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 der molekularen Genetik sind dabei DNA, RNA und Proteine. Zur Molekulargenetik gehören auch Aspekte wie die DNA-Replikation oder auch DNA Mutationen.
Molekulargenetik – Definition
Die Molekulargenetik (Molekulare Genetik) gehört zum Bereich der Genetik. Dabei werden der Aufbau und die genauen Mechanismen, die bei der Vererbung ablaufen, auf molekularer Ebene untersucht. Dazu gehören vorwiegend die DNA, RNA und Proteine.
Die Forschung der Molekulargenetik überschneidet sich häufig mit anderen Gebieten. Besonders die Chemie und andere Bereiche der Biologie, wie die allgemeine Genetik und die Biochemie, spielen dabei eine große Rolle.
Der Begriff "Molekulargenetik" wurde schon seit den 1930er-Jahren benutzt. Doch erst durch den Molekularbiologen William Astbury, welcher sich mit Keratin und der Struktur der DNA auseinandersetzte, wurde er ausschlaggebend geprägt.
Molekulargenetik – Die wichtigsten Themen
Die nächsten Abschnitte befassen sich mit den wichtigsten Themen der Molekulargenetik.
Molekulargenetik – DNA
Die DNA stellt das zentralste Element der Genetik dar, denn sie liefert die Bauanleitung für alle Proteine in Lebewesen. Sie besteht aus Nukleotiden, die wiederum aus einem Phosphatrest, Desoxyribose und einer der Basen (Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin) zusammengesetzt sind.
Die Basen werden als komplementär bezeichnet, weil sie genau zueinanderpassen: Adenin gehört zu Thymin, Guanin gehört zu Cytosin. Die Nukleotide sind aneinander gekettet und bilden so die DNA selbst.
Die räumliche Struktur der DNA ist eine Doppelhelix. Das bedeutet, sie ist ein schraubig gewundener Doppelstrang. Diese Struktur wird auch als Tertiärstruktur bezeichnet. Dazu gibt es auch noch die Primärstruktur, die sich auf Ebene der Ketten von Nukleotiden befindet, und die Sekundärstruktur, die die Verbindung zwischen den beiden Einzelsträngen durch die Basen beschreibt.
Molekulargenetik – DNA Replikation
Die DNA Replikation ist, wie der Name schon sagt, ein Mechanismus zur Verdopplung der DNA. Dies ist für die Weitergabe von Erbinformationen wichtig. Nach der Replikation bestehen beide Doppelstränge aus jeweils einem alten und einem neu synthetisierten Einzelstrang.
Während des Ablaufs der Replikation werden die Einzelstränge der DNA zunächst mithilfe eines Enzyms voneinander getrennt. Dann lagern sich Nukleotide an die komplementären Basen an und werden durch die DNA-Polymerase verknüpft.
Da dies allerdings nur am Leitstrang (also in 3' → 5' Richtung) möglich ist, werden am Folgestrang (5' → 3' Richtung) die Basen in Form von Okazaki-Fragmenten und mithilfe des Enzyms Ligase verbunden.
In der nachfolgenden Grafik findest du eine schematische Abbildung der DNA-Replikation:
Abbildung 1: Schema der DNA-Replikation Quelle: wikipedia.org
Molekulargenetik – DNA Mutationen
Weiterhin unterteilt man die Genmutation in Punktmutation und Rastermutation. Dabei kann eine Punktmutation harmlos sein, denn bei ihr wird lediglich eine Base durch eine andere ausgetauscht. Da dies aber so geschehen kann, dass manchmal trotzdem die gleiche Aminosäure daraus entsteht, nennt man diesen Fall stumme Mutation.
Rastermutationen dagegen verschieben das gesamte Leseraster eines Gens und verändern damit alle nachfolgenden daraus entstehenden Proteine.
Molekulargenetik – RNA
Die RNA (Ribonukleinsäure) setzt sich aus einer Reihe von mehreren Nukleotiden zusammen. Ihre Aufgabe ist zum einen die Regulierung der Genaktivität. Zum anderen sorgt die RNA für den Transport und die Übersetzung von Informationen aus der DNA.
Die RNA spielt bei der Proteinbiosynthese eine entscheidende Rolle. Die mRNA (messenger-RNA) wird bei der Transkription hergestellt. Sie enthält die genetische Information der DNA und kann diese weiter transportieren. Bei der Translation wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuren für das Protein übersetzt.
Außerdem unterscheidet man zwei weitere RNA-Typen. Die rRNA (ribosomale RNA) ist ein Bestandteil der Ribosomen, in denen die Translation stattfindet. Die tRNA (transfer-RNA) ist der Vermittler zwischen dem Basentriplett der mRNA und der Aminosäure. Sie bindet an das passende Basentriplett und stellt die dazugehörige Aminosäure bereit.
RNA ist nicht nur wichtig als Vermittler zwischen DNA und Proteinen. Sie kann auch selbst Träger der Erbinformation sein. So besteht die Erbinformation einiger Viren ausschließlich aus RNA und nicht aus DNA. Ein Beispiel für ein solches Virus ist SARS-CoV-2.
Molekulargenetik – Proteine
Proteine sind im Grunde lange Ketten von Aminosäuren. Sie werden mithilfe der RNA bei der Proteinbiosynthese hergestellt, welche aus den Phasen Transkription und Translation besteht.
Aufgrund der vielen unterschiedlichen Strukturen hat jedes Protein seine eigene einzigartige Aufgabe. Dennoch kann man sie in gewisse Gruppen einteilen.
Enzyme haben die Aufgabe, chemische Reaktionen in einer Zelle zu katalysieren. Transportproteine transportieren, wie der Name schon sagt, Substanzen in die Zelle und aus der Zelle. Immunproteine sind für die Immunreaktion verantwortlich.
Neben diesen Beispielen existieren noch viel mehr Proteinarten.
Molekulargenetik – Genregulation
Durch die Genregulation wird die Aktivität eines Gens beeinflusst. Dabei wird festgelegt, ob ein Protein kodiert werden soll und wenn ja, wann und in welcher Anzahl.
Da Enzyme nicht immer in allen Zellen gebraucht werden, werden Gene je nach Bedarf an- und abgeschaltet, damit die Proteinbiosynthese nicht permanent ablaufen kann. Wie Gene reguliert werden, hängt davon ab, ob man Prokaryoten oder Eukaryoten betrachtet.
Bei Prokaryoten wird das sogenannte Operon-Modell verwendet. Außerdem unterscheidet man dabei zwischen Substratinduktion und Endproduktrepression, die beide zur Repression eines Gens dienen.
Bei Eukaryoten gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten, Gene zu regulieren. So werden etwa die Prozesse der Transkription und Translation beschleunigt oder verlangsamt, oder bereits vorhandene Proteine werden aktiviert oder deaktiviert.
Molekulargenetik – Anwendungsbereiche
Die Erkenntnisse, die aus der Forschung der Molekulargenetik geschlossen werden, finden auf vielen Ebenen Anwendung. So können unter anderem Krankheiten besser verstanden und dementsprechend bessere Therapien und Medikamente entwickelt werden.
Die Betrachtung der DNA und RNA hilft bei der Erforschung der Evolution. Die Gentechnik macht es möglich, Erbgut eigenhändig zu verändern. Dadurch können beispielsweise mithilfe von Bakterien Medikamente oder Substanzen hergestellt werden, die manchen Menschen fehlen (z. B. Hormone wie Insulin bei Diabetikern). Gentherapie ermöglicht es, genetischen Defekten entgegenzuwirken.
Damit ist die Molekulargenetik ein essenzieller Bestandteil der modernen Biologieforschung, die vielen Bereichen zunutze kommt.
Molekulargenetik - Das Wichtigste
Die Molekulargenetik bezeichnet ein Teilgebiet der Genetik, bei dem man sich hauptsächlich mit der DNA und ihren Mechanismen beschäftigt.
Die Forschung überschneidet sich häufig mit anderen Gebieten wie der Chemie.
Ein knapper Überblick über die wichtigsten Themen der Molekulargenetik:
Die DNA ist das zentralste Element der Genetik, die den Bauplan für alle Proteine stellt.
Bei der DNA Replikation wird die DNA verdoppelt, um Erbinformationen weiterzugeben.
DNA Mutationen sind dauerhafte Veränderungen des Erbgutes. Man unterscheidet allgemein zwischen Genommutation, Chromosomenmutation und Genmutation.
Die RNA spielt bei der Proteinbiosynthese eine große Rolle. Man unterteilt sie in mRNA, rRNA und tRNA.
Proteine sind Ketten von Aminosäuren, die viele unterschiedliche Aufgaben haben.
- Genregulation findet statt, da nicht immer Enzyme in allen Zellen benötigt werden. Das geschieht bei Prokaryoten und Eukaryoten jeweils auf unterschiedliche Art.
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