Grundlagen der Genetik: Von der DNA bis zur Biotechnologie
Die Vererbung von Eigenschaften
Lebende Organismen bestehen aus Molekülen, die aus Atomen aufgebaut sind. Sie sind in der Lage, Kopien von sich selbst zu erstellen und so Informationen über ihren Aufbau weiterzugeben.
Lebewesen und Evolution
Die Kopien von Lebewesen sind fast identisch. Diese geringfügigen Unterschiede sind der Schlüssel zur Vielfalt, die eine Anpassung an unterschiedliche Umgebungen ermöglicht. Dies ist die Grundlage für die natürliche Auslese, die das Überleben der Arten sichert.
Mendelsche Regeln
Mendel zeigte, dass Erbeinheiten (Gene), die Merkmale bestimmen, sich nicht vermischen und ihre Individualität bewahren. Mendels Fazit: Erbliche Faktoren behalten ihre Individualität über Generationen hinweg. Zudem werden diese Merkmale unabhängig voneinander übertragen. Für jedes Merkmal gibt es zwei Versionen des Gens, eine vom Vater und eine von der Mutter. Wenn eine Version die Ausprägung steuert, nennen wir sie dominant gegenüber der anderen.
Was ist ein Gen?
Das Gen ist eine Einheit der genetischen Information, die einen bestimmten Charakter kontrolliert.
Wo befinden sich die Gene?
Die Zelle
Die Zelle ist die grundlegende Einheit lebender Organismen. Wir unterscheiden:
- Zellmembran: Steuert den Austausch von Stoffen mit der Außenwelt.
- Zellkern: Enthält die DNA, leitet die Vererbung und steuert die Proteinsynthese.
- Zytoplasma: Enthält vielfältige Organellen wie Ribosomen, Mitochondrien und Lysosomen.
Chromatin und Chromosomen
Während der Zellteilung (Mitose) verdichtet sich das Chromatin zu Filamenten, die als Chromosomen bezeichnet werden.
DNA: Struktur und Replikation
Die Entdeckung von Frederick Griffith zeigte, dass das DNA-Molekül die Informationen speichert. Gene sind DNA. Das DNA-Molekül besteht aus zwei Ketten von Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus:
- Einer stickstoffhaltigen Base: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.
- Einem Zucker: Pentose.
- Phosphorsäure.
Die Doppelhelix
Watson und Crick schlugen das Modell der Doppelhelix vor. Die selektive Paarung von A-T und G-C Basen ermöglicht die Replikation des genetischen Materials. Dies ist der Schlüssel zur Weitergabe der genetischen Botschaft von Eltern an Kinder.
Der genetische Code und Proteinsynthese
Der genetische Code ist eine Menge von Anweisungen zur Herstellung von Proteinen, basierend auf der Reihenfolge der Nukleotide. Jede Gruppe von drei Nukleotiden kodiert eine Aminosäure.
Zentrales Dogma der Molekularbiologie
Das zentrale Dogma beschreibt den Informationsfluss: DNA wird in RNA transkribiert, welche wiederum als Vorlage für die Proteinsynthese dient:
- Transkription: DNA im Kern wird in Messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben.
- Export: Die mRNA verlässt den Zellkern durch Poren und erreicht das Zytoplasma.
- Translation: An Ribosomen wird die Botschaft gelesen. Transfer-RNA (tRNA) liefert die spezifischen Aminosäuren, um eine Polypeptidkette zu bilden.
Das menschliche Genom
Das Genom ist die Gesamtheit aller genetischen Informationen. Es besteht aus Genen (2%) und nicht-kodierender DNA (98%).
- Exons: DNA-Abschnitte innerhalb eines Gens, die für Proteine kodieren.
- Introns: DNA-Abschnitte innerhalb eines Gens, die nicht für Proteine herangezogen werden.
- Junk-DNA: DNA, die zu keinem Gen gehört.
Genomik und Proteomik
Die Genomik untersucht Genome, während die Proteomik alle durch das Genom kodierten Proteine erforscht.
Entwicklungsgenetik und Epigenetik
Die Entwicklung eines Organismus umfasst die Zellvermehrung (Proliferation) und die Spezialisierung (Differenzierung). Die Epigenetik untersucht Funktionen, die nicht allein durch die DNA-Sequenz bestimmt werden.
Werkzeuge der Gentechnik
- Schneiden: Restriktionsenzyme schneiden DNA an spezifischen Stellen.
- Einfügen: DNA-Ligase verbindet DNA-Fragmente.
- Kopieren: Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle in Bakterien.
- Transformation: Methode, um Plasmide in Bakterien einzuführen.
Transgene Organismen
Gentechnisch veränderte Organismen enthalten ein fremdes Gen (Transgen). Beispiele sind:
- Bakterien zum Abbau von Ölflecken.
- Biologisch abbaubaren Kunststoff produzierende Bakterien.
- Schädlingsresistente Pflanzen (z. B. Bt-Mais).