DNA-Aufbau und Grundlagen

Die DNA-Doppelhelix ist wie eine verdrehte Leiter aufgebaut - außen die Phosphat-Zucker-Kette, innen die Basenpaarungen. Die beiden Stränge laufen antiparallel zueinander (einer von 3' zu 5', der andere von 5' zu 3').

Bei den Basen unterscheidest du zwischen Purinen $Adenin und Guanin - die großen$ und Pyrimidinen $Thymin und Cytosin - die kleinen$. Diese paaren sich immer komplementär: A mit T, G mit C.

DNA-Nucleotide sind die Grundbausteine und bestehen aus drei Komponenten: Zucker (Desoxyribose), Phosphat und einer der vier Basen. Der genetische Code wird in Tripletts (Codons) gelesen - je drei Basen codieren für eine Aminosäure.

Merktipp: Purine sind die "großen" Basen (Adenin, Guanin), Pyrimidine die "kleinen" (Thymin, Cytosin)

Genmutationen

Stumme Mutationen sind Veränderungen der DNA, die keine Auswirkungen auf das entstehende Protein haben. Das passiert, weil der genetische Code degeneriert ist - mehrere Codons können für dieselbe Aminosäure stehen.

Diese Mutationen treten spontan auf oder werden durch Chemikalien und Strahlung ausgelöst. Sie sind evolutionär wichtig, weil sie Variabilität schaffen, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.

Der Grund für ihre "Stummheit" liegt im Wobble-Effekt: Die dritte Position eines Codons kann oft verändert werden, ohne dass sich die Aminosäure ändert.

Gut zu wissen: Stumme Mutationen machen etwa 25% aller Punktmutationen aus - die DNA ist also ziemlich fehlertolerant!

Deletion und Insertion

Deletion bedeutet, dass Nucleotidpaare aus der DNA verloren gehen. Das verschiebt den gesamten Leseraster und führt zu völlig anderen Aminosäuresequenzen ab der Mutationsstelle.

Insertion ist das Gegenteil - zusätzliche Nucleotidpaare werden eingefügt. Auch hier wird der Triplett-Takt verschoben, was meist zu funktionslosen Proteinen führt.

Beide Mutationstypen sind besonders problematisch, weil sie Frameshift-Mutationen verursachen. Anders als Punktmutationen betreffen sie nicht nur eine Aminosäure, sondern das gesamte nachfolgende Protein.

Die Translation übersetzt mRNA in Polypeptide an den Ribosomen. tRNA-Moleküle bringen dabei die passenden Aminosäuren und werden spezifisch von tRNA-Synthasen beladen.

Wichtig für die Klausur: Frameshift-Mutationen sind meist schwerwiegender als Punktmutationen!

Translation und Transkription

Die Translation läuft in drei Phasen ab: Initiation $Start am AUG-Codon$, Elongation (Ribosom wandert von Codon zu Codon) und Termination (Stopp an Stoppcodons). Das Ribosom hat drei Bindungsstellen: A, P und E.

Bei der Transkription wird DNA in RNA umgeschrieben. Die RNA-Polymerase bindet am Promotor $TATA-Box$, liest den Matrizenstrang ab und synthetisiert RNA in 5'-3'-Richtung.

Die DNA-Replikation erfolgt semikonservativ - jeder neue Doppelstrang enthält einen alten und einen neuen Strang. Wichtige Enzyme: Helicase (trennt die Stränge), Primase $setzt RNA-Primer$ und DNA-Polymerase (fügt Nucleotide hinzu).

Eselsbrücke: RNA-Polymerase braucht keinen Primer, DNA-Polymerase schon!

DNA-Replikation und eukaryotische Besonderheiten

Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, der Folgestrang diskontinuierlich über Okazaki-Fragmente. Die DNA-Polymerase kann nämlich nur in 5'-3'-Richtung arbeiten.

Bei Eukaryoten ist die Proteinbiosynthese komplexer: Introns $nicht-codierende Bereiche$ werden herausgespleißt, Exons (codierende Bereiche) zusammengefügt. Diese Mosaikgene erfordern eine RNA-Prozessierung.

Die mRNA-Reifung umfasst drei Schritte: Spleißen (Introns entfernen), 5'-Capping (Schutzkappe) und Polyadenylierung $Poly-A-Schwanz$. Diese Modifikationen schützen die mRNA und verlängern ihre Lebensdauer erheblich.

Merke: Prokaryoten haben keine Introns - deren mRNA ist sofort fertig!

RNA-Prozessierung und Hybridisierung

Alternatives Spleißen erhöht die Proteinvielfalt enorm - aus einem Gen können verschiedene Proteine entstehen, je nachdem welche Exons kombiniert werden. Das erklärt, warum Menschen mit nur 20.000 Genen über 100.000 verschiedene Proteine herstellen können.

Hybridisierung nutzt die Komplementarität der DNA-Stränge: Bei hoher Temperatur trennen sich die Stränge (Denaturierung), beim Abkühlen lagern sie sich wieder zusammen (Renaturierung). Je ähnlicher die Sequenzen, desto höher der Schmelzpunkt.

Diese Technik wird genutzt, um Verwandtschaftsverhältnisse zu bestimmen oder bestimmte DNA-Abschnitte zu identifizieren. Das Editing kann sogar einzelne Nucleotide in der mRNA verändern.

Praktischer Nutzen: DNA-Hybridisierung wird in Corona-Tests und Vaterschaftstests verwendet!

Epigenetik und Genregulation

Epigenetik zeigt, wie Umwelteinflüsse Gene an- und ausschalten, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Stress kann buchstäblich Gene regulieren und diese Veränderungen sogar vererbt werden.

Chromosomenterritorien teilen den Zellkern auf: Euchromatin (locker gepackt, aktiv) liegt innen, Heterochromatin (dicht gepackt, inaktiv) außen. Transkriptionsfaktoren binden an Enhancer (verstärken) oder Silencer (schwächen) und regulieren so die Genexpression.

Die Genregulation bei Eukaryoten ist mehrstufig und ermöglicht es, aus identischen Zellen verschiedene Gewebe zu entwickeln. Jede Zelle hat dieselbe DNA, aber verschiedene Gene sind aktiv.

Faszinierend: Eineiige Zwillinge können durch epigenetische Unterschiede verschiedene Krankheitsrisiken haben!

DNA-Modifikationen und RNA-Interference

DNA-Methylierung schaltet Gene durch Anhängen von Methylgruppen an Cytosin aus - die DNA wird dichter gepackt (Heterochromatin). DNA-Acetylierung macht das Gegenteil: Acetylgruppen lockern das Chromatin (Euchromatin) und aktivieren Gene.

RNA-Interference ist ein raffinierter Mechanismus: siRNA und miRNA können spezifisch mRNAs zerstören oder blockieren. Das RISC-System erkennt komplementäre Sequenzen und schaltet gezielt Gene stumm.

Dieser Gene-Silencing-Mechanismus schützt vor Viren und reguliert die Genexpression. Er wird auch therapeutisch genutzt - die erste RNA-Interferenz-Therapie ist bereits zugelassen.

Zukunftstechnologie: RNA-Interference könnte revolutionäre Therapien gegen Krebs und Erbkrankheiten ermöglichen!

RNA-Typen und DNA-Sequenzierung

mRNA überträgt Erbinformation, tRNA transportiert Aminosäuren, rRNA bildet Ribosomen und siRNA/miRNA regulieren Gene. Jeder RNA-Typ hat seine spezielle Funktion im Zellstoffwechsel.

Die Sanger-Sequenzierung funktioniert über Kettenabbruch: DNA wird denaturiert, Primer angelagert und mit speziellen Abbruch-Nucleotiden (ddNTPs) synthetisiert. Verschiedenfarbige Fragmente zeigen die Basenabfolge.

Die Shotgun-Methode zerlegt DNA zufällig in Fragmente, sequenziert diese einzeln und fügt sie per Computer zusammen. Diese Methode war entscheidend für das Human-Genom-Projekt.

Technischer Durchbruch: Moderne Sequenzierer können ein ganzes menschliches Genom in wenigen Stunden lesen!

DNA-Chips und PCR

DNA-Chips sind wie molekulare Stadtpläne: Tausende DNA-Sonden auf einem Chip erkennen spezifische Sequenzen. Kranke und gesunde Zellen werden mit verschiedenen Farbstoffen markiert - grün für gesund, rot für krank.

cDNA (aus reifer mRNA synthetisiert) wird auf den Chip aufgetragen. Komplementäre Bindungen erzeugen Farbsignale, die Genaktivitäten sichtbar machen. So können Krankheiten diagnostiziert oder Medikamentenwirkungen getestet werden.

Die PCR $Polymerase-Kettenreaktion$ vervielfältigt DNA millionenfach: Denaturierung (95°C), Hybridisierung $50-60°C$ für Primer-Anlagerung, dann Synthese. Dieser Zyklus wird 25-40 Mal wiederholt.

Alltag: Ohne PCR gäbe es keine Corona-Tests, keine Kriminalistik und keine Vaterschaftstests!