Die Genetik beschäftigt sich mit der Vererbung von Eigenschaften eines Lebewesens an dessen Nachfahren. Dabei werden sowohl die sichtbaren Ausprägungen eines Merkmals als auch die zugrunde liegende genetische Zusammensetzung betrachtet.
Die Genetik ist zwar ein junges, aber auch ein essenzielles Teilgebiet der Biologie, schließlich bildet sie die Grundlage für aktuelle Forschungsfelder wie Erbkrankheiten und die Gentechnik.
Genetik Definition
Die Genetik beschreibt die Lehre von den Vererbungsvorgängen, welche sich mit der Speicherung, Weitergabe und der Verwirklichung der Erbinformation auseinandersetzt.
Die Genetik umfasst viele grundlegende Begriffe, Abläufe und Konzepte. Über die wichtigsten davon erfährst Du im Folgenden mehr.
Genetik Vererbung
Ein wichtiger Aspekt innerhalb der Genetik ist die Vererbung – in diesem Zuge sollen die drei Mendelschen Regeln kurz erklärt werden.
Auf StudySmarter findest Du umfangreiche Erklärungen zu den einzelnen Mendelschen Regeln – zur Uniformitätsregel, Spaltungsregel und Unabhängigkeitsregel.
Mendelsche Regeln
Gregor Mendels (1822-1884) Kreuzungsexperimente mit Erbsenpflanzen und die daraus hervorgegangenen Mendelschen Regeln bilden die Grundlage der Genetik und den Beginn der Forschung zur Vererbung von Merkmalen.
Die Mendelschen Regeln erlauben eine Beschreibung der Vererbung von Merkmalen, deren Ausprägung nur über ein Gen beeinflusst wird.
Mendel kreuzte Erbsenpflanzen und beobachtete die Vererbung einiger bestimmter Merkmale. Er wertete statistisch aus, wie die Merkmale vererbt wurden. Sich darauf beziehend stellte Mendel drei Regeln zur Vererbung auf, die bis heute Bestand haben:
1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel)
Werden zwei für ein Merkmal reinerbige Individuen (P-Generation) miteinander gekreuzt, sind die Phänotypen und Genotypen der resultierenden Nachkommen (F1-Generation) in Bezug auf das entsprechende Merkmal alle gleich (uniform) – daher der Name Uniformitätsregel. Dies gilt sowohl für dominant-rezessive als auch intermediären Erbgänge.
2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel)
Kreuzt man die uniformen Individuen der F1-Generation untereinander, so spalten sich die Phänotypen und Genotypen der nachfolgenden F2-Generation in einem bestimmten Verhältnis auf, woher der Name Spaltungsregel stammt. Dabei treten die Genotypen der P-Generation wieder auf.
3. Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel)
Die Unabhängigkeitsregel gilt für dihybride, dominant-rezessive Erbgänge. Also solche, bei denen zwei unabhängige Merkmale (nicht auf dem gleichen Chromosom) vererbt werden, von denen es eine dominante und ein rezessive Variante gibt.
Kreuzt man derartige Individuen untereinander, so erhält man in der F1-Generation erneut uniforme Nachkommen. Werden die Nachkommen der F1-Generation untereinander gekreuzt, spalten sich die Phänotypen der F2-Generation im Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1 auf. Dabei kommt es zur Bildung neuer Geno- und Phänotypen. Daher wird diese Regel auch Neukombinationsregel genannt.
Genetik Grundlagen
In der Genetik gibt es einige Grundlagen, von denen Du schon einmal gehört haben solltest und die Dir im folgenden kurz erläutert werden:
DNA
Die DNA ist der Träger der Erbinformation und damit das zentrale Element der Genetik, genauer der Molekularen Genetik. Alle Informationen zum Aufbau eines Organismus sind in seiner DNA gespeichert.
Um zu verstehen, wie die DNA diese Informationen enthalten kann, musst Du den Aufbau der DNA kennen. Kurz zusammengefasst besteht die DNA aus sogenannten Nukleotiden.
Jedes Nukleotid besteht aus einem Phosphatrest, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier organischen Basen. Diese Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, abgekürzt A, G, C, und T. Viele Nukleotide bilden eine Kette, einen sogenannten Polynukleotidstrang.
Die DNA besteht aus zwei gegenläufig parallelen Polynukleotidsträngen, die über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen miteinander verbunden sind. Dabei können diese Bindungen nur jeweils zwischen Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin entstehen (komplementäre Basenpaarung). Letztlich ist die DNA noch schraubig gewunden, Du kannst Dir ihre Form wie eine gewundene Strickleiter vorstellen. Man spricht von der schraubig gewundenen Doppelhelix.
Abbildung 1: Struktur der DNA
Im Artikel zum Thema DNA findest Du noch mehr Informationen über die molekulare Grundlage der Vererbung.
RNA
Die RNA ist die Transportform der DNA.
Bei der Transkription wird anhand der auf der DNA gespeicherten Erbinformation ein RNA-Strang synthetisiert. Die RNA ist beweglich und kann aus dem Zellkern entfernt werden. Der Aufbau der RNA ist dem der DNA sehr ähnlich, es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede:
- Der Zucker der RNA ist Ribose (à Ribonukleinsäure)
- Anstatt der Base Thymin enthält die RNA die Base Uracil.
- Die RNA liegt als Einzelstrang vor und ist deutlich kürzer als die DNA. Die RNA kann sich abschnittsweise mit sich selbst komplementär paaren, so entstehen schlaufen- oder kleeblattähnliche Sekundärstrukturen (Intrastrangpaarung).
- Die RNA tritt in drei Formen auf: Ribosomale RNA (rRNA), Messenger-RNA (mRNA) oder Träger-RNA (tRNA)
Gen
Ein Gen ist eine Einheit genetischer Information, die die Ausprägung eines Merkmals bestimmt.
Genauer gesagt ist ein Gen ein bestimmter Abschnitt der DNA, dessen Basenfolge den Aufbau eines Proteins codiert. Das heißt, ein Gen beinhaltet die Informationen, die es für den Aufbau eines bestimmten Proteins benötigt. Proteine steuern verschiedene Reaktionen im Organismus, die wiederum die Ausprägung von Merkmalen beeinflussen.
Allel
Ein Allel beschreibt im Gegensatz zu einem Gen, wie ein Merkmal ausgeprägt wird. Allele könnte man also als „Varianten“ eines Gens bezeichnen.
Im Biologieunterricht wirst Du hauptsächlich mit Lebewesen zu tun haben, deren Gene jeweils zwei Allele haben (z. B. der Mensch).
Bei Lebewesen mit doppelten Chromosomensätzen liegt jedes Gen in zwei Allelen vor. Nun stellt sich die Frage, welches der beiden Allele schließlich die Ausprägung des Merkmals bestimmt. Hier kommen dominante und rezessive Allele ins Spiel. Hat ein Organismus ein dominantes und ein rezessives Allel eines Gens, ist also heterozygot, wird das Merkmal nach dem dominanten Allel ausgeprägt.
Ein dominantes Allel setzt sich nämlich gegen ein rezessives Allel durch. Das bedeutet, dass es nur zur Ausprägung des Merkmals eines rezessiven Allels kommt, wenn der Organismus zwei rezessive Allele eines Gens hat, also homozygot ist.
Kommen Allele in dominanter und rezessiver Form vor, spricht man von einem dominant/rezessiven Erbgang. Es gibt jedoch auch intermediäre Erbgänge, wo keines der beiden Allele dominant ist. Hier kommt es zu einer Mischung beider Ausprägungen.
Dies ist etwa der Fall, wenn bei einer Blume Allele für rote und weiße Blüten aufeinandertreffen und gemeinsam für rosa Blüten sorgen (intermediäre Vererbung).
Genotyp
Als Genotyp bezeichnet man die Gesamtheit von Genen, die die Erbinformation eines Organismus bilden, bzw. eine Kombination von Allelen, die zu einem bestimmten äußeren Erscheinungsbild führt.
Wird ein Lebewesen auf ein bestimmtes Merkmal untersucht, wie es oft bei den Mendelschen Regeln der Fall ist, dann bezeichnet man die Kombination von Allelen des jeweiligen Merkmals als Genotyp.
Phänotyp
Als Phänotyp bezeichnet man die Ausprägung eines bestimmten Merkmals im Erscheinungsbild eines Individuums.
Untersucht man Pflanzen mit Hinblick auf das Merkmal der Blütenfarbe, dann ist der Phänotyp die sichtbare Farbe der Blüten. Der Genotyp hingegen ist die Kombination von Allelen, die der Pflanze die Blütenfarbe verleiht.
Mithilfe der Erklärung zum Genotyp und Phänotyp auf StudySmarter kannst Du noch mehr zu diesen interessanten Themen lernen.
Codesonne
Die Codesonne hilft Dir dabei, die Basenfolge der RNA in eine Aminosäuresequenz zu übersetzen. Sie zeigt an, welches Basentriplett für welche Aminosäure codiert. Du wirst sie für Übungsaufgaben zur Proteinbiosynthese benötigen.
Molekulare Genetik
Die Molekulargenetik bezeichnet ein Teilgebiet der Genetik, das die DNA und ihre Mechanismen untersucht. Außerdem wird erforscht, wie sich die DNA in Struktur und Funktion bei verschiedenen Organismen unterscheidet. Die wichtigsten Begrifflichkeiten sind dabei DNA, RNA und Proteine. Zur Molekulargenetik gehören unter anderem auch:
- DNA Replikation
- Mutation
- Genregulation
Mehr Informationen zur Molekularen Genetik findest Du in der Erklärung zur Molekulargenetik auf StudySmarter.
DNA Replikation
Die Replikation ist eine Grundvoraussetzung für Zellteilung und Fortpflanzung. In jeder Zelle eines Organismus ist dessen gesamte DNA enthalten. Soll die Erbinformation weitergegeben werden, muss sie erst kopiert werden.
Der Vorgang der Replikation beschreibt die Verdopplung der DNA. Die DNA wird nach dem Prinzip der semikonservativen Replikation kopiert. Das bedeutet, dass aus einem DNA-Doppelstrang zwei neue DNA-Doppelstränge werden, die jeweils aus einem „alten“ und einem „neuen“ Einzelstrang bestehen.
Die Replikation der DNA läuft in drei Schritten ab. Zuerst wird der DNA-Doppelstrang entwunden und gespaltet. Diese Aufgabe übernimmt das Enzym Helicase. Ein RNA-Primer wird durch die Primase synthetisiert, um einen Startpunkt für die Replikation zu bilden.
Dann synthetisiert das Enzym DNA-Polymerase an beiden Einzelsträngen der DNA einen neuen, jeweils komplementären Einzelstrang. Dies läuft bei einem der beiden Einzelstränge kontinuierlich ab.
Beim anderen kommt es zur diskontinuierlichen Ergänzung des DNA-Strangs. Dies ist der Fall, da die DNA-Polymerase die DNA nur in eine Richtung ablesen kann. Im Falle des diskontinuierlichen Strangs werden sogenannte Okazaki-Fragmente synthetisiert, die später durch das Enzym DNA-Ligase verknüpft werden.
Abbildung 2: semikonservative DNA-Replikation. Quelle: wikipedia.org
Mutation
Eine Mutation ist die plötzliche und dauerhafte Veränderung des Erbguts eines Organismus.
Kommt die Mutation in einer Körperzelle vor, kann sie nur an die Tochterzellen weitergegeben werden. Handelt es sich bei den mutierten Zellen um Keimzellen, so kann die Mutation an Nachkommen weitervererbt werden. Mutationen können unter natürlichen Bedingungen vorkommen, oder durch mutagene Stoffe induziert werden. Somit bildet die Mutation die Grundlage für die Evolution.
Genregulation
Die Genregulation beschreibt Systeme, die Gene je nach Bedarf an- oder abgeschaltet werden. Dies ist notwendig, da jede Zelle des Körpers die Gesamtheit der Erbinformation des Organismus enthält.
Zellen haben aber verschiedene Aufgaben, weshalb nicht jede Zelle alle Gene benötigt. Außerdem gibt es Proteine, die die Zelle nur in bestimmten Situationen benötigt. Die Gene, die für diese Proteine codieren, müssen deshalb reguliert werden. Gene, die nicht ständig aktiv sind, nennt man regulierte Gene. Gene, die immer aktiv sind, werden als konstitutive Gene bezeichnet.
Genetik Themen
Im Folgenden werden weitere Themen der Genetik rund um Zellteilung und Fortpflanzung beschrieben. Dazu gehören:
Zellzyklus
Während der Interphase führt die Zelle ihre eigentliche Aufgabe aus und macht sich für die nächste Zellteilung bereit. Der Zellzyklus beschreibt letztlich diese beiden Phasen, die eine Zelle so oft abwechselnd durchläuft, bis sie nicht mehr teilungsfähig ist.
Mitose
Die Mitose, oder Zellkernteilung, ist in der Biologie von grundlegender Bedeutung. Zusammen mit der Interphase bildet sie den Zellzyklus.
Bei der Mitose entstehen aus einer diploiden Zelle zwei ebenfalls diploide Tochterzellen. Die Tochterzellen sind untereinander und mit der Mutterzelle in ihrer genetischen und chromosomalen Ausstattung identisch.
Damit ist die Mitose die Voraussetzung für Wachstum und Regeneration eines Organismus. Grundsätzlich läuft die Zellteilung bei allen Eukaryoten auf die gleiche Weise ab. Sie besteht aus vier Phasen: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.
Abbildung 3: Ablauf der Mitose. Quelle: wikipedia.org
Meiose
Die Meiose ist ein Vorgang, bei dem aus dem diploiden (doppelten) Chromosomensatz von Urkeimzellen ein haploide (einfacher Chromosomensatz) Keimzelle wird. Dieser Vorgang ist entscheidend für die geschlechtliche Fortpflanzung. Beim Menschen entsprechen diese haploiden Keimzellen den Spermien und Eizellen.
Die Meiose ist eine wichtige Voraussetzung der Befruchtung, da bei dieser die Zellkerne der Eizelle und des Spermiums miteinander verschmelzen. Da beim Verschmelzen von Eizelle und Spermium die Chromosomensätze beider Zellen kombiniert werden, entsteht nun wieder ein diploider Chromosomensatz.
Würde vor der Befruchtung keine Meiose stattfinden, würden zwei diploide Chromosomensätze miteinander kombiniert werden und zu einem vierfachen Chromosomensatz führen.
Die Mitose und die Meiose sind sehr komplexe Abläufe. Um sie besser zu verstehen, kannst Du die passenden Erklärungen auf StudySmarter lesen.
Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese beschreibt, wie die genetische Information realisiert wird, also wie die auf der DNA gespeicherten Information in Proteinen umgesetzt wird. So ist sie der Schlüssel, um zu verstehen, wie Gene tatsächlich Merkmale eines Organismus beeinflussen. Die Proteinbiosynthese besteht aus zwei Schritten, deren Ablauf Du kennen solltest: Transkription und Translation.
Transkription
Die Transkription ist das „Umschreiben“ der genetischen Information der DNA in ihre Transportform, die mRNA. Dies ist nötig, da direkt an der DNA keine Proteine synthetisiert werden können.
Die Information der DNA wird also auf die mRNA kopiert und kann somit aus dem Zellkern transportiert werden.
Der Ablauf der Transkription ist dem der Replikation sehr ähnlich. Der DNA-Doppelstrang wird ebenfalls entwunden und geöffnet, allerdings wird bei der Translation nur einer der beiden Einzelstränge abgelesen, da auch nur ein RNA-Einzelstrang entsteht.
Des Weiteren wird bei der Translation nicht die gesamte DNA, abgelesen, sondern nur ein (Eukaryoten) oder einige Gene (Prokaryoten) werden transkribiert. Bei Eukaryoten entsteht durch die Transkription lediglich die Prä-mRNA. Bei der anschließenden Prozessierung wird aus ihr die mRNA.
Translation
Die Translation ist das „Übersetzen“ der Basenfolge der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins.
Die Translation findet an den Ribosomen im Zellplasma statt. Ribosomen haben eine Stelle, an der die tRNA an die mRNA „andocken“ kann. Die tRNA transportiert („Transfer-RNA“) Aminosäuren zur mRNA und anhand der Basensequenz der mRNA werden die Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge aneinandergehängt.
So entsteht eine Kette von Aminosäuren, eine sogenannte Polypeptidkette. Eine ausreichend lange Polypeptidkette bildet schließlich ein Protein.
Genetik einfach erklärt
Kurz zusammengefasst: Was ist Genetik, einfach erklärt? Einfach erklärt, beschäftigt sich die Genetik mit der Weitergabe von Genen. Gene geben vor, wie sich ein Mensch, ein Tier oder auch eine Pflanze entwickelt und was für Merkmale oder Ausprägungen sie ausbilden.
Genetik – Das Wichtigste
- Genetik Definition: Die Genetik ist ein Teilgebiet der Biologie, welches sich mit der Vererbung von Eigenschaften eines Lebewesens an seine Nachfahren beschäftigt.
- Themen der Genetik: Sie beinhaltet viele kleine Teilgebiete, die aufeinander aufbauen und einander bedingen. Dazu zählen unter anderem:
- Wichtige Themen aus der Molekularen Genetik sind zudem:
Nachweise
- Jochen Graw (2020). Genetik. SpringerLink.
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