Grundlagen der Biomoleküle

Die genetische Information wird in Nukleinsäuren gespeichert. In Zellen gibt es zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA (speichert genetische Informationen) und RNA (beteiligt an der Realisierung der DNA).

Nukleinsäuren bestehen aus Ketten von Nukleotiden (Polynukleotide). Jedes Nukleotid enthält eine Pentose (Zucker), eine Phosphorsäure und eine organische Base (Cytosin, Adenin, Guanin, Thymin bzw. bei RNA Uracil statt Thymin).

Die DNA-Struktur bildet eine Doppelhelix aus zwei gegeneinander verlaufenden, verdrehten Polynukleotidsträngen. Dabei sind die Basen durch Wasserstoffbrücken verbunden, wobei sich immer komplementäre Basenpaare bilden: A=T und C=G. Nur ein Strang enthält die Information für die Protein-Codierung.

💡 Merke: Die Primärstruktur ist der DNA-Einzelstrang, die Sekundärstruktur der Doppelstrang und die Tertiärstruktur die Doppelhelix $Watson-Crick-Modell$.

RNA und DNA-Extraktion

Im Gegensatz zur DNA besteht die RNA aus einem Einzelstrang, der sich teilweise verdoppeln kann. Die RNA verwendet Ribose statt Desoxyribose und Uracil statt Thymin. Es gibt verschiedene RNA-Typen mit unterschiedlichen Funktionen.

Die DNA-Extraktion aus Zellen erfolgt in vier Schritten:

1. Zerstörung der Zellen (Mörsern)
2. Filtern grober Zellbruchstücke
3. Abtrennung der Proteine mit Detergenzien (z.B. Spülmittel)
4. Ausfällung mit kaltem Ethanol

Der Zellzyklus umfasst die Prozesse der Zellteilung, die für Wachstum, Reparatur und ungeschlechtliche Vermehrung wichtig sind. Die Mitose (Kernteilung) sorgt dafür, dass genetisches Material gleichmäßig auf Tochterzellen verteilt wird.

💡 Lernhilfe: Die Phasen der Mitose kannst du dir mit "Neue Tante" merken: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase (plus Interphase).

DNA-Replikation und Proteinbiosynthese

Bei der DNA-Replikation wird eine identische Kopie der DNA erstellt. Der Prozess verläuft in mehreren Schritten:

1. Topoisomerase entspiralisiert die DNA
2. Helicase spaltet Wasserstoffbrücken und erzeugt die Replikationsgabel
3. Primase katalysiert die Synthese des Primers (Startmolekül)
4. DNA-Polymerase kann nur in 5'-3'-Richtung arbeiten
5. Während der Leitstrang kontinuierlich repliziert wird, entsteht der Folgestrang diskontinuierlich als Okazaki-Fragmente
6. Ligase verbindet die einzelnen Fragmente

Die Proteinbiosynthese erfolgt in zwei Hauptschritten:

1. Transkription: Übertragung der genetischen Information auf mRNA (im Zellkern)
2. Translation: Übersetzung der mRNA in die Aminosäuresequenz (im Cytoplasma)

💡 Merke für die Biologie Abitur Genetik: Erst Transkription, dann Translation – erst wird das Skript geschrieben, dann übersetzt!

RNA-Typen und Transkription

Die RNA spielt eine zentrale Rolle bei der Genexpression. Es gibt drei Haupttypen:

• mRNA (messenger RNA): fadenförmig, dient als Matrize für die Proteinbiosynthese
• rRNA (ribosomale RNA): globulär, bildet mit Proteinen die Ribosomen
• tRNA (transfer RNA): Kleeblattstruktur, transportiert Aminosäuren zum Ribosomen

Die Transkription ist die Übersetzung eines DNA-Abschnitts in mRNA. Sie verläuft in drei Phasen:

1. Initiation: RNA-Polymerase bindet am Promoter (Startpunkt)
2. Elongation: DNA wird entwunden, RNA-Polymerase kopiert den codogenen Strang
3. Termination: Transkription endet bei Erreichen des Terminators (Stoppsequenz)

Bei Eukaryoten erfolgt nach der Transkription eine RNA-Prozessierung (Reifung). Hierbei werden Introns $nicht-codierende Abschnitte$ herausgeschnitten und Exons (codierende Abschnitte) verbunden (Spleißen). Zudem erhält die mRNA eine Schutzkappe am 5'-Ende und einen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende.

💡 Wichtig für die Humangenetik Biologie Abitur: Die reife mRNA verlässt den Zellkern durch Kernporen und wandert zu den Ribosomen, wo die Translation stattfindet.

Genetischer Code und Translation

Der genetische Code ist ein Triplett-Code, bei dem drei Basen eine Aminosäure codieren. Er ist universell (gilt für fast alle Organismen), eindeutig (jedes Triplett codiert nur für eine Aminosäure) und redundant (mehrere Tripletts können die gleiche Aminosäure codieren).

Die Translation erfolgt in drei Phasen:

1. Initiation:

   • Kleine ribosomale Untereinheit bindet an mRNA
   • tRNA mit Startcodon $AUG$ bindet an P-Stelle
   • Große ribosomale Untereinheit kommt hinzu

2. Elongation:

   • tRNAs bringen Aminosäuren gemäß dem Codon-Anticodon-Prinzip
   • Peptidyltransferase bildet Peptidbindungen zwischen Aminosäuren
   • Ribosom verschiebt sich um ein Codon weiter

3. Termination:

   • Release-Faktor bindet bei Erreichen eines Stoppcodons
   • Polypeptid wird freigesetzt und Komponenten trennen sich

💡 Tipp für die Biologie Genetik Zusammenfassung: Die tRNA ist wie ein Dolmetscher – sie erkennt das Codon auf der mRNA und bringt die entsprechende Aminosäure mit.

Genregulation bei Prokaryoten

Nach der Ein-Gen-eine-RNA-Hypothese enthält ein Gen die Information für RNA, die später zu einem Protein führt. An der Ausbildung eines Merkmals können jedoch mehrere Gene beteiligt sein (Genwirkungskette).

Gene können konstitutiv (ständig aktiv) oder reguliert (nach Bedarf aktiviert) sein. Bei Prokaryoten erfolgt die Regulation durch das Operon-Modell:

Ein Operon besteht aus:

• Promoter: Bindungsstelle für RNA-Polymerase
• Operator: Bindungsstelle für Repressor
• Strukturgene: codieren für Proteine/Enzyme

Es gibt zwei Regulationsmöglichkeiten:

1. Substratinduktion $Lac-Operon$:

   • Wenn Lactose vorhanden → Repressor inaktiviert → Gene werden transkribiert
   • Wenn Lactose fehlt → Repressor bindet an Operator → Gene werden nicht transkribiert

2. Produktrepression $Tryptophan-Operon$:

   • Wenn Tryptophan vorhanden → Repressor aktiviert → Gene werden nicht transkribiert
   • Wenn Tryptophan fehlt → Repressor inaktiv → Gene werden transkribiert

💡 Für die Biologie Abitur Aufgaben: Diese Regulationsmechanismen sparen Energie, da die Zelle Enzyme nur dann produziert, wenn sie benötigt werden!

Genregulation bei Eukaryoten und Mutationen

Differenzielle Genaktivität erklärt, warum Zellen mit identischem Erbgut unterschiedliche Funktionen ausbilden können. Die Differenzierung erfolgt durch zeitliche und/oder räumliche Aktivierung verschiedener Gene und kann durch innere und äußere Faktoren beeinflusst werden.

Bei Eukaryoten wird die Genregulation durch zahlreiche Transkriptionsfaktoren gesteuert, die an die DNA binden und die Transkription fördern oder hemmen.

Vergleich: Genregulation vs. Enzymregulation:

• Allosterische Regulation: schnell, keine Änderung der Enzymkonzentration, energieaufwendig
• Genregulation: langsamer, aber energiesparend, da nur benötigte Enzyme produziert werden

Mutationen sind Veränderungen der genetischen Information:

1. Genommutationen: Änderung der Chromosomenzahl $z.B. Trisomie 21/Down-Syndrom$
2. Chromosomenmutationen: Strukturveränderungen eines Chromosoms
3. Genmutationen: Punktmutationen wie Substitution, Insertion oder Deletion

💡 Für den Genetik Lernzettel: Mutationen in Keimzellen werden vererbt, während Mutationen in Körperzellen (somatische Mutationen) auf den betroffenen Bereich beschränkt bleiben!

Antibiotika und ihre Wirkungsweise

Antibiotika zeichnen sich durch selektive Toxizität aus – sie bekämpfen gezielt Erreger (Prokaryoten), ohne den menschlichen Körper (Eukaryoten) zu schädigen. Dies liegt an den unterschiedlichen Strukturen von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen.

Die wichtigsten Angriffsorte von Antibiotika sind:

1. Zellwand:

   • Bakterien besitzen eine Zellwand, die menschliche Zellen nicht haben
   • Antibiotika verhindern den Aufbau oder stören die Struktur der Zellwand

2. Erbgut:

   • Verhindern die DNA-Replikation und damit die Vermehrung der Bakterien
   • Verändern die DNA-Synthese, sodass fehlerhafte Informationen entstehen

3. Proteinbiosynthese:

   • Hemmen Prozesse, die für die bakterielle Proteinherstellung wichtig sind

Mutationsfolgen hängen von der Art der Mutation ab:

• Stumme Mutation: keine Folgen, da gleiche Aminosäure eingebaut wird
• Missense-Mutation: falsche Aminosäure wird eingebaut
• Nonsense-Mutation: vorzeitiger Abbruch der Proteinbiosynthese
• Rastermutation: Verschiebung des Triplettcodes, meist schwerwiegend

💡 Wichtig für Biologie Abitur Sachsen-Anhalt 2024: Die Lage der Mutation entscheidet über die Auswirkung – je früher die Mutation im Gen liegt, desto mehr Aminosäuren können betroffen sein!