DNA und RNA - Die Grundbausteine des Lebens

Die DNA ist wie eine Bauanleitung für alle Lebewesen – ein antiparalleler Doppelstrang mit vier Buchstaben: A, T, G und C. Bei Eukaryoten wickelt sie sich um Histone, bei Prokaryoten bildet sie einen Ring.

Die DNA-Replikation läuft in mehreren Schritten ab: Erst windet die Helicase den Doppelstrang auf, dann fügt die DNA-Polymerase neue Nucleotide in 5'→3'-Richtung hinzu. Am Leitstrang geht das kontinuierlich, am Folgestrang entstehen die berühmten Okazaki-Fragmente.

Bei der Transkription entsteht aus DNA die mRNA. Die RNA-Polymerase startet am Promotor und baut RNA-Nucleotide zusammen $A-U-C-G$. Bei Eukaryoten wird die prä-mRNA noch bearbeitet: Introns werden rausgeschnitten (Spleißen), ein Cap kommt vorne drauf und hinten ein Poly-A-Schwanz.

Merktipp: DNA→RNA→Protein ist der zentrale Dogma der Molekularbiologie!

Translation - Von der RNA zum Protein

Die Translation verwandelt mRNA in Proteine und läuft am Ribosom ab. In der Initiation sucht die kleine ribosomale Untereinheit das Start-Codon AUG, dann dockt die große Untereinheit an.

Der genetische Code funktioniert als Triplett-Code: Drei Basen ergeben eine Aminosäure. Er ist degeneriert (mehrere Codons für eine Aminosäure), kommafrei und universell bei fast allen Lebewesen gleich.

In der Elongation wandert die mRNA durch drei Stellen des Ribosoms: A-Stelle (neue tRNA kommt), P-Stelle (Peptidbindung entsteht), E-Stelle (leere tRNA geht). Bei Stopp-Codons (UAG, UGA, UAA) ist Schluss.

Prokaryoten vs. Eukaryoten: Bei Bakterien läuft alles im Cytosol ab, bei Eukaryoten wird im Kern transkribiert und im Cytosol translatiert. Eukaryoten haben 80S-Ribosomen, Prokaryoten 70S-Ribosomen.

Achtung: Bei der Translation ist die Reihenfolge A-P-E wichtig für die Ribosom-Wanderung!

Mutationen - Wenn die DNA sich verändert

Genmutationen sind Veränderungen einzelner Nucleotide. Bei Punktmutationen wird eine Base ausgetauscht – das kann stumm sein (keine Auswirkung), zu einer falschen Aminosäure führen (Missense) oder einen vorzeitigen Stopp verursachen (Nonsense).

Rastermutationen verschieben das Leseraster durch Insertion (Einfügung) oder Deletion (Verlust) von Nucleotiden. Das verändert meist alle nachfolgenden Aminosäuren.

Bei Chromosomenmutationen sind ganze Chromosomenabschnitte betroffen: Deletion (Verlust), Duplikation (Verdopplung), Inversion (Umkehrung) oder Translokation (Austausch zwischen verschiedenen Chromosomen).

Genommutationen entstehen durch fehlende Chromosomentrennung (Nondisjunction) in der Meiose. Das führt zu Trisomie (ein Chromosom zu viel) oder Monosomie (ein Chromosom zu wenig). Monosomien sind meist tödlich.

Wichtig: Die meisten Mutationen sind schädlich, aber ohne sie gäbe es keine Evolution!

Genwirkketten und Rekombination

Genwirkketten zeigen, dass meist mehrere Gene für ein Merkmal zusammenarbeiten. Wie in einer Kette darf kein Enzym oder Zwischenprodukt defekt sein – sonst entsteht eine Mangelmutante.

Die Meiose produziert aus einer diploiden Zelle vier haploide Gameten. Dabei wird das Erbmaterial ordentlich durchgemischt.

Interchromosomale Rekombination passiert durch die zufällige Verteilung mütterlicher und väterlicher Chromosomen. Zusätzlich vermischen sich bei der Befruchtung zwei zufällige Keimzellen.

Bei der intrachromosomalen Rekombination tauschen homologe Chromosomen beim Crossing-Over Abschnitte aus. Das passiert in der Prophase I durch Überkreuzungen (Chiasmata).

Das Operon-Modell erklärt Genregulation bei Bakterien: Promotor (Start), Operator (Schalter) und Strukturgene (Information) arbeiten zusammen. Bei Substratinduktion schaltet das Substrat die Genexpression an, bei Endproduktrepression schaltet das Endprodukt sie ab.

Merksatz: Rekombination sorgt für genetische Vielfalt – das ist überlebenswichtig!

Genregulation bei Eukaryoten

Epigenetische Regulation verändert die Genexpression ohne die DNA-Sequenz zu ändern. DNA-Methylierung und Histon-Methylierung packen das Chromatin dicht zusammen $Heterochromatin = aus$. Histon-Acetylierung lockert es $Euchromatin = an$.

Transkriptionsfaktoren sind Regulatorproteine am Promotor. Enhancer-Sequenzen verstärken die Transkription, Silencer-Sequenzen hemmen sie.

Alternatives Spleißen ist genial: Ein Gen kann verschiedene Proteine produzieren, je nachdem welche Exons beim Spleißen zusammengefügt werden.

RNA-Interferenz ist ein Schutzmechanismus: siRNA und der RISC-Komplex zerschneiden spezifische mRNAs und verhindern so deren Translation.

Faszinierend: Ein menschliches Gen kann durch alternatives Spleißen über 1000 verschiedene Proteine codieren!

Krebs - Wenn die Kontrolle verloren geht

Krebs entsteht durch Störungen der Genregulation, die zu unkontrollierter Zellteilung führen. Normalerweise regulieren Proto-Onkogene (Gaspedal) und Tumor-Suppressorgene (Bremse) den Zellzyklus.

Proto-Onkogene fördern das Zellwachstum. Bei Krebs mutieren sie zu Onkogenen – das Gaspedal klemmt. Ein Beispiel ist das mutierte Ras-Protein, das permanent Wachstumssignale sendet.

Tumor-Suppressorgene bremsen das Zellwachstum. Das wichtigste ist p53, der "Wächter des Genoms". Mutiert p53, fehlt die Bremse und defekte Zellen teilen sich trotzdem weiter.

Der Zellzyklus läuft normalerweise kontrolliert ab: G₁-Phase (Wachstum), S-Phase $DNA-Replikation$, G₂-Phase (weiteres Wachstum), M-Phase (Mitose). Manche Zellen pausieren in der G₀-Phase.

Wichtig: Krebs ist fast immer eine Kombination aus mehreren Mutationen – eine reicht meist nicht!

Gentechnik - Leben neu programmieren

Gentechnik ermöglicht die künstliche Veränderung von DNA. Die wichtigsten Werkzeuge sind Restriktionsenzyme (genetische Scheren) und DNA-Ligasen (genetischer Klebstoff).

Rekombinante DNA entsteht in fünf Schritten: DNA und Plasmid isolieren, Fremdgen mit Restriktionsenzymen einbauen, in Bakterien übertragen, erfolgreiche Bakterien selektieren und das gewünschte Protein exprimieren lassen.

Die Chancen sind riesig: Produktion von Medikamenten wie Insulin, effizientere Lebensmittelherstellung und Umweltschutz. Bei Menschen könnte man theoretisch alle Erbkrankheiten heilen.

Die Risiken sind aber auch real: Unbeabsichtigte Krankheitserreger, unvorhersehbare Umweltauswirkungen und ethische Probleme wie "Designer-Babys" nach Maß.

Denk daran: Mit großer Macht kommt große Verantwortung – gilt besonders für Gentechnik!

Molekulargenetische Verfahren

Die PCR $Polymerase-Kettenreaktion$ vermehrt DNA millionenfach in drei Schritten: Denaturierung bei 95°C, Primer-Anlagerung und Polymerisation bei 72°C durch hitzeresistente taq-Polymerase.

Die Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach Größe. Die negativ geladenen DNA-Stücke wandern im elektrischen Feld zur positiven Elektrode – kleinere Fragmente schneller als größere.

Der genetische Fingerabdruck nutzt STRs (kurze sich wiederholende Sequenzen), die bei jedem Menschen unterschiedlich oft vorkommen. Das macht jeden eindeutig identifizierbar.

Die DNA-Sequenzierung nach Sanger bestimmt die genaue Basenreihenfolge. Mit speziellen Nucleotiden, die Kettenabbrüche verursachen, entstehen verschieden lange Fragmente, aus denen sich die Sequenz ablesen lässt.

Stammzellen können sich in verschiedene Zelltypen entwickeln. Embryonale sind pluripotent (alles möglich), adulte meist multipotent (auf bestimmtes Gewebe beschränkt).

Aktuell: CRISPR/Cas macht Genbearbeitung so einfach wie Copy-Paste am Computer!

Vererbungsanalysen verstehen

In der Stammbaumanalyse erkennst du Vererbungsmuster: Bei autosomal-dominanten Erbgängen reicht ein defektes Gen zur Krankheit (Aa oder AA), bei rezessiven brauchst du zwei (aa).

X-chromosomale Vererbung betrifft meist Männer stärker, da sie nur ein X-Chromosom haben. Bei X-chromosomal rezessiven Krankheiten sind Frauen oft nur Konduktorinnen (Trägerinnen).

Genkopplung bedeutet, dass Gene auf demselben Chromosom meist zusammen vererbt werden. Durch Crossing-Over kann diese Kopplung aber durchbrochen werden – je weiter Gene auseinander liegen, desto häufiger.

Die Kopplungsbruch-Häufigkeit zeigt dir, wie weit Gene voneinander entfernt sind. 1% Rekombination entspricht etwa einer Karteneinheit (centiMorgan).

Trick: Bei Stammbäumen immer zuerst schauen, ob beide Geschlechter gleich betroffen sind!

Nervenzellen - Die Kommunikationsprofis

Neuronen sind hochspezialisierte Zellen mit charakteristischem Aufbau: Der Zellkörper (Soma) enthält Kern und Stoffwechselzentrum, Dendriten empfangen Signale von anderen Neuronen.

Das Axon leitet elektrische Impulse weiter – bei manchen Neuronen über einen Meter lang! Schwann'sche Zellen umhüllen das Axon mit einer Myelinscheide, die wie eine Isolierung wirkt und die Signalübertragung beschleunigt.

Die Ranvier'schen Schnürringe sind die "freien Stellen" zwischen den Myelinscheiden. Hier springt das elektrische Signal von Ring zu Ring – das nennt man saltatorische Erregungsleitung.

Am Ende sitzen die synaptischen Endknöpfchen, wo die Kommunikation mit der nächsten Zelle stattfindet. Der Axonhügel ist der Startpunkt für die Weiterleitung elektrischer Signale.

Faszinierend: Signale rasen mit bis zu 120 m/s durch myelinisierte Axone – das ist schneller als ein Rennwagen!