Genetik Lernzettel für das Bio LK Abitur 2024 in NRW

DNA-Aufbau

Stell dir DNA wie eine verdrehte Leiter vor - das ist die berühmte Doppelhelix. Die "Sprossen" bestehen aus vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Die Basen paaren sich immer gleich: A mit T (2 Wasserstoffbrücken) und G mit C (3 Wasserstoffbrücken). Das Rückgrat der Leiter bilden Phosphat und Desoxyribose - ein Zucker.

Merkregel: "Anton Trinkt, Gustav Chilled" - so erinnerst du dich an die Basenpaarung A-T und G-C!

Die DNA hat eine Richtung: Ein Ende heißt 3', das andere 5'. Diese Richtungsangabe ist mega wichtig für alle folgenden Prozesse, weil Enzyme nur in bestimmte Richtungen arbeiten können.

DNA-Replikation

Bevor sich eine Zelle teilt, muss sie ihre komplette DNA verdoppeln - das ist die DNA-Replikation. Dabei entstehen aus einem DNA-Strang zwei identische Kopien.

Das Enzym Helicase "entpackt" zuerst die Doppelhelix wie einen Reißverschluss. Die DNA-Polymerase baut dann neue Stränge - aber nur in 5'-zu-3'-Richtung. Deshalb läuft es bei einem Strang (Leitstrang) kontinuierlich ab, beim anderen (Folgestrang) entstehen kleine Stücke, die Okazaki-Fragmente.

Die DNA-Ligase klebt am Ende alle Fragmente zusammen. Das Ergebnis: semikonservative Replikation - jeder neue Doppelstrang besteht aus einem alten und einem neuen Einzelstrang.

Fun Fact: Deine Zellen kopieren etwa 6 Milliarden Basenpaare bei jeder Zellteilung - und das mit erstaunlicher Genauigkeit!

Transkription

Die Transkription ist wie das Abschreiben eines Kochrezepts aus einem wertvollen Buch - die DNA bleibt sicher im Zellkern, aber die Info wird als mRNA kopiert.

Die RNA-Polymerase bindet am Promotor (Startpunkt) und wandert den DNA-Strang entlang. Dabei entsteht eine prä-mRNA, die noch bearbeitet werden muss. Beim Spleißen werden unnötige Teile (Introns) entfernt und nur die wichtigen (Exons) bleiben.

Am Ende bekommt die mRNA noch eine schützende Cap-Struktur am 5'-Ende und einen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende - wie Verpackungsmaterial für den Transport.

Wichtig: In der RNA wird Thymin durch Uracil (U) ersetzt - also A paart mit U statt T!

Die fertige mRNA verlässt dann den Zellkern und bringt die Bauanleitung zu den Ribosomen.

Translation

Bei der Translation wird der mRNA-Code in echte Proteine übersetzt - wie bei einem Übersetzer, der aus Buchstaben Wörter macht. Das passiert an den Ribosomen im Cytoplasma.

tRNA-Moleküle bringen die richtigen Aminosäuren zum Ribosom. Jede tRNA hat ein Anticodon, das zum mRNA-Codon passt. Das Ribosom hat drei Stellen: A (neue tRNA), P (wachsende Kette) und E (Ausgang für leere tRNA).

Der Prozess startet mit einem Startcodon, und Aminosäure für Aminosäure wird die Polypeptidkette aufgebaut. Bei einem Stopcodon ist Schluss - die Translation endet und das fertige Protein wird freigesetzt.

Merkhilfe: Denk an eine Perlenkette - jede Aminosäure ist eine Perle, die der Reihe nach aufgefädelt wird!

DNA-Mutationen

Mutationen sind Veränderungen in der DNA-Sequenz - manche harmlos, andere dramatisch. Es gibt zwei Haupttypen, die du kennen solltest.

Punktmutationen betreffen nur eine Base: Stumme Mutationen ändern nichts am Protein, Missense-Mutationen tauschen eine Aminosäure aus, und Nonsense-Mutationen erzeugen ein vorzeitiges Stopcodon.

Rasterschubmutationen sind meist schlimmer: Bei Insertion werden Basen eingefügt, bei Deletion entfernt. Das verschiebt das komplette Leseraster und macht das Protein meist funktionslos.

Achtung: Rasterschubmutationen sind wie ein Tippfehler am Wortanfang - der ganze Rest wird unleserlich!

Die meisten Mutationen entstehen zufällig, aber Mutagene wie Strahlung oder Chemikalien erhöhen das Risiko erheblich.

PCR-Verfahren

Die Polymerasekettenreaktion (PCR) ist wie ein DNA-Kopierer - sie vervielfältigt winzige DNA-Mengen millionenfach. Extrem praktisch für Forensik oder medizinische Diagnostik!

Das Prinzip ist genial einfach: Drei Temperaturstufen im Wechsel. Bei 94°C trennt sich die Doppelhelix (Denaturierung), bei 55°C setzen sich die Primer an die Einzelstränge, und bei 72°C arbeitet die hitzebeständige Taq-Polymerase.

Jeder Zyklus verdoppelt die DNA-Menge. Nach 30 Zyklen hast du über eine Milliarde Kopien! Die Taq-Polymerase stammt aus heißen Quellen lebenden Bakterien und übersteht die hohen Temperaturen problemlos.

Krass: Mit PCR kannst du aus einem einzigen Haar oder Speicheltropfen genug DNA für Analysen gewinnen!

Das Verfahren läuft vollautomatisch in speziellen Geräten ab und dauert nur wenige Stunden.

Genetischer Fingerabdruck und Gelelektrophorese

Der genetische Fingerabdruck funktioniert wie ein DNA-Barcode - jeder Mensch hat ein einzigartiges Muster. Grundlage sind STRs (kurze, sich wiederholende Sequenzen), die bei jedem anders lang sind.

Restriktionsenzyme schneiden die DNA an bestimmten Erkennungsstellen. Je nach Mutation entstehen unterschiedlich viele Schnittstellen und damit verschieden große Fragmente. Bei der Gelelektrophorese wandern kleinere Fragmente schneller durch das Gel als große.

Das Ergebnis ist ein Bandenmuster - wie ein Strichcode. Bei Erbkrankheiten zeigen homozygote Personen (beide Gene gleich) andere Muster als heterozygote (ein gesundes, ein mutiertes Gen).

Anwendung: Vaterschaftstests, Kriminalfälle oder Erbkrankheits-Diagnostik - alles basiert auf diesem Prinzip!

Sticky Ends haben überstehende Enden und können sich mit passenden Stücken verbinden, Blunt Ends sind glatt geschnitten.

Eigenschaften des genetischen Codes

Der genetische Code funktioniert bei allen Lebewesen gleich - von Bakterien bis zum Menschen! Er besteht aus Tripletts (3 Basen = 1 Codon), die jeweils eine Aminosäure codieren.

Der Code ist eindeutig (pro Codon nur 1 Aminosäure) aber redundant (mehrere Codons für dieselbe Aminosäure). Er läuft kommafrei und nicht überlappend ab - keine Lücken, aber jede Base gehört nur zu einem Codon.

Alternatives Spleißen ermöglicht aus einem Gen verschiedene Proteine herzustellen - manchmal werden auch codierende Exons entfernt. So entstehen verschiedene Gewebetypen aus derselben DNA-Information.

Clever: Die Redundanz des Codes schützt vor Mutationen - oft ändern Punktmutationen nichts am Protein!

Die Codesonne liest du von innen nach außen: erste Base innen, zweite im mittleren Ring, dritte außen.

Proteinbiosynthese: Prokaryoten vs. Eukaryoten

Prokaryoten (Bakterien) und Eukaryoten (Pflanzen, Tiere) stellen Proteine unterschiedlich her - das macht Antibiotika möglich, die nur Bakterien treffen!

Bei Prokaryoten läuft alles im Cytoplasma ab. Translation kann schon während der Transkription beginnen. Die mRNA ist sofort einsatzbereit, aber kurzlebig - perfekt für schnelle Anpassungen.

Eukaryoten sind komplexer: Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma. Die prä-mRNA muss erst reifen (Spleißen, Cap, Poly-A-Schwanz). Dafür lebt die mRNA länger und kann posttranslationale Modifikationen durchlaufen.

Praxistipp: Antibiotika wie Streptomycin blockieren die Prokaryoten-Ribosomen, lassen aber deine Zellen in Ruhe!

Diese Unterschiede erklären, warum Eukaryoten komplexere Organismen entwickeln konnten - mehr Kontrolle über die Genexpression bedeutet mehr Möglichkeiten.

Meiose

Die Meiose ist die besondere Zellteilung für Geschlechtszellen - aus einer diploiden Zelle (2n) entstehen vier haploide Keimzellen $n$. Ohne Meiose gäbe es keine sexuelle Fortpflanzung!

Erste Reifeteilung: Die homologen Chromosomen trennen sich. Jede Zelle bekommt nur noch einen Chromosomensatz - aber jedes Chromosom besteht noch aus zwei Schwesterchromatiden.

Zweite Reifeteilung: Jetzt trennen sich die Schwesterchromatiden, wie bei einer normalen Mitose. Das Ergebnis sind vier haploide Zellen.

Bei der Spermienreifung entstehen vier funktionsfähige Spermien. Bei der Eizellreifung wird das Cytoplasma ungleich verteilt - eine große Eizelle und drei kleine Polkörperchen, die absterben.

Wichtig: Meiose halbiert den Chromosomensatz - bei der Befruchtung wird er wieder verdoppelt!

Diese Reduktion sorgt dafür, dass deine Nachkommen nicht doppelt so viele Chromosomen haben wie du.