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Die Chromosomen, Gene und die DNS sind einige wichtige Fachbegriffe aus dem Bereich der Biologie. Doch was bedeuten eigentlich Chromosomen, Gene und DNS? Was steckt hinter den Begriffen? Und welche Erkenntnisse kann man durch sie gewinnen? Das alles erfahrt ihr in diesem Biologie-Artikel zur Genetik.
Wir haben bereits in einem vorigen Artikel „Die Mendelschen Gesetze“ erläutert. Zur Erinnerung: Gregor Mendel hatte im Garten eines Klosters Züchtungen an Pflanzen durchgeführt und dabei grundlegendes Wissen zur Genetik und Vererbung erlangt. Dieser Artikel ist sehr wichtig, um mit den Grundlagen, die durch ihn vermittelt werden fortzufahren und weitere wichtige Erkenntnisse zu verstehen.
Überblick – Die Geschichte der Genetik
Johann Gregor Mendel stand mit seinem Wissen erst am Anfang dessen, was wir heute über die Genetik wissen. Alles, was danach erforscht wurde, geht auf Erkenntnisse ein, welche erst 100 Jahre nach Mendel entdeckt wurden. Dabei spielen vor allem die Forscher James Watson und Francis Crick eine Rolle.
Die beiden Wissenschaftler entschlüsselten den Bau der Chromosomen, den Trägern der Erbinformationen in den Zellen, und stellten in den fünfziger Jahren ihr Modell der gewundenen Doppelhelixspirale vor.
James Watson und Francis Crick schrieben ihre Erkenntnisse in einem Buch nieder, welches mit dem Satz „Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die speziellen Paarungen, die wir als gegeben voraussetzen, unmittelbar auf einen möglichen Vervielfältigungsmechanismus für die genetische Erbsubstanz schließen lassen.“ (It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material) endet.
Die Entdeckungen der beiden, war ein bahnbrechender Erfolg für die Wissenschaft. Mit dem Modell von Crick und Watson konnten nun die Träger der Erbinformationen genauer betrachtet, und daraus weitere Erkenntnisse gewonnen werden. Denn mit Hilfe der Chromosomen und einer genauen Analyse ihrer Lage und Art, konnten die Merkmale des menschlichen Aussehens erstmals zugeordnet werden. Die Wissenschaftler waren in der Lage, mit Hilfe einer Genkarte festzustellen, welcher Abschnitt in den Zellen das Aussehen der Menschen beeinflusste.
Die beiden Forscher erhielten für ihre Arbeit den Nobelpreis der Medizin. Dies war ein kurzer Einblick in die Geschichte der DNS. Wir möchten euch nun erklären, was die DNS nun eigentlich ist und welche Aufgaben sie erfüllt.
Genetik-Begriffe: Chromosomen, Gene und DNS
Im Biologie-Unterricht fallen öfter die Begriffe Chromosomen, Gene und DNS. Aber was steckt eigentlich dahinter diesen Begriffen?
Chromosomen: Was sind Chromosomen?
Beginnen wir mit den Chromosomen. Zunächst möchten wir euch eine Übersetzung des Fachbegriffes „Chromosom“ geben: Das Wort kommt aus dem Altgriechischen und setzt sich aus den beiden Wörtern „chróma“ und „sóma“ zusammen. Dabei bedeutet „chróma“ so viel wie Farbe und „sóma“ so viel wie Körper. Zusammengesetzt ergibt sich also das Wort „Farbkörper“.
Die Chromosomen sind die Strukturen in den Zellen, die die Gene enthalten. Sie befinden sich im Inneren einer Zelle, dabei kommen sie in allen eukaryontischen Zellen vor, also den Zellen, die einen Zellkern besitzen. Das können sowohl menschliche, tierische und pflanzliche Zellen sein. Die Gene liegen fast alle auf den Chromosomen in den Zellen.
Aufbau der Chromosomen
Die fadenähnliche Struktur der Chromosomen erscheint in biologischen Zeichnungen oft als X-Form. Dies ist jedoch eine veranschaulichende Art der Darstellung. Die Chromosomen sind eigentlich nicht mehr als ein Gewirr aus vielen Fäden, welche zwar vom Zellkern vier verschiedene Abzweigungen haben, jedoch nicht eindeutig als X definiert werden können.
Der Aufbau des Chromosoms ist recht einfach. Dabei spielt das Zentrum des Chromosoms eine entscheidende Rolle in der Benennung des Körpers.
Das Centromer, oder auch Zentrum, des Chromosoms unterteilt die Chromatiden in zwei Stränge. Sobald das Centromer in der Mitte der beiden Stränge liegt, wird das Chromosom metazentrisch genannt. Es gibt jedoch auch die Sonderfälle, dass das Centromer am Ende liegt, sodass ein Arm verkürzt erscheint. Dann spricht man von einem akrozentrischen Chromatid. Sobald das Centromer zwischen der Mitte des Chromatiden und dem Ende liegt, wird das Chromatid als submetazentrisch bezeichnet.
Funktion der Chromosomen
Die Chromosomen sind die Strukturen in den Zellen, die die Gene enthalten. Alle Chromosomen, die in der Zelle eines Individums vorkommen, werden als Karyotyp bezeichnet. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass alle gleichen Karyotypen die gleiche Art und das gleiche Geschlecht ergeben. Die Ausstattung der Träger der Chromosomen auf der DNS ist also identisch, wenn gleiche Geschlechtsmerkmale auftreten.
Damit in den Zellen der Generationen immer die gleiche Anzahl der Chromosomen vorhanden ist, und die Zahl der Chromosomen außerdem steigen kann, müssen die Chromosomen reproduziert werden. Das bedeutet sie werden kopiert und es entstehen neue Chromosomen. Dafür gibt es zwei Arten der Vermehrung der Chromosomen. Die Meiose ist die geschlechtliche Vermehrung. Ihr Gegenstück, die ungeschlechtliche Vermehrung wird Mitose genannt.
Fortpflanzung: Die Geschlechtschromosomen
Schon durch die Mendelschen Gesetze war klar, dass es bei der Fortpflanzung sehr auf genetische Informationen ankommt. Zur Erinnerung: Mendel zeigte schon anhand von Pflanzen, dass sich Merkmale auf Nachkommen übertragen können. In diesem Abschnitt beschäftigen wir uns nun mit den Geschlechtschromosomen, sowie zwei möglichen Fortpflanzungsverfahren.
Ursprünglich kennt die Natur die Vermehrung durch Zellteilung - oft auch Mitose - genannt. Dabei wird das genetische Material der Eltern ohne Veränderung an die Nachkommen weitergegeben. Um das Erbgut einer Mutterzelle auf zwei Tochterzellen zu verteilen, werden die Chromosomen in der Interphase verdoppelt. Ein Chromosom, das nach der Kernteilung zunächst aus einem Chromatid besteht, hat nach der Verdopplung zwei Chromatiden. Diese Art der Vermehrung wird auch als vegetative Vermehrung bezeichnet. Diese Fortpflanzungsart bringt jedoch ein großes Problem mit sich: Die Weiterentwicklung eines Lebenswesens kann nur durch Mutation erfolgen.
Aus diesem Grund ist es sinnvoll, dass die Natur eine zweite Möglichkeit der Vermehrung zur Verfügung hat: Die sexuelle Vermehrung. Dies führt dazu, dass die Nachkommen andere Gene aufweisen, als eines der Elternteile (Fachwort: Meiose). Zur Ermöglichung dieser Art der Fortpflanzung werden männliche und weibliche Keimzellen benötigt.
In normalen Körperzellen treten Chromosomen als Paarlinge - also zu zweit - auf, die eine Hälfte vom Vater, die andere von der Mutter. Einen solchen Paarweise auftretenden Chromosomensatz bezeichnet man als diploid. Es wäre jedoch sehr ungünstig, wenn die Keimzellen für die Fortpflanzung doppelt vorlägen. Denn dies würde dazu führen, dass mit jeder weiteren Generation an Nachkommen eine Verdopplung des Chromosomensatzes entstehen würde. Aus diesem Grund haben Keimzellen einen haploiden (einfachen) Chromosomensatz. Vater und Mutter vererbten somit ihre Chromosomen jeweils einfach, damit der Nachkomme einen doppelten Chromosomensatz aufweist.
Der Mensch und seine Chromosomen
Wir Menschen haben 46 Chromosomen. Diese spalten sich in zwei Paare auf, diese besitzen jeweils 23 Chromosomen. Man nennt diese Chromosomenpaare homolog. Das bedeutet, dass sie immer zu zweit auftreten und die Information gemeinsam ergeben. Der Mensch hat 23 homologe Chromosomenpaare.
Wichtig zu wissen ist, dass von diesen 46 Chromosomen zwei als Geschlechtschromosomen bezeichnet werden. Übrig bleiben 22 Chromosomenpaare, diese werden als Autosomen bezeichnet. Die Geschlechtschromosomen werden bei der Frau als XX und beim Mann als XY bezeichnet.
Wer hat wie viele Chromosomen – Mensch und Tiere im Vergleich
Wir möchten euch hier einmal aufschreiben, welche Tiere welche Anzahl von Chromosomen besitzen. Diese Auflistung gilt dem Interesse der Leser dieses Artikels. Auswendig lernen müsst ihr diese Daten auf keinen Fall!
- Der Mensch hat 46 Chromosomen
- Ein Schimpanse besitzt 48 Chromosomen.
- Die Fledermaus hat 44 Chromosomen.
- Ein Hund besitzt 78 Chromosomen.
- Ein Schwein ist mit 38 Chromosomen ausgestattet.
- Das Säugetier mit der geringsten Anzahl an Chromosomen ist das Opossum, es besitzt nur 18 Chromosomen.
- Außerdem besitzen die Amsel 80 Chromosomen und ein Huhn 78 Chromosomen.
- Auch interessant zu wissen: Ein Champignon ist mit 8 Chromosomen ausgestattet, während die Sauerampfer (Pflanze) 15 Chromosomen besitzt.
Gene
Als Gen bezeichnet man einen Abschnitt auf der DNS. Die Gene sind hier mehrere zusammengefasste Basen, die eine Einheit bilden.
Die Gene enthalten die Grundinformationen zur Herstellung von RNS, einem Teilabschnitt der DNS. Der Begriff Gen wird oftmals auch als Merkmalsanlage bezeichnet, da das Gen eine bestimmte Funktion übernimmt, beispielsweise die Ausprägung der Haarfarbe oder ähnlichem. Ein Gen kann also auch als Erbanlage bezeichnet werden. Es trägt die Erbinformationen.
Die Gene sind dafür verantwortlich, dass Informationen zu Merkmalen der Ausprägung von Generation zu Generation weitergegeben werden.
DNA / DNS
Die Bezeichnung DNS steht für Desoxyribonukleinsäure. Doch meist liest man auch DNA, welches die englische Bezeichnung für DNS ist. Denn „Säure“ wird ins Englische mit „acid“ übersetzt. Daher variiert der letzte Buchstabe bei der Bezeichnung. Biologisch wird jedoch nichts anderes beschrieben.
Die DNS sieht wie eine schraubenförmige Doppelhelix aus. Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül (Polymer), aus vielen Bausteinen, die man als Nukleotide bezeichnet.
Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile: Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische Nukleobase oder kurz Base.
Bei den Basen existieren vier verschiedene Typen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Es können sich jedoch immer nur zwei bestimmte Basen miteinander verbinden: Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin.
DNA Replikation
Habt ihr schon einmal etwas von dem semikonservativen Prinzip gehört? Nein? Das ist das Verfahren, mit welchem die Desoxyribonukleinsäure sich selbst verdoppelt. Eine Folge mehrere Vorgänge gliedert dieses Verfahren in Teilabschnitte, die wir euch gleich detailiert erklären möchten. Als kurzen Überblick möchten wir euch erklären, dass die DNA oder DNS mit Hilfe von Enzymen aufgetrennt wird, daraus vier einzelne Stränge entstehen, an denen jeweils eine Base hängt. Nun werden die Stränge repliziert und mit Hilfe von Primase synthetisiert. Das bedeutet, dass sie verdoppelt werden. Denn die Stränge, welche im Moment noch aus nur einer Base bestehen, benötigen natürlich auch einen Gegenstrang. Deshalb müssen die vorherigen Gegenstränge repliziert werden. Diese Art der Verdopplung nennt man auch Replikation.
Das semikonservative Prinzip
Wir möchten euch hier kurz den Erfolg zweier Biologen vorstellen, die im Jahre 1958 einen Versuch entwickelten, bei dem es darum ging, die Replikation von DNA in ein Schema einzuordnen. Sie nannten diesen Versuch „Meselson-Stahl-Versuch“, da die Nachnamen der Wissenschaftler Meselson und Stahl waren. Mit diesem Versuch lässt sich nachweisen, dass die DNA semi-konservativ repliziert, also vervielfältigt, wird.
Semi-konservativ bedeutet so viel wie „halb-bewahrend“. Das heißt, die Hälfte der Erbinformationen stammt vom mütterlichen Elternteil. Das ist besonders wichtig zu wissen.
Semi-konservativ = Die Hälfte des Erbgutes kommt von der Mutter, die andere Hälfte wird ergänzt.
Die Replikation
Wir wissen nun also, dass die DNA semi-konservativ repliziert wird. Die Hälfte der Informationen kommt von der Mutter, die andere Hälfte muss ersetzt und ergänzt werden.
Dazu tritt nun das Enzym Helikase in Aktion. Der Doppelhelix der DNS wird durch Helikase aufgetrennt und in vier einzelne Stränge aufgeteilt. Diese einzelnen Stränge werden nun vervielfältigt und an den jeweils passenden Gegenstrang gebunden.
Doch zunächst wird eine Replikationsgabel gebildet. Das sind zwei DNS Einzelstränge, die gabelförmig auseinander laufen.
Die DNS Polymerase, ein weiteres Enzym, welches eine entscheidende Rolle spielt, hängt nun die jeweils passenden Basen an die Einzelstränge. Dabei wird natürlich darauf geachtet, dass die Basen gegensätzlich sind, also dass Adenin nur an Thymin gebunden wird und Guanin nur an Cytosin. Die Basen hängen nun also wieder aneinander, es sind mehrere Stränge entstanden. Das Enzym Ligase bindet nun die entstandenen Stränge fest aneinander.
Zusammenfassung:
Die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNS genannt, ist eine schraubenförmige Doppelhelix in unseren Zellen. Ein Abschnitt auf der DNS wird Gen genannt. Dies ist ein Träger der Erbinformationen.
Die DNS besteht aus Nukleotiden, die sich aus Phosphor, Zucker und vier verschiedenen Basen zusammensetzen. Diese Basen heißen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Es werden immer zwei Basen zusammengesetzt, um ein Element der schraubenförmigen Doppelhelix zu bilden. Dabei verbinden sich:
- Adenin und Thymin
- Guanin und Cytosin
Wichtig: Es ist äußerst wichtig, dass ihr wisst, dass sich nur diese beiden Basen jeweils miteinander verbinden können. Es geht nicht, dass Adenin und Guanin verbunden werden. Ihr müsst euch das wie ein Stecksystem vorstellen. Die Steckverbindung Adenin passt wie ein Puzzleteil in das Element Thymin. Euer Puzzle wird jedoch schief, sobald ihr versucht Adenin mit Guanin zusammenzustecken.
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