Lebensformen – DNA: Informationsspeicher, Bauvorschrift und Gebrauchsanweisung

Zusammenfassung

Im Laufe der Evolution hat sich eine Vielfalt von Lebensformen entwickelt, die alle ihre Eigenheiten bzgl. ihres Lebenszyklus und Fortpflanzungsweise haben. Im ersten Teil werden die Charakteristika von Viren, Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) und Eukaryoten (Pilze, Pflanzen und Tiere) vorgestellt. Im Weiteren besprechen wir anhand von Beispielen die verschiedenen Fortpflanzungsweisen wie asexuelle, parthenogenetische und sexuelle Reproduktion.

Die Erbinformation (DNA) bestimmt das Leben, die Fortpflanzung und die Evolution von Organismen, aber auch Umweltfaktoren können modifizierend Einfluss nehmen. In diesem Kapitel werden zunächst elementare Kenntnisse über die DNA–Struktur, ihre Vervielfältigung und Bedeutung bei der Proteinsynthese vermittelt. Danach gehen wir auf die Weitergabe von Erbinformation von Zelle zu Zelle (Mitose) sowie von Generation zu Generation (Meiose) ein. Abschließend wird ein erster Schritt zum Verständnis von Evolutionsvorgängen mit der Vorstellung von Mutationsereignissen und deren Bedeutung getan.

Am Ende des Kapitels werden Aufgaben gestellt, für die Lösungsvorschläge im Kapitel 20 des Anhangs präsentiert werden. Das Lernen und Verstehen der Inhalte wird durch ein Glossar unterstützt.

Glossar

Äquatorialebene

 Während der Teilung von eukaryotischen Zellen müssen sich die Chromosomen (G) des Kerngenoms (G) ordnen, damit sie regulär aufgeteilt werden können. Die Zellebene, an der sich die Chromosomen entweder als homologe Paare einfinden (▶ Meiose) oder die Schwesterchromatiden ausrichten (▶ Mitose), nennen wir Äquatorialebene.

akrozentrisches Chromosom

Ein Chromosom (▶ G) mit nur einem Arm, an dessen Ende das Zentromer (▶ G) liegt. Das Zentromer teilt ein submetazentrisches Chromosom in einen kurzen und langen Arm. Liegt das Zentromer mehr oder weniger in der Mitte des Chromosoms, haben wir ein metazentrisches Chromosom.

Aminosäure

Grundbaustein von Proteinen (Eiweiß). Der genetische Code bestimmt, in welcher Reihenfolge lineare Ketten von Aminosäuren oder Polypeptiden gebildet werden (Aminosäurekette oder Polypeptid). In der belebten Natur finden wir 22 verschiedene Aminosäuren. Die Individuen jeder Art benötigen eine bestimmte Anzahl dieser Bausteine; entweder kann ein Individuen alle notwendigen Aminosäuren selbst erzeugen (Pflanzen) oder einige Aminosäuren müssen über die Nahrung aufgenommen werden (Säugetiere; essenzielle Aminosäuren).

Anode

Ein elektrisches Feld oder eine Spannungsquelle besitzt eine positiv geladene Seite (Anode) und eine negative geladene Seite (Kathode). Zur Anode werden negativ geladene Teilchen (Anionen) angezogen, während Kationen zur Kathode wandern.

Autosom

Chromosom (▶ G) des Kerngenoms von Eukaryoten, das nicht primär an der Ausbildung des Geschlechts mitwirkt. Doch können Autosomen durchaus Gene tragen, die für geschlechtsspezifische Funktionen codieren.

Boten-RNA

Die komplementäre Abschrift eines Gens (▶ Transkription), die in eine Aminosäurekette übersetzt wird (▶ Translation). Die Abkürzung mRNA ist von „messenger-RNA“.

Capping

Während der Transkription (▶ G) eines eukaryotischen Gens wird der Anfang der mRNA markiert. Diese Veränderung stabilisiert das Transkript für seinen Transport in das Zytoplasma (▶ G) von Eukaryoten und ist für den Beginn der Translation wichtig.

Chloroplast

Kleines Organell (▶ Plastid) im Zytoplasma von pflanzlichen Zellen. Es besitzt eigene Erbsubstanz und ist Ort der Photosynthese.

Chromatide

Riesenmolekül (DNA-Doppelhelix), das die Erbinformation in linearer Abfolge trägt. Seine wesentlichen Bausteine sind Nukleotide (▶ G), die Elemente des genetischen Codes sind. In der aktiven Phase einer Zelle besteht ein Chromosom (▶ G) aus einer Chromatide. Vor der Mitose und Meiose (▶ G) eukaryotischer Zellen werden Chromatiden „identisch“ verdoppelt und die Schwesterchromatiden (▶ G) sind durch das Zentromer (▶ G) miteinander verbunden.

Chromosom

Riesenmolekül mit einer oder mehreren identischen (▶ Chromatiden).

Chromosomenarm

Das Zentromer (▶ G) teilt das Chromosom (▶ G) einer eukaryotischen Zelle in den kurzen p-Arm und langen q-Arm.

Degeneration des genetischen Codes

Die vier elementaren Bausteine der Erbinformation (Basen: Adenosin, Cytosin, Guanin, Thymin) lassen 64 Dreierkombinationen (Triplett/Codon) zu, die für maximal 22 Aminosäuren, den Beginn und das Ende eines Gens codieren. Somit führen mehrere verschiedene Codons zum selben Ergebnis. Die Bedeutung der Codons ist nicht eindeutig!

Doppelhelix

Die typische gewundene Struktur von zwei komplementären DNA-Nukleotidfäden (▶ Chromatide).

Ein- Enzym-ein-Gen

Diese These geht auf Beadle und Tatum (1941)zurück und besagt, dass die Sequenz eines Gens für ein Enzym/Protein codiert. Heute wissen wir, dass die meisten Gene nichtcodierende Elemente (Intron) enthalten, die im Übersetzungsprozess herausgeschnitten werden müssen (▶ Splicing).

Endosymbiontentheorie

Wie kommen Mitochondrien und Chloroplasten (Plastiden) in eukaryotische Zellen? Diese Frage wird mit der These beantwortet, dass eine eukaryotische „Urzelle“ (▶ G) und eingedrungene Bakterien eine Symbiose bildeten, bei der beide bestimmte Aufgaben zum Vorteil beider Partner übernahmen. Diese These wird durch die Ähnlichkeit der Plastidenstrukturen mit der von Bakterien gestützt.

Euchromatin

Chromosomenstrukturen können mit Färbetechniken sichtbar gemacht werden. Mit der Trypsin-Giemsa-Färbung werden helle und dunkle Banden sichtbar. Hinter den hellen Banden verbergen sich euchromatische Bereiche, die Cytosin-Guanin-reich (GC-reich) und genetisch aktiv sind. Dunkle Banden sind Adenosin-Thymin-reich (AT-reich, heterochromatisch) und genetisch weniger aktiv.

Gamet

Die Keimbahn von Organismen mit geschlechtlicher Vermehrung erzeugt Eizellen oder Spermien bzw. Pollen. Bei der Befruchtung verschmelzen diese weiblichen und männlichen haploiden Gameten zur diploiden Zygote (▶ Ploidie), aus der der neue Organismus entsteht.

Genom

 Die Gesamtheit der genetischen Information einer Zelle. Bei Eukaryoten zählen neben dem Kerngenom (G, ▶ Chromosom) auch die DNA-tragenden Plastiden (▶ Mitochondrium, ▶ Chloroplast) zum Genom.

Genort

Im Deutschen verbinden wir einen solchen Chromosomenabschnitt immer mit einer Funktion. In der angelsächsischen Literatur gilt diese Verbindung nicht immer! Der Überbegriff lautet Locus (▶ G) und gilt für jeden wohldefinierten DNA-Abschnitt, mit oder ohne funktionelle Bedeutung!

Heterochromatin

▶ Euchromatin.

heterologe Chromosomen

Unterschiedlich strukturierte Geschlechtschromosomen (▶ Gonosomen) einiger Arten.

Histone

Proteine, die für die DNA-Struktur eine Bedeutung haben. Um eine Verbindung von acht Histonen windet sich der DNA-Faden und ist damit der erste Schritt zur Verpackung des riesigen DNA-Moleküls.

homologe Chromosomen

Chromosomen, die sich in ihrer Struktur unter dem Mikroskop entsprechen. Der Mensch erhält von jedem Elternteil 23 verschiedene Chromosomen. Nach der Befruchtung der Eizelle liegen in der Zygote (▶ G) 23 Chromosomenpaare vor. Bis auf die Geschlechtschromosomen des Mannes (XY) sind die Chromosomen jedes Paars in ihrer mikroskopischen Struktur identisch.

homologe Strukturen

Strukturen die sich in ihrer Gestalt entsprechen. Im Fall von Chromosomen gleichen sich homologe Chromosomen in ihrer mikroskopischen Struktur.

Kernäquivalent

Ringchromosom von Bakterien.

Kerngenom

Die genetische Information, die auf den Chromosomen des Zellkerns von Eukaryoten gespeichert ist.

Klon

Genetisch identische Nachkommenschaft, die nur von einem Individuum abstammt. Mit dem Bilden von Ablegern einer Pflanze wird die Stammpflanze kloniert. Aber auch bei der Nachkommenschaft von parthenogenetischen Individuen sprechen wir von klonalen Linien, weil diese oftmals identisch mit der ursprünglichen Mutter sind.

Knospung

Asexuelle, vegetative Vermehrungsform, auch Sprossung genannt. Prokaryoten, Mitochondrien und Chloroplasten replizieren bzw. verdoppeln ihre Erbinformation und kapseln dann einen Teil der Zelle mit der Erbinformation ab. Pflanzen bilden Ableger, und einige Tierarten schnüren einen Teil ihrer Zellen ab, die sich dann wieder zu einem neuen unabhängigen Organismus entwickeln.

Locus

DNA-Abschnitt, der für unsere Untersuchungen von Interesse ist. So kann es sich um einen Abschnitt handeln, in dem ein bestimmtes Gen liegt, oder es kann auch ein Abschnitt sein, der keine genetische Bedeutung hat, doch für unsere Untersuchungen nützlich ist.

maternale Vererbung

Die genetische Information, die bei sexuell reproduzierenden Organismen ausschließlich vom weiblichen Geschlecht weitergeben wird.

Meiose

Sexuell reproduzierende Eukaryoten bilden Gameten (▶ G, Eizellen, Spermien bzw. Pollen), nach deren Verschmelzung sich ein neues Individuum entwickelt. Die Meiose garantiert, dass der genetische Informationsumfang der Eltern und ihrer Nachkommenschaft (bis auf Mutationen) konstant bleibt.

messenger-RNA , mRNA

▶ Boten-RNA.

metazentrisches Chromosom

▶ akrozentrisches Chromosom.

Mikrotubuli

Proteinfäden, die sich während der Zellteilung ausbilden und für die geordnete Aufteilung der Chromosomen (▶ G) zuständig sind (das Protein heißt Tubulin).

Mitochondrium

Kleines Organell/Plastid im Zytoplasma (▶ G) von allen eukaryotischen Zellen. Es besitzt eigene Erbsubstanz und ist für die Bereitstellung von Energie zuständig.

Mitose

Teilt sich eine eukaryotische Körperzelle, dann garantiert die Mitose die identische Weitergabe der genetischen Information der Mutterzelle an ihre beiden Tochterzellen.

Monomer

Protein, das seine Aufgabe erfüllt und nur aus einer Aminosäurekette besteht.

Mutation

Die Kopie der Erbinformation unterscheidet sich vom Original.

Nukleotid

Grundbaustein der Nukleinsäuren (DNA und RNA); Nukleotide haben aber auch wichtige Aufgaben im Stoffwechsel eines Organismus. Nukleotide sind eine Verbindung aus einer Base, Zucker und einem Phosphat. Nukleoside haben keinen Phosphatrest.

Plasmid

Kleines Organell von Bakterien mit eigener Erbinformation. Plasmide tragen oftmals auch Gene, die Bakterien eine Resistenz gegen Antibiotika verleihen.

Ploidie

Die Anzahl homologer Chromosomen in einer Zelle. Der Mensch ist diploid, da er von beiden Eltern mit deren haploiden Gameten ein einfaches genetisches Paket erhält. Der Ploidiegrad des Homo sapiens ist damit gleich zwei. Als aneuploid werden Abweichungen vom normalen Chromosomensatz (▶ G) einer Art bezeichnet. Bei asexueller Reproduktion sind aneuploide und polyploide Chromosomensätze möglich (triploid = drei homologe Chromosomen, tetraploid usw.).

Polkörperchen

 Während der weiblichen Meiose (G) entstehen neben der haploiden Eizelle, die fast die gesamte Zellflüssigkeit (▶ Zytoplasma) und die Mitochondrien (▶ G) erhält, noch drei weitere haploide Teilungsprodukte, die aber nur Chromosomen enthalten.

Polyadenylierung

Nach der Transkription (▶ G) eines eukaryotischen Gens folgt das Anheften vieler Adeninnukleotide an die mRNA, eventuell dient dies zur Stabilisierung der mRNA.

Polytänchromosom

Chromosomen (▶ G), die aus vielen Chromatiden (▶ G) bestehen. Bei einigen Arten finden wir solche Chromosomen in bestimmten Körperzellen. Diese Chromosomen werden auch als Riesenchromosomen bezeichnet und können leicht mit dem Mikroskop beobachtet werden.

pseudoautosomale Region

Die unterschiedlichen Geschlechtschromosomen (▶ Gonosomen) einer Art besitzen Chromosomenabschnitte, die sich entsprechen (▶ homolog) und damit für die korrekte Paarung während der Meiose wichtig sind. Diese Regionen verhalten sich wie Autosomen (▶ G) und können auch rekombinieren (▶ G).

Regulator-Gen

Ein DNA-Abschnitt, der auf die Synthese von Aminosäureketten (Proteine) Einfluss nimmt.

Rekombination

Austausch von genetischer Information zwischen Informationsträgern eines Individuums (z. B. Chromosomen).

Replikation

Bis auf Mutationen ein weitgehend identischer Kopiervorgang eines DNA-Fadens vor der Metaphase in der Mitose (▶ G) oder vor der ersten meiotischen Teilung (▶ G).

ribosomale RNA

RNA-Moleküle, die neben Proteinen am Aufbau von Ribosomen (▶ G) beteiligt sind.

Riesenchromosom

▶ Polytänchromosom.

RNA

Abkürzung von „ribonucleic acid“ (die deutsche Abkürzung RNS von Ribonukleinsäure ist veraltet). Ein Molekül, das sich von der DNA leicht unterscheidet; so wird die Base Thymin durch Uracil ersetzt und der Zucker Ribose ist Teil des RNA-Moleküls. Der biologische Stoffwechsel benötigt eine große Anzahl verschiedener RNA-Moleküle: messenger RNA (mRNA, Boten-RNA) für die Proteinsynthese; transfer RNA (tRNA) für den Transport von einzelnen Aminosäuren zur Polypeptidsynthese; ribosomale RNA (rRNA) für den Aufbau von Ribosomen und eine Vielzahl von kleinen RNA-Molekülen wie zum Beispiel microRNA und small interfering RNA, die für die Regulation von Struktur-Genen (▶ G) von Bedeutung sind.

Satelliten

DNA-Satelliten sind große DNA-Sequenzen, die entweder in kleinen Wiederholungspaketen oder verstreut im gesamten Genom vorkommen. Chromosomensatelliten sind chromosomale Abschnitte, die sich vom restlichen Chromosom deutlich abgrenzen. Beim Menschen liegen chromosomale Satellitenregionen auf den akrozentrischen Chromosomen (▶ G). Diese Satelliten bestehen aus einer Vielzahl von Genen für ribosomale RNA.

Schwesterarten

Eng verwandte Arten, die sich erst vor einem kurzen Evolutionszeitraum aus einer gemeinsamen Population entwickelt haben. Zwischen Individuen beider Arten kann es in einigen Fällen sogar zu Hybridisierungsereignissen kommen.

Schwesterchromatiden

Vor Mitose (▶ G) und Meiose (▶ G) wird die genetische Information des Kerngenoms (▶ G, ▶ Chromosomen) von Eukaryoten kopiert. Die Kopie bleibt zunächst mit der Originalchromatide über das Zentromer (▶ G) verbunden. Die Chromosomen bestehen aus zwei Schwesterchromatiden.

Sichelzellanämie

Diese Veränderung des menschlichen Hämoglobinmoleküls hat ihre Ursache im Austausch einer Base im sechsten Triplett der β-Untereinheit des Hämoglobins. Das Hämoglobin besteht jeweils aus zwei großen, identischen Aminosäureketten (α-Ketten) und zwei kleinen Ketten (β-Ketten).

Splicing

Ein Prozess, der nach dem Umschreiben (▶ Transkription) der DNA in die Boten-RNA (▶ G) stattfindet. Zuerst wird ein Gen vollständig mit allen seinen Exons und Introns umgeschrieben, anschließend werden die Introns herausgeschnitten und die Exons wieder zusammengefügt. Im Fall, dass die Exons eines Gens in unterschiedlicher Weise zusammengefügt werden und dies auch zu funktionellen Produkten führt, sprechen wir vom alternativen Splicing.

Spore

Einzelliges oder nur aus wenigen Zellen bestehendes Entwicklungsstadium, mit dem ein Organismus ungünstige Umweltbedingungen überstehen kann. Sporenbildung kann auch zur Verbreitung und Vermehrung einer Art dienen. Jede Kombination dieser Eigenschaften kann beobachtet werden.

Sprossung

▶ Knospung.

Struktur-Gen

Ein Gen, das für eine Aminosäurekette (▶ G) codiert.

submetazentrisches Chromosom

▶ akrozentrisches Chromosom.

Transkription

Für die Synthese einer Aminosäurekette muss das Gen zuerst in eine RNA (▶ Boten-RNA) umgeschrieben werden.

Translation

Nach der Transkription (▶ G) wird die Botschaft der Boten-RNA (▶ G) in die Aminosäurekette übersetzt.

transposable Elemente , Transposon

DNA-Sequenzen, die ihre Position im Genom willkürlich verändern können oder deren Kopien an beliebigen, zufälligen Positionen des Genoms (▶ G) eingefügt werden.

vegetative Vermehrung oder Reproduktion

Vermehrungsweise, bei der keine Geschlechtspartner beteiligt sind. Zellen eines Organismus haben das Potenzial, einen neuen, unabhängigen Organismus und eine genetische Kopie des ursprünglichen Individuums zu bilden.

Zellmosaik

Zellen eines mehrzelligen Organismus tragen unterschiedliche genetische Informationen, bedingt durch Mutationen, die in einzelnen Zelllinien aufgetreten sind.

Zentromer

Verbindung zwischen Schwesterchromatiden (▶ G) und auch Chromosomenabschnitt, der zur korrekten Erkennung der verschiedenen Chromosomen (▶ G) in den Zellteilungsprozessen dient.

Zygote

Einzellstadium nach der Befruchtung einer Eizelle, aus dem sich ein neues mehrzelliges Individuum entwickelt.

Zytoplasma

Die Zellflüssigkeit ist von der Zellwand umgeben und enthält alle Elemente einer Zelle (bei Eukaryoten: Zellkern, Mitochondrien usw.).