teilungen: In der ersten Teilung werden homologe Chromosomen getrennt (Reduktion), in der zweiten die Chromatiden. Während der Prophase I findet das Crossing-over statt, bei dem genetisches Material zwischen homologen Chromosomen ausgetauscht wird.

Chromosomenmutationen betreffen die Struktur von Chromosomen und umfassen Deletion, Inversion, Translokation und Duplikation. Genommutationen betreffen die Anzahl der Chromosomen, wie Trisomien (ein Chromosom zu viel) oder Monosomien (ein Chromosom zu wenig). Bei Pflanzen kann es auch zur Polyploidie (Vervielfachung des gesamten Chromosomensatzes) kommen.

Die Stammbaumanalyse erlaubt Rückschlüsse auf Erbgänge. Bei dominanten Merkmalen tritt das Merkmal in jeder Generation auf, während bei rezessiven Merkmalen Generationen übersprungen werden können. Man unterscheidet zwischen autosomal (auf Körperchromosomen) und gonosomal (auf Geschlechtschromosomen) vererbten Merkmalen.

Beispiel: Bei der X-chromosomal rezessiven Vererbung sind Männer häufiger betroffen als Frauen, da sie nur ein X-Chromosom besitzen. Frauen können dagegen Überträgerinnen (Konduktorinnen) sein, ohne das Merkmal zu zeigen.

Molekularbiologische Methoden

Die Gelelektrophorese ist eine Methode zur Auftrennung von DNA-Fragmenten nach ihrer Größe. Da DNA negativ geladen ist, wandert sie im elektrischen Feld zur positiven Elektrode. Kleinere Fragmente bewegen sich schneller durch das Gel als größere.

Bei der DNA-Sequenzierung gibt es verschiedene Generationen von Methoden. Die klassische Sanger-Methode (erste Generation) basiert auf dem Kettenabbruchverfahren und war lange der Standard. Neuere Methoden (zweite und dritte Generation) ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Sequenzierung und werden als Hochdurchsatzsequenzierung bezeichnet.

Der genetische Fingerabdruck nutzt die individuelle Zusammensetzung bestimmter DNA-Bereiche. Dabei werden häufig repetitive Sequenzen untersucht, deren Anzahl von Person zu Person variiert. Diese Methode wird in der Forensik und bei Verwandtschaftsanalysen eingesetzt.

DNA-Chips ermöglichen die gleichzeitige Untersuchung vieler Gene. Sie bestehen aus einer Oberfläche mit gebundenen DNA-Sonden, die mit markierten DNA-Proben hybridisieren können. So lässt sich beispielsweise die Expression zahlreicher Gene gleichzeitig analysieren.

In der Reproduktionsmedizin gibt es verschiedene Techniken wie IVF $In-vitro-Fertilisation$, PID (Präimplantationsdiagnostik), PND (Pränataldiagnostik) und NIPT $Nicht-invasive pränatale Testverfahren$. Diese Methoden werfen ethische Fragen auf, die eine sorgfältige Abwägung erfordern.

Wichtig: Die moralische Urteilsfindung bei bioethischen Fragen sollte verschiedene Handlungsmöglichkeiten, Motive, Folgen und ethische Werte berücksichtigen. Ein strukturierter Entscheidungsprozess kann helfen, zu einer fundierten Einschätzung zu gelangen.

Zellzyklus, Krebs und Alterungsprozesse

Stammzellen haben die Fähigkeit, sich zu verschiedenen Zelltypen zu differenzieren. Mit fortschreitender Entwicklung nimmt ihr Potenzial zur Differenzierung ab. Man unterscheidet zwischen embryonalen und adulten Stammzellen, die unterschiedliche Differenzierungspotenziale aufweisen.

Krebs ist durch unkontrolliertes Zellwachstum und invasives Verhalten gekennzeichnet. Zwei wichtige Gengruppen spielen dabei eine Rolle: Tumorsuppressorgene wie p53, die normalerweise das Zellwachstum hemmen, und Proto-Onkogene wie Ras, die das Zellwachstum fördern. Mutationen in diesen Genen können zur Entartung der Zelle führen.

Bei Proto-Onkogenen reicht eine Mutation in einem Allel aus, um ein Onkogen zu erzeugen, während bei Tumorsuppressorgenen beide Allele betroffen sein müssen. Karzinogene Einflüsse wie bestimmte Chemikalien oder Strahlung können diese Mutationen begünstigen.

Das Altern ist ein natürlicher Prozess, bei dem sich Schäden in Molekülen ansammeln. Ein wichtiger Faktor ist die Verkürzung der Telomere, die die Chromosomenenden stabilisieren. Mit jeder Zellteilung werden sie kürzer, was schließlich zum Zellalterungsprozess beiträgt. Freie Radikale können zudem Membranlipide, Enzyme und die mitochondriale DNA schädigen.

Verschiedene Faktoren können den Alterungsprozess beeinflussen. Negativ wirken viele Sauerstoffradikale, psychischer Stress und einfach ungesättigte Fettsäuren. Positiv wirken Antioxidantien, Sport, ausgewogene Ernährung und eine hohe Vitamin-D-Konzentration.

Wusstest du? Die Telomerase, ein Enzym, das Telomer-DNA nachsynthetisieren kann, ist in Stammzellen und Krebszellen aktiv. Dies erklärt teilweise, warum Krebszellen sich unbegrenzt teilen können, während normale Körperzellen nach einer bestimmten Anzahl von Teilungen absterben.

Gentechnik und Biotechnologie

Die Gentechnik ermöglicht das Einschleusen von Fremd-DNA in Organismen (transgene Organismen) oder das An- und Ausschalten zelleigener Gene (Knockout-Organismen). Der Prozess umfasst mehrere Schritte: Isolation der gewünschten DNA, Schneiden mit Restriktionsenzymen, Einbau in Vektoren (wie Plasmide oder Viren) und Selektion erfolgreich transformierter Zellen.

In der Biotechnologie werden Gene eines Organismus isoliert und in einen anderen Organismus eingebaut. Dabei werden häufig Plasmide als Vektoren verwendet. Die Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Stellen und erzeugen oft überhängende Enden ("sticky ends"), die die Verknüpfung mit anderen DNA-Fragmenten erleichtern.

Die Gentechnik findet Anwendung in der Medizin (Diagnostik, Gentherapie) und in der Lebensmittelherstellung. Bekannte Beispiele sind die Anti-Matsch-Tomate und der Golden Rice, der zusätzlich Beta-Carotin produziert.

Modellorganismen wie E. coli oder Drosophila melanogaster sind in der Forschung wegen ihrer einfachen Handhabung und kurzen Generationszeit beliebt. Bei Knockout-Organismen wird gezielt ein Gen ausgeschaltet, um seine Funktion zu untersuchen. Synthetische Organismen stellen einen Schritt in Richtung der Konstruktion neuer Lebensformen dar, was ethische Fragen aufwirft.

Die CRISPR/Cas9-Methode ist eine revolutionäre Technik der Genomeditierung. Sie basiert auf einem bakteriellen Abwehrmechanismus gegen Viren und ermöglicht präzise Schnitte an beliebigen Stellen im Genom. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Lebensmittelherstellung, Transplantationsmedizin und Bekämpfung von Krankheiten.

Spannend: Die CRISPR/Cas9-Methode ist so präzise und einfach anzuwenden, dass sie oft als "genetische Schere" bezeichnet wird. Sie könnte in Zukunft zur Heilung genetischer Erkrankungen eingesetzt werden, wirft aber auch ethische Fragen auf, besonders wenn es um Eingriffe in die menschliche Keimbahn geht.

Ökologie: Grundbegriffe und Umweltfaktoren

Die Ökologie untersucht die Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt. Ein Ökosystem besteht aus dem Biotop (unbelebte Umwelt) und der Biozönose (Lebensgemeinschaft). Alle Ökosysteme zusammen bilden die Biosphäre.

Die Temperatur ist ein wichtiger abiotischer Umweltfaktor. Organismen können stenotherm (geringe Temperaturschwankungen tolerierend) oder eurytherm (größere Schwankungen tolerierend) sein. Homoiotherme Tiere (Säugetiere, Vögel) regulieren ihre Körpertemperatur aktiv, während poikilotherme Tiere (Fische, Amphibien, Reptilien) ihre Körpertemperatur an die Umgebung anpassen.

Die ökologische Potenz beschreibt die Fähigkeit einer Art, einen bestimmten Umweltfaktor zu ertragen. Die Toleranzkurve zeigt die Abhängigkeit der Aktivität eines Organismus von der Intensität eines Umweltfaktors. Sie umfasst Pessimum, Minimum/Maximum, Optimum und Präferenzbereich.

Die tiergeografischen Regeln beschreiben Anpassungen an klimatische Bedingungen. Die Bergmann'sche Regel besagt, dass homoiotherme Tiere in kälteren Gebieten größer sind (besseres Verhältnis von Volumen zu Oberfläche). Die Allen'sche Regel besagt, dass abstehende Körperteile in kalten Gebieten kleiner sind, um Wärmeverlust zu minimieren.

Die Feuchtigkeit ist für Pflanzen besonders wichtig. Poikilohydre Pflanzen können ihren Wassergehalt nicht regulieren und stellen bei Trockenheit ihren Stoffwechsel ein. Homoiohydre Pflanzen halten ihren Wassergehalt konstant und zeigen verschiedene Anpassungen an trockene oder feuchte Standorte.

Anwendungsbeispiel: Die Kenntnis der ökologischen Potenz verschiedener Arten hilft bei der Vorhersage, wie sich der Klimawandel auf Ökosysteme auswirken könnte. Arten mit geringer ökologischer Potenz (stenöke Arten) sind besonders gefährdet.

Ökologische Konzepte und Populationsdynamik

Bei der Betrachtung von Umweltfaktoren gilt das Minimumgesetz: Der Faktor, der am weitesten vom Optimum entfernt ist, bestimmt das Überleben und die Häufigkeit einer Art im Lebensraum. Dies lässt sich durch die "Minimum-Tonne" veranschaulichen, bei der jeder Faktor durch ein Brett dargestellt wird.

Bioindikatoren sind stenöke Arten, die empfindlich auf bestimmte Umweltfaktoren reagieren. Ihr Vorkommen oder Fehlen gibt Aufschluss über die Umweltbedingungen eines Standortes, z.B. den pH-Wert oder den Stickstoffgehalt.

Die ökologische Nische umfasst alle Ansprüche einer Art an ihre Umwelt. Die Fundamentalnische (theoretisch möglicher Lebensraum) ist größer als die Realnische (tatsächlich genutzter Lebensraum). Arten mit ähnlichen Nischen konkurrieren um Ressourcen.

Konkurrenz entsteht bei Ressourcenknappheit und kann intraspezifisch (innerhalb einer Art) oder interspezifisch (zwischen Arten) sein. Nach dem Konkurrenzausschlussprinzip können zwei Arten mit exakt gleichen Nischen nicht dauerhaft koexistieren. Entweder verdrängt die konkurrenzstärkere Art die schwächere, oder die Arten entwickeln Mechanismen zur Konkurrenzvermeidung.

Die Populationsdynamik beschreibt Veränderungen in der Größe einer Population. Anfangs wächst eine Population oft exponentiell, wird aber durch Ressourcenbegrenzung abgebremst (logistisches Wachstum). Die Kapazität ist die maximale Anzahl an Individuen, die ein Lebensraum dauerhaft tragen kann.

Wichtig zu verstehen: Populationsgrößen werden durch dichteabhängige Faktoren (z.B. Nahrungskonkurrenz, die mit steigender Populationsdichte zunimmt) und dichteunabhängige Faktoren (z.B. Wetterereignisse, die unabhängig von der Populationsdichte wirken) beeinflusst.

Räuber-Beute-Beziehungen und Lebensstrategien

Räuber-Beute-Beziehungen (+/-) sind durch eine negative Rückkopplung gekennzeichnet: Mehr Beute führt zu mehr Räubern, mehr Räuber reduzieren die Beuteanzahl, weniger Beute führt zu weniger Räubern, weniger Räuber ermöglichen wieder ein Anwachsen der Beutepopulation.

Die Lotka-Volterra-Regeln beschreiben diese Dynamik mathematisch: 1) Periodische Schwankungen beider Populationen mit zeitlicher Verzögerung, 2) Konstante Mittelwerte der Populationsgrößen, 3) Bei gleichem Rückgang erholt sich die Beutepopulation schneller. Diese Regeln sind jedoch vereinfacht und berücksichtigen nicht alle realen Einflussfaktoren.

Zum Pflanzenschutz können biologische Methoden (Förderung natürlicher Feinde, Fruchtfolge) oder chemische Methoden (Pestizide) eingesetzt werden. Chemische Methoden bergen jedoch Risiken wie mangelnde Spezifität oder Resistenzentwicklung.

Neobiota sind nach 1492 eingeschleppte Arten. Sie können harmlos sein oder als invasive Arten einheimische Arten verdrängen, besonders wenn sie eine ähnliche ökologische Nische besetzen und konkurrenzstärker sind.

In der Evolutionsbiologie unterscheiden wir zwischen K-Strategen und r-Strategen. K-Strategen haben eine niedrige Wachstumsrate, wenige Nachkommen und eine lange Lebensdauer. Sie sind an konstante Umweltbedingungen angepasst. r-Strategen hingegen haben eine hohe Wachstumsrate, viele Nachkommen und eine kurze Lebensdauer. Sie kommen mit wechselnden Umweltbedingungen gut zurecht.

Beispiel: Elefanten sind typische K-Strategen mit wenigen, gut versorgten Nachkommen und langer Lebensdauer. Mäuse sind r-Strategen mit vielen Nachkommen und kurzer Generationsdauer. Welche Strategie erfolgreicher ist, hängt von den Umweltbedingungen ab.