Genetik
Was ist Genetik ?
Schon vor 2500 Jahren suchten griech. Philosophen und Ärzte nach einer Erklärung für die beobachtete Familienähnlichkeit. Sie entwickelten verschiedene Vorstellungen zu Zeugung und Vererbung.
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Die Genetik versucht, die Eigenschaften der DNA auf allen Ebenen - vom molekularen Aufbau bis zu ihrer Wirkung auf Populationen - zu verstehen.
Ein Satz von DNA-Molekülen wird als Genom bezeichnet. Das Genom wird unterteilt in mehrere Chromosomen - fadenähnliche Strukturen, die je ein DNA-Molekül enthalten.
Ein Chromosom enthält mehrere Gene. Unter einem Gen versteht man einen DNA-Abschnitt, der eine funktionelle Einheit darstellt.
Die Veränderung eines Gens ist die Grundlage genetischer Untersuchungen. Wenn alle Mitglieder einer Population identische Gene hätten, könnte keine genetische Analyse durchgeführt werden. Nur wenn sich ein Gen irgendwie verändert, kann die Vererbung dieses Gens und seine Auswirkung auf den Organismus verfolgt werden.
Ein Genetiker untersucht alle möglichen Aspekte eines Gens.
Die Analyse der Genübertragung von einer Generation auf die nächste bezeichnet man als Vererbungslehre , die Untersuchung der Struktur und der Funktion der Gene als Molekulargenetik , die Unterschung eines Gens in einer Population als Populationsgenetik . Das sind die drei wichtigsten Unterteilungen der Genetik.
Die Genetik befaßt sich mit zwei widersprüchlichen Aspekten der Natur: einerseits ähneln die Nachkommen ihren Eltern, andererseits gleichen sie ihnen nicht völlig. Die Nachkommen von Katzen sind immer Katzen und niemals Hunde, dennoch sind keine zwei Katzen jemals identisch, selbst wenn sie dem gleichen Wurf entstammen. Sogar wenn es sich um eineiige Zwillinge handelt, treten geringe Unterschiede zwischen den beiden Individuen auf
Dieses Beispiel macht zwei Aspekte der Genübertragung deutlich:
Vererbung = die Ähnlichkeit der Nachkommen mit ihren Eltern und
Variabilität = der Unterschied zwischen den Eltern und den Nachkommen und zwischen den Nachkommen selbst.
Die DNA-Doppelhelix
Anfang der 50er Jahre des 20.
Jahrhunderts stellte sich heraus, daß die natürlich vorkommende DNA aus zwei Einzelsträngen besteht, die sich helixartig umeinander winden. WATSON und CRICK stellten 1954 das berühmte Doppelhelixmodell auf und erhielten später dafür den Nobelpreis. Viele Forscher datieren den Beginn der Molekulargenetik, manchmal sogar den Beginn der gesamten modernen Biologie, auf dieses Jahr. Zwei Quellen seien jedem empfohlen, der sich mit der Geschichte des WATSON-CRICK-Modells näher vertraut machen will: zunächst einmal der hervorragende Spielfilm "Wettlauf zum Ruhm", in dem Jeff Goldblom die Rolle des J. WATSON überzeugend spielt. Und zum anderen das Buch von WATSON selbst, "Die Doppelhelix".
Die Basenpaarung
Obwohl man die Doppelhelixstruktur der DNA schon recht früh entdeckte, so wusste man nicht, was die beiden Ketten zusammenhält. WATSON und CRICK kamen schließlich darauf, dass die vier Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Bis zu dieser Erkenntnis war es jedoch ein langer Weg.
Adenin und Thymin werden durch zwei Wasserstoffbrücken zusammengehalten, Cytosin und Guanin durch drei. Daher ist DNA, die reich an Cytosin und Guanin ist, temperaturstabiler als adenin- und thyminreiche DNA.
Grundprinzip der DNA-Replikation
WATSON und CRICK haben nicht nur das Doppelhelixmodell aufgestellt, sondern - berühmtes Zitat aus ihrer spektakulären Veröffentlichung in Nature:
"Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, daß die spezifische Basenpaarung, die wir postuliert haben, auch einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material impliziert".
Das Grundprinzip der DNA-Replikation:
Der DNA-Doppelstrang teilt sich an einer Stelle in zwei Einzelstränge auf. Nun kommen Enzyme und heften die passenden Nukleotide an die ungepaarten Basen der Einzelstränge. Anschließend werden die neuen Nukleotide untereinander verbunden, so dass neue Einzelstränge entstehen.
(Bild: ,,Identische Reduplikation")In der oberen Bildhälfte schließlich erkennt man die neusynthetisierten Tochterstränge - jetzt liegen zwei identische DNA-Abschnitte vor.
Auf den ersten Blick erscheint die "identische Reduplikation" der DNA (kurz: Replikation) recht einfach als 4-Schritte-Prozess:
Zuerst binden bestimmte Enzyme an einen "Originator-Bereich" der DNA und entwinden sie ein kurzes Stück. Ein "Bindeprotein" stabilisiert die Einzelstrangbereiche, die sich so gebildet haben.
Nun kommen jeweils sechs Untereinheiten des Enzyms "Helicase" und lagern sich auf beiden Seiten des Einzelstrangbereichs an die DNA an. Durch die Helicase wird die DNA auf beiden Seiten des Einzelstrangbereichs weiter entwunden.
Dann kommt ein weiteres Enzym an, die "Primase", und verbindet sich mit den Helicase-Molekülen. Die Primase synthetisiert kurze komplementäre RNA-Stränge, so genannte "Primer".
Jetzt erst kommt die DNA-Polymerase III, das wichtigste Enzym der Replikation, welches die Hauptarbeit leistet. Das Enzym lagert sich an das 3'-Ende des RNA-Primers an und startet die DNA-Synthese
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