3.1 Vom Gen zum Protein
Die Basenfolge der DNA wird verdoppelt, in mRNA umgeschrieben und am Ribosom in eine Aminosäurefolge übersetzt.
- Nucleotid:Phosphat + Desoxyribose + Base (A, T, G, C); Zucker und Phosphat bilden das Rückgrat, die Basen zeigen nach innen.
- Doppelhelix:zwei antiparallele Stränge (5′→3′ gegen 3′→5′); A–T mit 2, G–C mit 3 Wasserstoffbrücken; CHARGAFF: A = T, G = C.
- Replikation:semikonservativ (MESELSON und STAHL): Helicase öffnet, Primase setzt RNA-Primer, DNA-Polymerase verlängert nur am 3′-Ende.
- Leit- und Folgestrang:Leitstrang durchgehend, Folgestrang in Okazaki-Fragmenten, die Ligase verknüpft.
- Transkription:RNA-Polymerase bindet am Promotor, liest den codogenen Strang 3′→5′ und baut die mRNA 5′→3′ (U statt T), bis zum Terminator.
- Prozessierung:nur Eukaryoten: 5′-Cap, Poly-A-Schwanz, Spleißen (Introns heraus, Exons verknüpft); alternatives Spleißen: ein Gen → mehrere Proteine.
- Genetischer Code:Codon = 3 mRNA-Basen; 4³ = 64 Codons für 20 Aminosäuren; Start AUG (Met), Stopp UAA, UAG, UGA.
- Code-Eigenschaften:universell, degeneriert, eindeutig, kommafrei, nicht überlappend.
- Translation:tRNA-Anticodon paart mit dem Codon; Ribosom mit A-, P- und E-Stelle knüpft Peptidbindungen; Stoppcodon → Freisetzungsfaktor.
- Pro- und Eukaryoten:Prokaryoten: Transkription und Translation gekoppelt im Cytoplasma; Eukaryoten: räumlich getrennt durch die Kernhülle.
Richtung immer angeben
Jede Sequenz mit 5′ und 3′ beschriften. Neue Stränge wachsen immer 5′→3′, die Matrize wird 3′→5′ gelesen.
3.2 Genregulation und Mutation
Zellen steuern auf mehreren Ebenen, welche Gene wirken — Mutationen verändern die Information selbst, bis hin zum Krebs.
- Transkriptionsfaktoren:Proteine, die an DNA-Sequenzen binden und die Transkription fördern (Aktivator) oder hemmen (Repressor).
- Steroidhormone:lipophil, diffundieren in die Zelle; Hormon-Rezeptor-Komplex bindet am HRE und wirkt als Transkriptionsfaktor — nur in Zielzellen mit Rezeptor.
- Zelldifferenzierung:gleiches Genom, aber je Zelltyp andere aktive Gene.
- DNA-Methylierung:Methylgruppen an Cytosin (CpG) im Promotor → Gen stumm; Basenfolge unverändert, Muster wird weitergegeben (Epigenetik).
- Histonmodifikation:Acetylierung lockert das Chromatin (Euchromatin, Gen aktiv); Deacetylierung verdichtet es (Heterochromatin, Gen stumm).
- RNA-Interferenz:dsRNA → Dicer → siRNA → RISC mit Leitstrang → komplementäre mRNA wird zerschnitten (Knock-down, DNA unverändert).
- miRNA:körpereigene kleine RNA; paart nur teilweise und hemmt vor allem die Translation vieler mRNAs.
- Genmutationen:Substitution → stumm, Missense oder Nonsense; Insertion/Deletion von 1, 2, 4 … Basen → Rastermutation; Deletion von 3 Basen → eine Aminosäure fehlt.
- Ursachen:spontane Replikationsfehler; Mutagene: UV (Thymin-Dimere), ionisierende Strahlung, Chemikalien; Reparaturenzyme beheben die meisten Schäden.
- Keimbahn oder somatisch:Keimbahnmutationen werden vererbt, somatische Mutationen betreffen nur das Gewebe.
- Sichelzellanämie:Missense GAG → GUG: Valin statt Glutaminsäure (β-Globin, Position 6) → HbS-Fasern → Sichelzellen → Durchblutungsstörungen.
- Mukoviszidose:ΔF508 (3 Basen fehlen) → CFTR fehlgefaltet, fehlt in der Membran → kaum Cl⁻- und Wasserausstrom → zäher Schleim.
- Onkogen:mutiertes Proto-Onkogen (z. B. RAS): Protein dauerhaft aktiv, ein Allel genügt — „klemmendes Gaspedal“.
- Tumorsuppressorgen:z. B. p53, RB: bremst die Teilung oder löst Apoptose aus; fällt erst aus, wenn beide Allele defekt sind.
- Krebsentstehung:mehrere Mutationen in einer Zelllinie (Mehrschritt); erbliche Form: erster Treffer ererbt (Two-hit-Hypothese).
Immer mit dem Code argumentieren
Bei jeder Mutation das Codon vorher und nachher nennen und die Aminosäure in der Code-Sonne ablesen. Erst dann entscheiden: stumm, Missense, Nonsense oder Raster.
Auf welcher Ebene?
Transkriptionsfaktoren, Methylierung und Histone wirken im Kern auf die Transkription; RNAi wirkt danach auf die mRNA. Nur Mutationen ändern die Basenfolge.
3.3 Diagnose und Therapie
PCR, Gel und Stammbaum liefern Befunde; Gentherapie und CRISPR greifen in die DNA ein.
- PCR:DNA-Vorlage, zwei Primer, Taq-Polymerase, dNTPs, Mg²⁺; Zyklus: Denaturierung ≈ 95 °C → Anlagerung ≈ 50–65 °C → Elongation 72 °C.
- Vervielfältigung:je Zyklus Verdopplung; Zielfragmente ab Zyklus 3, nach n Zyklen 2ⁿ − 2n je Ausgangsmolekül; Plateau nach 25–35 Zyklen.
- Gelelektrophorese:DNA (negativ durch Phosphat) wandert zum Pluspol; kurze Fragmente wandern weiter; Länge über den Größenmarker.
- Restriktionsenzyme:schneiden an Erkennungssequenzen (EcoRI: GAATTC); Mutation in der Schnittstelle ändert das Bandenmuster (Sichelzell-Allel, MstII).
- Genetischer Fingerabdruck:PCR an mehreren STR-Orten; jede Bande eines Kindes stammt von Mutter oder Vater.
- Stammbaum:rezessiv: gesunde Eltern, krankes Kind; dominant: zwei Kranke, gesundes Kind; X-rezessiv: v. a. Männer, ausgeschlossen bei kranker Frau mit gesundem Sohn oder Vater.
- Gentests:diagnostisch, prädiktiv, Anlageträger-, Pränataltest; GenDG: Arztvorbehalt, Einwilligung, Beratung, Recht auf Nichtwissen.
- Ethisch urteilen:deskriptive Fakten und normative Werte trennen; Werte (Autonomie, Nichtschaden, Fürsorge, Gerechtigkeit) abwägen und begründet entscheiden.
- Gentherapie:somatisch (nicht vererbt) oder Keimbahn (in Deutschland verboten); ex vivo oder in vivo mit Vektoren (AAV, Lentiviren).
- CRISPR/Cas9:Guide-RNA paart mit dem Ziel, PAM (NGG) nötig, Cas9 schneidet beide Stränge; NHEJ → Gen aus, HDR mit Vorlage → Sequenz ersetzt.
Bandenmuster lesen
Erst den Marker zuordnen, dann jede Bande einzeln prüfen. Beim Vaterschaftstest muss jede Kindbande bei Mutter oder Vater vorkommen — eine fremde Bande schließt aus.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Diese vier Stellen kosten in der Klausur am häufigsten Punkte.
5′ und 3′ sind Punkte wert
Wer Stränge ohne Richtung notiert oder die Code-Sonne mit DNA-Tripletts benutzt, verliert die Punkte der ganzen Teilaufgabe.
Mutation → Protein → Merkmal
Eine Mutation ist erst erklärt, wenn die Genwirkkette bis zum Merkmal geschlossen ist: Codon, Aminosäure, Proteinfunktion, Zelle, Symptom.
Stammbaum mit Personen begründen
Jeden Ausschluss an konkreten Personen festmachen („II-3 ist krank, ihr Sohn III-2 gesund → nicht X-rezessiv“). Wahrscheinlichkeiten Schritt für Schritt multiplizieren.
Gaspedal und Bremse
Onkogene wirken dominant, Tumorsuppressorgene erst bei Verlust beider Allele. Im Krebs-Kontext immer sagen, welches Gen welche Rolle hat.