DNA-Struktur und Replikation

DNA ist wie eine gedrehte Strickleiter aufgebaut - der berühmte Doppelhelix. Die "Sprossen" bestehen aus vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). A paart sich immer mit T (2 Wasserstoffbrücken), G immer mit C (3 Wasserstoffbrücken) - das ist das Basenpaarungsprinzip.

Bei der DNA-Replikation wird die Doppelhelix kopiert, damit jede Tochterzelle eine vollständige Erbinformation bekommt. Zuerst entspiralisiert die Topoisomerase die Schraube, dann trennt die Helikase die beiden Stränge. Die DNA-Polymerase baut neue Stränge auf - aber nur in 5'→3'-Richtung.

Deshalb entstehen der Leitstrang (kontinuierlich) und der Folgestrang (in Stücken, den Okazaki-Fragmenten). Das Experiment von Meselson und Stahl bewies: Die Replikation ist semikonservativ - jeder neue DNA-Doppelstrang enthält einen alten und einen neuen Einzelstrang.

Merktipp: DNA-Polymerase braucht immer einen RNA-Primer als Startpunkt - sie kann nicht "ins Blaue hinein" anfangen!

DNA-Verpackung und Proteinbiosynthese-Überblick

DNA muss geschickt verpackt werden: Bei Prokaryoten wird sie zu einem Ring geschlossen, bei Eukaryoten wickelt sie sich um Histonproteine zu Nucleosomen. Diese bilden dickere Fasern und schließlich kompakte Chromosomen. Heterochromatin ist stark verdichtet und inaktiv, Euchromatin ist aufgelockert und aktiv.

Die Proteinbiosynthese läuft in zwei Hauptschritten ab: Transkription (DNA → mRNA) und Translation (mRNA → Protein). Bei Eukaryoten passiert Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma. Bei Prokaryoten läuft beides gleichzeitig im Cytoplasma ab.

Das Ganze nennt sich Genexpression - Gene werden "abgelesen" und in funktionsfähige Proteine umgewandelt. Ohne diesen Prozess wären wir nur ein Haufen toter DNA!

Wichtig: Der Informationsfluss geht immer DNA → RNA → Protein - das ist das zentrale Dogma der Molekularbiologie!

Transkription - Von DNA zu RNA

Bei der Transkription wird DNA-Information in mRNA (messenger RNA) umgeschrieben. Die RNA-Polymerase macht dabei alles: Sie findet den Startpunkt (Promotor), spaltet die DNA auf und baut die RNA.

Der Ablauf ist dreigeteilt: Initiation (Start am Promotor), Elongation (RNA wird verlängert) und Termination (Ende an einer Stoppsequenz). Nur der codogene Strang wird abgelesen (3'→5'), die RNA entsteht in 5'→3'-Richtung.

Bei Eukaryoten wird die unreife prä-mRNA noch bearbeitet: Sie bekommt eine schützende 5'-Kappe und einen Poly-A-Schwanz. Außerdem werden die Introns $nicht-codierende Bereiche$ rausgeschnitten und nur die Exons (codierende Bereiche) zusammengefügt.

RNA unterscheidet sich von DNA durch Ribose (statt Desoxyribose), Uracil (statt Thymin) und sie ist einzelsträngig.

Eselsbrücke: RNA-Polymerase ist wie ein Kopierer - sie fährt den DNA-Strang ab und erstellt eine RNA-Kopie!

Translation - Von RNA zu Protein

Bei der Translation wird aus der mRNA ein Protein gebaut. Das Ribosom ist die "Proteinfabrik" mit drei wichtigen Stellen: A-Stelle (neue tRNA kommt an), P-Stelle (Protein wird verlängert) und E-Stelle (alte tRNA geht weg).

Die tRNA ist der Übersetzer: Sie trägt am einen Ende ein Anticodon (Basentriplett), am anderen Ende die passende Aminosäure. Jede der 20 verschiedenen Aminoacyl-tRNA-Synthetasen sorgt dafür, dass die richtige Aminosäure an die richtige tRNA gehängt wird.

Der Ablauf: Initiation (Start am Startcodon AUG), Elongation (Aminosäuren werden verknüpft) und Termination (Stopp an einem Stoppcodon). Das Ribosom wandert dabei die mRNA ab und verknüpft die Aminosäuren zu einer langen Kette.

Bei Prokaryoten läuft Translation parallel zur Transkription ab. Bei Eukaryoten muss die mRNA erst aus dem Zellkern ins Cytoplasma transportiert werden.

Coole Sache: Mehrere Ribosomen können gleichzeitig eine mRNA ablesen - das nennt sich Polysom und macht die Proteinproduktion super effizient!

Genetischer Code und alternatives Spleißen

Der genetische Code übersetzt Basensprache in Aminosäuresprache. Jedes Basentriplett (Codon) codiert für eine bestimmte Aminosäure. Der Code ist universell - funktioniert bei allen Lebewesen gleich!

Die Codesonne zeigt dir, welches Codon für welche Aminosäure steht. AUG ist das Startcodon, drei Tripletts (UAA, UAG, UGA) sind Stoppcodons. Da es 64 mögliche Tripletts, aber nur 20 Aminosäuren gibt, ist der Code degeneriert - mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure stehen.

Alternatives Spleißen bei Eukaryoten ist genial: Aus derselben prä-mRNA können verschiedene mRNAs entstehen, je nachdem welche Exons zusammengefügt werden. So entstehen aus einem Gen mehrere Proteinvarianten - Proteinvielfalt ohne zusätzliche Gene!

Beispiel: Gen mit 5 Exons → Protein A (alle Exons), Protein B (ohne Exon 3), Protein C (ohne Exon 2). Jedes Protein hat leicht andere Eigenschaften.

Krass: Der Mensch hat nur etwa 20.000 Gene, aber durch alternatives Spleißen entstehen über 100.000 verschiedene Proteine!

Mutationen - Wenn sich Gene verändern

Mutationen sind Veränderungen im Genom - der betroffene Organismus heißt Mutant. Die ursprüngliche Form nennt man Wildtyp. Mutationen können in Keimbahnzellen (werden vererbt) oder somatischen Zellen (nur im Individuum) auftreten.

Genmutationen betreffen einzelne Gene. Bei Punktmutationen wird nur eine Base verändert: Missense-Mutationen tauschen eine Aminosäure aus, Nonsense-Mutationen erzeugen ein vorzeitiges Stoppcodon, stumme Mutationen verändern das Protein gar nicht.

Rasterschubmutationen verschieben das Leseraster: Insertionen (Base wird eingefügt) und Deletionen (Base wird entfernt) ändern alle nachfolgenden Aminosäuren - außer es sind Vielfache von drei Basen.

Viele Mutationen sind neutral oder sogar vorteilhaft. Sie erhöhen die genetische Vielfalt einer Population und sind der Motor der Evolution.

Wichtig: Nicht alle Mutationen sind schlecht! Ohne Mutationen gäbe es keine Evolution und damit kein Leben, wie wir es kennen.

Genregulation - Das Lac-Operon

Gene sind nicht immer aktiv - sie werden je nach Bedarf an- und ausgeschaltet. Das Lac-Operon von E.coli ist das Paradebeispiel für Substratinduktion: Enzyme zum Lactoseabbau werden nur produziert, wenn Lactose da ist.

Das Operon besteht aus Promotor (Startbereich), Operator (Schalter) und Strukturgenen (eigentliche Gene). Der Repressor blockiert normalerweise den Operator. Kommt Lactose dazu, bindet sie an den Repressor und macht ihn inaktiv - die Gene können abgelesen werden.

Das ist negative Genregulation - ein Repressor verhindert die Genaktivität. Beim Trp-Operon ist es umgekehrt: Der Repressor wird erst durch Tryptophan aktiviert und stoppt dann die weitere Tryptophan-Produktion (Endproduktrepression).

Zusätzlich gibt es positive Genregulation durch das CAP-cAMP-System: Nur wenn wenig Glucose da ist, steigt der cAMP-Spiegel und aktiviert die Lac-Gene. So wird Glucose bevorzugt verbraucht.

Clever: E.coli nutzt zuerst die "Lieblings-Energiequelle" Glucose und schaltet erst dann auf Lactose um - das spart Energie und Material!

Genregulation verstehen - Trp-Operon und CAP-cAMP

Das Trp-Operon funktioniert genau umgekehrt zum Lac-Operon. Die Strukturgene produzieren Enzyme zur Tryptophan-Synthese. Der Repressor wird inaktiv gebildet und erst durch Tryptophan aktiviert - dann blockiert er die weitere Produktion.

Das nennt sich Endproduktrepression: Tryptophan unterbindet seine eigene Herstellung. Sinkt die Tryptophan-Konzentration, wird der Repressor wieder inaktiv und die Synthese startet erneut. Super effizient!

Das CAP-cAMP-System sorgt für die richtige Reihenfolge beim Zuckerverbrauch. Viel Glucose → wenig cAMP → Lac-Operon aus. Wenig Glucose → viel cAMP → CAP-cAMP-Komplex aktiviert RNA-Polymerase → Lac-Operon an.

Diese diauxische Wachstumskurve siehst du im Labor: Erst wird Glucose verbraucht (schnelles Wachstum), dann kurze Pause (Umstellung), dann Lactose (langsameres Wachstum). Bakterien sind echte Strategen!

Genial: Bakterien haben ein zweistufiges Kontrollsystem - sie checken sowohl "Ist der Zucker da?" als auch "Ist es der richtige Zucker?"