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Gene: Aufbau, Funktion und Bedeutung verstehen
Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt des Erbguts, meist der DNA. Seine Basenfolge enthält Information für ein Protein beziehungsweise eine Polypeptidkette oder für ein funktionelles RNA-Molekül. Gene wirken jedoch nicht allein: Ihre Aktivität wird reguliert, und viele Merkmale hängen von mehreren Genen und der Umwelt ab.
Auf dieser Seite ordnest du Gene in das Erbgut ein, verfolgst den Weg zum Genprodukt und unterscheidest Gen, Allel, Genotyp und Phänotyp.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wo befindet sich ein Gen?
Stell dir die DNA als sehr langen Text aus den vier Basen A, T, G und C vor. Ein Gen ist darin eine bestimmte Textstelle mit biologisch nutzbarer Information. DNA und Gen sind deshalb nicht dasselbe: Das DNA-Molekül trägt viele Gene und weitere Abschnitte.
Bei Eukaryoten, zu denen Tiere und Pflanzen gehören, ist ein großer Teil der DNA im Zellkern auf Chromosomen verteilt und mithilfe von Proteinen verpackt. Auf einem Chromosom liegen viele Gene hintereinander. Zusätzlich befindet sich DNA in Mitochondrien; Pflanzen besitzen außerdem DNA in weiteren Zellbestandteilen.
Genom
Das Genom ist die Gesamtheit der Erbinformation eines Organismus beziehungsweise einer Zelle. Es umfasst Gene, regulatorische Bereiche und weitere DNA-Abschnitte.
Genort
Der festgelegte Platz eines Gens auf einem Chromosom heißt Genort oder Genlocus.
Teil-Ganzes-Beziehung: Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA. DNA ist in Chromosomen organisiert. Das Genom umfasst die gesamte Erbinformation.
Wie wird die Information eines Gens genutzt?
Wird ein Gen genutzt, spricht man von Genexpression. Dabei entsteht ein Genprodukt. Das kann ein Protein beziehungsweise eine Polypeptidkette oder eine funktionelle RNA sein.
Bei einem proteinbezogenen Gen läuft der vereinfachte Informationsweg in zwei Hauptschritten ab:
- Transkription: Der betreffende DNA-Abschnitt wird in eine RNA-Kopie, meist mRNA, umgeschrieben.
- Translation: Ein Ribosom liest die mRNA. Nach ihrer Information entsteht eine Aminosäurekette, aus der ein Protein hervorgehen kann.
$$\text{DNA} \rightarrow \text{RNA} \rightarrow \text{Protein}$$
Nicht jede RNA wird übersetzt. Manche Gene liefern funktionelle RNA-Moleküle als Endprodukt.
Ein proteinbezogenes Gen wird abgelesen. Zuerst entsteht durch Transkription eine mRNA-Kopie. Anschließend übersetzt ein Ribosom die Baseninformation der mRNA in eine Aminosäurekette. Das Protein kann danach beispielsweise einen Vorgang im Zellstoffwechsel beeinflussen.
Der entscheidende Gedanke: Das Gen wird nicht selbst zum Protein. Seine Information dient als Vorlage für die Herstellung des Genprodukts.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der entsteht eine RNA-Kopie eines DNA-Abschnitts. Bei der wird die Information der mRNA in eine Aminosäurekette übersetzt. Das Ergebnis der Genexpression heißt . Manche Gene liefern statt eines Proteins eine funktionelle .
Wie werden Gene aufgebaut und gesteuert?
Zu einem Gen gehören nicht nur Abschnitte mit Information für das Genprodukt. Kontrollelemente beeinflussen, wann und wie stark es abgelesen wird. Ein Promotor dient als Startbereich der Transkription.
Das ist notwendig, weil nicht jede Zelle jedes Genprodukt jederzeit benötigt. Zellen können Gene daher unterschiedlich aktivieren oder hemmen, obwohl sie weitgehend dieselbe Erbinformation besitzen.
Bei eukaryotischen Genen können Exons und Introns vorkommen. Beide werden zunächst in die RNA-Kopie übernommen. Beim Spleißen werden Introns aus dieser Kopie entfernt und Exons miteinander verbunden. Dadurch kann aus der ersten RNA-Kopie eine verarbeitete RNA entstehen.
Die alte Vorstellung „ein Gen – ein Protein“ ist zu einfach. Gene können funktionelle RNA hervorbringen. Außerdem können unterschiedliche Verarbeitungen der RNA dazu beitragen, dass aus der Information eines Gens verschiedene Proteinformen entstehen.
Was unterscheidet Gen, Allel und Merkmal?
Ein Allel ist eine Variante eines Gens. Allele können sich in ihrer DNA-Sequenz unterscheiden. Die genetische Ausstattung eines Organismus oder seine Allelkombination bezogen auf ein Merkmal heißt Genotyp.
Der Phänotyp ist die beobachtbare Ausprägung eines Merkmals. Er entsteht nicht einfach als sichtbare Kopie eines einzelnen Gens. Genprodukte, andere Gene, Regulation und Umweltbedingungen können daran beteiligt sein.
Die Augenfarbe zeigt die Grenze eines einfachen Modells: Verschiedene Allele können an ihrer Ausprägung beteiligt sein, doch es gibt nicht einfach ein einziges „Gen für blaue Augen“. Mehrere Gene wirken zusammen, und die Ausprägung kann zusätzlich vom biologischen Kontext beeinflusst werden.
Darum gilt: Ein Allel ist eine Genvariante. Die beobachtete Augenfarbe ist ein Phänotyp. Beides darfst du nicht gleichsetzen.
Gen nennt den Informationsabschnitt, Allel eine Variante dieses Abschnitts, Genotyp die genetische Ausstattung und Phänotyp die beobachtbare Merkmalsausprägung.
Wie entstehen neue Genvarianten?
Eine Genmutation ist eine Veränderung der Nukleotidsequenz eines Gens. Sie kann spontan bei der Vervielfältigung der DNA oder durch äußere Einflüsse wie UV-Strahlung entstehen.
Eine Mutation kann ein neues Allel hervorbringen. Betrifft sie einen für ein Genprodukt wichtigen Abschnitt, kann sich das Produkt verändern. Das muss aber nicht geschehen: Wirkung und Folgen hängen davon ab, welcher Abschnitt verändert ist und wie die Zelle die Information nutzt.
Die mögliche Wirkungskette lautet:
$$\text{Mutation} \rightarrow \text{veränderte DNA-Sequenz} \rightarrow \text{möglicherweise verändertes Genprodukt} \rightarrow \text{mögliche Merkmalsfolge}$$
Auch Rekombination erzeugt Vielfalt. Bei der Bildung von Keimzellen werden vorhandene elterliche Erbanlagen neu kombiniert. Anders als eine Mutation muss Rekombination keine neue DNA-Variante erzeugen; sie stellt vorhandene Allele neu zusammen.
Nach einer DNA-Veränderung bleibt ein Genprodukt möglicherweise unverändert, verändert sich oder fällt aus. Deshalb wäre die Aussage „Jede Mutation verursacht eine Krankheit“ falsch. Mutationen können ohne erkennbare Folge bleiben oder biologische Auswirkungen haben.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Gene
- Einordnung: Abschnitte der DNA auf Chromosomen
- Produkt: Protein, Polypeptid oder funktionelle RNA
- Expression: Transkription und gegebenenfalls Translation
- Regulation: Kontrolle von Zeitpunkt und Stärke der Aktivität
- Varianten: Allele durch unterschiedliche DNA-Sequenzen
- Vielfalt: Mutation und Rekombination
- Merkmale: Zusammenspiel von Genen, Regulation und Umwelt
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du Gene als wirksame Abschnitte des Erbguts erklären kannst, ohne sie mit DNA, Allelen oder sichtbaren Merkmalen gleichzusetzen.