DNA-Aufbau und das Watson-Crick-Modell

Stell dir die DNA wie eine spiralförmige Leiter vor - das ist die berühmte Doppelhelix! Die "Holme" bestehen aus Zucker (Desoxyribose) und Phosphat, die "Sprossen" aus vier verschiedenen Basen.

Die vier DNA-Basen haben unterschiedliche Formen: Adenin (A) und Guanin (G) sind größere Purinbasen mit Doppelringen, während Thymin (T) und Cytosin (C) kleinere Pyrimidinbasen mit nur einem Ring sind. Dadurch passen sie perfekt zusammen: A mit T, G mit C.

Nukleotide sind die Grundbausteine - jedes besteht aus Phosphat, Zucker und einer Base. Diese verbinden sich zu langen Ketten mit einer festen Richtung: vom 5'- zum 3'-Ende. Die beiden DNA-Stränge laufen antiparallel - also in entgegengesetzte Richtungen.

💡 Merktipp: Die DNA ist wie ein Reißverschluss - die Zähne (Basen) müssen perfekt zusammenpassen!

Bei der DNA-Replikation gibt es drei theoretische Möglichkeiten: konservativ (alte Stränge bleiben zusammen), semikonservativ (jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neuen Strang) oder dispersiv (alte und neue Teile vermischen sich). In der Realität läuft die Replikation semikonservativ ab.

Der Replikationsprozess

Die DNA-Replikation ist wie eine perfekt organisierte Baustelle, auf der verschiedene Enzyme zusammenarbeiten. Zuerst entwindet die Topoisomerase die DNA-Spirale, dann trennt die Helicase die beiden Stränge wie einen Reißverschluss auf.

Die DNA-Polymerase III ist der Hauptarbeiter, kann aber nur in 5'-zu-3'-Richtung arbeiten. Das schafft ein Problem: Ein Strang (Leitstrang) kann kontinuierlich kopiert werden, der andere (Folgestrang) nur in kleinen Stücken - den Okazaki-Fragmenten.

Die Primase legt erst kleine RNA-Starterstücke (Primer) an, bevor die DNA-Polymerase loslegen kann. Am Ende ersetzt DNA-Polymerase I die Primer durch DNA-Stücke, und die DNA-Ligase klebt alle Fragmente zusammen.

💡 Eselsbrücke: DNA-Polymerase ist wie ein Bauarbeiter, der nur vorwärts gehen kann - deshalb muss der eine Strang rückwärts in Stücken gebaut werden!

Das Ergebnis: Aus einer DNA entstehen zwei identische Kopien, perfekt für die Zellteilung.

Transkription - Von DNA zu mRNA

Die Transkription ist der erste Schritt, um aus dem DNA-Code Proteine zu machen. Dabei wird die genetische Information von der DNA auf die messenger-RNA (mRNA) übertragen - wie das Abschreiben eines Rezepts aus einem Kochbuch.

Bei der Initiation erkennt die RNA-Polymerase spezielle Startsignale (Promotor) auf der DNA. Sie öffnet den Doppelstrang und beginnt, den codogenen Strang in 3'-zu-5'-Richtung abzulesen. Dabei entstehen viele A-T-Basenpaare, die leichter aufzutrennen sind.

In der Elongation läuft die RNA-Polymerase den DNA-Strang entlang und baut die mRNA auf. Wichtig: Statt Thymin verwendet RNA Uracil (U)! Die neue mRNA läuft antiparallel zur DNA in 5'-zu-3'-Richtung.

Die Termination erfolgt, wenn die RNA-Polymerase das Stopp-Signal (Terminator) erreicht. Dann löst sie sich von der DNA, die sich wieder zur Doppelhelix zusammenfügt.

💡 Unterschied DNA/RNA: RNA ist wie eine Arbeitskopie - kürzer, einzelsträngig und mit Uracil statt Thymin!

Die fertige mRNA transportiert nun die genetische Information zu den Ribosomen, wo die Proteinsynthese stattfindet.

Translation - Vom Code zum Protein

Bei der Translation wird der mRNA-Code in eine Aminosäuresequenz übersetzt - das ist wie das Übersetzen einer Fremdsprache! Die Ribosomen sind dabei die Übersetzungsmaschinen mit drei wichtigen Plätzen: A-Stelle (neue Aminosäure), P-Stelle (wachsende Kette) und E-Stelle (Ausgang).

Die Initiation startet am Startcodon AUG auf der mRNA. Die kleine Ribosomen-Untereinheit findet diesen Startpunkt, die Start-tRNA dockt an, und die große Untereinheit vervollständigt das Ribosom. Jetzt kann's losgehen!

In der Elongation wandert das Ribosom Triplett für Triplett über die mRNA. Passende tRNA-Moleküle bringen die richtigen Aminosäuren und werden über ihr Anticodon an die mRNA gekoppelt. Die Aminosäuren werden zur wachsenden Proteinkette verknüpft.

💡 Codon-System: Drei RNA-Basen = ein Codon = eine Aminosäure. Das ist wie ein Dreier-Alphabet für Proteine!

Die Termination erfolgt bei den Stoppcodons UAG, UGA oder UAA. Das fertige Protein wird freigesetzt, und das Ribosom zerfällt wieder in seine Teile - bereit für den nächsten Übersetzungsauftrag.

Besonderheiten bei Eukaryoten

Bei Eukaryoten (Zellen mit Zellkern) läuft die Transkription im Zellkern ab, aber die Translation findet im Cytoplasma statt. Das bedeutet: Die mRNA muss erst den Kern verlassen - aber nicht ohne Bearbeitung!

Das Processing ist wie ein Filmschnitt: Die frisch transkribierte Prä-mRNA enthält sowohl Exons (wichtige codierende Teile) als auch Introns (unwichtige Abschnitte). Die Spleißosomen schneiden die Introns präzise heraus und fügen die Exons zusammen.

Zusätzlich bekommt die mRNA eine Cap-Struktur am 5'-Ende (wie eine Schutzkappe) und einen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende $bis zu 250 Adenin-Nucleotide$. Diese Modifikationen schützen die mRNA vor Abbau und erleichtern den Transport und die Translation.

💡 Alternatives Spleißen: Durch unterschiedliches Zusammenfügen der Exons können aus einem Gen mehrere verschiedene Proteine entstehen!

Das Processing ermöglicht es Eukaryoten, aus weniger Genen mehr verschiedene Proteine zu machen - ein echter Evolutionsvorteil! Erst nach dieser Bearbeitung verlässt die reife mRNA den Zellkern für die Translation.

Ribosomen, tRNA und der genetische Code

Ribosomen sind die Protein-Fabriken der Zelle, bestehend aus großer und kleiner Untereinheit mit ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Bei Eukaryoten sind sie größer als bei Prokaryoten, funktionieren aber nach dem gleichen Prinzip.

Die tRNA $transfer-RNA$ ist wie ein Lieferservice für Aminosäuren. Ihre L-förmige Struktur hat zwei entscheidende Enden: das Anticodon zum Andocken an die mRNA und die CCA-Sequenz zum Tragen der passenden Aminosäure. tRNA-Synthetasen sorgen dafür, dass jede tRNA die richtige Aminosäure bekommt.

Der genetische Code funktioniert als Triplettcode - drei Basen bilden ein Codon für eine Aminosäure. Er ist eindeutig $ein Codon = eine Aminosäure$, aber degeneriert (eine Aminosäure kann mehrere Codons haben). Außerdem ist er kommafrei und überlappungsfrei.

💡 Code-Sonne: Diese Tabelle hilft dir, jedes Basentriplett in die entsprechende Aminosäure zu übersetzen - dein Navigationssystem im genetischen Code!

Der Code ist universell - fast alle Lebewesen verwenden dasselbe System. Das zeigt, dass wir alle verwandt sind und ermöglicht moderne Gentechnik!

Die vier Strukturebenen der Proteine

Proteine bestehen aus über 100 Aminosäuren, die wie Perlen an einer Kette aufgereiht sind. Jede Aminosäure hat ein zentrales C-Atom, eine Aminogruppe (NH₂), eine Carboxylgruppe (COOH) und einen individuellen Rest, der die Eigenschaften bestimmt.

Die Primärstruktur ist die lineare Reihenfolge der Aminosäuren - wie die Buchstabenfolge in einem Wort. Diese Sequenz bestimmt alle weiteren Strukturebenen und damit die Proteinfunktion.

In der Sekundärstruktur entstehen regelmäßige 3D-Formen: die α-Helix (Spirale) und das β-Faltblatt $Zickzack-Struktur$. Wasserstoffbrücken zwischen dem Proteinrückgrat stabilisieren diese Strukturen.

Die Tertiärstruktur ist die komplette 3D-Faltung des Proteins mit unregelmäßigen Bereichen. Verschiedene Bindungen zwischen den Aminosäure-Resten (Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken, Ionenbindungen) halten alles zusammen.

💡 Strukturebenen-Merkhilfe: Primär = Reihenfolge, Sekundär = regelmäßige Formen, Tertiär = komplette Faltung, Quartär = mehrere Ketten zusammen!

Die Quartärstruktur entsteht, wenn mehrere Polypeptidketten zu einem funktionsfähigen Proteinkomplex zusammenkommen - wie ein Team aus verschiedenen Spezialisten.

Aufbau und Vermehrung von Viren

Viren sind die ultimativen Parasiten - sie bestehen nur aus Nukleinsäure (DNA oder RNA, nie beides!) und einer Proteinhülle (Capsid). Manche haben zusätzlich eine Membranhülle mit Spikes zum Andocken an Wirtszellen.

Der klassische lytische Zyklus läuft in fünf Phasen ab: Adsorption $Andocken nach Schlüssel-Schloss-Prinzip$, Injektion (Erbgut gelangt in die Zelle), Latenzphase (Übernahme des Zellstoffwechsels), Reifung (Zusammenbau neuer Viren) und Freisetzung (Zelle platzt).

Das Virus programmiert die Wirtszelle komplett um: Statt eigener Proteine produziert sie nur noch Virusbestandteile. Das Enzym Lysozym baut schließlich die Zellwand ab, etwa 200 neue Viren werden freigesetzt.

💡 Viren-Fakt: Viren sind keine Lebewesen - sie können sich nicht selbst vermehren und brauchen immer einen Wirt!

Viren sind wirtsspezifisch - sie können nur bestimmte Zelltypen infizieren, weil ihre Oberflächenproteine wie Schlüssel zu ganz bestimmten Schlössern (Rezeptoren) passen.

Der lysogene Zyklus

Beim lysogenen Zyklus verhalten sich Viren schlauer - statt die Wirtszelle sofort zu zerstören, verstecken sie sich erstmal! Nach Adsorption und Injektion wird die Virus-DNA als Prophage ins Wirtschromosom integriert.

In der Replikationsphase teilt sich das Bakterium normal und kopiert dabei unwissentlich auch die Virus-DNA mit. So entstehen viele infizierte Zellen, ohne dass der Wirt Schaden nimmt - eine perfekte Tarnstrategie!

Die Induktionsphase wird durch Stress ausgelöst $UV-Strahlung, Chemikalien, Nährstoffmangel$. Plötzlich schneidet sich die Prophagen-DNA aus dem Wirtschromosom heraus und wechselt in den lytischen Zyklus.

💡 Lysogen vs. Lytisch: Lysogen = Versteckspiel, Lytisch = Sofortangriff. Beide Strategien haben evolutionäre Vorteile!

Dieser Zyklus erklärt, warum manche Virusinfektionen "schlummern" und später wieder ausbrechen können. Das Virus wartet auf den perfekten Moment für die Massenproduktion - ziemlich clever für etwas, das nicht mal lebt!

Bakterien - Aufbau und Vermehrung

Bakterien sind die Meister der einfachen Vermehrung! Sie haben nur ein ringförmiges Chromosom (keine komplizierte Kernstruktur) und zusätzlich kleine Plasmide - praktische Extra-DNA-Ringe mit Zusatzfunktionen.

Zur Ausstattung gehören: Zellwand und Zellmembran für Struktur, Ribosomen für Proteinproduktion, Geißeln für Bewegung und manchmal Pili für Genübertragung. Das Nucleoid enthält die Haupt-DNA im Cytoplasma.

Die Vermehrung durch Zweiteilung läuft in fünf Schritten: DNA-Duplikation (Chromosome werden kopiert), DNA-Synthese (zwei identische Sätze entstehen), Zellwachstum (mehr Cytoplasma), Zellteilung (Einkerbung in der Mitte) und Ablösung (zwei identische Tochterzellen).

💡 Bakterien-Speed: Unter optimalen Bedingungen können sich Bakterien alle 20 Minuten teilen - exponentielles Wachstum!

Diese ungeschlechtliche Vermehrung produziert genetisch identische Nachkommen (Klone). Das ist extrem effizient, bietet aber wenig genetische Vielfalt - dafür haben Bakterien andere Tricks wie Plasmidaustausch entwickelt.