Chromosomen und Mutationen

Du hast 23 Chromosomenpaare in jeder Zelle - davon bestimmen zwei (die Gonosomen) dein Geschlecht: XX für Frauen, XY für Männer. Diese Chromosomen können durch verschiedene Chromosomenmutationen verändert werden, bei denen ganze DNA-Abschnitte betroffen sind.

Es gibt vier Haupttypen von Strukturveränderungen: Duplikation (Verdopplung von Abschnitten), Delektion (Verlust von Teilen), Inversion (Umkehrung der Reihenfolge) und Translokation (Austausch zwischen verschiedenen Chromosomen). Diese Mutationen passieren deutlich seltener als kleine Punktmutationen, haben aber oft größere Auswirkungen.

Die Meiose sorgt durch zwei Reifeteilungen dafür, dass aus einer diploiden Zelle vier haploide Keimzellen entstehen. Besonders wichtig ist das Crossing-over in der Prophase I, wo sich homologe Chromosomen austauschen und für genetische Vielfalt sorgen. Wenn dabei etwas schiefgeht (Nondisjunktion), entstehen Genommutationen wie die Trisomie 21 (Down-Syndrom).

Merktipp: Bei der ersten Reifeteilung trennen sich die Chromosomen, bei der zweiten die Chromatiden!

Stammbaumanalyse und Erbgänge

Stammbaumanalysen funktionieren wie genetische Detektivarbeit - du schaust dir Familien über mehrere Generationen an und findest heraus, wie ein Merkmal vererbt wird. Zuerst checkst du, ob es dominant oder rezessiv vererbt wird: Überspringen Generationen, ist es meist rezessiv.

Dann fragst du dich: autosomal oder gonosomal? Bei X-chromosomalen Erbgängen sind meist mehr Männer betroffen, weil sie nur ein X-Chromosom haben. Autosomal-dominante Merkmale zeigen sich in jeder Generation, autosomal-rezessive können "versteckt" weitergegeben werden.

Genotyp und Phänotyp sind dabei deine wichtigsten Begriffe: Der Genotyp beschreibt die Gene (AA, Aa, aa), der Phänotyp das sichtbare Merkmal. Homozygot bedeutet reinerbig (AA oder aa), heterozygot mischerbig (Aa).

Im Karyogramm siehst du alle Chromosomen einer Zelle. Normal ist 46,XX oder 46,XY. Abweichungen wie 47,XY+21 zeigen Chromosomenstörungen an - hier liegt das 21. Chromosom dreifach vor (Trisomie 21).

Praxistipp: Bei X-chromosomal rezessiven Erbgängen können gesunde Mütter das Merkmal an kranke Söhne weitergeben!

DNA-Aufbau und Proteinbiosynthese

Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei antiparallelen Strängen mit den Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Adenin paart sich immer mit Thymin (2 Wasserstoffbrücken), Guanin mit Cytosin (3 Wasserstoffbrücken). Diese Struktur wird stark komprimiert, damit sie in den Zellkern passt.

Der genetische Code hat fünf wichtige Eigenschaften: Er ist nicht überlappend (Codons werden nacheinander abgelesen), kommafrei (keine Lücken), universell (gilt für alle Lebewesen), eindeutig (ein Codon = eine Aminosäure) und degeneriert (mehrere Codons können dieselbe Aminosäure codieren).

Bei der DNA-Replikation entspiralisiert die Helikase die Doppelhelix, die Primase erstellt einen RNA-Primer und die DNA-Polymerase baut den neuen Strang auf. Am Leitstrang läuft das kontinuierlich, am Folgestrang entstehen Okazaki-Fragmente, die später verbunden werden.

Die Proteinbiosynthese läuft in zwei Schritten ab: Transkription (DNA → mRNA) im Zellkern und Translation (mRNA → Protein) im Cytoplasma. Beide Prozesse haben drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination.

Eselsbrücke: DNA-Polymerase arbeitet nur in 5'→3'-Richtung, deshalb entstehen am Folgestrang die kurzen Okazaki-Fragmente!

Transkription, Translation und Mutationen

Bei der Transkription bindet die RNA-Polymerase am Promotor des codogenen Strangs und synthetisiert eine komplementäre mRNA. Die RNA-Prozessierung entfernt nicht-codierende Bereiche (Introns) und fügt eine Cap-Struktur sowie einen Poly-A-Schwanz hinzu, damit die mRNA stabil bleibt.

Die Translation am Ribosom hat drei Bindestellen (A, P, E). Das Ribosom wandert die mRNA entlang, tRNAs bringen passende Aminosäuren und es entsteht eine Polypeptidkette. Bei Stopp-Codons wird die Translation beendet.

Genmutationen verändern einzelne oder wenige Nukleotide. Punktmutationen können stumm sein (keine Auswirkung), Missense (andere Aminosäure) oder Nonsense (vorzeitiger Stopp). Leserrastermutationen durch Insertion oder Delektion verschieben den kompletten genetischen Code.

Genregulation funktioniert bei Prokaryoten über Repressor-Systeme: Substratinduktion aktiviert Gene bei Bedarf, Endproduktrepression schaltet sie ab, wenn genug Produkt da ist. Eukaryoten haben komplexere Mechanismen wie Methylierung, Transkriptionsfaktoren und alternatives Spleißen.

Wichtig: Leserrastermutationen sind meist schwerwiegender als Punktmutationen, weil sie den ganzen nachfolgenden Code verändern!

Gentechnologie und Analysemethoden

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt DNA-Abschnitte millionenfach. In drei Schritten - Denaturierung bei 90-100°C, Hybridisierung bei 50°C und Polymerisation - entstehen exponentiell mehr DNA-Kopien. Die hitzeresistente Taq-Polymerase macht das Ganze erst praktikabel.

Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach Größe: Kleine Moleküle wandern schneller durch das Gel als große. Im elektrischen Feld bewegen sich negativ geladene DNA-Moleküle zur positiven Elektrode. Gleich große Fragmente bilden sichtbare Banden.

Die Gentechnologie nutzt Restriktionsenzyme zum Zerschneiden und DNA-Ligasen zum Verbinden von DNA-Stücken. Plasmide transportieren fremde Gene in Bakterien wie E. coli, wo sie vervielfältigt werden. So kannst du menschliche Proteine in Bakterien herstellen lassen.

Zum Sichtbarmachen der DNA-Fragmente verwendest du Ethidiumbromid (leuchtet unter UV-Licht) oder radioaktive Markierung mit anschließender Röntgenfilm-Entwicklung. Beide Methoden zeigen dir, wo sich deine gesuchten DNA-Abschnitte befinden.

Anwendung: PCR und Gelelektrophorese werden heute in Kriminalistik, Vaterschaftstests und Coronatests eingesetzt!