DNA und RNA - Die molekularen Grundlagen des Lebens

Die RNA übernimmt vielfältige Aufgaben in der Zelle. Die verschiedenen RNA-Arten haben unterschiedliche Funktionen: Die messenger-RNA (mRNA) überträgt genetische Informationen, die transfer-RNA (tRNA) transportiert Aminosäuren, und die ribosomale RNA (rRNA) ist Bestandteil der Proteinfabriken.

Highlight: Die RNA unterscheidet sich von der DNA durch den Zucker Ribose und die Base Uracil anstelle von Thymin.

Das Vorkommen der RNA ist überall in der Zelle zu finden, während die DNA hauptsächlich im Zellkern lokalisiert ist. Die verschiedenen RNA-Typen und ihre Funktionen sind für Kinder oft schwer zu verstehen, lassen sich aber gut mit einem Bauplan (mRNA), Transportern (tRNA) und Werkzeugen (rRNA) vergleichen.

Die DNA-Replikation erfolgt semikonservativ, das heißt, jeder neue DNA-Doppelstrang enthält einen alten und einen neu synthetisierten Einzelstrang. Dieser Prozess wird von verschiedenen Enzymen wie der DNA-Polymerase, Helicase und Ligase durchgeführt.

Mutationen und ihre Auswirkungen

Mutationen sind spontane oder durch Mutagene ausgelöste Veränderungen im genetischen Material. Sie können verschiedene Formen annehmen und unterschiedliche Folgen haben. Zu den wichtigsten Mutagenen gehören energiereiche UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Temperaturschocks und bestimmte chemische Substanzen.

Highlight: Genommutationen entstehen während der Meiose und können zu Euploidie (z.B. Triploidie) oder Aneuploidie (Monosomie/Trisomie) führen. Diese Veränderungen sind im Karyogramm erkennbar.

Chromosomenmutationen umfassen strukturelle Veränderungen wie Deletionen (Verlust), Duplikationen (Verdopplung), Inversionen (180°-Drehung) und Translokationen (Austausch zwischen nicht-homologen Chromosomen). Bekannte Beispiele sind das Katzenschrei-Syndrom oder das Prader-Willi-Syndrom, die durch Deletionen entstehen.

Genmutationen betreffen einzelne Basen und können als Punktmutationen, Leserastermutationen oder stumme Mutationen auftreten. Sie haben prinzipiell immer Auswirkungen auf die Proteinbildung und können zu Erbkrankheiten wie Albinismus oder Bluterkrankheit führen.

Der genetische Code und die Proteinbiosynthese

Der genetische Code ist die Grundlage der Proteinbiosynthese und beschreibt, wie die DNA-Sequenz in Proteine übersetzt wird. Ein codogenes Gen ist ein DNA-Abschnitt, der Informationen für die Synthese eines Proteins enthält. Diese Information wird zunächst in messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben.

Vokabular: Die wichtigsten RNA-Arten sind:

• mRNA (messenger-RNA): Trägt die genetische Information
• tRNA (transfer-RNA): Transportiert Aminosäuren
• rRNA (ribosomale RNA): Bildet Ribosomen

Der genetische Code hat mehrere wichtige Eigenschaften: Er ist triplett-basiert (je drei Basen bilden ein Codon), degeneriert (mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure codieren), kommafrei (Codons schließen lückenlos aneinander an) und universell (gilt für fast alle Lebewesen). Es gibt ein Startcodon (AUG) und drei Stoppcodons (UAA, UAG, UGA).

Die Proteinbiosynthese läuft bei Pro- und Eukaryoten unterschiedlich ab. Bei Eukaryoten findet die Transkription im Zellkern statt, gefolgt von der RNA-Prozessierung (Spleißen, Capping, Polyadenylierung). Die Translation erfolgt dann an den Ribosomen im Cytoplasma.

Genregulation in der Zelle: Stoffwechselvorgänge bei Prokaryoten und Eukaryoten

Die Genregulation ist ein faszinierender Prozess, der besonders bei der rna funktion eine zentrale Rolle spielt. Bei Bakterien (Prokaryoten) erfolgt diese Regulation durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Elemente. Der Repressor, ein spezielles Protein, kann die Enzymsynthese stoppen, indem er an den Operator bindet - einen speziellen DNA-Bereich. Der Promotor ist dabei der DNA-Abschnitt, an dem die RNA-Polymerase andockt.

Definition: Das Operon ist ein DNA-Abschnitt, der aus Promotor, Operator und Strukturgenen besteht. Die Strukturgene enthalten die genetischen Informationen zur Enzymbildung, während das Regulatorgen die Information für das Repressorprotein trägt.

Die Substratinduktion am Lactose-Operon zeigt diesen Prozess beispielhaft. Wenn keine Lactose vorhanden ist, wird vom Regulatorgen ein aktives Repressorprotein gebildet. Dieses blockiert am Operator die RNA-Polymerase, wodurch keine Enzyme synthetisiert werden können. Bei Anwesenheit von Lactose bindet diese an das Repressorprotein, wodurch es inaktiviert wird. Nun kann die Enzymsynthese normal ablaufen.

Die Endproduktrepression am Tryptophan-Operon funktioniert ähnlich, aber mit einem wichtigen Unterschied. Hier liegt der Repressor zunächst inaktiv vor und kann nicht an den Operator binden. Die RNA-Polymerase kann ungehindert die rna-arten produzieren, die für die Enzymsynthese notwendig sind. Erst wenn das Endprodukt Tryptophan im Überschuss vorliegt, bindet es als Corepressor an den Repressor. Der nun aktive Repressor kann an den Operator binden und die Transkription stoppen.