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Molekulare Grundlagen der Vererbung

DNA ist bei den meisten Lebewesen das Erbmaterial (manche Viren nutzen RNA). Sie ist eine Doppelhelix: zwei gegenläufige Stränge aus Nukleotiden. A paart sich mit T über 2 Wasserstoffbrücken, G mit C über 3. Die lange DNA wird um Histone zu Nukleosomen und dann zu Chromatin verpackt. Die DNA verdoppelt sich semikonservativ (Meselson–Stahl). Das zentrale Dogma sagt: DNA → RNA → Protein. Bei der Transkription wird von einem Strang RNA gebildet; bei Eukaryoten erhält die hnRNA eine Kappe und einen Schwanz und wird gespleißt. Der genetische Code ist ein Triplett-Code mit 64 Codons (61 für Aminosäuren, 3 Stopp-Codons), beginnt mit AUG, ist fast universell und degeneriert. Ribosomen übersetzen die mRNA mithilfe von tRNA-Adaptern in Protein. Gene werden an- und abgeschaltet; das Lac-Operon ist das klassische Beispiel. Das Humangenomprojekt und das Reisgenomprojekt lasen ganze Genome, und der genetische Fingerabdruck nutzt Wiederholungs-DNA (VNTRs), um Menschen zu identifizieren.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. DNA ist eine gedrehte Leiter. Die Holme bestehen aus Zucker und Phosphat, die Sprossen sind Basenpaare. A verbindet sich immer mit T, G immer mit C. Die Stränge laufen in entgegengesetzte Richtungen: 5′→3′ und 3′→5′.
  2. Die DNA einer menschlichen Zelle ist etwa 2,2 m lang. Sie wickelt sich um Histon-Kügelchen zu Nukleosomen („Perlen an der Schnur“) und wird dann noch enger zu Chromatin und Chromosomen gewickelt.
  3. Replikation: Die Leiter öffnet sich wie ein Reißverschluss. Jeder alte Strang ist die Vorlage für einen neuen Partner. Jede Tochter-DNA hat 1 alten + 1 neuen Strang: semikonservativ.
  4. Transkription: Nur ein Strang (der Matrizenstrang) wird in mRNA abgeschrieben. RNA hat U statt T, also wird aus A in der DNA ein U in der RNA.
  5. Translation: Das Ribosom liest die mRNA in Dreierbuchstaben. Jedes Codon bringt eine Aminosäure. AUG startet; UAA, UAG, UGA stoppen.
  6. Freies Spiel: Wähle eine DNA-Sequenz und eine Ansicht. Sage den Partnerstrang, die mRNA und die Aminosäuren voraus und prüfe dann die Anzeige.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum paart sich A nur mit T und nicht mit C?

A (ein Purin) und T (ein Pyrimidin) passen in dieselbe Breite und bilden 2 Wasserstoffbrücken. A–C würde nicht zum Muster der H-Brücken passen. Achte in Schritt 0 auf die passenden Farben.

Wie passen 2 m DNA in einen winzigen Zellkern?

Sie wickelt sich um Histon-Kügelchen (Nukleosomen) und wird dann immer wieder weiter gewickelt. Schritt 1 zeigt, wie die Leiter auf die Kügelchen schrumpft.

Warum heißt die Replikation semikonservativ?

Jede neue DNA behält einen alten Strang (dunkel) und bekommt einen neuen Strang (hell). Nichts ist ganz alt oder ganz neu.

Wenn beide Stränge Information tragen, warum wird bei der Transkription nur einer kopiert?

Würden beide kopiert, würden sich die zwei RNAs miteinander paaren und doppelsträngige RNA bilden, und aus einem Gen entstünden zwei verschiedene Proteine. Darum ist ein Strang die Matrize.

Warum wird der Code in Dreiergruppen gelesen?

Mit 4 Basen ergeben Paare nur 16 Kombinationen, zu wenig für 20 Aminosäuren. Tripletts ergeben 64. Schritt 4 gruppiert die mRNA in Dreiergruppen.

Wie finde ich schnell die mRNA aus dem codierenden Strang?

Schreibe einfach den codierenden Strang ab und ersetze jedes T durch U. Probiere es im freien Spiel und vergleiche mit der Anzeige.

DNA als Erbmaterial

Griffith (1928), Transformation: Lebende, harmlose R-Typ-Streptococcus pneumoniae + hitzegetötete, tödliche S-Typ-Bakterien → die Mäuse starben, und man fand lebende S-Bakterien. Etwas aus den toten S-Zellen hatte R in S „umgewandelt“.

Avery, MacLeod und McCarty (1944): Sie zerstörten nacheinander Bestandteile des S-Extrakts. Eiweiß abbauende Enzyme (Proteasen) und RNase stoppten die Transformation nicht; DNase schon. Also war der Wirkstoff die DNA.

Hershey und Chase (1952): Sie züchteten Bakteriophagen mit radioaktivem ³²P (landet in der DNA) oder ³⁵S (landet im Protein). Nach der Infektion und dem Schütteln im Mixer enthielten die Bakterien ³²P, aber kein ³⁵S. Also gelangt die DNA, nicht das Protein, in die Zelle und trägt die Bauanleitung.

Was macht ein gutes Erbmaterial aus?

RNA ist weniger stabil (ihre 2′-OH-Gruppe macht sie reaktiv), deshalb speichert DNA Information besser; RNA eignet sich besser für schnelle Aufgaben. RNA war wahrscheinlich das erste Erbmaterial (RNA-Welt).

Aufbau von DNA und RNA

Ein Nukleotid = stickstoffhaltige Base + Pentose-Zucker + Phosphat. Base + Zucker = Nukleosid. Purine: Adenin (A), Guanin (G). Pyrimidine: Cytosin (C), Thymin (T, nur in DNA), Uracil (U, nur in RNA). Der DNA-Zucker ist Desoxyribose, der RNA-Zucker ist Ribose.

Nukleotide verbinden sich durch 3′–5′-Phosphodiesterbindungen. Watson und Crick (1953) entwickelten mithilfe der Röntgenbilder von Rosalind Franklin und Wilkins die Doppelhelix:

RNA ist meist einsträngig. Typen: mRNA (Botschaft), tRNA (Adapter), rRNA (Teil des Ribosoms).

Verpackung der DNA

Länge der DNA = Anzahl der Basenpaare × 0,34 nm. Diploide menschliche Zelle: 6,6 × 10⁹ bp × 0,34 × 10⁻⁹ m ≈ 2,2 m, gepackt in einen Zellkern von etwa 10⁻⁶ m Breite.

Euchromatin: locker gepackt, hell angefärbt, aktiv. Heterochromatin: dicht gepackt, dunkel angefärbt, inaktiv.

DNA-Replikation (semikonservativ)

Watson und Crick sagten voraus, dass jeder Strang als Vorlage dient. Meselson und Stahl (1958) bewiesen es: Sie züchteten E. coli in schwerem ¹⁵N und setzten sie dann in normales ¹⁴N um. Nach 1 Generation war alle DNA ein Hybrid (¹⁵N–¹⁴N); nach 2 Generationen war die Hälfte Hybrid, die Hälfte leicht. Taylor zeigte dasselbe in Wurzelspitzen der Saubohne mit radioaktivem Thymidin.

Wie läuft es ab?

  1. Die Helikase öffnet die Helix am Replikationsursprung und bildet eine Y-förmige Replikationsgabel.
  2. Die DNA-abhängige DNA-Polymerase fügt Nukleotide nur in 5′→3′-Richtung an und nutzt dafür Desoxynukleosidtriphosphate (sie liefern Baustein und Energie zugleich).
  3. An einem Strang wächst die neue DNA ohne Pause (Leitstrang); am anderen entsteht sie in kurzen Stücken (Folgestrang, Okazaki-Fragmente).
  4. Die DNA-Ligase verbindet die Stücke.

Sie ist sehr schnell (E. coli kopiert 4,6 × 10⁶ bp in etwa 18 Minuten, etwa 2000 bp pro Sekunde) und sehr genau. Bei Eukaryoten findet sie in der S-Phase statt.

Zentrales Dogma

Francis Crick schlug vor, dass genetische Information von DNA → RNA → Protein fließt. DNA → DNA ist die Replikation, DNA → RNA ist die Transkription, RNA → Protein ist die Translation.

Reverse Transkription (RNA → DNA) kommt bei manchen Viren wie HIV vor und nutzt das Enzym Reverse Transkriptase. Der Fluss kann also manchmal rückwärts laufen (umgekehrtes zentrales Dogma).

Transkription

Nur ein Strang wird abgeschrieben. Der Matrizenstrang (3′→5′) wird gelesen; der andere ist der codierende Strang (5′→3′), der dieselbe Sequenz wie die RNA hat, nur mit T statt U.

Eine Transkriptionseinheit besteht aus einem Promotor (stromaufwärts, dort bindet die RNA-Polymerase), dem Strukturgen und einem Terminator.

Bei Bakterien

Eine einzige RNA-Polymerase bildet alle RNAs. Mit dem σ-(Sigma-)Faktor beginnt sie (Initiation), sie verlängert die RNA (Elongation), und mit dem ρ-(Rho-)Faktor hört sie auf (Termination). Transkription und Translation können gleichzeitig ablaufen, weil es keinen Zellkern gibt.

Bei Eukaryoten

Genetischer Code

George Gamow überlegte: 4 Basen müssen 20 Aminosäuren codieren. 4¹ = 4 und 4² = 16 sind zu wenig; 4³ = 64 reicht. Der Code ist also ein Triplett. Nirenberg, Khorana und Ochoa fanden die Codons heraus.

Mutationen und der Code

Eine Punktmutation (eine Base verändert) kann eine Aminosäure verändern (Sichelzellanämie). Das Einfügen oder Entfernen von 1 oder 2 Basen verschiebt das Leseraster (Rasterschubmutation); das Hinzufügen oder Entfernen von 3 Basen fügt eine Aminosäure hinzu oder entfernt eine und behält das Raster. Die tRNA ist der Adapter: Ihre Anticodon-Schleife liest das Codon, und ihr 3′-Ende (CCA) trägt die Aminosäure. In 2D sieht sie wie ein Kleeblatt aus, in 3D wie ein umgekehrtes L.

Translation

  1. Beladen der tRNA (Aminoacylierung): Jede Aminosäure wird mit Hilfe von ATP an ihre tRNA gehängt.
  2. Initiation: Die kleine Ribosomen-Untereinheit trifft bei AUG auf die mRNA; die große Untereinheit schließt sich an. Das Ribosom hat zwei Plätze für tRNAs.
  3. Elongation: tRNAs bringen Codon für Codon Aminosäuren; Peptidbindungen entstehen (die 23S-rRNA wirkt als Enzym, ein Ribozym). Das Ribosom wandert in 5′→3′-Richtung weiter.
  4. Termination: An einem Stopp-Codon setzt ein Freisetzungsfaktor das Polypeptid frei.

Die mRNA hat auch untranslatierte Bereiche (UTRs) vor AUG und nach dem Stopp-Codon; sie helfen bei einer effizienten Translation.

Regulation der Genaktivität: das Lac-Operon

Zellen schalten Gene nur an, wenn sie gebraucht werden. Bei Bakterien liegen mehrere Gene für eine Aufgabe zusammen mit einem Promotor und einem Operator = ein Operon. Jacob und Monod beschrieben das Lac-Operon von E. coli:

Keine Lactose: Der Repressor sitzt auf dem Operator und blockiert die RNA-Polymerase → Gene aus.

Lactose vorhanden: Lactose (der Induktor) bindet den Repressor, verändert seine Form, und er löst sich vom Operator → die RNA-Polymerase schreibt z, y, a ab → Enzyme werden gebildet. Das ist negative Regulation eines induzierbaren Operons. Wenn die Lactose aufgebraucht ist, bindet der Repressor wieder.

Humangenomprojekt und Reisgenom

Das Humangenomprojekt (HGP) lief von 1990 bis 2003 und las alle ~3 × 10⁹ bp der menschlichen DNA. Methoden: Expressed Sequence Tags (finden aktive Gene) und Sequenzannotation (erst alles lesen, dann Gene suchen). Die DNA wurde in Stücke geschnitten, in BAC-/YAC-Vektoren kloniert, mit automatischen Geräten sequenziert (Sanger-Methode) und mithilfe von Überlappungen per Computer zusammengesetzt.

Wichtige Ergebnisse

Weitere sequenzierte Organismen sind Reis, Bakterien, Hefe, Caenorhabditis elegans, die Fruchtfliege und Arabidopsis. Das Reisgenom hilft, Gene für Ertrag, Krankheitsresistenz und Stresstoleranz zu finden.

Genetischer Fingerabdruck

99,9 % der DNA sind bei allen Menschen gleich, also vergleicht man die 0,1 %, die sich unterscheiden, vor allem die repetitive DNA. Wenn DNA in der Dichtegradientenzentrifugation geschleudert wird, bilden Wiederholungen kleine Gipfel, die Satelliten-DNA heißen. Sie codieren keine Proteine und unterscheiden sich stark zwischen Menschen (Polymorphismus). Alec Jeffreys entwickelte die Methode mit VNTRs (Variable Number of Tandem Repeats, also unterschiedlich viele aufeinanderfolgende Wiederholungen).

  1. DNA gewinnen (Blut, Haarwurzel, Speichel, Sperma).
  2. Mit Restriktionsenzymen schneiden.
  3. Die Fragmente per Gelelektrophorese trennen.
  4. Auf eine Nylon-/Nitrocellulose-Membran übertragen (Southern Blot).
  5. Eine markierte VNTR-Sonde zugeben, die an passenden Stücken haftet (Hybridisierung).
  6. Banden auf Röntgenfilm sichtbar machen (Autoradiografie).

Ein Kind bekommt die Hälfte seiner Banden von der Mutter und die Hälfte vom Vater. Anwendungen: Kriminalfälle, Vaterschaftstests, Studien zu Populationen und Evolution. Mit PCR lassen sich winzige Proben vorher vervielfältigen.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Eine DNA-Probe hat 20 % Adenin. Bestimme den Anteil von T, G und C in %.

Schritt 1: A = T, also T = 20 %. Schritt 2: A + T = 40 %, also G + C = 60 %. Schritt 3: G = C = je 30 %.

2. Ein DNA-Molekül hat 1000 Basenpaare, davon 300 A–T-Paare. Wie viele Wasserstoffbrücken halten die beiden Stränge zusammen?

Schritt 1: G–C-Paare = 1000 − 300 = 700. Schritt 2: H-Brücken = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100. Antwort: 2700 H-Brücken.

3. Bestimme die Länge eines DNA-Moleküls mit 5386 Basenpaaren (Größe des Phagen φX174).

Schritt 1: Länge = bp × 0,34 nm. Schritt 2: 5386 × 0,34 = 1831,24 nm. Antwort: etwa 1,83 µm.

4. Schreibe die mRNA, die vom Matrizenstrang 3′-TACGCAATG-5′ gebildet wird.

Schritt 1: Jede Base paaren: T→A, A→U, C→G, G→C. Schritt 2: mRNA 5′-AUGCGUUAC-3′. Schritt 3: Sie entspricht dem codierenden Strang 5′-ATGCGTTAC-3′ mit U statt T.

5. Eine mRNA lautet 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′. Wie viele Aminosäuren hat das Protein, und welche?

Schritt 1: Codons lesen: AUG (Met), UUU (Phe), GGC (Gly), AAA (Lys), UGA (Stopp). Schritt 2: Das Stopp-Codon fügt keine Aminosäure hinzu. Antwort: 4 Aminosäuren: Met–Phe–Gly–Lys.

6. Ein Protein hat 300 Aminosäuren. Wie viele Basen hat der codierende Teil der mRNA mindestens (mit Stopp-Codon)?

Schritt 1: 300 Codons für Aminosäuren + 1 Stopp = 301 Codons. Schritt 2: 301 × 3 = 903 Basen.

7. E. coli mit DNA, die nur ¹⁵N enthält, wird in ¹⁴N-Medium umgesetzt. Welcher Anteil der DNA-Moleküle ist nach 3 Generationen ein Hybrid?

Schritt 1: Moleküle nach 3 Generationen = 2³ = 8 (aus einem). Schritt 2: Nur 2 behalten einen alten ¹⁵N-Strang → Hybrid. Schritt 3: 2/8 = 1/4 Hybrid, 6/8 = 3/4 leicht.

8. In der mRNA AUG CCU AAA UGA wird eine Base (C an Position 4) entfernt. Was passiert?

Schritt 1: Neue Sequenz AUG CUA AAU GA… Schritt 2: Die Codons ändern sich nach der Deletion: Met–Leu–Asn… Schritt 3: Das ist eine Rasterschubmutation: Alle späteren Aminosäuren ändern sich, und das Stopp-Codon kann verloren gehen.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Welches Experiment bewies mit ³²P und ³⁵S, dass DNA das Erbmaterial ist?
2. Der Abstand zwischen zwei Basenpaaren in der B-DNA beträgt:
3. Welche RNA-Polymerase bildet bei Eukaryoten die hnRNA?
4. Der Induktor des Lac-Operons ist:
5. VNTRs, die beim genetischen Fingerabdruck verwendet werden, sind eine Art von:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Replikation und Transkription?

Die Replikation kopiert die gesamte DNA (beide Stränge) und stellt vor der Zellteilung DNA her. Die Transkription kopiert nur ein Gen, von einem Strang, und stellt RNA her.

Warum ist DNA als Erbmaterial besser als RNA?

DNA ist stabiler (keine 2′-OH-Gruppe, enthält Thymin) und doppelsträngig, deshalb kann sie Fehler reparieren. RNA reagiert leicht und mutiert schnell.

Welche Fragen aus diesem Kapitel kommen in der Abschlussprüfung dran?

Hershey–Chase, Meselson–Stahl, das Schema des Lac-Operons, die Transkriptionseinheit, die Merkmale des genetischen Codes, die HGP-Ergebnisse und die Schritte des genetischen Fingerabdrucks werden sehr oft gefragt.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 12D. Molecular Genetics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªBiology
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Self-organisation of cells
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-regulation (part 3)
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Self-organisation (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIVI. Expression of genetic information in human cells
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXIII. Expression of genetic information
RomaniaClasa a XII-aGenetics
Spain4º ESOGenetics and evolution
Spain2º BachilleratoMolecular genetics
Ukraine9 класHeredity and variation
CBSE (India)Class 12Genetics and Evolution
England (GCSE, A level)Year 123.1 Biological molecules
England (GCSE, A level)Year 123.4 Genetic information, variation and relationships
England (GCSE, A level)Year 133.8 The control of gene expression
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Gene Expression and Regulation
Japan高校1年Characteristics of living things
Japan高校2年Gene expression and development
South Korea고등학교 2학년Genes and genetic material
South Korea고등학교 2학년Gene expression
South Korea고등학교 3학년Gene expression and control
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Genetics and genetic engineering
FranceTerminaleHuman biology and pathophysiology
FranceTerminalePart S: scientific concepts
Russia10 классGenetic information in the cell
Russia10 классLife processes of the cell
China高一Comp.2 Ch.4 Gene expression

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