DNA-Aufbau verstehen

DNA steht für Desoxyribonucleinsäure und ist das Erbmaterial in deinen Zellen. Sie besteht aus drei Hauptbausteinen: einem Phosphatrest, dem Zucker Desoxyribose und vier verschiedenen organischen Basen.

Die vier Basen sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Diese bilden immer bestimmte Paare: A passt zu T, und G passt zu C - das ist super wichtig für alle DNA-Prozesse!

💡 Merktipp: Die DNA-Basen paaren sich wie Puzzle-Teile - A mit T und G mit C!

DNA vs. RNA - Die wichtigsten Unterschiede

RNA (Ribonucleinsäure) ist die "kleine Schwester" der DNA, aber es gibt entscheidende Unterschiede. Während DNA Thymin verwendet, hat RNA stattdessen Uracil. Bei den Zuckern ist es genauso: DNA hat Desoxyribose, RNA hat Ribose.

Der größte Unterschied? DNA liegt als Doppelstrang vor, RNA meistens als Einzelstrang. RNA kann sich aber abschnittsweise mit sich selbst paaren - ziemlich clever!

Die Basenpaarung funktioniert bei RNA etwas anders: A paart sich mit U (statt T), und G paart sich weiterhin mit C.

💡 Eselsbrücke: RNA = Ribose + Uracil, DNA = Desoxyribose + Thymin!

DNA-Replikation - Wie sich DNA verdoppelt

Bei der DNA-Replikation wird aus einem DNA-Strang zwei identische Kopien gemacht. Das passiert während der Zellteilung und ist semikonservativ - jeder neue Doppelstrang besteht aus einem alten und einem neuen Einzelstrang.

Der Prozess startet am Replikationsursprung. Das Enzym Helikase öffnet die DNA-Doppelhelix wie einen Reißverschluss und verbraucht dabei ATP. Dadurch entsteht eine Replikationsblase mit Replikationsgabeln an beiden Enden.

Wichtige Enzyme im Überblick: Die Topoisomerase verhindert Verdrehungen, die Primase stellt Primer her, und die DNA-Polymerase III baut den neuen Strang. Die Polymerase kann nur in 3'→5'-Richtung arbeiten - das ist entscheidend!

💡 Visualisierung: Stell dir die Helikase wie einen Reißverschluss vor, der die DNA öffnet!

Leit- und Folgestrang verstehen

Die DNA-Replikation läuft an beiden Strängen unterschiedlich ab. Am Leitstrang kann die DNA-Polymerase kontinuierlich arbeiten, weil sie in die richtige Richtung (3'→5') läuft.

Am Folgestrang ist es komplizierter: Hier muss die Synthese diskontinuierlich ablaufen. Die Polymerase arbeitet in kurzen Abschnitten und erstellt dabei Okazaki-Fragmente $beim Menschen 100-200 Nukleotide lang$.

Die DNA-Polymerase I ersetzt später die RNA-Primer durch DNA, und die Ligase verknüpft alle Fragmente miteinander. So entsteht am Ende ein vollständiger neuer DNA-Strang.

💡 Wichtig: Die DNA läuft durch den Replikationskomplex - nicht umgekehrt!

Okazaki-Fragmente im Detail

Die Synthese am Folgestrang ist ein faszinierender Prozess! Die Primase stellt immer wieder neue Primer her, an die sich die Polymerase III anheften kann. Sie baut dann komplementäre Basen an, bis sie den vorherigen Primer erreicht.

Durch diesen sich wiederholenden Prozess entstehen die Okazaki-Fragmente - benannt nach ihrem Entdecker. Diese kurzen DNA-Stücke müssen anschließend zusammengefügt werden.

Die Polymerase I entfernt die RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA. Zum Schluss verbindet die Ligase alle Fragmente zu einem vollständigen Strang - wie ein molekularer Klebstoff!

💡 Merkhilfe: Okazaki-Fragmente sind wie Puzzleteile, die am Ende zusammengeklebt werden!

PCR - DNA künstlich vervielfältigen

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist wie eine DNA-Kopiermaschine im Labor. Mit ihr kannst du winzige DNA-Mengen millionenfach vervielfältigen - das nennt man Amplifikation.

Die PCR funktioniert ähnlich wie die natürliche Replikation, braucht aber spezielle Primer, die den gewünschten DNA-Abschnitt "einrahmen". Das Besondere: Es wird die Taq-Polymerase verwendet, die hohe Temperaturen überlebt.

Das Reaktionsgemisch kommt in einen Thermocycler - ein Heiz-Kühlgerät, das die DNA nacheinander drei verschiedenen Temperaturen aussetzt. Dadurch laufen die drei PCR-Schritte automatisch ab.

💡 Fun Fact: Die Taq-Polymerase stammt aus Bakterien, die in heißen Quellen leben!

Die drei PCR-Schritte

Jeder PCR-Zyklus besteht aus drei wichtigen Schritten, die bei unterschiedlichen Temperaturen ablaufen. Bei der Denaturierung (94°C) werden die Wasserstoffbrücken der DNA getrennt, sodass zwei Einzelstränge entstehen.

Bei der Hybridisierung (60°C) binden die synthetischen Primer komplementär an die DNA-Einzelstränge. Diese Primer markieren den Bereich, der vervielfältigt werden soll.

In der Polymerisierung (72°C) arbeitet die Taq-Polymerase und baut von den Primern ausgehend neue DNA-Stränge in 5'→3'-Richtung. Das Geniale: Beide Stränge können kontinuierlich synthetisiert werden!

💡 Effizienz: Nach 20-30 Zyklen hast du millionenfache DNA-Mengen!

DNA-Sequenzierung nach Sanger

Die Kettenabbruchmethode von Nobelpreisträger Sanger bestimmt die exakte Reihenfolge der Basen in der DNA. Sie funktioniert ähnlich wie PCR, aber mit einem entscheidenden Unterschied: Abbruch-Nukleotide!

Jeder Reaktionsansatz enthält normale Desoxynukleotid-Triphosphate plus eine kleine Menge Didesoxynukleosid-Triphosphate (ddNTP). Diesen fehlt am dritten Kohlenstoffatom die wichtige Hydroxylgruppe.

Wenn ein ddNTP eingebaut wird, bricht die DNA-Synthese ab - die Polymerase kann nicht weitermachen. So entstehen Fragment-Familien unterschiedlicher Länge, die alle mit derselben Base enden.

💡 Schlüssel: Vier parallel laufende Reaktionen ergeben vier Fragment-Familien - für A, T, G und C!

Gel-Elektrophorese erklärt

Die Gel-Elektrophorese trennt die DNA-Fragmente nach ihrer Größe. Die negativ geladenen DNA-Stücke wandern im elektrischen Feld durch ein Polyacrylamid-Gel zum Pluspol.

Wichtige Regel: Kleine Fragmente sind schneller und wandern weiter (näher zum Pluspol). Große Fragmente bleiben näher am Startpunkt (Minuspol). Die Fragmente sammeln sich als Querstreifen im Gel.

Die Basensequenz liest du vom Pluspol zum Minuspol ab - vom kürzesten zum längsten Fragment. Das 5'-Ende liegt am Pluspol, das 3'-Ende am Minuspol. Vergiss nicht: Du hast den komplementären Strang sequenziert, also musst du noch die ursprüngliche Sequenz ableiten!

💡 Leserichtung: Immer von + zu - , vom kleinsten zum größten Fragment!

Transkription - Von DNA zu mRNA

Die Transkription ist der erste Schritt vom Gen zum Merkmal. Dabei wird eine mRNA-Kopie $Messenger-RNA$ eines Gens erstellt - wie das Abschreiben eines Rezepts aus einem Kochbuch.

Der Prozess startet am Promotor - einer speziellen Basensequenz, die der RNA-Polymerase sagt: "Hier geht's los!" Die RNA-Polymerase erkennt diese Sequenz automatisch und braucht keinen Primer.

Die RNA-Polymerase öffnet die DNA blasenartig und liest den Matrizenstrang (codogener Strang) in 3'→5'-Richtung ab. Dabei entsteht komplementär dazu ein mRNA-Strang in 5'→3'-Richtung. Am Terminator stoppt der Prozess, und die fertige mRNA wird freigesetzt.

💡 Merksatz: Transkription = DNA wird in transportierbare mRNA "umgeschrieben"!