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Biologie · Oberstufe und Abitur · Klasse 11–13

Molekularbiologie: DNA, Replikation und Proteinbiosynthese

Vom Bau der DNA ĂŒber die semikonservative Replikation bis zu Transkription, Translation, genetischem Code, Mutationen und Genregulation.

🎯 Lernziele

Nach diesem Thema kannst du 


  • den Bau der DNA (Nukleotide, Basenpaarung, AntiparallelitĂ€t) beschreiben
  • die semikonservative Replikation erklĂ€ren
  • Transkription und Translation einschließlich Prozessierung bei Eukaryoten erlĂ€utern
  • mithilfe der Codesonne AminosĂ€uresequenzen ermitteln und die Folgen von Genmutationen beurteilen
  • Prinzipien der Genregulation (z. B. Operon-Modell) erklĂ€ren

💡 ErklĂ€rung

Die DNA ist ein Doppelstrang aus Nukleotiden (Phosphat, Desoxyribose, Base). Die Basen paaren sich komplementĂ€r ĂŒber WasserstoffbrĂŒcken: Adenin mit Thymin, Guanin mit Cytosin. Die beiden StrĂ€nge verlaufen antiparallel (5'→3' und 3'→5') und bilden eine Doppelhelix.

Bei der Replikation trennt die Helicase die StrĂ€nge; die DNA-Polymerase baut an jedem Einzelstrang einen neuen komplementĂ€ren Strang – immer in 5'→3'-Richtung. Am Folgestrang entstehen dadurch StĂŒcke (Okazaki-Fragmente), die die Ligase verbindet. Jede neue DNA besteht aus einem alten und einem neuen Strang: semikonservativ (nachgewiesen von Meselson und Stahl).

Die Proteinbiosynthese – die Herstellung eines Proteins nach der Information eines Gens – verlĂ€uft in zwei Schritten. Bei der Transkription liest die RNA-Polymerase den codogenen Strang und bildet eine komplementĂ€re mRNA (mit Uracil statt Thymin). Bei Eukaryoten wird die PrĂ€-mRNA im Kern prozessiert: Sie erhĂ€lt eine Cap-Struktur und einen Poly-A-Schwanz, und beim Spleißen werden die Introns entfernt, die Exons verknĂŒpft. Bei der Translation an den Ribosomen bringen tRNA-MolekĂŒle mit passendem Anticodon die AminosĂ€uren; je drei Basen (Codon) codieren eine AminosĂ€ure. Der genetische Code ist ein Triplett-Code, nahezu universell und redundant (mehrere Codons fĂŒr eine AminosĂ€ure); AUG ist das Startcodon, UAA, UAG und UGA sind Stoppcodons.

Genmutationen verĂ€ndern die Basensequenz. Eine Punktmutation kann stumm sein (gleiche AminosĂ€ure), eine Missense-Mutation (andere AminosĂ€ure) oder eine Nonsense-Mutation (vorzeitiges Stoppcodon). EinfĂŒgungen oder Verluste einzelner Basen verschieben das Leseraster (Rasterschubmutation) und verĂ€ndern meist das ganze folgende Protein. Genregulation: Bei Bakterien wird z. B. das lac-Operon nur abgelesen, wenn Lactose vorhanden ist – sonst blockiert ein Repressor den Operator (Substratinduktion).

Beispiel

SichelzellanĂ€mie: Im Gen fĂŒr eine Kette des HĂ€moglobins (ÎČ-Globin) ist eine einzelne Base verĂ€ndert. Statt des Codons GAG (GlutaminsĂ€ure) entsteht GUG (Valin). Das verĂ€nderte HĂ€moglobin verklumpt bei Sauerstoffmangel, die roten Blutkörperchen werden sichelförmig.

📘 Fachbegriffe

Nukleotid
Baustein der NukleinsÀuren aus Phosphat, Zucker und Base.
komplementÀr
Passend gepaart: A–T (A–U in RNA), G–C.
semikonservativ
Jede Tochter-DNA enthÀlt einen alten und einen neuen Strang.
codogener Strang
DNA-Strang, der bei der Transkription abgelesen wird.
Spleißen
Entfernen der Introns und Verbinden der Exons in der PrÀ-mRNA.
Codon / Anticodon
Basentriplett der mRNA / komplementÀres Triplett der tRNA.
Operon
Bakterielle Funktionseinheit aus Promotor, Operator und Strukturgenen.

⚠ Typische Fehler

  • Beim Übersetzen den falschen Strang verwenden – die Codesonne gilt fĂŒr die mRNA, nicht fĂŒr den codogenen DNA-Strang.
  • In der RNA Thymin schreiben statt Uracil.
  • Jede Mutation fĂŒr schĂ€dlich halten – stumme Mutationen verĂ€ndern das Protein nicht.

✏ Übungen

Aufgabe 1 · leicht: Gib den komplementÀren DNA-Strang zu 5'-ATGCCGTA-3' an.

Lösung anzeigen

3'-TACGGCAT-5'. Wichtig ist die antiparallele Orientierung: GegenĂŒber dem 5'-Ende steht das 3'-Ende.

Aufgabe 2 · mittel: Ein codogener Strang lautet 3'-TAC AAA CCG ATT-5'. Ermittle mRNA und AminosÀuresequenz (AUG = Met, UUU = Phe, GGC = Gly, UAA = Stopp).

Lösung anzeigen

mRNA: 5'-AUG UUU GGC UAA-3'. AminosĂ€uren: Met – Phe – Gly – Stopp.

Aufgabe 3 · anspruchsvoll: BegrĂŒnde, warum eine Deletion von einer Base am Anfang eines Gens meist schwerwiegender ist als eine Basensubstitution.

Lösung anzeigen

Eine Deletion verschiebt das Leseraster: Alle folgenden Codons werden anders gelesen, die AminosĂ€uresequenz Ă€ndert sich ab dieser Stelle vollstĂ€ndig, oft entsteht frĂŒh ein Stoppcodon. Eine Substitution betrifft nur ein Codon – sie kann stumm sein oder nur eine AminosĂ€ure austauschen.

✅ Selbsttest

1. Welche Base kommt in der RNA statt Thymin vor?
2. Was bedeutet „semikonservative Replikation“?
3. Was geschieht beim Spleißen?
4. Eine Mutation Àndert das Codon UAC (Tyr) in UAA. Welche Mutation ist das?

đŸ§Ÿ Zusammenfassung

  • DNA: antiparalleler Doppelstrang, A–T und G–C.
  • Replikation semikonservativ, Synthese stets 5'→3'.
  • Transkription (mRNA, Uracil) → Prozessierung bei Eukaryoten → Translation an Ribosomen.
  • Genetischer Code: Triplett, redundant, nahezu universell; Start AUG, Stopp UAA/UAG/UGA.
  • Punktmutationen: stumm, missense, nonsense; Rasterschub bei Insertion/Deletion.

🎓 AbiturĂ€hnliche Aufgabe: SichelzellanĂ€mie – von der Mutation zum Merkmal

Übungsaufgabe im Stil des Abiturs (keine OriginalprĂŒfung). Bearbeitungszeit etwa 60 Minuten.

Material

M1: Ausschnitt des codogenen Strangs im ÎČ-Globin-Gen (Codons 5–7), gesunde Form: 3'-GGA CTC CTC-5'. Bei SichelzellanĂ€mie: 3'-GGA CAC CTC-5'.

M2: Ausschnitt der Codesonne: CCU = Prolin, GAG = GlutaminsÀure, GUG = Valin.

M3: Menschen mit zwei Sichelzellallelen leiden an schweren Durchblutungsstörungen. Mischerbige Menschen sind meist gesund und in Malariagebieten seltener schwer an Malaria erkrankt. In Teilen Afrikas mit hohem Malariarisiko ist das Sichelzellallel deutlich hÀufiger als in malariafreien Gebieten.

  1. Ermitteln Sie fĂŒr beide Formen die mRNA und die AminosĂ€uresequenz der Codons 5–7 (M1, M2). (AFB I/II)
  2. Benennen Sie die Mutationsart und erlĂ€utern Sie, wie die VerĂ€nderung einer einzigen Base zum Krankheitsbild fĂŒhren kann. (AFB II)
  3. ErklÀren Sie die hohe HÀufigkeit des Sichelzellallels in Malariagebieten mithilfe der Evolutionstheorie (M3). (AFB III)
Erwartungshorizont anzeigen
  1. Gesund: mRNA 5'-CCU GAG GAG-3' → Prolin – GlutaminsĂ€ure – GlutaminsĂ€ure. Sichelzell: mRNA 5'-CCU GUG GAG-3' → Prolin – Valin – GlutaminsĂ€ure.
  2. Punktmutation (Basensubstitution A→T im codogenen Strang), Missense-Mutation. Valin ist unpolar statt der geladenen GlutaminsĂ€ure; das verĂ€nderte HĂ€moglobin lagert sich bei Sauerstoffmangel zu Fasern zusammen, die Erythrocyten verformen sich sichelförmig, verstopfen Kapillaren und werden schneller abgebaut (Durchblutungsstörungen, Blutarmut).
  3. Mischerbige haben in Malariagebieten einen Selektionsvorteil (seltener schwere Malaria) gegenĂŒber reinerbig Gesunden; Reinerbige mit zwei Sichelzellallelen sind stark benachteiligt. Durch diesen Heterozygotenvorteil bleibt das Allel in der Population erhalten und ist hĂ€ufiger als in malariafreien Gebieten, wo der Vorteil fehlt und Selektion gegen das Allel wirkt (balancierter Polymorphismus).

đŸ‘© Frag CELINA zu „Molekularbiologie: DNA, Replikation und Proteinbiosynthese“

Schritt fĂŒr Schritt erklĂ€ren Übungsaufgabe stellen Typische Fehler

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