Molekulargenetik
In jeder deiner Körperzellen steckt dieselbe DNA. Trotzdem stellen bestimmte Zellen der Bauchspeicheldrüse Insulin her, Zellen in der Haarwurzel dagegen Keratin. Wie wird aus einer Folge von nur vier Buchstaben ein funktionierendes Protein? Genau damit beschäftigt sich die Molekulargenetik.
Einfach erklärt
In jeder Körperzelle steckt dieselbe DNA, also dieselbe Erbinformation. Trotzdem stellen Zellen verschiedene Eiweiße her. Die Molekulargenetik fragt: Wie wird aus einem Gen ein Eiweiß? Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNA. Er enthält den Bauplan für ein Eiweiß. Eiweiße erledigen fast alle Arbeiten in der Zelle.
Das geschieht in zwei Schritten. Zuerst schreibt die Zelle das Gen ab. Das heißt Transkription. Dabei entsteht eine Arbeitskopie, die mRNA. Sie verlässt den Zellkern. Dann übersetzt die Zelle die Kopie in eine Kette aus Bausteinen. Das heißt Translation. Die Kette faltet sich zu einem fertigen Eiweiß.
Auf der mRNA stehen je drei Buchstaben für einen Baustein. Manchmal ändert sich ein Buchstabe. Dann kann sich auch das Eiweiß ändern. So eine dauerhafte Änderung heißt Mutation.
Merke: Die Information fließt von der DNA über die mRNA zum Eiweiß.
Das lernst du hier
- Du beschreibst, wie bei der Transkription eine mRNA-Abschrift eines Gens entsteht.
- Du erklärst, wie Ribosomen und tRNAs bei der Translation eine Aminosäurekette aufbauen.
- Du wendest die Code-Sonne an und übersetzt eine mRNA in eine Aminosäuresequenz.
- Du unterscheidest Mutationstypen und erläuterst ihre Folgen für das Protein.
Was erforscht die Molekulargenetik?
Die Molekulargenetik untersucht Gene auf der Ebene der Moleküle: wie die Erbinformation in der DNA gespeichert ist und wie sie kopiert, abgelesen und gesteuert wird. Die Grundlagen dafür findest du in dieser Themenwelt, vom Aufbau der Zelle über den Zellkern und die Chromosomen bis zum Bau der DNA. Auf dieser Seite geht es um die zentrale Frage: Wie wird aus einem Gen ein Protein?
Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Information für ein Produkt enthält, meist für ein Protein. Proteine (Eiweiße) sind Ketten aus Aminosäuren. 20 verschiedene Aminosäuren sind die Standardbausteine. Proteine erledigen fast alle Arbeiten in der Zelle: Als Enzyme beschleunigen sie Stoffwechselreaktionen, als Hämoglobin transportieren sie Sauerstoff, als Kollagen geben sie dem Gewebe Halt.
Ein Beispiel zeigt den Zusammenhang zwischen Gen und Merkmal: Das Gen für das Enzym Tyrosinase wird abgelesen, das Enzym bildet den Farbstoff Melanin, und Melanin färbt Haut, Haare und Augen. Ist das Gen so verändert, dass keine funktionsfähige Tyrosinase entsteht, fehlt der Farbstoff. Das ist eine Form von Albinismus. Die Kette lautet also: Gen → Protein → Merkmal.
Schritt 1: Transkription – das Gen wird abgeschrieben
Die DNA bleibt geschützt im Zellkern. Abgelesen wird eine Arbeitskopie, die mRNA (messenger-RNA, Boten-RNA). RNA unterscheidet sich von DNA in drei Punkten: Sie ist meist einzelsträngig, enthält den Zucker Ribose statt Desoxyribose und die Base Uracil (U) statt Thymin.
- Start (Initiation)Das Enzym RNA-Polymerase bindet an den Promotor, eine Startsequenz vor dem Gen. Dort entwindet sie die Doppelhelix auf einem kurzen Stück.
- Verlängerung (Elongation)Die RNA-Polymerase liest nur einen der beiden DNA-Stränge ab, den codogenen Strang (Matrizenstrang). Sie wandert an ihm in 3’→5′-Richtung entlang und verknüpft passende RNA-Nukleotide. Die mRNA wächst dabei in 5’→3′-Richtung. Es gilt die Basenpaarung: A in der DNA ergibt U in der RNA, T ergibt A, G ergibt C und C ergibt G.
- Ende (Termination)An einer Endsequenz, dem Terminator, löst sich die RNA-Polymerase von der DNA. Die mRNA wird frei, die DNA-Stränge legen sich wieder zusammen.
Ein Beispiel (Leerzeichen nur zur besseren Übersicht):
DNA 3’– TAC GGA CTT ACC ATT –5′
mRNA 5’– AUG CCU GAA UGG UAA –3′
Die mRNA hat dieselbe Basenfolge wie der andere DNA-Strang, der codierende Strang – nur mit U statt T. Ausführlich mit Promotor, Terminator und Spleißen: Transkription.
Schritt 2: Translation – die Übersetzung in ein Protein
Die mRNA verlässt den Zellkern durch eine Kernpore. Im Zytoplasma setzen sich Ribosomen an sie. Je drei aufeinanderfolgende Basen der mRNA bilden ein Codon, das für eine bestimmte Aminosäure steht. Die eigentlichen Übersetzer sind die tRNAs (Transfer-RNAs): Jede trägt an einem Ende eine bestimmte Aminosäure und am anderen Ende ein Anticodon, drei Basen, die genau zu einem Codon passen.
- StartDie kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an die mRNA und sucht das Startcodon AUG. Eine tRNA mit dem Anticodon UAC bringt die erste Aminosäure, Methionin. Dann lagert sich die große Untereinheit an.
- KettenverlängerungDie nächste passende tRNA bindet mit ihrem Anticodon an das folgende Codon. Das Ribosom verknüpft die beiden Aminosäuren durch eine Peptidbindung und rückt dann um genau ein Codon, also drei Basen, weiter. Die leere tRNA wird frei. So wächst die Kette Aminosäure für Aminosäure.
- StoppErreicht das Ribosom ein Stoppcodon (UAA, UAG oder UGA), passt keine tRNA. Ein Freisetzungsfaktor löst die fertige Kette ab, und das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten.
Die Aminosäurekette (das Polypeptid) faltet sich anschließend zu einer räumlichen Struktur. Erst diese Form macht das Protein funktionsfähig. Unser Beispiel von oben ergibt: Met – Pro – Glu – Trp, danach Stopp.
Selbst ausprobieren
Im DNA-Decoder im Gen-Labor übersetzt du selbst DNA-Sequenzen über die mRNA in Aminosäureketten – und siehst, was eine einzige veränderte Base anrichten kann.
Der genetische Code
Vier Basen, aber 20 Aminosäuren – wie passt das zusammen? Ein Codon aus drei Basen ergibt 4 × 4 × 4 = 64 Kombinationen. 61 davon stehen für Aminosäuren, drei sind Stoppsignale. Diese Zuordnung heißt genetischer Code. Mit der Code-Sonne kannst du ihn ablesen (Abb. 2): Du beginnst innen mit der ersten Base des Codons und arbeitest dich nach außen vor. Eine Anleitung mit Übungen und allen 64 Codons bietet die Seite Codesonne lesen.
| Eigenschaft | Was das bedeutet |
|---|---|
| Triplett-Code | Je drei Basen (ein Codon) stehen für eine Aminosäure. |
| redundant („degeneriert“) | Die meisten Aminosäuren haben mehrere Codons, Leucin zum Beispiel sechs. Oft unterscheiden sie sich nur in der dritten Base. |
| eindeutig | Jedes Codon steht für genau eine Aminosäure oder für Stopp. |
| kommafrei, nicht überlappend | Die Codons werden lückenlos hintereinander gelesen, jede Base gehört zu genau einem Codon. |
| nahezu universell | Fast alle Lebewesen nutzen denselben Code. Deshalb können Bakterien menschliches Insulin herstellen. Wenige Abweichungen gibt es, etwa in Mitochondrien. |
Merke
Die Information fließt von der DNA über die mRNA zum Protein. Bei der Transkription entsteht im Zellkern eine mRNA-Abschrift eines Gens. Bei der Translation übersetzen Ribosomen und tRNAs die Codons der mRNA in eine Aminosäurekette. Drei Basen bilden ein Codon, ein Codon steht für eine Aminosäure.
Wusstest du?
Das erste Codon wurde 1961 geknackt: Marshall Nirenberg und der deutsche Biochemiker Heinrich Matthaei gaben eine künstliche RNA, die nur aus Uracil bestand, in ein zellfreies System. Heraus kam eine Kette aus lauter Phenylalanin – UUU steht also für Phe. 1966 war der Code vollständig entschlüsselt, 1968 gab es dafür den Nobelpreis an Nirenberg, Robert Holley und Har Gobind Khorana.
Wenn sich die Sequenz ändert: Mutationen
Eine Mutation ist eine dauerhafte Veränderung der Erbinformation. Sie kann zufällig beim Kopieren der DNA entstehen oder durch Mutagene wie UV-Strahlung und bestimmte Chemikalien ausgelöst werden. Viele Schäden beseitigt die Zelle selbst, mehr dazu unter Reparatur der DNA. Welche Folgen eine Mutation hat, hängt davon ab, wo und wie die Sequenz verändert ist.
| Mutationstyp | Was passiert? | Mögliche Folge |
|---|---|---|
| Stumme Mutation | Eine Base wird ersetzt, das Codon steht aber für dieselbe Aminosäure (CCU → CCC, beide Pro). | Protein unverändert |
| Fehlsinn-Mutation (Missense) | Ein Basenaustausch ändert eine Aminosäure. | Protein verändert, Funktion evtl. gestört |
| Unsinn-Mutation (Nonsense) | Ein Basenaustausch erzeugt ein Stoppcodon (UGG → UGA). | Protein bricht vorzeitig ab |
| Rasterschub | Eine oder zwei Basen kommen hinzu (Insertion) oder fehlen (Deletion). | Alle folgenden Codons werden falsch gelesen |
| Chromosomenmutation | Ein größerer Abschnitt eines Chromosoms fehlt, ist verdoppelt, umgedreht oder verlagert. | Oft viele Gene betroffen |
| Genommutation | Die Zahl der Chromosomen ändert sich, z. B. bei Trisomie 21. | Betrifft alle Zellen des Körpers |
Stell dir einen Satz aus Wörtern mit drei Buchstaben vor: DER HUT WAR ROT. Wird ein Buchstabe ersetzt (DER MUT WAR ROT), ändert sich ein Wort. Fehlt ein Buchstabe (DER UTW ARR OT…), ist alles danach Unsinn. Genau das passiert bei einem Rasterschub.
Ein bekanntes Beispiel für eine Fehlsinn-Mutation ist die Sichelzellanämie: Im Gen für eine Kette des Blutfarbstoffs Hämoglobin ist eine einzige Base ausgetauscht. In der mRNA wird aus dem Codon GAG (Glutaminsäure) das Codon GUG (Valin). Diese eine Aminosäure reicht aus, damit Hämoglobinmoleküle bei Sauerstoffmangel zu Fasern verklumpen und die roten Blutkörperchen sichelförmig werden. Mehr dazu unter Genetisch bedingte Erkrankungen.
Typische Fehler
- „Die Code-Sonne liest man von außen nach innen.“ Falsch – innen steht die erste Base des Codons (5′-Ende), außen die Aminosäure.
- „Ein Codon besteht aus drei Aminosäuren.“ Falsch – ein Codon besteht aus drei Basen und steht für eine Aminosäure.
- „Bei der Transkription wird die ganze DNA kopiert.“ Falsch – abgeschrieben wird nur ein Gen, und zwar nur einer der beiden Stränge. Die Kopie der gesamten DNA heißt Replikation.
- Codons in der DNA mit der Code-Sonne übersetzen: Die Code-Sonne gilt für die mRNA. Erst transkribieren, dann übersetzen.
Eukaryoten: Die mRNA wird bearbeitet
Bakterien haben keinen Zellkern. Bei ihnen setzen sich Ribosomen schon an die mRNA, während diese noch gebildet wird – Transkription und Translation laufen gleichzeitig ab. Bei Eukaryoten entsteht dagegen zuerst eine Vorläufer-mRNA (prä-mRNA), die noch im Kern bearbeitet wird. Man spricht von Prozessierung:
- 5′-Kappe (Cap): Ein verändertes Guanin-Nukleotid am Anfang schützt die mRNA vor dem Abbau und hilft dem Ribosom beim Andocken.
- Poly-A-Schwanz: Eine lange Kette aus Adenin-Nukleotiden am 3′-Ende beeinflusst die Stabilität und den Export aus dem Kern.
- Spleißen: Eukaryotische Gene sind gestückelt. Abschnitte, die in der fertigen mRNA bleiben (Exons), wechseln sich mit Abschnitten ab, die herausgeschnitten werden (Introns). Das Spleißosom, ein Komplex aus RNA und Proteinen, entfernt die Introns und verknüpft die Exons.
Durch alternatives Spleißen können aus einem Gen verschiedene mRNAs entstehen, je nachdem, welche Exons kombiniert werden. So bildet der Mensch mit rund 19.400 bis 20.000 proteincodierenden Genen deutlich mehr verschiedene Proteine. Übrigens codieren nur etwa 1–2 % des menschlichen Genoms überhaupt Proteine.
Wer sorgt eigentlich dafür, dass jede tRNA die richtige Aminosäure trägt? Das erledigen Enzyme, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Sie erkennen eine bestimmte tRNA und die passende Aminosäure und verknüpfen beide unter ATP-Verbrauch. Ein Fehler an dieser Stelle würde sich unmittelbar ins Protein übertragen. Außerdem erkennen manche tRNAs mehrere Codons, weil die Paarung an der dritten Codonposition weniger streng ist (Wobble-Hypothese von Francis Crick). Deshalb braucht die Zelle weniger als 61 verschiedene tRNAs.
Gene an, Gene aus: das lac-Operon
Nicht jedes Gen ist ständig aktiv. Am Darmbakterium Escherichia coli zeigten François Jacob und Jacques Monod 1961, wie Gene gesteuert werden; 1965 erhielten sie dafür zusammen mit André Lwoff den Nobelpreis. Das lac-Operon besteht aus drei Strukturgenen für Enzyme, die Milchzucker (Lactose) aufnehmen und abbauen. Davor liegen der Promotor und der Operator, eine Schaltstelle.
- Ohne Lactose: Ein Repressor-Protein sitzt auf dem Operator und blockiert die RNA-Polymerase. Die Gene sind „aus“, die Zelle spart Energie.
- Mit Lactose: Ein Umwandlungsprodukt der Lactose (Allolactose) bindet an den Repressor und verändert seine Form. Er löst sich vom Operator, die RNA-Polymerase kann die Gene transkribieren. Die Gene sind „an“.
Weil der Stoff, der abgebaut werden soll, selbst die Gene einschaltet, spricht man von Substratinduktion. Zusätzlich gibt es eine positive Kontrolle: Ist genug Glucose vorhanden, wird das Operon trotz Lactose kaum abgelesen.
Bei Eukaryoten ist die Steuerung vielschichtiger. Transkriptionsfaktoren, weit entfernte Verstärker-Sequenzen (Enhancer) und epigenetische Markierungen wie die DNA-Methylierung entscheiden, welche Gene in einer Zelle aktiv sind. Deshalb können aus Zellen mit identischer DNA so verschiedene Zellen wie Nerven- und Muskelzellen werden.
Vertiefen: zwei Kapitel zur Molekulargenetik
Fachbegriffe
- Gen
- DNA-Abschnitt mit der Information für ein Produkt, meist ein Protein.
- mRNA
- Boten-RNA: einzelsträngige Abschrift eines Gens, die zum Ribosom gelangt.
- Transkription
- Bildung einer mRNA an der DNA durch die RNA-Polymerase.
- Translation
- Übersetzung der Basenfolge der mRNA in eine Aminosäurekette am Ribosom.
- Codon
- Drei aufeinanderfolgende Basen der mRNA, die für eine Aminosäure oder Stopp stehen.
- tRNA
- Transfer-RNA: trägt eine Aminosäure und ein passendes Anticodon.
- Ribosom
- Komplex aus RNA und Proteinen, an dem die Aminosäurekette entsteht.
- Mutation
- Dauerhafte Veränderung der Erbinformation, z. B. Basenaustausch oder Rasterschub.
Alle Kapitel: Zelle & DNA
Aufgaben
- AFB INenne drei Unterschiede zwischen DNA und mRNA.
Lösung anzeigen
mRNA enthält Ribose statt Desoxyribose, Uracil statt Thymin und ist einzelsträngig statt doppelsträngig. Außerdem ist sie viel kürzer (Abschrift eines Gens) und kurzlebig. - AFB IBeschreibe den Ablauf der Translation in drei Schritten.
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Start: Die kleine Ribosomen-Untereinheit bindet an die mRNA, die Start-tRNA mit Methionin paart mit AUG, die große Untereinheit lagert sich an. Verlängerung: Passende tRNAs binden nacheinander an die Codons, das Ribosom knüpft Peptidbindungen und rückt jeweils ein Codon weiter. Stopp: Bei UAA, UAG oder UGA wird die Kette freigesetzt, das Ribosom zerfällt. - AFB IIEin Abschnitt des codogenen DNA-Strangs lautet 3′-TAC AAA CCG GTA ATT-5′. Ermittle die mRNA und mithilfe der Code-Sonne die Aminosäuresequenz.
Lösung anzeigen
mRNA: 5′-AUG UUU GGC CAU UAA-3′. Aminosäuren: Met – Phe – Gly – His – Stopp. - AFB IIDie mRNA aus Aufgabe 3 wird verändert: a) GGC wird zu GGA, b) UUU wird zu UCU, c) das erste U im Codon UUU fehlt. Vergleiche die Folgen und ordne die Mutationstypen zu.
Lösung anzeigen
a) GGA codiert ebenfalls Gly: stumme Mutation, Protein unverändert. b) UCU codiert Ser statt Phe: Fehlsinn-Mutation, eine Aminosäure ist ausgetauscht. c) Deletion mit Rasterschub: AUG UUG GCC AUU AA… ergibt Met – Leu – Ala – Ile – …; ab der Mutation sind alle Aminosäuren verändert, das ursprüngliche Stoppcodon wird nicht mehr gelesen. Folge c ist am schwerwiegendsten. - AFB IIErkläre, warum ein Basenaustausch an der dritten Position eines Codons häufig keine Folgen für das Protein hat.
Lösung anzeigen
Der genetische Code ist redundant: Viele Aminosäuren werden von mehreren Codons verschlüsselt, die sich oft nur in der dritten Base unterscheiden (z. B. CCU, CCC, CCA, CCG = Pro). Ein Austausch an dieser Stelle ergibt deshalb häufig ein Codon für dieselbe Aminosäure (stumme Mutation). - AFB IIIBeurteile die Aussage: „Weil der genetische Code universell ist, kann ein Bakterium jedes menschliche Protein herstellen, wenn man ihm das menschliche Gen einbaut.“
Lösung anzeigen
Richtig ist: Wegen des nahezu universellen Codes übersetzt ein Bakterium eine menschliche Basenfolge in dieselbe Aminosäuresequenz – so wird seit Jahrzehnten Humaninsulin hergestellt. Die Aussage ist aber zu pauschal: Menschliche Gene enthalten Introns, die Bakterien nicht herausschneiden können; man muss eine Fassung ohne Introns einbauen (z. B. aus mRNA umgeschriebene cDNA). Viele menschliche Proteine werden nach der Translation verändert (z. B. Zuckerreste angehängt) oder müssen komplex gefaltet werden – das leisten Bakterien oft nicht. Solche Proteine stellt man deshalb in Hefen oder Säugerzellkulturen her. Außerdem ist der Code nicht ausnahmslos universell. Fazit: Die Aussage stimmt nur eingeschränkt.
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Quellen & Stand
- Alberts, B. u. a.: Molecular Biology of the Cell, 7. Auflage, W. W. Norton 2022, Kapitel 6 und 7 (von der DNA zum Protein, Genregulation).
- NHGRI Talking Glossary: Transcription, Translation, Genetic Code.
- American Chemical Society: Deciphering the Genetic Code (Nirenberg und Matthaei).
- GENCODE: Human Release Statistics (Zahl proteincodierender Gene).
Stand: Oktober 2026. Fachlich überarbeitet für Klasse 9–13.