Wie eine Zelle Information speichert (DNA), kopiert (Replikation), abschreibt (Transkription), übersetzt (Translation) – und steuert, was gebaut wird (Genregulation).
Die ganze Genetik lässt sich in zwei Sorten Begriffe aufteilen. Operanden sind die Dinge – Strukturen, die da sind. Operationen sind die Vorgänge – Prozesse, die mit diesen Dingen etwas machen. Jede Operation nimmt einen Operanden als Eingang und erzeugt einen neuen als Ausgang.
Nukleotid · DNA-Doppelhelix · Basenpaar · Gen & Allel · Histon · Nukleosom · Chromosom · mRNA · tRNA · rRNA · Ribosom · Promotor · Terminator · Codon · Aminosäure · Protein
Replikation · Transkription · mRNA-Prozessierung (Splicing, Cap, Poly-A) · Translation · Genregulation (Acetylierung, Methylierung, Transkriptionsfaktoren)
| Operation | Eingang → Ausgang | Ort |
|---|---|---|
| Replikation | 1 DNA → 2 identische DNA | Zellkern |
| Transkription | Gen (DNA-Abschnitt) → prä-mRNA | Zellkern |
| Prozessierung | prä-mRNA → reife mRNA | Zellkern |
| Translation | mRNA → Protein (Aminosäurekette) | Ribosom im Zytoplasma |
| Genregulation | steuert, ob und wie oft transkribiert wird | Zellkern |
| Merkmalsbildung | Protein → Merkmal (z. B. braune Augen) | Organismus |
Erst die Dinge verstehen, dann was mit ihnen passiert.
Desoxyribonukleinsäure (deutsch auch DNS). Der dauerhafte Speicher der Erbinformation.
Ribonukleinsäure (deutsch auch RNS). Die Arbeitskopie und das Werkzeug zum Bauen von Proteinen.
Genetisch identische Tiere und Pflanzen erzeugen.
Gewünschte Eigenschaften gezielt weitergeben.
z. B. Soja, Reis, Mais.
Vaterschaftstest, Täter überführen, Tote identifizieren.
Abstammung und Wanderungen aus der DNA lesen.
z. B. Golden Rice – Reis mit zusätzlichem Provitamin A.
Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: Phosphat + Zucker + Base. In der DNA ist der Zucker die Desoxyribose. Viele Nukleotide (die Monomere) hängen sich aneinander – so entsteht ein sehr langes Polymer: der DNA-Strang.
Die vier Basen der DNA: A = Adenin, T = Thymin, G = Guanin, C = Cytosin. Nur die Base unterscheidet die Nukleotide – Zucker und Phosphat sind immer gleich und bilden das „Rückgrat".
Zwei Stränge winden sich umeinander wie eine verdrehte Strickleiter – oder wie ein Reißverschluss. Die Holme der Leiter sind Zucker und Phosphat (P–Z–P–Z …), die Sprossen sind die Basenpaare.
Doppelhelix: zwei Stränge, schraubig umeinander gewunden.
So identisch ist die DNA aller Menschen. Die Unterschiede stecken in 0,1 %.
unserer DNA stammt ursprünglich von Viren, die sich vor langer Zeit ins Erbgut eingebaut haben.
Basenfehler pro Tag entstehen beim Verdoppeln. Reparaturenzyme beheben sie – versagt die Reparatur, kann Krebs entstehen.
Jede Base hat genau einen Partner: A = T (2 Wasserstoffbrücken) und G ≡ C (3 Wasserstoffbrücken). Man nennt sie komplementäre Basen.
Das ist die „feste Basenpaarung": Kennt man einen Strang, ist der andere automatisch festgelegt. Genau deshalb kann die Zelle DNA fehlerarm kopieren – jeder Strang ist die Vorlage für seinen Partner.
Die Beispielsequenz ist die aus deiner Mitschrift (TCAG TTAAGCATCC …). Ein echtes Gen ist viel länger – das „… 100 …" im Heft deutet an: Hunderte bis Tausende Basen.
Ein Gen ist eine ganz bestimmte Abfolge von Nukleotiden – ein Abschnitt der DNA mit der Bauanleitung für ein Protein. Der Mensch hat etwa 20.000–25.000 Gene. Sie bestimmen Aussehen und Verhalten von Organismen mit.
Ein Allel ist eine Genvariante. Allele eines Gens haben sehr ähnliche Nukleotidsequenzen – oft unterscheiden sie sich nur an wenigen Stellen.
Gleicher Ort, gleiches Gen – eine kleine Abweichung (pulsierend markiert) ergibt eine andere Variante.
In eigenen Worten (Arbeitsblatt, Aufgabe 2): Die DNA wickelt sich um Histone, das ergibt ein Nukleosom. Viele Nukleosomen bilden zusammen den Chromatinfaden. Dieser wird immer weiter aufgewickelt und verdichtet, bis das fertige Chromosom entsteht.
Nach der Verdopplung besteht ein Chromosom aus zwei identischen Chromatiden, die am Zentromer zusammenhängen.
Eine Hälfte des Chromosoms – ein DNA-Molekül.
Die Einschnürung, an der beide Chromatiden zusammenhängen.
Die Enden der Chromosomenarme; schützen die DNA.
Teil der Chromatide oberhalb bzw. unterhalb des Zentromers.
Arbeitsblatt „Bau der DNA" – Lösung: ① Zucker · ② Phosphat · ③ Cytosin · ④ Guanin · ⑤ Adenin · ⑥ Thymin · ⑦ Nukleotid (Baustein) · ⑧ DNA-Doppelhelix · ⑨ Nukleosom · ⑩ Histon · ⑪ Chromatide · ⑫ Zentromer.
Bei Eukaryoten wird die DNA zu Chromosomen kondensiert (verdichtet). Proteine + DNA = Nukleosomen; die helfenden Proteine heißen Histone.
Gemeinsamkeit: Beide bestehen aus Monomeren (Nukleotiden) aus Zucker + Phosphat + Base.
| Merkmal | DNA | RNA |
|---|---|---|
| Zucker | Desoxyribose | Ribose |
| Form | Doppelstrang | Einzelstrang |
| Ort | Zellkern | wandert aus dem Zellkern ins Zellplasma |
| Arten | 1 | 3 (mRNA, tRNA, rRNA) |
| Funktion | speichert & schützt die Erbinformation | viele verschiedene Funktionen |
| Basen | A, T, G, C – mit Thymin | A, U, G, C – mit Uracil statt Thymin |
A↔T, G↔C
Gegenüber von A steht jetzt U.
Trägt die Information der DNA aus dem Zellkern zum Ribosom – eine Kopie eines DNA-Abschnitts.
Transportiert passende Aminosäuren zum Ribosom und erkennt die mRNA über ihr Anticodon.
Bestandteil der Ribosomen. Ribosomen bestehen aus rRNA und Proteinen.
| mRNA | tRNA | rRNA | |
|---|---|---|---|
| Vorkommen | Zellkern, Zellplasma | Zellkern, Zellplasma | Bestandteil eines Ribosoms |
| Funktion | Informationstransfer | Transport der Aminosäuren zum Ribosom | Bestandteil eines Ribosoms |
| Aufbau | einsträngig | Kleeblattform; 3 Nukleotide = Anticodon | viele verschiedene Formen; unterscheiden sich bei Pro- und Eukaryoten |
Oben hängt die Aminosäure, die genau zu den 3 Basen unten passt. Unten sitzt das Anticodon – es muss komplementär zum Codon der mRNA sein.
DNA steckt in einer einzigen menschlichen Zelle – verpackt in einen Zellkern von wenigen Tausendstel Millimetern.
Seiten hätte ein Buch mit dem Erbgut, wenn jede Seite ca. 500 Wörter (≈ 3.000 Buchstaben) hat.
Die gesamte DNA eines Menschen aneinandergelegt reicht zigtausendfach zum Mond.
In der Mitschrift steht „6000× zum Mond". Solche Vergleiche schwanken stark je nach angenommener Zellzahl – die Größenordnung „unvorstellbar weit" stimmt in jedem Fall.
Jetzt wird es dynamisch: kopieren, abschreiben, zuschneiden, übersetzen, steuern.
Codierung: Die Nukleotidabfolge sagt, welches Protein entsteht – sie ist die Bauanleitung für Proteine. Genauer: Die Nukleotidsequenz legt die Sequenz (Reihenfolge) der Aminosäuren fest.
Die gesamte Proteinherstellung heißt Proteinbiosynthese (in der Mitschrift: Eiweißsynthese). Sie hat zwei Teile: Transkription und Translation.
Replikation = Verdopplung (Vermehrung) der DNA, bevor sich eine Zelle teilt. Der Reißverschluss wird geöffnet, und an jeden alten Strang wird nach der Basenpaarungsregel ein neuer Strang gebaut.
Semi = halb, konservativ = bewahrend. Jedes der beiden neuen DNA-Moleküle besitzt einen alten und einen neuen Strang. Die anderen denkbaren Modelle (in der Mitschrift durchgestrichen) sind falsch:
Bei jeder Verdopplung passieren Fehler: mehr als 100 Basenfehler pro Tag. Reparaturenzyme korrigieren sie. Funktioniert die Reparatur nicht, können sich Fehler anhäufen → Krebs.
Transkription = Umschreiben. Sie ist der erste Teil der Proteinbiosynthese. Die DNA-Doppelhelix wird an einer Stelle geöffnet, und ein kleiner Teil der DNA (≈ 1 Gen) wird als mRNA kopiert.
Die DNA bleibt geschützt im Zellkern. Im Zytoplasma bestünde die Gefahr, dass sie abgebaut („verdaut") wird.
Die gesamte DNA wird nicht gebraucht. Nur die Gene werden transkribiert, deren Protein gerade benötigt wird.
Woher weiß die Zelle, wo ein Gen beginnt? Am Promotor: eine kurze Nukleotidsequenz, die vor dem Gen liegt.
Woher weiß die Zelle, wo das Gen aufhört? An der Terminatorsequenz – hier stoppt die Transkription.
RNA-Polymerase bindet am Promotor.
RNA-Polymerase läuft an der DNA entlang und kopiert sie.
RNA-Polymerase erkennt die Terminationssequenz und löst sich von der DNA.
| RNA-Polymerase | DNA-Polymerase | |
|---|---|---|
| Start | braucht kein freies 3'-Ende – also keinen Primer | braucht ein freies 3'-Ende (Primer) |
| Entwinden | entwindet die DNA selbst | kann die DNA nicht selbst entwinden (das macht die Helikase) |
Es gibt 4 Basen, aber 20 Aminosäuren. Wie viele Basen braucht ein „Wort" (Codon), damit jede Aminosäure ein eigenes Wort bekommt? Reine Kombinatorik:
Ergebnis: Triplett-Code – 3 Nukleotide ergeben 1 Aminosäure. Es gibt viel mehr Möglichkeiten als Aminosäuren, deshalb werden die meisten Aminosäuren durch mehr als ein Triplett codiert.
Eine Aminosäure kann durch mehrere Tripletts codiert werden (z. B. Leucin durch 6).
Jedes Triplett steht für genau eine Aminosäure – man weiß immer, welche entsteht.
Codons werden lückenlos hintereinander gelesen; keine Base gehört zu zwei Codons.
Für (fast) alle Lebewesen gleich – vom Bakterium bis zum Menschen.
Die Codesonne liest man von innen nach außen: innerer Ring = 1. Base, mittlerer = 2. Base, äußerer = 3. Base, ganz außen die Aminosäure. Die Sequenz unten ist das Beispiel aus deiner Mitschrift – tippe ein Codon an.
Das erste Codon UAG ist ein Stoppcodon (im Heft durchgestrichen). Danach folgen Ala – Glu – Pro; das letzte A bildet kein vollständiges Triplett. In echten Genen beginnt das Lesen am Startcodon AUG (Methionin).
Was passiert mit der mRNA, bevor sie zum Ribosom kommt? Ein Gen besteht aus zwei Sorten Abschnitten:
Der Teil des Gens, der in ein Protein translatiert wird.
Der Teil, der nicht zum Protein wird – z. B. Reste von Viren oder alten Genvarianten.
Warum das wichtig ist: Der Mensch hat nur rund 22.000 Gene, aber durch alternatives Splicing entstehen daraus weit mehr verschiedene Proteine (Schätzungen: deutlich über 100.000). Ein Gen kann also mehrere Proteine liefern.
Detail: In der Zelle wird die Cap sogar schon früh, während der Transkription, angehängt. Die Reihenfolge ①–③ ist die aus der Mitschrift und didaktisch völlig in Ordnung.
Die reife mRNA wandert aus dem Zellkern ins Zytoplasma zum Ribosom. Dort wird übersetzt: von der Sprache der DNA (Codons) in die Sprache der Proteine (Aminosäuresequenz).
Oben: eine Aminosäure, die spezifisch zu den 3 Basen unten passt. Einsträngige Schleifen, doppelsträngige Abschnitte. Unten: 3 Basen = Anticodon, muss komplementär zur mRNA passen.
Große und kleine Untereinheit, dazwischen läuft die mRNA. Das Ribosom bewegt sich an der mRNA entlang.
2. Bindestelle – hier kommt die neue, beladene tRNA an.
1. Bindestelle – hier bindet zu Beginn die Methionin-tRNA (Startcodon AUG); hier hängt die wachsende Kette.
Exit – die leere tRNA verlässt das Ribosom.
Eukaryoten haben ein viel komplexeres Genom als Prokaryoten: mehrere Chromosomen, eng verpackte DNA im Zellkern – statt eines einzigen Chromosoms, das frei im Zytoplasma schwimmt.
Die Steuerung der Transkription entscheidet, welche Gene aktiv sind – also welche zum Protein werden – und wie oft bzw. wie viel Protein hergestellt wird. Drei Stellschrauben:
DNA ist um Histone so eng verpackt (Chromatin, Nukleosom), dass die RNA-Polymerase nicht herankommt. Acetylreste binden an die Histone → DNA wird aufgelockert → aktiviert die Transkription.
Eine Methylgruppe (CH₃) bindet an die Base C → verhindert die Transkription.
Binden ebenfalls am Promotor und können so die Bindung der RNA-Polymerase verhindern oder verstärken.
Wie im Heft skizziert: Sitzt ein Transkriptionsfaktor auf der Bindestelle, kann die RNA-Polymerase nicht binden → keine Transkription → kein Protein. Ein anderer Faktor an einer anderen Bindestelle zieht die Polymerase zum Promotor → mehr Transkription → mehr Protein.
Die Blätter sind inhaltlich stark. Ein paar Stellen sind beim Mitschreiben verrutscht – hier die korrigierte Fassung:
| Im Heft | Korrekt |
|---|---|
| Addenien, Guanien, Cytosien | Adenin, Guanin, Cytosin (Thymin war richtig) |
| „A = T, G ≡ C" ohne Zahl | A=T: 2 Wasserstoffbrücken, G≡C: 3 – die Striche zählen sie |
| RNA-Polymerase „entwickelt" die DNA | sie entwindet die DNA |
| Translation: „mRNA wandert zum Zellkern" | sie wandert aus dem Zellkern ins Zytoplasma zum Ribosom |
| Methylierung: „Mythylgruppe" | Methylgruppe (CH₃) an Cytosin |
| 22.000 Gene, „über 10.000 Proteine" | vermutlich eine Null verrutscht: Schätzungen liegen deutlich über 100.000 Proteinvarianten |
| Genzahl 20.000–26.000 / 25.000 / 22.000 | alle im Rahmen; aktuell gängig: ca. 20.000 proteincodierende Gene |
| tRNA-Vorkommen „Zellkern, Zellplasma" | entsteht im Kern, arbeitet im Zytoplasma |
| „Ribosomen bewegt sich an Ribosom lang" | das Ribosom bewegt sich an der mRNA entlang |
| Introns „von Viren oder alten Genvarianten" | teils richtig; viele Introns enthalten zusätzlich wichtige Steuersequenzen |
Nukleotid = Phosphat + Zucker + Base. DNA: Desoxyribose, A T G C, Doppelstrang. RNA: Ribose, A U G C, Einzelstrang.
A=T (2 H-Brücken), G≡C (3). In RNA: A=U. Ein Strang legt den anderen fest.
DNA → um Histone → Nukleosom → Chromatinfaden → Chromosom. 46 = 23 + 23.
2 Chromatiden, Zentromer, Telomere, Arme. Sichtbar nur bei der Zellteilung.
Semikonservativ: jede neue DNA = 1 alter + 1 neuer Strang.
Promotor → Initiation, Elongation, Termination (Terminator). RNA-Polymerase, kein Primer nötig.
Splicing (Introns raus), Poly-A-Schwanz (3'), Cap (5'). Alternatives Splicing → mehr Proteine als Gene.
Triplett (4³ = 64 ≥ 20). Degeneriert, eindeutig, kommafrei, überlappungsfrei, universell. Start AUG, Stopp UAA/UAG/UGA.
Ribosom: A (Ankunft), P (Kette), E (Exit). tRNA-Anticodon ↔ mRNA-Codon.
Acetylierung lockert → an. Methylierung (CH₃ an C) → aus. Transkriptionsfaktoren → stärker oder schwächer.