DNA-Replikation

Der DNA-Replikation Ablauf ist ein komplexer Prozess, bei dem die DNA verdoppelt wird. An der Replikationsgabel trennt die Helicase die DNA-Stränge reißverschlussartig auf. Dann synthetisiert die Primase kurze RNA-Stücke (Primer), die als Startpunkte dienen.

Die DNA-Polymerase kann Nukleotide nur in 5'-3'-Richtung verknüpfen. Da die DNA-Stränge antiparallel verlaufen, erfolgt die Synthese unterschiedlich: Am Leitstrang (3'-5'-Strang) läuft sie kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel. Am Folgestrang hingegen verläuft sie diskontinuierlich durch Okazaki-Fragmente.

Nach der Synthese eines Okazaki-Fragments entfernt eine andere DNA-Polymerase den RNA-Primer und ersetzt ihn durch DNA-Nukleotide. Die DNA-Ligase verbindet schließlich die einzelnen Okazaki-Fragmente zu einem durchgehenden Strang.

🔍 Wusstest du? Bei der DNA-Replikation entstehen immer ein konservierter Strang (original) und ein neu synthetisierter Strang - das nennt man semikonservative Replikation.

Transkription

Die Transkription findet bei Eukaryoten im Zellkern statt. Dieser Prozess beginnt mit der Bindung der RNA-Polymerase an eine spezifische DNA-Sequenz, den Promotor. Die DNA öffnet sich blasenförmig hinter der Promotor-Region.

Bei der RNA-Synthese wird nur einer der DNA-Stränge (codogener Strang) abgelesen. Die RNA-Polymerase lagert komplementäre Nukleotide in 5'-3'-Richtung an - ohne Primer zu benötigen! Die neu gebildete RNA löst sich von der DNA, während die RNA-Polymerase weiterwandert.

Die Transkription endet, wenn die RNA-Polymerase auf den Terminator trifft. Das Enzym löst sich vom codogenen Strang und setzt die fertige mRNA frei.

Translation und Proteinbiosynthese

Die Translation ist der Prozess, bei dem die genetische Information der mRNA in Proteine übersetzt wird. Ribosomen bestehen aus einer großen und kleinen Untereinheit. Die mRNA lagert sich zunächst an die kleine Untereinheit an und wandert dann in Richtung 3'-Ende, bis sie auf ein Start-Codon (AUG) trifft.

An das Start-Codon bindet die Start-tRNA mit ihrem Anticodon (UAC), die immer die Aminosäure Methionin trägt. Danach lagert sich die große Untereinheit an, und das vollständige Ribosom verfügt über zwei tRNA-Bindungsstellen:

• Die A-Stelle (Eingang) bindet die tRNA, die die nächste Aminosäure anliefert
• Die P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette

Der eigentliche Syntheseprozess läuft so ab: Die Aminosäure der Start-tRNA wird mit der Aminosäure der zweiten tRNA verknüpft. Das Ribosom wandert ein Codon weiter, und die tRNA verlagert sich mit dem Dipeptid von der A-Stelle in die P-Stelle. Durch Wiederholung entsteht die Polypeptidkette.

💡 Merke dir: Bei einem der drei Stopp-Codons (UAG, UGA, UAA) bricht die Kettenverlängerung ab, da für diese keine entsprechenden tRNAs existieren. Das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten, und das fertige Polypeptid wird freigesetzt.

Die Transkription und Translation sind bei Eukaryoten räumlich getrennt: Die Transkription findet im Zellkern statt, während die Translation im Cytoplasma erfolgt. Bei Prokaryoten hingegen können beide Prozesse gleichzeitig ablaufen.

Der genetische Code und tRNA

Die tRNA (Transfer-RNA) spielt eine entscheidende Rolle bei der Translation. Sie enthält ein spezifisches Anticodon, mit dem sie an ein komplementäres Codon der mRNA bindet. Am 3'-Ende der tRNA wird die spezifische Aminosäure gebunden, wobei die korrekte Auswahl durch das Enzym tRNA-Synthetase erfolgt.

Der genetische Code ist die in der DNA-Basensequenz verschlüsselte Information zur Bildung von Aminosäuren. Er hat wichtige Eigenschaften:

• Er ist ein Triplett-Code – jeweils drei Basen (Codon) codieren für eine Aminosäure
• Er ist degeneriert – eine Aminosäure kann durch mehrere verschiedene Codons bestimmt werden
• Er ist kommafrei – die Codons schließen lückenlos aneinander an
• Er ist nicht überlappend – eine Base ist immer nur Teil eines Codons
• Er ist universell – alle Lebewesen nutzen denselben genetischen Code

Die Code-Sonne zeigt die eindeutige Zuordnung der Basentripletts zu den Aminosäuren. Sie wird von innen nach außen (5'-3'-Richtung) gelesen. Von den 64 möglichen Kombinationen codieren 61 für Aminosäuren und 3 sind Stopp-Codons, die die Proteinbiosynthese beenden.

🧬 Wichtig für Klausuren: Der universelle genetische Code bedeutet, dass die DNA eines Organismus theoretisch von jedem anderen Organismus "verstanden" werden kann – das ist die Grundlage der Gentechnik!

Bei der Kontinuierlichen und diskontinuierlichen Replikation entstehen zwei unterschiedliche Synthesemechanismen, da die DNA-Polymerase nur in 5'-3'-Richtung arbeiten kann, während die DNA-Stränge antiparallel angeordnet sind.

DNA und RNA im Vergleich

DNA und RNA unterscheiden sich in mehreren wichtigen Aspekten:

RNA-Prozessierung und alternatives Spleißen

Nach der Transkription durchläuft die RNA bei Eukaryoten noch verschiedene Modifikationen, bevor sie als fertige mRNA für die Translation bereitsteht. Diese RNA-Prozessierung umfasst mehrere wichtige Schritte:

1. Capping: Am 5'-Ende wird ein modifiziertes Guanin-Nukleotid angebunden, das wie eine Kappe schützt. Dies erfolgt co-transkriptionell (während der Transkription).

2. Polyadenylierung: Das 3'-Ende wird durch einen Poly-A-Schwanz aus 50-200 Adeninnukleotiden geschützt. Dies geschieht post-transkriptionell.

3. RNA-Editing: Nukleotide werden entfernt/eingefügt oder chemisch verändert, was verschiedene Proteinsynthesen ermöglicht.

4. Spleißen: Nicht-codierende Introns werden herausgeschnitten und Exons zusammengefügt. Dies übernimmt ein großer Enzymkomplex, das Spleißosom.

🔍 Prüfungstipp: Capping und Polyadenylierung sind nicht nur Schutzmaßnahmen, sondern auch Reifungssignale, damit die mRNA ins Cytoplasma transportiert werden kann und Ribosomen am 5'-Ende binden können!

Nach Abschluss aller vier Schritte erfolgt der Export der fertigen mRNA ins Cytoplasma.

Alternatives Spleißen

Beim alternativen Spleißen werden nicht nur Introns, sondern auch bestimmte Exons aus der prä-mRNA entfernt. Dadurch können aus einer einzigen DNA-Sequenz verschiedene reife mRNA-Moleküle und somit unterschiedliche Proteine entstehen.

Die aus dem alternativen Spleißen resultierenden Proteine haben unterschiedliche Primärstrukturen, was sich auch auf ihre Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur auswirkt. Dies führt zu Proteinen mit verschiedenen Eigenschaften und Funktionen – ein wichtiger Mechanismus, der die Komplexität des Proteoms erhöht.

Der Ablauf des alternativen Spleißens:

1. Durch Transkription entsteht zunächst die prä-mRNA mit Introns und Exons
2. Beim Spleißen werden die Introns entfernt
3. Beim alternativen Spleißen werden zusätzlich bestimmte Exons entfernt
4. Es entstehen verschiedene reife mRNA-Moleküle
5. Diese werden zu unterschiedlichen Proteinen translatiert

Vergleich Prokaryoten und Eukaryoten

Prokaryoten und Eukaryoten unterscheiden sich deutlich in ihren Genexpressionsverfahren:

Prokaryoten:

• Keine RNA-Prozessierung – kurzlebigere RNA durch ungeschützte Enden
• Schnellere Proteinproduktion, da die DNA frei im Cytoplasma liegt
• Kein Spleißen, da Introns fehlen
• Transkription und Translation laufen gleichzeitig im Cytoplasma ab

💡 Wichtig zu wissen: Bei Prokaryoten kann die Translation bereits beginnen, während die Transkription noch läuft! Diese Effizienz ermöglicht ihre schnelle Vermehrung.

Eukaryoten:

• Umfangreiche RNA-Prozessierung mit 5'-Cap-Struktur, Poly-A-Schwanz, Editing und Spleißen
• Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma (räumlich getrennt)
• Alternative Spleißvorgänge erhöhen die Proteinvielfalt

Strukturelle und funktionelle Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten

Die DNA-Replikation und Proteinbiosynthese unterscheiden sich bei Prokaryoten und Eukaryoten in mehreren wichtigen Aspekten:

Prokaryoten:

• Ringförmiges Chromosom ohne Histone
• Häufig zusätzliche Plasmide
• In der Regel keine Exons und Introns
• 70S-Ribosomen
• Transkription und Translation im Cytoplasma, wobei die Translation vor Ende der Transkription beginnen kann

Eukaryoten:

• Mehrere lineare Chromosomen im Zellkern mit Histonen
• Ringförmige DNA in Mitochondrien und Plastiden
• Exons und Introns normalerweise vorhanden
• 80S-Ribosomen (70S in Mitochondrien und Chloroplasten)
• Räumlich und zeitlich getrennte Transkription und Translation

Genmutationen

Mutationen können auf verschiedenen Ebenen auftreten:

Chromosomenmutationen verändern die Struktur einzelner Chromosomen:

• Deletion: Verlust eines Chromosomenabschnitts
• Inversion: Ein Abschnitt wird umgekehrt wieder eingefügt
• Translokation: Austausch von Abschnitten zwischen nicht-homologen Chromosomen
• Duplikation: Verdopplung eines Chromosomenabschnitts

Diese Mutationen können zu schwerwiegenden Erkrankungen oder Fehlbildungen führen. Während Translokationen und Inversionen oft keine drastischen Auswirkungen haben, da sich nur die Position ändert, können Deletionen und Duplikationen zum Absterben der Zelle führen.

⚠️ Merke dir: Genmutationen in Keimzellen können an nachfolgende Generationen weitergegeben werden, während somatische Mutationen nur die betroffene Zelle und ihre Nachkommen betreffen!

Genommutationen verändern die Chromosomenzahl:

• Polyploidie: Chromosomen liegen mehrfach vor
• Aneuploidie: Einzelne Chromosomen sind vermehrt oder vermindert

Genmutationen betreffen einzelne Gene und umfassen:

• Stumme Mutation: Ändert die Basensequenz, aber nicht die Aminosäure
• Missense-Mutation: Führt zum Einbau einer anderen Aminosäure
• Nonsense-Mutation: Erzeugt ein vorzeitiges Stoppsignal
• Rasterschubmutation: Insertion oder Deletion von Basenpaaren verschiebt das Leseraster

Genetischer Fingerabdruck und DNA-Analyse

Der genetische Fingerabdruck ist eine wichtige Methode zur Identifizierung von Personen anhand ihrer DNA. Zwei wichtige Verfahren sind die STR-Methode und die RFLP-Methode.

Die STR-Methode (Short Tandem Repeats) basiert auf kurzen DNA-Sequenzen, die sich wiederholen:

• Die Wiederholungen liegen in nicht-codierenden Bereichen (Introns)
• Die Anzahl der Wiederholungen variiert von Person zu Person
• Mehrere STR-Genorte (Loki) werden kombiniert, um die Genauigkeit zu erhöhen
• Die isolierte DNA wird mittels PCR vervielfältigt und durch Gelelektrophorese analysiert

Die RFLP-Methode (Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismen):

• Die isolierte DNA wird durch PCR vervielfältigt
• Restriktionsenzyme schneiden die DNA an spezifischen Stellen
• Man erhält unterschiedlich lange Fragmente
• Die Gelelektrophorese macht das individuelle Fragmentmuster sichtbar

🧪 Anwendungsbeispiele: Der genetische Fingerabdruck wird für Vaterschaftstests, Vergleich von Tatortspuren mit Verdächtigen-DNA und Identifikation von Toten eingesetzt.

Die Transkription bei Prokaryoten und Eukaryoten unterscheidet sich deutlich. Bei Prokaryoten erfolgt die Transkription im Cytoplasma und kann gleichzeitig mit der Translation stattfinden. Bei Eukaryoten hingegen läuft die Transkription im Zellkern ab, und die Transkription und Translation sind räumlich und zeitlich getrennt.

Für beide Organismen gilt: Die Transkription Phasen umfassen Initiation (Beginn an einem Promotor), Elongation (Verlängerung der RNA) und Termination (Abschluss).

PCR-Methode und Gelelektrophorese

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine wichtige Methode zur Vervielfältigung von DNA-Abschnitten. Sie läuft in drei Schritten ab, die in einem Thermocycler durchgeführt werden:

1. Denaturierung: Bei 95°C trennt sich die DNA-Doppelhelix in Einzelstränge
2. Hybridisierung (Annealing): Bei etwa 60°C lagern sich DNA-Primer an die Einzelstränge an
3. Polymerisation: Bei 72°C (Temperaturoptimum der Taq-Polymerase) erfolgt die DNA-Synthese

Dieser Zyklus wiederholt sich typischerweise 20-30 Mal. Nach 20 Zyklen erhält man über eine Million DNA-Kopien des gewünschten Abschnitts. Die Taq-Polymerase ist ein hitzestabiles Enzym, das aus dem Bakterium Thermus aquaticus isoliert wurde.

Die Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach ihrer Größe:

• Das Gel wirkt wie ein Sieb – kleine DNA-Fragmente wandern schneller zum Pluspol
• Es entstehen Banden, die durch Färbung mit Ethidiumbromid oder unter UV-Strahlung sichtbar werden
• Zum Größenvergleich lässt man DNA-Fragmente bekannter Größe mitlaufen

🔍 Wichtig für die Praxis: Die PCR-Methode erlaubt es, aus minimalen DNA-Mengen ausreichend Material für Analysen zu gewinnen. Das macht sie unverzichtbar für forensische Untersuchungen, wo oft nur Spuren von DNA vorhanden sind.

Die DNA-Replikation Enzyme wie die Taq-Polymerase sind für diese Techniken entscheidend. Die Kombination aus PCR und Gelelektrophorese bildet die Grundlage für viele moderne molekularbiologische Analysen, von der Gendiagnostik bis zur evolutionären Forschung.

Wichtige Fachbegriffe der Molekularbiologie

Bei der DNA-Replikation sind folgende Enzyme wichtig:

• Primase: Synthetisiert die RNA-Primer
• DNA-Polymerase: Heftet Nukleotide an das 3'-Ende des Primers; ersetzt RNA-Nukleotide durch DNA-Nukleotide
• DNA-Ligase: Verknüpft die aufeinanderfolgenden Okazaki-Fragmente
• Helicase: Entwindet den DNA-Doppelstrang und trennt ihn in Einzelstränge

Weitere wichtige Begriffe:

• Okazaki-Fragment: Kurzes DNA-Fragment bei der diskontinuierlichen Replikation
• Primer: Starter-Molekül für die DNA-Polymerase
• Wasserstoffbrückenbindungen: Halten beide DNA-Stränge zusammen
• Promotor: Startsignal, wird nicht kopiert
• Terminator: Stoppsignal, führt zum Transkriptions-Abbruch

RNA-Typen:

• mRNA: Trägt die Bauleitung für Proteine; kann mehrfach translatiert werden
• rRNA: Beteiligt am Aufbau und der Funktion der Ribosomen
• tRNA: Transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen

Genetischer Code:

• Codon: Abfolge von drei Basen auf der mRNA (5'-3'-Richtung)
• Anticodon: Komplementäre Sequenz der tRNA zum Codon
• Introns: Nicht-codierende Bereiche
• Exons: Codierende Bereiche

💡 Prüfungstipp: Der DNA-Replikation Ablauf lässt sich in drei Hauptphasen einteilen: Initiierung (Öffnung der DNA), Elongation (Verlängerung der neuen Stränge) und Termination (Abschluss der Replikation).

Genetische Analyse:

• Restriktionsenzym: Schneidet die DNA an bestimmten Basensequenzen
• Sticky ends: Versetzte Schnittstellen, die überhängende Enden erzeugen