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Gentechnik

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Gentechnik

Die Gentechnik beschreibt einen gezielten Eingriff in das genetische Material eines Organismus. Bei diesem Eingriff wird eine Veränderung an dessen DNA vorgenommen. Die Lebewesen, die dabei entstehen, werden als gentechnisch veränderte Organismen (kurz GVO) bezeichnet.

Gentechnik - Arten

Die Gentechnik wird in insgesamt fünf Kategorien unterteilt, welche unterschiedliche Anwendungsgebiete von gentechnischen Verfahren darstellen:

  • rote Gentechnik
  • grüne Gentechnik
  • weiße Gentechnik
  • blaue Gentechnik
  • graue Gentechnik

Rote Gentechnik - Übersicht & Anwendung

Die rote Gentechnik beschreibt die Anwendung der Gentechnik in der Medizin und Pharmazie, also in der Behandlung von Krankheiten und Verletzungen. Außerdem wird die rote Gentechnik für die medizinische Diagnostik genutzt.

Gentechnische Behandlung

Ein Anwendungsgebiet der Gentechnik liegt in der Entwicklung und Produktion von Medikamenten. Viele Wirkstoffe können, bedingt durch ihre strukturelle Komplexität, nicht synthetisch hergestellt werden. Dann kommt die Gentechnik zum Einsatz: Die DNA von Zellen wird gentechnisch so manipuliert, dass sie einen Wirkstoff produzieren. Ein Wirkstoff, der auf diese Art hergestellt wird, ist zum Beispiel Insulin.

Des Weiteren kann die Gentechnik zur Therapie von Erkrankungen, welche durch klassische Medikamente nicht behandelt werden können, verwendet werden. Beispielsweise werden derzeit gentechnische Verfahren entwickelt, welche eine gezielte Behandlung von Tumoren ermöglichen, ohne andere, gesunde Zellen anzugreifen.

Ein anderes experimentelles Verfahren, welches auf der Gentechnik basiert, ist das sogenannte Tissue Engineering. Dabei werden bestimmte Gewebe, beispielsweise Haut, Knochen oder ganze Organe, durch gentechnisch manipulierte Zellen künstlich hergestellt und können medizinisch eingesetzt werden. So können beispielsweise Hautstücke ersetzt werden, die durch eine Verletzung irreparabel beschädigt wurden.

Auch Impfstoffe können auf Gentechnik basieren. Dazu gehören zum Beispiel mRNA-Impfstoffe.

Achtung! Obwohl mRNA-Impfstoffe auf Gentechnik basieren, können sie nicht in menschliches Erbgut eingreifen! Der Aspekt der Gentechnik bezieht sich hier auf die Herstellung des Impfstoffes, nicht auf dessen Wirkung.

Grüne Gentechnik - Übersicht & Anwendung

Die grüne Gentechnik beschreibt die Anwendung genmanipulierender Verfahren bei der Pflanzenzucht. Besonders in der groß angelegten Landwirtschaft spielt dies eine immer größer werdende Rolle, um den Ertrag und damit den Profit zu steigern.

Das Ziel der grünen Gentechnik liegt zum einen darin, die Eigenschaften einer Pflanze dahingehend zu verändern, dass sie besser vor Umwelteinflüssen geschützt ist. So werden sie etwa resistenter gegen Fressfeinde wie Insekten gemacht oder so manipuliert, dass sie weniger anfällig für Herbizide sind.

Insektizide sind Gifte, welche gentechnisch veränderte Pflanzen selbst produzieren, um sich vor feindlichen Insekten zu schützen. Sind die Pflanzen nicht gentechnisch verändert, können Insektizide auch nachträglich auf das Feld gespritzt werden.

Herbizide sind chemische Substanzen, welche den Zweck haben, Unkraut abzutöten. Diese Mittel greifen allerdings auch Pflanzen an, welche nicht abgetötet werden sollen. Deswegen werden Zuchtpflanzen gentechnisch verändert, um resistent gegen die eingesetzten Herbizide zu sein.

Durch gentechnische Veränderung von Pflanzen können diese auch vor weiteren Einflüssen geschützt werden. Mit dem Einfügen von Resistenzgenen in das Genom der Pflanze werden Unempfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Mikroorganismen wie Viren, Bakterien oder Pilzen gefördert. Außerdem können Pflanzen durch Gentechnik weniger empfindlich für Temperaturen und Trockenheit gemacht werden. Auch dies steigert den Gesamtertrag der Ernte.

Die zweite Zielstellung der grünen Gentechnik liegt in der Optimierung von pflanzlichen Produkten für den Markt beziehungsweise das Auge der Konsument*innen. Durch gentechnische Veränderungen werden Obst- und Gemüsesorten an verschiedenen Faktoren angepasst. Beispielsweise können Nährstoffgehalte gentechnisch erhöht oder Allergene entfernt werden.

Weiße Gentechnik - Übersicht & Anwendung

Die weiße Gentechnik beschreibt die Anwendung gentechnischer Veränderungen im Rahmen der industriellen Produktion. Sie umfasst ein weites Feld, von der chemischen Industrie bis hin zur Textilproduktion.

Chemische Industrie

In der chemischen Industrie wird die weiße Gentechnik angewendet, um die Produktion umweltfreundlicher und weniger energieaufwendig zu machen. Dafür werden Enzyme angewendet, welche durch gentechnische Veränderung der DNA von Zellen gewonnen werden. Diese Enzyme werden als Biokatalysatoren bezeichnet.

Ein Katalysator, oder in diesem Fall Biokatalysator ist eine Substanz oder ein Enzym, welches chemische Reaktionen fördert und diese beschleunigt.

Produkte, die mithilfe der weißen Gentechnik chemisch hergestellt werden, sind beispielsweise Medikamente, Reinigungsmittel, Pflegeprodukte und Dünger.

Eine weitere gentechnische Anwendung in der chemischen Industrie ist die Produktion von biologischen Kraftstoffen. Diese experimentelle Technik soll eines Tages ermöglichen, dass Kraftstoffe durch gentechnisch veränderte Zellen hergestellt werden. Das Ergebnis sind umweltfreundlichere Treibstoffe, deren Produktion nicht länger von Erdöl abhängig ist.

Lebensmittelindustrie

Auch bei der Produktion von Lebensmitteln kommt die weiße Gentechnik zum Einsatz. Enzyme sorgen besonders bei Fertigprodukten für ein appetitliches Erscheinungsbild und eine längere Haltbarkeit.

Textilindustrie

In der Textilindustrie wird sowohl weiße als auch grüne Gentechnik angewandt. Baumwollpflanzen sind oftmals gentechnisch verändert, um den Ertrag zu steigern. Bei der eigentlichen Produktion von Stoffen und Kleidungsstücken kommen dann gentechnisch produzierte Enzyme zum Einsatz, die beispielweise den klassischen Stone-Wash in Jeanshosen bringen, indem sie die blaue Färbung zersetzen.

Graue Gentechnik - Übersicht & Anwendung

Die Anwendung gentechnischer Verfahren in der Abfallwirtschaft wird graue Gentechnik genannt. Darunter fallen Anwendungen in der Reinigung und Aufbereitung von Wasser, im Recycling und in der Beseitigung von Kontaminationen.

Wasseraufbereitung

Die Abwasserreinigung in Kläranlagen läuft über mehrere Stufen hinweg ab. Eine dieser Stufen ist die biologische Reinigung. Dazu wird das Abwasser in ein Becken eingeleitet, in welchem Mikroorganismen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen durch Verstoffwechselung in Biomasse umwandeln. Diese kann später leicht von dem gereinigten Wasser entfernt werden. Die eingesetzten Mikroorganismen sind oftmals gentechnisch verändert, um den Vorgang effizienter zu machen.

Beseitigung von Kontaminationen

Durch den enormen Schiffsverkehr auf den Weltmeeren kommt es immer wieder zu Unglücken, bei denen große Mengen Öl in das Wasser gelangt. Dies hat enorme Folgen auf Pflanzen und Tiere.

Gentechnisch veränderte Ölfresser-Bakterien können Kohlenstoffverbindungen aufbrechen und so das ausgetretene Öl abbauen, wodurch die Verschmutzung beseitigt wird.

Auch das Erdreich kann durch verschiedene Substanzen wie Schwermetalle, beispielsweise Quecksilber kontaminiert werden. Um solche Kontaminationen einzudämmen, werden Pflanzenarten mithilfe der Biotechnologie gentechnisch so verändert, dass sie Schwermetalle aus dem Boden aufnehmen und ihn so entgiften.

Blaue Gentechnik - Übersicht & Anwendung

Die blaue Gentechnik ist die jüngste Sparte der Biotechnologie. Gentechnische Verfahren werden auf Organismen angewendet, welche im Wasser leben. Deswegen wird die blaue Gentechnik auch als maritime Gentechnik bezeichnet.

Anders als bei den anderen Typen der Gentechnik wird im Bereich der blauen Gentechnik noch sehr viel geforscht und wenig angewendet. Viele Ideen und gentechnische Verfahren sind experimentell und werden aktuell getestet. Es zeichnet sich jedoch ab, dass diese Art der Gentechnologie über reichlich Potenzial verfügt.

Anwendungsgebiete der blauen Gentechnik liegen beispielsweise in der Lebensmittelproduktion. Fische können gentechnisch so verändert werden, dass sie schneller wachsen und somit schneller verarbeitet und verkauft werden können.

Außerdem sind Algen und Cyanobakterien sehr vielversprechende Forschungsobjekte für die Energie- und Treibstoffproduktion auf Basis der Biotechnologie. Aus ihnen gewonnene Bio-Kraftstoffe könnten schon bald die heute vorherrschenden klassischen Kraftstoffe ablösen.

Gentechnik - Verfahren

Damit die gentechnische Veränderung eines Organismus durchgeführt werden kann, müssen einige grundlegende Operationen ausgeführt werden. Dreh- und Angelpunkt ist hier die DNA eines Organismus. Diese muss zunächst isoliert, dann verändert und letztlich wieder in einen Organismus eingebracht werden.

Isolation der DNA - Gentechnik

Um einen Transfer von Genabschnitten zu ermöglichen, müssen diese Genabschnitte zuerst von der restlichen DNA getrennt werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Isolation. Sogenannte Restriktionsenzyme "schneiden" den Genabschnitt aus dem DNA-Strang heraus.

Um den DNA-Abschnitt wieder gut in ein anderes DNA-Molekül einsetzen zu können, verwendet man Restriktionsenzyme, die sogenannte sticky ends (auf Deutsch: klebrige Enden) erzeugen. Statt den DNA-Abschnitt gerade abzutrennen, verbleiben einzelne Basen am Strang und bilden einen Überhang. Passende sticky ends können leichter wieder verbunden werden.

Dieser Prozess wird sowohl an der Spender-DNA als auch an der DNA durchgeführt, in die der Genabschnitt eingesetzt wird.

Rekombination der DNA - Gentechnik

Der nächste Schritt während des Gentransfers ist die Rekombination. Dabei wird der gewünschte DNA-Abschnitt in ein anderes DNA-Molekül eingesetzt und an den sticky ends mit diesem verknüpft. Das andere DNA-Molekül ist oft ein ringförmiges Plasmid, das leicht in Bakterien eingebracht werden kann. Das Enzym Ligase verbindet die Fragmente miteinander.

Gentechnik, Erklärung Sticky Ends rote Gentechnik, StudySmarterAbbildung 1: Sticky Ends

Gentransfer - Gentechnik

Nach der Rekombination der DNA und damit der Entstehung des gentechnisch manipulierten Plasmids wird dieser zum Beispiel in ein Bakterium überführt (transformiert). Dieser Prozess wird als Gentransfer oder Transformation bezeichnet.

Der DNA-Ring dient dabei als sogenannter Vektor, welcher dem zellfremden Genabschnitt das Eindringen in das Bakterium erlaubt. Alternativ dazu können auch gentechnisch veränderte Viren als Vektoren dienen. Dies ist davon abhängig, in welchen Organismus das Fremdgen eingebracht werden soll.

Selektion - Gentechnik

Bei der Selektion werden die Zellen darauf überprüft, ob der Gentransfer erfolgreich war. Um die Überprüfung zu ermöglichen, werden zum Beispiel bei Bakterien zusammen mit der Spender-DNA sogenannte Marker-Gene in das Plasmid eingebaut. Diese verursachen meist eine Antibiotikaresistenz bei Bakterien.

Überführt man die so veränderten Bakterien auf einen nährstoffreichen Untergrund (Medium), der zusätzlich Antibiotika enthält, wachsen nur die Bakterien, in denen sich das Plasmid befindet. So kann sichergestellt werden, dass das Fremdgen übertragen wurde.

Zellvermehrung - Gentechnik

Der letzte Schritt der gentechnischen Veränderung ist die Zellvermehrung. Die Bakterien, welche selektiert wurden, werden in diesem Schritt vermehrt und können im Folgenden ihre neue Aufgabe ausführen.

Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Produktion von Insulin für den medizinischen Gebrauch angewendet. Dafür wird das Gen, welches für Insulin, das in den β-Zellen der Bauchspeicheldrüse produziert wird, codiert, in die Plasmide von Bakterien eingesetzt. Diese stellen nun Insulin her, welches Patient*innen mit einer Diabetes-Erkrankung verabreicht werden kann.

Gentechnik, Anwendung Schema Gentransfer über Plasmide, StudySmarterAbbildung 2: Schematischer Ablauf des Gentransfers über Plasmide

Gentechnik - Klonen

Klonen beschreibt die Erzeugung von genetisch identischen Organismen. Die Nachkommen, die bei diesem Prozess entstehen, werden als Klone bezeichnet.

Grundlegender Ablauf - Gentechnik

Jeder Versuch, eine Zelle, ein Gewebe oder einen ganzen Organismus zu klonen, läuft nach dem gleichen Prinzip ab. Zunächst wird der Zellkern einer Körperzelle der zu klonenden Struktur entfernt. Damit erhält man deren gesamte DNA. Außerdem wird der Kern einer unbefruchteten Eizelle entnommen.

Im Folgenden wird der zuvor entnommene Zellkern in die entkernte Eizelle eingepflanzt. Diese wird dann chemisch oder elektrisch zur Zellteilung angeregt.

An diesem Punkt anknüpfend wird in zwei verschiedene Arten des Klonens differenziert: das therapeutische und das reproduktive Klonen.

Therapeutisches Klonen

Beim therapeutischen Klonen wird die Zellteilung schon nach wenigen Teilungsprozessen beendet und der entstehende Embryo abgetötet. Die dabei entstandenen Stammzellen dienen dann als Ausgangszellen, aus welchen Gewebe oder sogar ganze Organe gezüchtet werden können.

Dies ist möglich, da Stammzellen noch nicht differenziert sind und aus ihnen jedes erdenkliche Gewebe entstehen kann. Genau dieses Phänomen macht sich das therapeutische Klonen zunutze. Forschende wollen mit dieser Methode in Zukunft ermöglichen, dass Organe aus körpereigenen Stammzellen hergestellt werden können. Sollte ein Spenderorgan benötigt werden, kann dies herangezüchtet werden. Außerdem wäre die Wahrscheinlichkeit, dass das Organ abgestoßen wird, bedeutend geringer.

Reproduktives Klonen

Das reproduktive Klonen dagegen ist dadurch geprägt, dass die Embryonalentwicklung vollständig abläuft. Nach Beginn dieser Entwicklung wird die Eizelle in die Gebärmutter einer Leihmutter implantiert, welche den Klon austrägt und später zur Welt bringt.

Ziel dieses Verfahrens ist, genetisch identische Nachkommen zu produzieren. Das wahrscheinlich bekannteste Beispiel dafür ist das Schaf Dolly. Es ist das erste Säugetier, das jemals erfolgreich geklont wurde.

Durch das reproduktive Klonen können theoretisch auch Menschen geklont werden. Dies ist allerdings, wie das therapeutische Klonen auch, derzeit aus moralischen und ethischen Gründen per Gesetz verboten.

Gentechnik - Vor- & Nachteile

Die Gentechnik spielt eine immer größere Rolle im Alltag. Ohne sie könnte unser Wasser nicht aufbereitet werden und viele Krankheiten wären nicht behandelbar. Trotzdem gibt es auch Argumente, die gegen den Einsatz der Gentechnik sprechen, etwa, weil moralische Bedenken auftreten.

Gentechnik - Vorteile

Innerhalb jeder Sparte der Gentechnik gibt es Argumente, welche für den Einsatz von Gentechnik sprechen.

Rote Gentechnik

  • Gentechnik erlaubt die frühe Diagnose von Erkrankungen, auch vor der Geburt.
  • Durch gentechnische Verfahren können viele Erkrankungen (erstmals) therapiert werden.
    • z. B. Insulinproduktion durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen.
  • In Zukunft könnten durch gentechnische Verfahren wie das Klonen noch mehr Erkrankungen therapiert werden.

Grüne und Blaue Gentechnik

  • Resistentere Pflanzen benötigen weniger Pflanzenschutzmittel ➝ weniger umweltschädlich.
  • Pflanzen sind resistent gegen Herbizide ➝ Herbizide können ohne Sorge eingesetzt und Unkraut besser beseitigt werden.
  • Schneller wachsende und größere Fische und Pflanzen erzielen mehr Profit.
  • Resistentere Pflanzen können auch in Gegenden mit schwierigen Bedingungen wie Trockenheit wachsen.➝ Waffe im Kampf gegen Hunger in der Welt.

Weiße und Graue Gentechnik

  • Schnelle Erfolge durch einfache Produktion von gentechnisch veränderten Mikroorganismen.➝ Dadurch werden Kosten und Zeit eingespart.
  • Durch gentechnisch veränderte Organismen wie ölfressende Bakterien kann die Umwelt vor einigen Katastrophen bewahrt werden.

Gentechnik Nachteile

Gleichzeitig lassen sich Argumente finden, welche den Einsatz der Gentechnik negativ einordnen.

Rote Gentechnik

  • Moralische Fragestellungen
    • wie weit darf der Mensch in sein eigenes Fortbestehen eingreifen und dieses lenken?
    • Beispiel: Beeinträchtigungen können früh erkannt werden und das Potential, dass Kinder mit Beeinträchtigungen bewusst abgetrieben werden, ist höher.
  • Viele pränatale, diagnostische Verfahren sind in einer frühen Entwicklungsphase und daher risikoreich.
  • Gentechnische Diagnostiken und Behandlungen sind oft kostenintensiv und aufwendig Frage nach dem Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen.

Grüne und Blaue Gentechnik

  • Freisetzung gentechnisch veränderter Organismen (GVO).
    • Werden gentechnisch veränderte Organismen in die Natur entlassen, können sie sich mit nicht-GVO kreuzen und das veränderte Merkmal verbreitet sich unkontrolliert.
    • So kann es vorkommen, dass Konsument*innen unbewusst Lebensmittel zu sich nehmen, welche gentechnisch veränderte Pflanzen/Fische beinhalten.
  • Schädlinge entwickeln Resistenzen gegen Genmodifikationen (primär bei Pflanzen).
    • Dadurch müssen neue gentechnisch veränderte Pflanzen entwickelt werden und ein ewiger Kreislauf entsteht.
  • Gentechnisch induzierte Insektizide schädigen auch nützliche Insekten.

Weiße und Graue Gentechnik

  • Langzeitfolgen des Einsatzes von gentechnisch veränderten Mikroorganismen können nicht abgeschätzt werden.
  • Produkte, welche mithilfe von gentechnisch veränderten Organismen produziert wurden, werden oftmals nicht ausreichend gekennzeichnet.➝ Verbraucher*innen werden skeptisch und vertrauen auf andere Produkte.

Gentechnik - Das Wichtigste

  • Gentechnik beschreibt einen gezielten Eingriff in das genetische Material eines Organismus, bei dem eine Veränderung an dessen DNA vorgenommen wird.
  • Man unterscheidet allgemein in rote, weiße und grüne Gentechnik, weiterhin in graue und blaue Gentechnik:
    • die rote Gentechnik beschreibt den Einsatz gentechnischer Verfahren in der Medizin,
    • grüne Gentechnik ist die Anwendung von Genmanipulationen in der Pflanzenzucht,
    • den Einsatz von gentechnisch veränderten Organismen in der Industrie bezeichnet man als weiße Gentechnik,
    • als graue Gentechnik wird die Verwendung von GVO in der Wasseraufbereitung bezeichnet,
    • das jüngste Gebiet der Gentechnik ist die blaue Gentechnik, welche sich mit der Manipulation von aquatischen Organismen befasst.
  • Gängige gentechnische Verfahren sind das Einsetzen von DNA-Fragmenten in Plasmidringe und das Klonen.
  • Es gibt sowohl Argumente, die für als auch gegen den Einsatz von Gentechnik sprechen

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gentechnik

Nachteile der Gentechnik liegen zum Beispiel darin, dass viele Verfahren noch sehr neu sind und dadurch noch nicht genug getestet wurden. Außerdem werden Verbraucher*innen oft nicht ausreichend auf gentechnisch veränderte Inhaltsstoffe von Produkten hingewiesen

Man kann die Gentechnik nicht pauschal als schlecht bezeichnen, jedoch gibt es einige Argumente, die gegen die Gentechnik sprechen. Beispielsweise sind viele Verfahren noch sehr risikoreich oder aus moralischen Gründen verboten. 

Gentechnische Verfahren sind beispielsweise der Gentransfer und das Klonen. Bei beiden wird genetisches Material verändert. 

Die Anwendungsbereiche der Gentechnik sind:

  • Medizin (rote Gentechnik)
  • Pflanzenzucht (grüne Gentechnik)
  • Industrie (weiße Gentechnik)
  • Abfallwirtschaft/Wasseraufbereitung (graue Gentechnik)
  • Meer/maritime Lebewesen (blaue Gentechnik)

Finales Gentechnik Quiz

Frage

Wie heißen die Enzyme, die die DNA an bestimmten Stellen schneiden können?

Antwort anzeigen

Antwort

Lipasen

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Frage

Wie heißt das Bakterium mit dessen Hilfe man Fremd-DNA in ein Pflanzengenom einschleusen kann?

Antwort anzeigen

Antwort

Agrobacterium tumefaciens

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet Molekulargenetik?

Antwort anzeigen

Antwort

Genetik auf molekularer und biochemischer Ebene.

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Frage

Wie lauten die drei Grundbausteine von Nukleinsäuren?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Zucker
  • Phosphatrest
  • organische Basen


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Frage

Was ist ein Nukleotid?

Antwort anzeigen

Antwort

Einheit aus Zuckermolekül, Phosphatrest und Base.


Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Polynukleotidstrang?

Antwort anzeigen

Antwort

Viele Nukleotide (Monomere) zu einer langen Kette (Polymer) verknüpft.


Der Polynukleotidstrang weist eine bestimmte Richtung (Polarität) auf: 

  • 3'-Ende: Zuckermolekül 
  • 5ꞌ-Ende: Phosphatrest 


In der Abfolge der Basen eines Polynukleotidstrangs ist die genetische Information gespeichert → genetischer Code.


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Frage

Nenne fünf Eigenschaften des genetischen Codes

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Antwort

Der genetische Code ist … 

  • ein Triplettcode: Immer drei Nukleotide codieren eine Aminosäure. 
  • kommafrei: Keine Trennzeichen am Anfang oder Ende eines Tripletts. 
  • überlappungsfrei: Keine Überschneidungen zwischen den Tripletts. 
  • degeneriert: Mehrere Tripletts codieren die gleiche Aminosäure. 
  • universell: Bei fast allen Organismen identisch.
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Frage

Was bedeutet Induzierte Mutation?

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Antwort

Durch Chemikalien oder energiereiche Strahlung (z. B. UV-, Röntgen-, γ-Strahlen) ausgelöste Mutation.

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Frage

Was sind DNA-Reparatursysteme und welche Mechanismen gibt es?

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Antwort

Mithilfe von DNA-Reparatursystemen lässt sich ein Teil der Genmutationen beheben. Für die Erkennung und Beseitigung der Fehler gibt es spezielle Reparaturenzyme. 


Reparaturmechanismen: 

  • Fotoreaktivierung 
  • Postreplikations-Reparatur 
  • Exzisions-Reparatur 
  • SOS-Reparatur
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Frage

Was passiert bei der Metaphase?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Maximal verkürzte Chromosomen ordnen sich nebeneinander in der Äquatorialebene an. 
  • Zentromer eines jeden Chromosoms ist mit einer Spindelfaser von jedem der beiden Pole verbunden.
Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei der Telophase?

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Antwort

  • Einchromatid-Chromosomen beginnen sich zu entspiralisieren.
  • Spindelfaserapparat wird abgebaut. 
  • Zellplasma wird durch Einziehen einer Zellmembran geteilt. 
  • Kernmembran und Kernkörperchen bilden sich.
Frage anzeigen

Frage

Welche Aufgaben haben die Nukleinsäuren (DNA/RNA) als Träger der genetischen Information?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Informationsspeicherung => Aufbau der Nukleinsäuren
  • Kopieren => identische Replikation
  • Abrufen => Proteinbiosynthese
  • Veränderung => Mutationen, Reparatur
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Frage

Aus welchen drei Grundbausteinen sind die Nukleinsäuren aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Nukleinsäuren bestehen aus:

  • Zucker
  • Phosphatrest
  • organischen Basen


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Frage

Was ist ein Nukleotid?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Einheit aus Zuckermolekül, Phosphatrest und Base.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Polynukleotidstrang?

Antwort anzeigen

Antwort

Viele Nukleotide (Monomere) sind zu einer langen Kette (Polymer) verknüpft.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist der Polynukleotidstrang aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Er weist eine bestimmte Richtung (Polarität) auf. Er hat ein 3'- Ende bestehend aus einem Zuckermolekül und einem 5'-Ende aus einem Phosphatrest.

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Frage

Was wird in der Abfolge der Basen eines Polynukleotidstrangs gespeichert?

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Antwort

Der genetische Code

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Frage

Wie kann ein genetischer Code aufgebaut sein?

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Antwort

  1. Triplettcode: Immer drei Nukleotide codieren eine Aminosäure.
  2. kommafrei: Keine Trennzeichen am Anfang oder Ende eines Tripletts.
  3. überlappungsfrei: Keine Überschneidungen zwischen den Tripletts.
  4. degeneriert: Mehrere Tripletts codieren die gleiche Aminosäure.
  5. universell: Bei fast allen Organismen identisch.
Frage anzeigen

Frage

Wie ist die RNA strukturiert?

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Antwort

  • sind viel kürzer als DNA-Moleküle.
  • liegen als Einzelstränge vor.
  • können sich abschnittsweise mit sich selbst paaren ⇒ schlaufenartige Sekundärstrukturen.
  • enthalten die Base Uracil (U) statt der Base Thymin.
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Frage

Was versteht man unter dem semikonservativen Mechanismus der Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der DNA-Doppelstrang teilt sich reißverschlussartig in zwei Längshälften, die jeweils mit Nukleotiden zu zwei DNA-Doppelsträngen ergänzt werden

⇒ In den neu gebildeten DNA-Strängen bleibt jeweils die Hälfte („semi“) der Ausgangs-DNA erhalten („konserviert“).

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Frage

Kann die Genaktivität reguliert werden?

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Antwort

Ja.

Bestimmte Gene werden bei Bedarf an- oder abgeschaltet.

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Frage

Welche Ursachen und Folgen von Genmutationen gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

Mutation: Nicht zielgerichtete, dauerhafte Veränderung des Erbguts.

Spontanmutation: Plötzlich und ohne äußere Ursachen eintretende Mutation (z. B. Replikationsfehler).

Induzierte Mutation: Durch Chemikalien oder energiereiche Strahlung (z. B. UV-, Röntgen-, γ-Strahlen) ausgelöste Mutation.

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Frage

Wie wird die Blutgruppe beim Menschen vererbt?

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Antwort

Die Blutgruppensysteme des Menschen werden monogen vererbt. Der Vererbungsmodus entspricht den Mendelschen Regeln für einen dominant-rezessiven Erbgang.

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Frage

Welche Blutgruppensysteme gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Das AB0-System
  • Das Rhesus-System
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Frage

Was besagt die Antigen-Antikörper-Reaktion im AB0-System?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Blutserum eines Menschen

enthält Antikörper gegen fremde Blutgruppen-Antigene des AB0-Systems. Treffen passende Antigene und Antikörper zusammen,

kommt es zu einer Antigen-Antikörper-Reaktion (Immunreaktion).

Frage anzeigen

Frage

Welche Besonderheit gibt es im Rhesus-System?

Antwort anzeigen

Antwort

Antikörperbildung bei einem rhesusnegativen Menschen wird erst ausgelöst, wenn ihm rhesuspositives Blut (mit Antigen D) übertragen wird (Sensibilisierung).

Frage anzeigen

Frage

Welche Erbgänge von Erbkrankheiten beim Menschen gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Autosomal-dominante Erbleiden
  • Autosomal-rezessive Erbleiden
  • Gonosomal-rezessive Erbleiden
Frage anzeigen

Frage

Welche Erbkrankheiten gibt es beim autosomal-dominanten Erbleiden und wie sieht das dazugehörige Krankheitsbild aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Frage anzeigen

Frage

Welche Erbkrankheiten gibt es beim gonosomal-rezessiven Erbleiden und wie sehen die Krankheitsbilder aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Frage anzeigen

Frage

Welche Tests bzw. Analysen können ein mögliches Auftreten einer Erbkrankheit voraussagen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Stammbaumanalyse
  • Heterozygotentest
Frage anzeigen

Frage

Was sagt uns der Heterozygotentest?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei rezessiven Erbkrankheiten können dadurch heterozygote Träger von Erbanlagen ermittelt werden, 

z. B. Konduktorinnen der Bluterkrankheit.

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Frage

Wie bezeichnet man ein Merkmal betreffende Erbgänge?

Antwort anzeigen

Antwort

Nur ein Merkmal betreffende Erbgänge bezeichnet man als monohybrid.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die 1. Mendelsche Regel ( Uniformitätsregel)?

Antwort anzeigen

Antwort

1. Mendelsche Regel (Uniformitätsregel): Kreuzt man reinerbige Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind die Nachkommen in der F1-Generation untereinander gleich.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel)?

Antwort anzeigen

Antwort

2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel): Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so treten in der F2-Generation sowohl die Merkmale der F1-Generation als auch die der Parentalgeneration in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf.

Frage anzeigen

Frage

Wann spricht man von einer multiplen Allelie?

Antwort anzeigen

Antwort

Selbstverständlich kann ein Gen auch in mehr als zwei Ausprägungen vorliegen. In diesen Fällen, z. B. beim AB0-System der Blutgruppen des Menschen (siehe S. 6), spricht man von multipler Allelie.

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter der unvollständigen Dominanz?

Antwort anzeigen

Antwort

Meist verschiebt sich die

Merkmalsausprägung stärker in Richtung eines der beiden beteiligten Allele, sodass man

intermediäre Vererbung auch als unvollständige Dominanz verstehen kann.

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Frage

Wann führt man eine Rückkreuzung durch?

Antwort anzeigen

Antwort

Um festzustellen, ob ein Individuum bezüglich eines dominanten Allels

homo- oder heterozygot ist, führt man eine Rückkreuzung (Testkreu-

zung) mit einem homozygot rezessiven Partner durch.

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Frage

Was versteht man unter dihybriden Erbgänge?

Antwort anzeigen

Antwort

MENDEL untersuchte auch dihybride Erbgänge, bei denen sich die Erbsenpflanzen in zwei Merkmalen unterschieden, z. B. Samenfarbe (gelb/grün) und -form (rund/ kantig). 

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Frage

Was besagt die 3.Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel)?

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Antwort

3. Mendelsche Regel (Unabhängigkeitsregel): Kreuzt man Individuen, die sich in mehr als einem Merkmal reinerbig unterscheiden, werden die einzelnen Merkmale unabhängig voneinander vererbt und in der F2-Generation neu kombiniert.

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Frage

Wann liegt Genkopplung vor?

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Antwort

Nicht immer gilt diese von MENDEL beobachtete unabhängige Vererbung von Merkmalen. Liegen die Erbanlagen für die betreffenden Merkmale zusammen auf einem Chromosom, liegt Genkopplung vor (siehe

S. 13). Die Merkmale treten dann meist auch in den Tochtergene-rationen zusammen auf.

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Frage

Wann besteht komplementäre Polygenie?

Antwort anzeigen

Antwort

Komplementäre Polygenie besteht, wenn mehrere Gene zur Ausprä-gung eines Merkmals benötigt werden, da sie dazu in unter-

schiedlicher Weise beitragen.

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Frage

Wann spricht man von Polyphänie (auch: Pleiotropie)?

Antwort anzeigen

Antwort

Beeinflusst im Gegensatz zur Polygenie ein einzelnes Gen mehrere Merkmale, so spricht man von Polyphänie (auch: Pleiotropie). Ein Beispiel hierfür ist das Marfan-Syndrom, bei dem die Abweichung in nur einem Gen mehrere zusammenhängende Symptome hervorruft: Durch eine krankhafte Veränderung des Bindegewebes werden Augen, Skelett und Kreis-laufsystem beeinträchtigt.

Frage anzeigen

Frage

Wann spricht man von einer umschlagenden Modifikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Ändert sich ein Merkmal bei be-stimmten Umweltbedingungen übergangslos, so spricht man von einer umschlagenden Modifikation.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die wichtigste Vererbung der Blutgruppen des Menschen? Worum handelt es sich in diesen Fällen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Vererbung der Blutgruppen des Menschen, von denen die wichtigs-

ten das AB0- und das Rhesus-System sind, folgt den Mendel-schen Regeln. Es handelt sich in beiden Fällen um monogene dominant-rezessive Erbgänge.

Frage anzeigen

Frage

Wann liegt multiple Allelie vor?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei dem Gen, das über die Ausprä-gung der Blutgruppen des AB0-Systems bestimmt, liegt multiple Allelie vor. Es können drei ver-schiedene Allele miteinander kombiniert werden: A, B und 0.

Frage anzeigen

Frage

Was wird beobachtet, wenn Allelen kodominant sind?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Allelen A und B dominant über das Allel 0. A und B sind außerdem kodominant, d. h., sie werden beide ausgeprägt, wenn sie zusammen vorkommen. 

Frage anzeigen

Frage

Worum handelt es sich beim sogenannten Rhesus-System?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei diesem Blutgruppensystem wird zwischen den Merkmalen rhesus-positiv (kurz auch: Rh(D)+, Rh+ oder Rh) und rhesusnegativ (kurz auch: Rh(D)-, Rh- oder rh) unterschieden.

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Frage

Woran ist die Speicherung und Weitergabe der Erbinformation sowie Realisierung der "genetischen Programme" gebunden?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Speicherung und Weitergabe der Erbinformation sowie die Reali-
sierung der „genetischen Program-me“ sind an Nukleinsäuren gebun-
den.

Frage anzeigen

Frage

Wie lässt sich die Struktur von Nukleinsäuren beschreiben?

Antwort anzeigen

Antwort

Nukleinsäuren sind lange Ketten aus miteinander verknüpften Nukleo-
tiden, die jeweils aus einer Base, einem Zucker (Z) und einem Phos-
phatrest (P) bestehen (siehe auch (1) S. 11). D

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Frage

Wodurch erhält die DNA ihre besondere Stabilität?

Antwort anzeigen

Antwort

Ihre besondere Stabilität erhält die DNA zum einen dadurch, dass ihr Zuckermolekül, die Desoxyribose (im Gegensatz zur Ribose, siehe S. 19), gut gegen basische Angriffe geschützt ist. Zum anderen liegt die DNA im Normalfall als Doppel-strang vor.

Frage anzeigen

Frage

Wie lässt sich die räumliche Struktur der DNA beschreiben?

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Die räumliche Struktur der DNA wird durch das WATSON-CRICK-Modell beschrieben: Die beiden Einzelstränge sind in einer Doppel-helix schraubenförmig umeinander gewunden. Sie verlaufen dabei antiparallel, d. h., sie erscheinen gegeneinander um 180° gedreht.

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Was versteht man unter der Replikation der DNA und wie erfolgt diese?

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Die Replikation ist die identische Verdopplung der DNA in der Inter-
phase vor einer Zellteilung. Die Replikation erfolgt semikonservativ, d. h., dass nach Aufspaltung der Doppelhelix an jedem der beiden Stränge ein neuer komplementärer Strang entsteht. 

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Was wird als Replikationsgabel bezeichnet?

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Die DNA-Doppelhelix wird durch das Enzym Helicase entspiralisiert und der Doppelstrang geöffnet. Dazu werden die Wasserstoff-
brückenbindungen zwischen den komplementären Basen unter ATP-
Verbrauch aufgespalten. Die entstandene Struktur wird als Replikationsgabel bezeichnet.

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Wie wird ein Gen definiert?

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Ein Gen ist in der allgemeinen Form definiert als DNA-Abschnitt, der in eine RNA umgeschrieben wird. Dies umfasst mRNAs, die anschließend in Polypeptide übersetzt werden, aber auch rRNAs, tRNAs und andere RNA-Formen, die z. B. an der Genre-gulation beteiligt sind. RNAs und
Proteine werden auch primäre und sekundäre Genprodukte genannt.

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Was ist der erste Schritt der Umsetzung der in der DNA gespeicherten genetischen Information?

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Der erste Schritt der Umsetzung der in der DNA gespeicherten geneti-
schen Information ist die Transkrip-tion (Abschrift) von Genen in die
mRNA.

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Was versteht man unter dem Poly-A-Schwanz?

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Poly-A-Schwanz: Um den ungewollten Abbau der mRNA im Zellplasma zu verhindern, wird am 3'-Ende eine Kette aus bis zu 200 Adeninmolekülen angehängt.

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Was bezeichnet die Kappe?

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Kappe: Das Anhängen eines speziellen Nukleotids, der sog.
Kappe, an das 5-Ende der mRNA verhindert den unplanmäßigen Abbau der mRNA.

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Was umfasst die Prozessierung, nach der die reife (fertige mRNA vorliegt?

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Diese Prozessierung umfasst: Spleißen, Poly-A-Schwanz und Kappe.

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Was passiert beim zweiten Schritt der Proteinbiosynthese und wie wird dieser bezeichnet?

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Bei der Translation, dem zweiten Schritt der Proteinbiosynthese, wird
die in der mRNA-Nukleotidsequenz (bzw. der Basensequenz) enthaltene Information in eine Aminosäure-sequenz übersetzt.

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Was ist der genetische Code?

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Der genetische Code ist die „Übersetzungsvorschrift“, nach der die Basensequenz in eine Amino-säuresequenz umgewandelt wird. Der genetische Code hat einige Eigenschaften, die im Zusammen-hang mit seiner Funktion stehen.

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Welche Eigenschaften hat der genetische Code?

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  • Ein Triplettcode
  • Eindeutig
  • Komma- und überlappungsfrei
  • Degeneriert
  • Universell


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Wie erklärt es sich, dass an der Ausbildung von Merkmalen zumeist mehrere Gene beteiligt sind?

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An der Ausbildung von Merkmalen sind zumeist mehrere Gene betei-

ligt (Polygenie, siehe S. 5). Dies erklärt sich u. a. dadurch, dass Stoffwechselwege (biologische Syntheseketten) aus mehreren hintereinander geschalteten Schritten bestehen, die jeweils durch ein bestimmtes Enzym katalysiert werden.

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Welche Organismen werden als Mangelmutanten bezeichnet?

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Organismen, die durch eine Mutation die Fähigkeit zur Bildung eines für ihr Wachstum und ihre Entwicklung wichtigen Stoffs verloren haben, werden als Mangelmutanten bezeichnet.

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Was versteht man unter Genregulation?

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Manche Enzyme, wie die des Phenylalaninstoffwechsels, werden in einem Organismus ständig gebraucht. Das heißt, dass auch die codierenden Enzyme konstitutiv, d. h. ständig, exprimiert werden. Das Genom eines Organismus beinhaltet aber auch sehr viele Gene, deren Genprodukte nicht zu jeder Zeit benötigt werden. Da Proteine nur eine relativ kurze Lebensdauer haben, muss ihre Synthese bei Bedarf schnell und im richtigen Maß angeschaltet werden.

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Was versteht man unter Genregulation durch Substratinduktion?

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Bei dieser Form der Genregulation veranlasst ein Substrat (Induktor)

die Synthese von Enzymen, die für seinen eigenen Abbau zuständig

sind. Beispielsweise initiiert das Substrat Lactose im Kulturmedium von E.-coli-Bakterien u. a. die Bildung der β-Galactosidase, die die Lactose in Glucose und Galactose spaltet.

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Was spielt sich bei der Genregulation durch Endproduktrepression ab?

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Bei der Genregulation durch Endproduktrepression wird die Bildung von aufbauenden Enzymen durch das Endprodukt des Stoffaufbauweges gehemmt.

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Worum handelt es sich bei der Genregulation bei Eukaryoten?

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Das Genom der Eukaryoten ist um ein Vielfaches größer als das der Prokaryoten. Da zu einem Zeitpunkt immer nur ein geringer Prozentsatz aller Gene aktiv ist, ist es energetisch vorteilhafter, diese Gene gezielt anzuschalten, anstatt alle anderen Gene abschalten zu müssen. Die Genregulation erfolgt bei Eukaryo-ten daher meist positiv und beruht insgesamt auf wesent-lich komplexeren Mechanismen als den bei Prokaryoten beobachteten.

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Was für Folgen können Störungen in der Genregulation haben?

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Störungen in der Genregulation, z. B. durch defekte Transkriptionsfakto-

ren, können neben Entwicklungs-störungen auch zu Krebserkrankungen führen (siehe S. 37 f.).

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Was versteht man unter Epigenetik?

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Unter Epigenetik versteht man nicht auf Mutationen (Veränderung

der DNA-Sequenz, siehe unten) beruhende vererbbare reversible Veränderungen der Aktivität von Genen.

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Wodurch erfolgt die epigenetische Steuerung hauptsächlich?

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Was versteht man unter Mutationen?

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Mutationen sind nicht zielgerichtet (ungerichtet) auftretende, teilwei-

se vererbbare Veränderungen der DNA. Aus einem sog. Wildtyp ent-

steht durch diesen Vorgang eine Mutante.

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Welche zwei Formen der Mutation unterscheidet man nach der Vererbbarkeit?

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Was versteht man unter Genmutation?

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Die häufigsten Mutationen sind Veränderungen im Bereich einzelner Gene. Einzelne Nukleotide können herausbrechen (Deletion), eingefügt (Insertion) oder durch andere ersetzt werden. In der Folge kann es zu einer schwerwiegenden Veränderung des Genprodukts kommen.

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Welche Folgen haben Mutationen für die betroffenen Zellen? Wie äußern sich diese?

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Spontan auftretende oder durch Umwelteinflüsse induzierte Mutatio-

nen haben wie besprochen in den meisten Fällen negative Folgen für die betroffenen Zellen. Die Veränderungen des Erbguts von Körperzellen können, wenn diese nicht durch Reparaturmechanismen erkannt und beseitigt werden, u. a. zur Entstehung von Krebs beitragen. Mutationen einzelner Gene, Chromosomen oder des ganzen Genoms von Keimzel-

len können zur Entwicklung von Erbkrankheiten führen.

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Was sind die drei Schritte der PCR und wofür wird sie verwendet?

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1. Denaturierung

2.Primerhybridisierung (annealing)

3.Elongation


Die PCR wird im gentechnischen Laboren genutzt, um genetisches Material (meist für nachfolgende gentechnische Methoden) zu vervielfältigen.

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Wieso können für den Elongationsschritt der PCR keine humanen DNA-Polymerasen genutzt werden? Welche werden stattdessen verwendet?

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Die PCR findet unter hohen Temperaturen statt (durchgehend über 50°C).

Bei solch hohen Temperaturen können menschliche DNA-Polymerasen oder allgemein humane Enzyme nicht oder kaum arbeiten. Das Temperaturoptimum unserer Enzyme entspricht meist unserer konstanten Körperkerntemperatur von 37°C.

Stattdessen werden meist die thermostabilen Taq-Polymerasen des Bakteriums Thermus aquaticus verwendet.


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Zu Beginn einer PCR werden die beiden Einzelstränge der zu replizierenden DNA mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Wie viele DNA-Doppelstränge liegen nach fünf Durchläufen vor und wie viele davon enthalten den Farbstoff?

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Es liegen nach fünf Durchgängen 1 x 2^5, also 32 DNA-Doppelstränge vor. Davon sind zwei mit dem Farbstoff markiert.

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In welche Kategorien wird die Gentechnik differenziert?

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  • rote Gentechnik
  • grüne Gentechnik
  • weiße Gentechnik
  • graue Gentechnik
  • blaue Gentechnik
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Wo wird die rote Gentechnik angewendet?

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Die rote Gentechnik wird in der Medizin, genauer in der Behandlung und Diagnose von Erkrankungen angewendet. 

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Wie heißt das gentechnische Verfahren, mit welchem Infektionskrankheiten festgestellt werden können?

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PCR-Verfahren

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Welche Zielstellungen verfolgt die grüne Gentechnik?

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  • Schutz der Pflanze vor Umwelteinflüssen
  • Optimierung pflanzlicher Produkte für Verbraucher:innen
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Wo wird die weiße Gentechnik angewendet?

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Die weiße Gentechnik wird in der industriellen Produktion angewendet, genauer in der:

  • chemischen Industrie
  • Lebensmittelindustrie
  • Textilindustrie
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Die Anwendung gentechnischer Verfahren in der Abfallwirtschaft und Wasseraufbereitung ist die...?

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graue Gentechnik

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Wie wird die blaue Gentechnik definiert?

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Bei der blauen Gentechnik werden gentechnische Verfahren auf im Meer lebende Organismen angewendet. 

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In welchen Schritten läuft der Gentransfer in einen Plasmidring ab?

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  • Isolation der DNA
  • Rekombination
  • Gentransfer
  • Selektion
  • Zellvermehrung
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In welche Arten des Klonens wird differenziert?

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  • therapeutisches Klonen
  • reproduktives Klonen
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Was ist Gentechnik?

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Die Gentechnik beschreibt einen gezielten Eingriff in die DNA eines Organismus, bei dem eine Veränderung an dessen Erbgut erfolgt.

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Welchen Zweck erfüllen Insektizide?

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Insektizide schützen Pflanzen vor Insekten, welche Fressfeinde sein können.
Entweder produzieren Pflanzen durch Genmanipulation selbst Insektizide oder sie werden nachträglich auf das Feld gespritzt. 

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Wie heißen die DNA-Enden, an welchen Spender-DNA und Plasmid verbunden werden?

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Die DNA-Enden werden als sticky ends bezeichnet. 

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Welches Hormon zur Behandlung von Diabetes wird gentechnisch hergestellt?

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Insulin

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Wie heißen die Enzyme, die für die Isolation der DNA verantwortlich sind?

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Sie werden als Restriktionsenzyme bezeichnet

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