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Was ist ein Gen?Bearbeiten

Ein Gen ist der Träger von Erbinformation, der sich in jeder menschlichen Zelle befindet. Es beschreibt einen Abschnitt auf der DNA (desoxyribonucleic acid, DNS Desoxyribonukleinsäure), der genetische Informationen enthält. Ein Gen ist für die Zellen sozusagen ein bestimmter Code, den sie entschlüsseln. Dadurch gewinnen sie Informationen, die sie vorrangig für den Aufbau von Proteinen (Proteinbiosynthese) brauchen.

Allgemeiner aufbau von GenenBearbeiten

Proteine (Eiweiße) bestehen aus Aminosäuren. Sie bestimmen Struktur und Funktion jeder lebenden Körperzelle und steuern biochemische Prozesse des Stoffwechsels. Die Abfolge der Aminosäuren ist in der DNA festgelegt – sie gibt vor, wie sich Proteine zusammensetzen und wie der menschliche Organismus beschaffen ist.

Die DNA einer Zelle besteht chemisch gesehen aus vier verschiedenen Grundbausteinen: den sogenannten Nukleotiden Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. In einer Zelle bilden diese vier Bausteine (A, C, G, T) – verknüpft zu einer langen Kette – die gesamte Information, welche die Zelle benötigt, um Proteine zu bilden.

Die gesamte Erbinformation beziehungsweise DNA einer Zelle wird auch Genom genannt. Das Genom enthält die komplette Information, die zur Entwicklung eines Lebewesens notwendig ist. Das gesamte fadenförmige Gebilde im Zellinneren, das Erbmaterial und Proteine enthält, heißt Chromosom. Wie die Information eines Abschnitts der DNA beschaffen ist, hängt von der unterschiedlichen Abfolge der vier Bausteine A, C, G und T – der sogenannten Gensequenz – ab.

Nach den Informationen, die ein Gen trägt, wird Ribonukleinsäure (RNS, englisch RNA für deoxyribonucleic acid) erstellt. Die RNA hat in der Zelle verschiedene Funktionen. Sie spielt vor allem eine wesentliche Rolle bei der Proteinbiosynthese. Sie übermittelt in Form der Boten-RNA (Messenger-RNA, mRNA) die genetische Information an sogenannte Ribosomen in den Zellen. Ribosomen sind kleinste Körperchen im Zellinneren, die mit der genetischen Information als Vorlage die Aminosäuren zu einem Kettenmolekül zusammensetzen (Translation). Das zusammengefaltete Kettenmolekül bildet das Protein.

Im menschlichen Körper befinden sich circa 30.000 bis 40.000 Gene. Mithilfe von Gentechnik ist es heutzutage möglich, Gene von einem Organismus in eine anderen zu verpflanzen.


Weiterführende Informationen zum Aufbau der GeneBearbeiten

Auf molekularer Ebene besteht ein Gen aus zwei unterschiedlichen Bereichen:

  • einem DNA-Abschnitt, von dem durch Transkription eine einzelsträngige RNA-Kopie hergestellt wird
  • allen zusätzlichen DNA-Abschnitten, die an der Regulation dieses Kopiervorgangs beteiligt sind.

Es gibt verschiedene Besonderheiten im Aufbau von Genen verschiedener Lebewesen. In der Zeichnung wird der Aufbau eines typischen eukaryotischen Gens dargestellt, das ein Protein kodiert. Der transkribierte Genteil (prä-mRNA) enthält in diesem Fall sechs Bereiche, die Introns, die während des Reifeprozesses (Prozessierung) aus der RNA entfernt werden und sieben Exons, die miteinander verknüpft die reife mRNA bilden.

Vor der Transkriptionseinheit oder auch innerhalb der Exons und Introns liegen regulatorische Elemente wie zum Beispiel Enhancer oder Promotor. An diese binden abhängig von der Sequenz verschiedene Proteine, wie beispielsweise die Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase. Die prä-mRNA (nicht reife mRNA), die im Zellkern bei der Transkription zunächst entsteht, wird in dem Reifungsprozess zur reifen mRNA modifiziert. Die mRNA enthält neben dem direkt proteincodierenden Offenen Leserahmen noch untranslatierte, also nichtkodierende Bereiche, den 5' untranslatierten Bereich (5' UTR) und den 3' untranslatierten Bereich (3' UTR). Diese Bereiche dienen zur Regulation der Translationsinitiation und zur Regulation der Aktivität der RNAsen, die die RNA wieder abbauen.


Gen2.svg

Die Gene der Prokaryoten unterscheiden sich im Aufbau von eukaryotischen Genen dadurch, dass sie keine Introns besitzen. Zudem können mehrere unterschiedliche RNA-bildende Genabschnitte sehr nah hintereinander geschaltet sein (man spricht dann von polycistronischen Genen) und in ihrer Aktivität von einem gemeinsamen regulatorischen Element geregelt werden. Diese Gencluster werden gemeinsam transkribiert, aber in verschiedene Proteine translatiert. Diese Einheit aus Regulationselement und polycistronischen Genen nennt man Operon. Operons sind typisch für Prokaryoten.

Gene kodieren nicht nur die mRNA, aus der dann die Proteine translatiert werden, sondern auch die rRNA und die tRNA sowie weitere Ribonukleinsäuren, die andere Aufgaben in der Zelle haben, beispielsweise bei der Proteinbiosynthese oder der Genregulation. Ein Gen, welches ein Protein kodiert, enthält eine Beschreibung der Aminosäure-Sequenz dieses Proteins. Diese Beschreibung liegt in einer chemischen Sprache vor, nämlich im genetischen Code in Form der Nukleotid-Sequenz der DNA. Die einzelnen „Kettenglieder“ (Nukleotide) der DNA stellen – in Dreiergruppen (Tripletts, Codon) zusammengefasst – die „Buchstaben“ des genetischen Codes dar. Der codierende Bereich, also alle Nukleotide, die direkt an der Beschreibung der Aminosäuresequenz beteiligt sind, wird als offener Leserahmen bezeichnet. Ein Nukleotid besteht aus einem Teil Phosphat, einem Teil Desoxyribose(Zucker) und einer Base. Eine Base ist entweder Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin.

Gene können mutieren, sich also spontan oder durch Einwirkung von außen (beispielsweise durch Radioaktivität) verändern. Diese Veränderungen können an verschiedenen Stellen im Gen erfolgen. Demzufolge kann ein Gen nach einer Reihe von Mutationen in verschiedenen Zustandsformen vorliegen, die man Allele nennt. Eine DNA-Sequenz kann auch mehrere überlappende Gene enthalten. Durch Genduplikation verdoppelte Gene können sequenzidentisch, trotzdem aber unterschiedlich reguliert sein und damit zu unterschiedlichen Aminosäuresequenzen führen, wären also keine Allele.

ProteinsyntheseBearbeiten

Die Sequenz eines Gens führt zur Herstellung eines Proteins mit einer bestimmten Funktion. Die auf dem Gen gespeicherte Sequenzinformation wird im Rhamen der Proteinsynthese sozusagen in ein Protein übersetzt.

Dieser Übersetzungsvorgang vom Gen zum Protein beinhaltet zwei Schritte, die Transkription und die Translation. Der erste Schritt ist die Transkription. Dabei wird die Sequenz eines Gens abgelesen und eine Art Kopie erstellt, die sogenannte messenger-RNA (mRNA, Boten-RNA). Diese Kopie ist mit der Gensequenz fast identisch. Der einzige Unterschied ist, dass anstelle der Base Thymin (T) Uracil (U) eingebaut wird. Die in der mRNA vorkommenden Basen sind also A, C, G und U.

Der zweite Schritt ist die Translation, die Übersetzung der mRNA (Boten-RNA) in das Protein. Dabei wird die Sequenz der mRNA in den Ribosomen einer Zelle abgelesen und die Sequenzinformation in eine für das spätere Protein spezifische Aminosäurensequenz umgesetzt. Sind nach dem Ablesen der mRNA alle notwendigen Aminosäuren zu einer Kette verknüpft, ist das Protein komplett und die Proteinsynthese abgeschlossen.

Die DNA von Menschen ist in Chromosomen organisiert. Jeder Mensch besitzt einen doppelten Chromosomensatz, das heißt, jedes Gen ist doppelt vorhanden, kann aber in unterschiedlichen Ausprägungen vorliegen. Die unterschiedlichen Ausprägungen desselben Gens nennt man Allel. Meistens gibt es nur zwei Allele eines Gens, in selteneren Fällen können aber auch mehr als zwei vorkommen.

Ein Beispiel dafür ist die Erbinformation für die Augenfarbe, die je nach vorliegenden Allelen für blau, braun oder eine andere Farbe kodieren kann.


QuellenBearbeiten

  • Gentechnik: Was genau ist das? Online-Publikation des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz: www.bmelv.de (Abrufdatum: 13. April 2011)
  • Online-Informationen des Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz: www.bmelv.de (Abrufdatum: 13. April 2011)
  • Online-Informationen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung: www.biosicherheit.de (Abrufdatum 13. April 2011)
  • Online-Informationen des Pschyrembel: www.pschyrembel.de (Stand 2010)
  • Schoppmeyer, M.A.: Anatomie und Physiologie: Kurzlehrbuch für Pflegeberufe. Urban & Fischer, München 2007