Genetik und DNA: Geschichte, Begriffe, Struktur und Informationsfluss

Genetische Revolution

Die Entdeckung der molekularen Struktur der DNA markiert den Beginn einer Revolution im Bereich der Genetik und Reproduktion.

Genetik

Die Genetik untersucht alles, was mit biologischer Vererbung, Genen und deren Ausdruck in Organismen zusammenhängt. Sie entstand am Anfang des 20. Jahrhunderts mit Mendels Experimenten an Pflanzenhybriden und veränderte die Auffassung darüber, wie erbliche Merkmale über Generationen hinweg weitergegeben werden. Mendel erkannte Muster und formulierte drei Gesetze. Die vielfältigen Wege, die dieses Modell für die Forschung eröffnete, führten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu folgenden grundlegenden Schlussfolgerungen:

• Die Einheit der Vererbung ist das sogenannte Gen.
• Gene verhalten sich nach festgelegten Regeln bzw. Gesetzen.
• Gene befinden sich auf den Chromosomen, das sind Strukturen aus Stoffen im Zellkern.

Die Rolle von Genen oder Chromosomen in den meisten lebenden Organismen bestimmt die Vererbung. Niemand wusste ursprünglich, woraus Gene bestehen; dies änderte sich mit Griffiths Experimenten zur Transformation (spanisch: «principio transformante»), bei denen Informationen von manchen Bakterien auf andere übergingen und dabei harmlose Erreger in virulente verwandelt wurden. Experimente mit Lungenentzündungserregern führten schließlich zu der Schlussfolgerung, dass das Transformationsprinzip die DNA (Gene) betrifft.

Begriffe der Genetik

• Genotyp: die genetische Konstitution des Individuums; bezieht sich auf eine ganze Reihe von Genen (z. B. AA, Aa, aa).
• Phänotyp: der äußere Ausdruck des Genotyps (z. B. grün, rau).
• Allel: eine der Varianten, die ein Gen haben kann.
• Homozygot: ein Individuum, das zwei gleiche Allele trägt.
• Locus: die Lage auf dem Chromosom, an der sich ein bestimmtes Gen befindet.

Die Übertragung von Zeichen

Die Vererbung findet während der Fortpflanzung und des biologischen Erbes statt. Bei der Weitergabe überträgt jeder Elternteil Gene in den Chromosomen der Keimzellen. Die Nachkommen sind das Ergebnis aller möglichen Genkombinationen, die auftreten können.

Das mendelsche Modell geht davon aus, dass jedes genetische Merkmal von einem Allelpaar bestimmt wird und an die Nachkommen nach den Mendelschen Gesetzen weitergegeben wird:

1. Gesetz: Uniformitätsregel

Die erste Filialgeneration (F1) ist bei der Kreuzung zweier reiner Linien einheitlich beziehungsweise uniform.

2. Gesetz: Spaltungsregel

In der zweiten Generation (F2) erscheinen Typen, die in F1 nicht sichtbar waren, weil die Faktoren (Allele) in den Gameten getrennt werden und sich in den Nachkommen neu kombinieren.

3. Gesetz: Unabhängigkeitsregel

Die Merkmale verschiedener Gene werden nach den genannten Regeln unabhängig voneinander vererbt, sofern die Gene nicht gekoppelt sind.

DNA

Im Zellkern (bei Eukaryoten) enthält die DNA die Informationen, die als Anleitung für die Entwicklung der Merkmale von Lebewesen dienen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass das informationsübertragende Molekül eine Art Nukleinsäure ist. 1953 schlugen die Wissenschaftler Watson und Crick ein Modell für die Struktur der DNA vor. Ab diesem Zeitpunkt kam es zu einem großen Fortschritt in der Forschung.

Monomere und Polymere

• Monomer: ein kleines Molekül, das an ein größeres Molekül bindet.
• Polymer: ein Makromolekül, das aus vielen Monomeren besteht.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind Polynukleotide, also Polymere von Nukleotiden, und bestehen aus:

• Stickstoffbasen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Thymin (T) und Uracil (U) — Thymin nur in DNA, Uracil nur in RNA.
• einer Pentose: Ribose (in RNA, mit 2’-OH) oder Desoxyribose (in DNA, ohne 2’-OH).
• einer Phosphatgruppe.

Die Struktur der DNA

Ein DNA-Strang besteht aus einer Sequenz von Nukleotidbasen; diese Sequenz bildet die genetische Information. Das Watson-und-Crick-Modell beschreibt die Doppelhelix, bestehend aus zwei antiparallelen Ketten, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen zusammengehalten werden.

Die Basen der beiden Stränge sind komplementär (A–T, G–C).

Phasen der Replikation

1. Phase: Die Replikation beginnt mit dem Entwinden und Trennen der beiden Stränge.

2. Phase: Jeder Strang wird unabhängig anhand der Basenpaarungsregeln ergänzt (A–T, C–G).

3. Phase: Das Ergebnis sind zwei neue Doppelhelices, die jeweils eine exakte Kopie des ursprünglichen Moleküls darstellen.

Beispielsequenzen aus dem Originaltext (unverändert enthalten): AGC-GAT -> AGC-TCG-CTA GAT -> AGC-und GAT GCT-CTA

Der Ausdruck der genetischen Information

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt, dass die genetische Information von der DNA zu Proteinen fließt, vermittelt durch RNA: mRNA (Messenger-RNA), rRNA (ribosomale RNA) und tRNA (Transfer-RNA; in einigen Texten auch ARNrt genannt).

Die Übertragung der Information bzw. die Proteinsynthese erfolgt in zwei Hauptphasen: Transkription und Translation.

• Transkription: DNA wird in mRNA umgeschrieben (DNA → RNA).
• Translation: Die mRNA wird in Proteine übersetzt (RNA → Protein).

Merke: Neue Kopie der DNA (Replikation); Transkription: DNA → RNA; Übersetzung (Translation): RNA → Protein.