DNA - Der Bauplan des Lebens

Stell dir vor, deine DNA ist wie eine riesige Bibliothek voller Anleitungen - nur dass sie extrem klein zusammengeknäult in deinem Zellkern liegt. Die DNA-Struktur ist genial einfach: Sie besteht aus Nukleotiden (den Bausteinen) mit jeweils einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer von vier Basen.

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip sorgt dafür, dass immer die richtigen Basen zusammenpassen: Adenin mit Thymin (2 Wasserstoffbrücken) und Cytosin mit Guanin (3 Wasserstoffbrücken). Deshalb kommen diese Basenpaare auch immer gleich häufig vor.

Die berühmte Doppelhelix entsteht, weil sich zwei antiparallele Stränge umeinander winden - einer läuft von 5' zu 3', der andere von 3' zu 5'. Die Phosphat- und Zuckerreste bilden das "Rückgrat", während die Basen nach innen zeigen und Paare bilden.

Merktipp: Die DNA-Richtung ist wie eine Einbahnstraße - Verlängerung passiert immer nur am 3'-Ende!

DNA-Replikation - Perfekte Kopien erstellen

Bevor sich eine Zelle teilt, muss sie ihre komplette DNA verdoppeln - und das passiert mit beeindruckender Präzision! Die DNA-Replikation läuft wie eine gut geölte Maschine ab.

Zuerst entspiralisiert die Topoisomerase die Helix, dann trennt die Helicase die beiden Stränge. Die DNA-Polymerase kann nur in 5'-3'-Richtung arbeiten, deshalb wird der Leitstrang kontinuierlich synthetisiert, während der Folgestrang diskontinuierlich in kleinen Stücken entsteht.

Diese kleinen Stücke heißen Okazaki-Fragmente und werden später von der Ligase zusammengeklebt. Am Ende entstehen zwei identische DNA-Moleküle, die jeweils aus einem alten und einem neuen Strang bestehen - deshalb heißt's semikonservative Replikation.

Klausurtipp: Die Enzyme haben spezifische Aufgaben - Helicase trennt, Polymerase baut auf, Ligase klebt zusammen!

Transkription - Von DNA zu RNA

Jetzt wird's richtig spannend: Wie kommt die Info aus dem Zellkern zu den Proteinfabriken? Durch die Transkription wird ein DNA-Abschnitt in mRNA umgeschrieben - wie eine Fotokopie des Bauplans.

Die RNA-Polymerase dockt am Promotor an und arbeitet sich von 5' zu 3' durch den DNA-Strang. Dabei entstehen komplementäre RNA-Nukleotide, nur dass Uracil statt Thymin verwendet wird. Der Prozess läuft in drei Phasen: Initiation (Start am Promotor), Elongation (RNA wird aufgebaut) und Termination (Stopp an der Terminatorsequenz).

Das Ergebnis ist eine mRNA, die eine exakte Kopie des Gens darstellt und bereit für den Transport zu den Ribosomen ist. Bei Eukaryoten muss die mRNA noch durch Spleißen bearbeitet werden.

Praxistipp: RNA unterscheidet sich von DNA durch Uracil statt Thymin und ist einzelsträngig!

Translation - Proteine herstellen

Hier passiert das eigentliche Wunder: Aus der Buchstabensprache der mRNA werden echte Proteine! Die Translation läuft an den Ribosomen ab, mit tRNA als cleveren Übersetzern.

Das Ribosom hat drei wichtige Stellen: P-Stelle (hier sitzt die wachsende Proteinkette), A-Stelle (hier kommt die nächste Aminosäure an) und E-Stelle (hier verlassen leere tRNAs das Ribosom). Jede tRNA trägt eine spezifische Aminosäure und hat ein Anticodon, das zum Codon der mRNA passt.

Der Prozess startet am Startcodon AUG und läuft, bis ein Stoppcodon erreicht wird. Dabei entstehen Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren, und am Ende haben wir ein fertiges Protein in seiner Primärstruktur.

Genwirkketten zeigen, wie mehrere Gene zusammenarbeiten: Ein Enzym produziert ein Zwischenprodukt, das nächste Enzym verarbeitet es weiter, bis das Endprodukt entsteht.

Merkhilfe: Ein Codon = drei Basen = eine Aminosäure. So einfach ist der genetische Code!

Labormethoden - DNA sichtbar machen

Im Labor kannst du DNA-Fragmente trennen und vervielfältigen - das ist wie CSI für Biologen! Die Gelelektrophorese nutzt die negative Ladung der DNA: In einem elektrischen Feld wandern kleine Fragmente schneller durch das Gel als große.

Das Gel wirkt wie ein Molekülsieb - kleinere DNA-Stücke schlüpfen leichter durch die Poren und kommen weiter voran. Am Ende entstehen Banden in verschiedenen Höhen, die du einfärben kannst, um sie sichtbar zu machen.

Mangelmutanten entstehen, wenn ein Enzym in einer Genwirkkette ausfällt - dann kann ein bestimmtes Stoffwechselprodukt nicht mehr hergestellt werden. Das zeigt, wie wichtig jedes einzelne Gen für den gesamten Stoffwechsel ist.

Laborpraxis: Je weiter eine Bande gewandert ist, desto kleiner ist das DNA-Fragment!

PCR - DNA vervielfältigen

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist wie ein DNA-Kopierer, der aus winzigen Mengen millionenfache Kopien macht! Das läuft in drei sich wiederholenden Schritten ab.

Denaturierung bei 95°C trennt die DNA-Stränge, Hybridisierung bei 55°C lässt die Primer an die gewünschten Stellen andocken, und Polymerisierung bei 70°C lässt die Taq-Polymerase neue Stränge aufbauen. Diese hitzebeständige Polymerase macht den ganzen Prozess erst möglich.

Nach 30 Zyklen hast du über eine Milliarde Kopien! PCR wird für Vaterschaftstests, Krankheitsdiagnosen und genetische Fingerabdrücke verwendet.

Anwendung: Mit PCR kann man sogar aus einem einzigen Haar DNA für forensische Untersuchungen gewinnen!

Genetischer Code und Mutationen

Der genetische Code ist das Übersetzungsbuch des Lebens: Jeweils drei Basen (Codon) codieren für eine Aminosäure. Er ist universell (gilt für fast alle Lebewesen), eindeutig $ein Codon = eine Aminosäure$ und degeneriert (eine Aminosäure kann durch mehrere Codons codiert werden).

Mutationen können unterschiedliche Folgen haben: Stumme Mutationen ändern nichts am Protein, Missense-Mutationen bauen eine falsche Aminosäure ein, und Nonsense-Mutationen führen zu einem vorzeitigen Stopp.

Der genetische Fingerabdruck nutzt nicht-codierende DNA-Bereiche mit repetitiven Sequenzen (STRs). Jeder Mensch hat unterschiedlich viele Wiederholungen dieser Sequenzen - das macht jeden genetisch einzigartig.

Faszinierend: 98% unserer DNA codiert gar keine Proteine, aber gerade diese Bereiche machen uns einzigartig!

Spleißen und Genregulation

Bei Eukaryoten ist die Proteinherstellung komplexer: Die prä-mRNA muss erst bearbeitet werden! Beim Spleißen schneiden Spleißosome die Introns $nicht-codierende Bereiche$ heraus und fügen die Exons (codierende Bereiche) zur reifen mRNA zusammen.

Alternatives Spleißen ist genial: Aus derselben prä-mRNA können verschiedene mRNAs und damit verschiedene Proteine entstehen - wie aus einem Baukasten verschiedene Modelle.

Die Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese erklärt, dass jedes Gen für eine spezifische Aminosäurekette codiert. Da viele Proteine aus mehreren Ketten bestehen, ist diese Sichtweise präziser als die alte "Ein-Gen-ein-Enzym"-Hypothese.

Effizienz: Durch alternatives Spleißen können Menschen mit nur ~20.000 Genen über 100.000 verschiedene Proteine herstellen!

Historische Experimente

Griffiths Transformationsexperiment war ein Meilenstein: Er arbeitete mit S-Bakterien (virulent, mit Kapsel) und R-Bakterien (harmlos, ohne Kapsel). Als er Mäuse mit lebenden R-Bakterien und hitzegetöteten S-Bakterien infizierte, starben sie trotzdem - die harmlosen Bakterien waren transformiert worden!

Das bewies, dass eine "Transformationssubstanz" von den toten S-Bakterien auf die lebenden R-Bakterien übertragen wurde. Aber was war diese geheimnisvolle Substanz?

Averys Experiment löste das Rätsel: Er behandelte das Bakteriengemisch mit verschiedenen Enzymen. Nur wenn DNA zerstört wurde, blieb die Transformation aus. Proteinabbau oder RNA-Abbau störten sie nicht.

Durchbruch: Avery bewies 1944, dass DNA - nicht Protein - der Träger der Erbinformation ist!

Die DNA als Erbträger - Beweis erbracht

Averys cleveres Experiment war der entscheidende Beweis: Wenn Protease (baut Proteine ab) oder Ribonuklease (baut RNA ab) zugesetzt wurde, funktionierte die Transformation weiterhin. Nur Desoxyribonuklease (baut DNA ab) stoppte sie komplett.

Das war revolutionär! Bis dahin dachten viele Wissenschaftler, Proteine seien die Erbträger, weil sie so vielfältig sind. Aber Averys Experiment zeigte eindeutig: DNA ist der Träger des Erbguts.

Diese Erkenntnis legte den Grundstein für die gesamte moderne Genetik - von der Aufklärung der DNA-Struktur durch Watson und Crick bis hin zu heutigen Gentechnologien.

Wendepunkt: Ohne Averys Beweis hätte die Molekularbiologie einen ganz anderen Verlauf genommen!