Biologie Kompakt: DNA, Zellen, Vererbung & Fortpflanzung

Grundlagen der Genetik und Molekularbiologie

Desoxyribonukleinsäure (DNA)

DNA (Desoxyribonukleinsäure) enthält die gesamte genetische Information eines Individuums. Sie besteht aus vier stickstoffhaltigen Basen: Thymin, Cytosin, Guanin und Adenin.

Der Aufbau der DNA setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:

• Einem Zucker (Desoxyribose)
• Phosphatgruppen
• Stickstoffbasen

Pentose

Pentose ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, der sich mit anderen Zuckern verbindet und an der Bildung von Tripletts beteiligt ist.

Triplett (Codon)

Ein Triplett (Codon) ist eine Sequenz von drei stickstoffhaltigen Basen, die eine spezifische Information codiert, zum Beispiel für die Augenfarbe. Die Basen paaren sich spezifisch: Thymin mit Adenin und Guanin mit Cytosin.

Aminogruppen

Aminogruppen können in verschiedene Kategorien unterteilt werden:

• Polare oder hydrophobe Gruppen
• Polare, ungeladene Gruppen
• Positiv geladene Gruppen
• Negativ geladene Gruppen

Funktion der Ribonukleinsäure (RNA)

Die RNA spielt eine zentrale Rolle bei der Genexpression:

• Transkription: Die RNA kopiert die genetische Information von der DNA.
• Translation (Übersetzung): Die RNA interpretiert die kopierte Information und erstellt ein Protein gemäß den codierten Anweisungen.

Genetischer Code

DNA-Informationen sind in Tripletts (Codons) organisiert, die abgelesen werden. Der genetische Code besteht aus 64 Tripletts (Codons), die für 20 Aminosäuren codieren. Jedes Codon steht für eine spezifische Aminosäure. Es gibt ein Start-Codon und drei Stopp-Codons. Der genetische Code ist universell, was bedeutet, dass er in allen Lebensformen auf die gleiche Weise interpretiert wird.

Zellbiologie und Zellzyklus

Zellreproduktion

Wenn sich ein Organismus fortpflanzt, reproduzieren sich tatsächlich seine Zellen.

Zellzyklus

Der Zellzyklus ist der Zeitraum, in dem eine Zelle wächst, sich entwickelt und sich teilt.

Phasen des Zellzyklus

Normalerweise befindet sich die Zelle, wenn sie sich nicht teilt, in der Interphase. Der Zellzyklus umfasst folgende Phasen:

• G1-Phase: Die Zelle wächst nach ihrer Entstehung und bereitet sich auf die DNA-Replikation vor. In dieser Phase findet keine DNA-Replikation statt.
• S-Phase: Die Zelle verdoppelt ihre DNA.
• G2-Phase: Die Zelle schließt ihr Wachstum ab und bereitet sich auf die Zellteilung vor.
• M-Phase (Mitose): Die Mitose und Zellteilung finden statt.

Zellteilung: Mitose und Zytokinese

Mitose

Die Mitose ist der Prozess der Zellteilung eukaryotischer Zellen und umfasst vier Hauptphasen:

• Prophase: Die Kernmembran löst sich auf, und die Chromosomen werden sichtbar.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden trennen sich am Zentromer und bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen der Zelle.
• Telophase: Der Prozess der Chromosomentrennung ist abgeschlossen, und neue Kernhüllen bilden sich.

Zytokinese

Nach der Kernteilung (Mitose) teilt sich das Zytoplasma zusammen mit den darin enthaltenen Organellen, um zwei separate Tochterzellen zu bilden.

Fortpflanzung

Asexuelle Fortpflanzung

Die asexuelle Fortpflanzung beinhaltet nicht zwei geschlechtliche Individuen, sondern ein einziges, das sich teilt oder klont. Formen der asexuellen Fortpflanzung sind:

• Binäre Spaltung (Zellteilung): Eine Zelle teilt sich in zwei identische Tochterzellen.
• Sporenbildung: Tritt hauptsächlich bei Moosen und Farnen auf.
• Knospung: Eine Zelle bildet eine Knospe, die sich ablöst und zu einer neuen, identischen Zelle heranwächst.
• Vegetative Vermehrung: Einige Pflanzen können sich durch die Bildung neuer Pflanzen aus Teilen des Mutterorganismus fortpflanzen.
• Parthenogenese: Eine unbefruchtete Eizelle entwickelt sich zu einem Embryo und dann zu einem neuen Individuum.

Meiose

Die Meiose ist ein spezieller Zellteilungsprozess, bei dem die Anzahl der Chromosomen in den Geschlechtszellen (Gameten) halbiert wird. Dies ist entscheidend für die Bildung diploider Zellen in einem Embryo.

Geschlechtliche Fortpflanzung

Die geschlechtliche Fortpflanzung ist die Vereinigung von männlichen und weiblichen Gameten zur Bildung eines Individuums, das Merkmale beider Elternteile aufweist.

Befruchtung und Entwicklung

Befruchtungsarten

• Externe Befruchtung: Findet außerhalb des Körpers statt, oft im Wasser, ohne direkten Kontakt zwischen Männchen und Weibchen.
• Interne Befruchtung: Das Männchen deponiert Spermien im weiblichen Körper, was eine höhere Befruchtungswahrscheinlichkeit gewährleistet.

Entwicklungsarten

• Ovipar (Eierlegend): Die Eier entwickeln sich außerhalb des mütterlichen Körpers.
• Vivipar (Lebendgebärend): Der Embryo entwickelt sich im Mutterleib und erhält dort Nährstoffe.
• Ovovivipar (Ei-Lebendgebärend): Der Embryo entwickelt sich in Eiern, die sich im Körper der Mutter befinden. Die Mutter ernährt den Embryo nicht direkt über eine Plazenta (z.B. bei einigen Schlangen).
• Beuteltiere: Der Embryo entwickelt sich nur kurz im Mutterleib und setzt seine Entwicklung dann in einem Beutel außerhalb des Körpers fort.

Androgynie (Hermaphroditismus)

Androgynie (Hermaphroditismus) beschreibt Individuen, die beide Geschlechter besitzen und sowohl Eier als auch Spermien produzieren können. Die Befruchtung erfolgt oft durch Kreuzung und Austausch von Gameten zwischen zwei Individuen.

Genetik und Vererbung

Grundbegriffe der Genetik

• Locus: Der spezifische Ort, den ein Gen auf einem Chromosom einnimmt.
• Allele: Verschiedene Varianten eines Gens, die sich am selben Locus auf homologen Chromosomen befinden.
• Homozygot: Ein Individuum, dessen Chromosomen identische Allele für ein bestimmtes Gen tragen.
• Heterozygot: Ein Individuum, das zwei verschiedene Allele für ein bestimmtes Gen besitzt.
• Dominantes Allel: Ein Allel, das seine Merkmale im Phänotyp ausdrückt, auch wenn nur eine Kopie vorhanden ist.
• Rezessives Allel: Ein Allel, dessen Merkmal nur dann im Phänotyp sichtbar wird, wenn zwei Kopien vorhanden sind (d.h., kein dominantes Allel anwesend ist).
• Kodominante Allele: Allele, die beide vollständig im Phänotyp exprimiert werden, wenn sie zusammen vorliegen.
• Diploid: Eine Zelle oder ein Organismus, der zwei vollständige Sätze von Chromosomen besitzt (einen von jedem Elternteil).
• Haploid: Eine Zelle, die nur einen Satz von Chromosomen enthält.
• Genotyp: Die genetische Ausstattung eines Individuums.
• Genom: Die Gesamtheit des genetischen Materials eines Organismus.
• Hybridisierung: Die Kreuzung zwischen Individuen unterschiedlicher Arten oder Varietäten. Hybride sind die Nachkommen von Eltern mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Mendelsche Gesetze und Theorien

• Mendels Erstes Gesetz (Uniformitätsregel): Kreuzt man zwei homozygote Individuen, die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind die Nachkommen der ersten Filialgeneration (F1) uniform.
• Mendels Zweites Gesetz (Spaltungsregel): Kreuzt man Individuen der F1-Generation miteinander, so spalten sich die Merkmale in der F2-Generation in bestimmten Zahlenverhältnissen auf.
• Unabhängige Vererbung von Merkmalen: Gene für verschiedene Merkmale werden unabhängig voneinander vererbt, sofern sie auf unterschiedlichen Chromosomen liegen.
• Chromosomentheorie der Vererbung: Besagt, dass Mendelsche Allele auf Chromosomen lokalisiert sind.

Mutationen

Mutationen sind Änderungen oder Veränderungen in der normalen Struktur der Gene oder Chromosomen.

• Punktmutationen: Fehler, die die chemische Struktur eines Gens verändern.
• Chromosomenmutationen: Veränderungen in der Morphologie oder Struktur von Chromosomen.
• Genommutationen: Beeinflussen die normale Anzahl der Chromosomen (z.B. Überschuss oder Mangel).

Angewandte Biologie

Biotechnologie

Biotechnologie ist ein multidisziplinäres Feld, das Wissen und Techniken aus verschiedenen biologischen Disziplinen nutzt.

Bioethik

Bioethik ist eine ethische Disziplin, die sich mit den moralischen Fragen befasst, die sich aus wissenschaftlichen und technischen Entwicklungen im Bereich des Lebens ergeben.