Grundlagen der Genetik und Zellbiologie

Grundlegende Genetische Begriffe

Gen

Erblich festgelegte Informationseinheit, die ein Merkmal steuert.

Phänotyp

Das zum Ausdruck kommende Merkmal.

Genotyp

Die Gesamtheit der Erbfaktoren, die ein Individuum erhält.

Die Zelle: Grundeinheit des Lebens

Die Zelle ist die Grundeinheit lebender Organismen.

Zellaufbau

Wir können unterscheiden:

• Zellmembran: Kontrolliert den Stoffaustausch mit der Umgebung.
• Zellkern: Enthält die DNA, steuert die Proteinsynthese und die Vererbung.
• Zytoplasma: Enthält verschiedene Organellen (z. B. Ribosomen, Chloroplasten).

Entdeckung des Chromatins

Flemming entdeckte im Zellkern eine anfärbbare Substanz, die er Chromatin nannte. Während der Zellteilung (Mitose) kondensiert das Chromatin zu Fäden, die später Chromosomen genannt wurden.

DNA: Träger der Erbinformation

DNA-Bausteine

Ein Nukleotid besteht aus:

• Einer Nukleobase (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin)
• Einem Zucker (Pentose, bei DNA: Desoxyribose)
• Phosphorsäure

Entdeckung der Doppelhelix

Durch Röntgenaufnahmen wurde entdeckt, dass die DNA aus einer Doppelhelix-Kette besteht. Außerdem wurde entdeckt, dass der DNA-Gehalt bestimmten Regeln folgt (Menge Adenin = Menge Thymin; Menge Guanin = Menge Cytosin). Watson und Crick schlugen daraufhin ein Modell der selbstorganisierenden Doppelhelix vor, basierend auf der selektiven Paarung von A-T und C-G, und postulierten einen möglichen Mechanismus zur Replikation des genetischen Materials.

DNA-Replikation

Die Verdopplung der DNA erfolgt dank der selektiven Basenpaarung (A-T und G-C). Jeder Strang dient als Matrize (Vorlage) für einen neuen Strang. So wird das genetische Material repliziert und die genetische Information von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben.

RNA: Struktur und Funktion

Unterschiede zwischen RNA und DNA

• Struktur: RNA ist meist einzelsträngig, DNA ist doppelsträngig (Doppelhelix).
• Basen: RNA enthält Uracil (U) anstelle von Thymin (T). Die Basenpaarungen sind A-U und C-G.
• Zucker: RNA enthält den Zucker Ribose, DNA enthält Desoxyribose.

RNA-Typen

• Ribosomale RNA (rRNA): Bestandteil der Ribosomen.
• Transfer-RNA (tRNA): Adaptermoleküle, die an Ribosomen binden, die mRNA erkennen und die passende Aminosäure anliefern.
• Messenger-RNA (mRNA): Überträgt die genetische Information von der DNA zu den Ribosomen. Sie ist komplementär zu einem DNA-Strang (dem codierenden Strang).

Proteine und Proteinbiosynthese

Proteine: Bausteine des Lebens

Zellen lebender Organismen sind hauptsächlich aus Proteinen aufgebaut. Proteine sind Ketten, die aus einfacheren Einheiten, den Aminosäuren, bestehen.

Der Genetische Code

Dies ist ein Satz von Anweisungen, der die Reihenfolge bestimmt, in der Aminosäuren zu Proteinen zusammengesetzt werden. Er basiert auf der Reihenfolge der Nukleotide in der DNA. Dieser Code legt fest, dass jeweils eine Gruppe von 3 Nukleotiden (ein Triplett oder Codon) eine bestimmte Aminosäure codiert.

Funktion der Gene

Gene speichern Erbinformationen und steuern die Herstellung von Proteinen. Diese Proteine wiederum ermöglichen die vielfältigen Funktionen lebender Organismen.

Ablauf der Proteinbiosynthese

Die Synthese von Proteinen findet an den Ribosomen statt:

1. Transkription: Im Zellkern wird die DNA-Information auf mRNA (Messenger-RNA) umgeschrieben.
2. mRNA-Transport: Bei Eukaryoten verlässt die mRNA den Zellkern durch die Kernporen und gelangt ins Zytoplasma zu einem Ribosom.
3. Translation: Am Ribosom wird die auf der mRNA codierte Information „übersetzt“. Transfer-RNA (tRNA) transportiert spezifische Aminosäuren zu den entsprechenden 3-Nukleotid-Gruppen (Codons) auf der mRNA. Die Aminosäuren werden gemäß der codierten Information miteinander zu einer Kette verbunden.

Genom, Genomik und Proteomik

Das Genom

Die Gesamtheit der genetischen Information eines Organismus.

Genomaufbau (Exons, Introns, etc.)

Innerhalb der DNA kann man unterscheiden:

• Exon: Codierender Abschnitt eines Gens, der für Proteine übersetzt wird.
• Intron: Nicht-codierender Abschnitt eines Gens, der nicht für die Proteinsynthese verwendet wird (wird vor der Translation aus der mRNA entfernt).
• Nicht-codierende DNA: Bereiche der DNA, die zu keinem Gen gehören. Ein Großteil des Genoms besteht aus nicht-codierender DNA.

Genomik

Teilgebiet der Biologie, das sich mit der Erforschung von Genomen beschäftigt. Sie wird z. B. zur Untersuchung komplexer Krankheiten verwendet, die durch das Zusammenspiel mehrerer Gene bestimmt werden.

Proteomik

Erforscht die Gesamtheit aller Proteine, die von einem Genom codiert werden (das Proteom).

Genetik und Entwicklung

Die Entwicklung eines Organismus beginnt mit einer Zelle, die sich vermehrt. Später spezialisieren sich die Tochterzellen, um unterschiedliche Gewebe und Funktionen zu bilden.

Entwicklungsprozesse

• Proliferation (Zellvermehrung): Genaue Zellteilung, die die Replikation des Genoms erfordert.
• Differenzierung: Erfordert die Regulation der Genexpression, sodass nur bestimmte Gene exprimiert (abgelesen) werden und andere nicht.

Biotechnologie und Gentechnik

Transgene Organismen

Die Biotechnologie ermöglicht die gezielte genetische Veränderung, z. B. durch Einführen eines fremden Gens in eine Art, um gewünschte Varianten zu erzeugen (genetische Verbesserung). Organismen, die genetisch modifiziert wurden und ein fremdes Gen tragen, werden als transgene Organismen bezeichnet.

Anwendungen und Risiken

Die Biotechnologie ermöglicht das Einfügen von Genen in das Erbgut und beginnt, Lösungen für bestehende Probleme zu bieten, z. B. um günstigere und nährstoffreichere Lebensmittel zu erzeugen. Dabei muss jedoch vorsichtig vorgegangen werden, da die Freisetzung solcher Organismen ernste Umweltprobleme verursachen kann.