Genetik Grundlagen: Vererbung, DNA, Gene & Biotechnologie

Was ist Genetik? Grundlagen der biologischen Vererbung

Die Genetik ist die Wissenschaft, die sich mit der biologischen Vererbung, Genen und deren Ausdrucksmechanismen befasst. Bateson und Johannsen haben die Begriffe der klassischen Genetik weiter konsolidiert. Dabei wurden einige wichtige Erkenntnisse gewonnen:

• Die Einheit der Vererbung ist das sogenannte Gen.
• Gene werden nach definierten Regeln oder Gesetzen übertragen.
• Gene sind auf den Chromosomen lokalisiert.
• Das Geschlecht wird bei den meisten lebenden Organismen durch Gene oder Chromosomen bestimmt.

Grundlegende Begriffe in der Genetik erklärt

• Genotyp: Die genetische Konstitution eines individuellen Merkmals oder einer ganzen Reihe von Genen (z.B. AA, Aa, aa).
• Phänotyp: Die äußere Erscheinung des Genotyps. Das beobachtbare Merkmal des Individuums (z.B. gelb, runzelig).
• Allele: Jede der Varianten, die ein Gen annehmen kann. Für jedes Gen besitzt das Individuum ein Paar von Allelen (z.B. A = dominant, a = rezessiv).
• Homozygot: Eine Person, die zwei identische Allele besitzt (z.B. AA, aa).
• Heterozygot: Eine Person, die zwei verschiedene Allele besitzt (z.B. Aa).
• Locus: Der spezifische Ort auf einem Chromosom, an dem sich ein bestimmtes Gen befindet.

Historische Entdeckungen in der Genetik

Griffith entwickelte Experimente mit Pneumokokken-Bakterien, die die Existenz eines sogenannten Transformationsprinzips bewiesen.

Die Vererbung von Merkmalen: Biologische Grundlagen

Die Übertragung von Merkmalen findet während des Reproduktionsprozesses zwischen einem Lebewesen und seinen Nachkommen statt und stellt das sogenannte biologische Erbe dar. Während der Übertragung von Merkmalen gibt jeder Elternteil Gene in den Chromosomen der Keimzellen weiter. Die Gameten (Keimzellen) werden in einem Prozess namens Meiose gebildet, bei dem für jedes Merkmal nur eines der vorhandenen Allele in die Keimzelle gelangt.

Das Mendelsche Modell: Vererbungsgesetze

Das Mendelsche Modell basiert auf der genetischen Annahme, dass jedes Merkmal durch ein Genpaar bestimmt wird, das nach den folgenden Gesetzen an die Nachkommen weitergegeben wird:

• Uniformitätsprinzip (1. Mendelsche Regel): Die erste Filialgeneration (F1) zeigt einen einheitlichen Charakter, der dem eines der Elternteile entspricht.
• Spaltungsprinzip (2. Mendelsche Regel): In der zweiten Filialgeneration (F2) treten Merkmale wieder auf, die in der ersten Generation nicht erklärt wurden, da die Gene in separaten Gameten vorliegen und sich in den Nachkommen neu kombinieren.
• Unabhängigkeitsprinzip (3. Mendelsche Regel): Verschiedene Merkmale werden unabhängig voneinander nach den oben genannten Regeln vererbt, ohne sich gegenseitig in ihren Verhältnissen zu beeinflussen.

DNA: Das Molekül des Lebens und seine Struktur

In jeder Zelle eines jeden Lebewesens befindet sich ein Molekül (DNA), das die Informationen und Anweisungen für die Entwicklung der grundlegenden Eigenschaften von Lebewesen enthält.

Das Molekül, das die genetische Information trägt, ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Mit anderen Worten: Gene sind Abschnitte der DNA. James Watson und Francis Crick schlugen ein Modell für ihre Struktur vor.

• Monomer: Ein kleines Molekül, das sich mit anderen ähnlichen oder verschiedenen Molekülen zu größeren Einheiten verbinden kann.
• Polymer: Ein Makromolekül, das durch die Verknüpfung mehrerer Monomere gebildet wird.

Aufbau von Nukleinsäuren: Nukleotide

Nukleinsäuren sind Polynukleotide, d.h. Polymere aus Nukleotiden. Nukleotide bestehen aus:

• Einer stickstoffhaltigen Base: Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin und Uracil.
• Einer Pentose (Zucker): entweder Ribose oder Desoxyribose.
• Einer Phosphatgruppe.

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren:

• Ribonukleinsäure (RNA): RNA-Nukleotide enthalten Ribose, Phosphat und eine dieser vier Stickstoffbasen: Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil.
• Desoxyribonukleinsäure (DNA): Alle DNA-Nukleotide enthalten Desoxyribose zusammen mit Phosphat und einer dieser vier Basen: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin.

DNA-Struktur und Replikation: Der Kopiervorgang

• Ein DNA-Strang besteht aus vielen linear miteinander verbundenen Nukleotiden. Die Reihenfolge der Nukleotidbasen in der DNA hat eine informative Bedeutung. Die DNA ist eine Doppelhelix, eine Form ähnlich einer Wendeltreppe, bestehend aus zwei parallelen Ketten, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind.
• In jedem Zyklus der Zellvermehrung öffnet sich der DNA-Strang, und es wird eine identische Kopie erstellt. Dieser Vorgang wird Replikation genannt und läuft in drei Phasen ab:
  1. Phase 1: Entwinden und Trennen der beiden Stränge der Doppelhelix.
  2. Phase 2: Jeder Strang wird unabhängig verdoppelt, wobei jeder als Matrize für einen neuen komplementären Strang dient, der durch Nukleotid-Paarung entsteht.
  3. Phase 3: Das Ergebnis sind zwei neue, identische Doppelhelices.

Genexpression: Vom Gen zum Protein

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt:

Die genetische Information fließt von der DNA zum Protein, vermittelt durch RNA. Reaktionen finden nur statt, wenn Proteine sie direkt katalysieren. Der Transfer von Informationen oder die Synthese von Proteinen erfolgt in zwei Phasen:

• Transkription: Während dieser Phase wird die in der DNA gespeicherte Information auf eine Art von RNA, die sogenannte Boten-RNA (mRNA), übertragen. Diese besteht aus den komplementären Basen eines Fragments eines der beiden DNA-Stränge, der als Matrize diente.
• Translation: Die Bildung einer Kette von Aminosäuren, die durch die Nukleotidsequenz der Boten-RNA bestimmt wird.

Der genetische Code: Universalität und Eigenschaften

Der genetische Code ist die Entsprechung zwischen den Nukleotiden eines Polynukleotids und den Aminosäuren. Der genetische Code ist universell, was bedeutet, dass alle Lebewesen denselben Code verwenden.

Eigenschaften des genetischen Codes

Eine Nukleinsäure besteht aus 4 verschiedenen Nukleotidarten. Ein Protein wird aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut.

• Synonyme Tripletts unterscheiden sich in der Regel in der dritten Base.
• Im genetischen Code gibt es Start-Codons für die Einleitung der Proteinsynthese und Stopp-Codons, die das Ende der Translation markieren.
• Der genetische Code ist degeneriert, da eine Aminosäure durch mehrere Tripletts codiert werden kann.

Rekombinante DNA-Technologie: Grundlagen

Die Universalität der molekularen Bausteine lebender Organismen ermöglicht es, genetische Informationen mithilfe der rekombinanten DNA-Technologie zu übertragen.

Ein Organismus wird als transgen bezeichnet, wenn er sich aus einer Zelle entwickelt hat, in die ein DNA-Fragment eines anderen Lebewesens eingefügt und in sein Genom integriert wurde. Bei gentechnisch veränderten Viren oder Bakterien spricht man oft von rekombinanten Organismen.

Anwendung: Klonen des Insulin-Gens in Bakterien