Zusammenfassung von Biochemie: DNA und RNA

Ziele

1. Erkennen, was DNA und RNA sind und die Unterschiede zwischen ihnen herausarbeiten.

2. Verstehen der Funktionen und Besonderheiten von DNA und RNA.

3. Erarbeiten der Grundlagen ihrer Bildung und Struktur.

Kontextualisierung

DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) zählen zu den Grundbausteinen allen Lebens. Sie tragen die genetischen Informationen, die unsere Eigenschaften bestimmen, und steuern die Produktion von Proteinen, die essenziell für vielfältige biologische Prozesse sind. So enthält die menschliche DNA etwa 3 Milliarden Basenpaare, die alle notwendigen Anweisungen für die Proteinbildung liefern. Die RNA übernimmt zentral die Rolle als Bote zwischen DNA und den Ribosomen, wo die Proteine synthetisiert werden. Ein tiefgehendes Verständnis dieser Nukleinsäuren ist unerlässlich, um Fortschritte in Bereichen wie Medizin, Biotechnologie und Landwirtschaft zu erzielen.

Fachrelevanz

Zu erinnern!

Struktur der DNA

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) besteht aus zwei langen Strängen, die umeinander gewunden sind und so eine Doppelhelix bilden. Jeder Strang setzt sich aus Nukleotiden zusammen, die jeweils aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker (Desoxyribose) und einer stickstoffhaltigen Base bestehen. Zu diesen Basen zählen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Die Basen paaren sich stets in einer spezifischen Weise: Adenin verbindet sich mit Thymin und Cytosin mit Guanin.

• Doppelhelix: Die dreidimensionale Struktur, die durch zwei spiralförmig angeordnete Nukleotidstränge entsteht.

• Nukleotide: Bausteine, bestehend aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker (Desoxyribose) und einer stickstoffhaltigen Base.

• Stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G).

• Spezifische Basenpaarung: Adenin mit Thymin, Cytosin mit Guanin.

Struktur der RNA

Die RNA (Ribonukleinsäure) besteht in der Regel aus einem einzelnen Strang von Nukleotiden. Jedes Nukleotid setzt sich aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker (Ribose) und einer stickstoffhaltigen Base zusammen. In der RNA kommen die Basen Adenin (A), Uracil (U), Cytosin (C) und Guanin (G) vor. Trotz ihrer Einfachsträngigkeit kann die RNA komplexe, räumliche Strukturen bilden und übernimmt vielfältige Aufgaben in der Zelle, insbesondere bei der Proteinproduktion.

• Einzelstrang: RNA liegt meist als ein einzelner Strang von Nukleotiden vor.

• Nukleotide: Bestehen aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker (Ribose) und einer stickstoffhaltigen Base.

• Stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Uracil (U), Cytosin (C) und Guanin (G).

• Funktion: Beteiligung an der Proteinsynthese und anderen zellulären Prozessen.

Funktionen der DNA

Die Hauptaufgabe der DNA besteht darin, genetische Informationen zu speichern und von einer Generation auf die nächste zu übertragen. Sie enthält die Baupläne für den Aufbau und die Funktion lebender Organismen, indem sie die Anweisungen zur Proteinproduktion kodiert, die für zahlreiche biologische Prozesse unabdingbar sind. Zudem ermöglicht die Replikation der DNA die Zellteilung und so die Weitergabe genetischer Informationen an Tochterzellen.

• Genetische Speicherung: Trägt die Bauanleitungen für Organismen in sich.

• Proteinproduktion: Kodiert die Informationen, die zur Herstellung von Proteinen benötigt werden.

• Replikation: Ermöglicht die Zellteilung und die Weitergabe genetischer Informationen.

Funktionen der RNA

Die RNA übernimmt mehrere zentrale Aufgaben in der Zelle, vor allem im Zusammenhang mit der Proteinsynthese. Es gibt drei Haupttypen: die mRNA (Boten-RNA), die die genetische Information von der DNA zu den Ribosomen transportiert; die tRNA (Transfer-RNA), die während der Translation Aminosäuren zum Ribosom bringt; und die rRNA (ribosomale RNA), die zusammen mit Proteinen den Aufbau der Ribosomen unterstützt.

• mRNA: Überträgt genetische Informationen von der DNA zu den Ribosomen.

• tRNA: Bringt Aminosäuren während der Proteinsynthese zum Ribosom.

• rRNA: Bestandteil der Ribosomen, in denen Proteine gebildet werden.

Praktische Anwendungen

• Gentherapie: Nutzt das Wissen über DNA, um genetische Defekte direkt in den Zellen zu korrigieren.

• mRNA-Impfstoffe: Zum Beispiel bei COVID-19, bei denen die RNA als Anleitung für die Proteinproduktion dient und so eine Immunreaktion auslöst.

• Genetische Manipulation: In der Biotechnologie ermöglichen Methoden wie CRISPR die gezielte Bearbeitung der DNA, um genetisch veränderte Organismen zu erzeugen.

Schlüsselbegriffe

• DNA: Desoxyribonukleinsäure, ein Molekül, das genetische Informationen speichert.

• RNA: Ribonukleinsäure, beteiligt an der Proteinsynthese.

• Nukleotid: Grundbaustein von DNA und RNA, bestehend aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer stickstoffhaltigen Base.

• Stickstoffhaltige Basen: Bestandteile von DNA und RNA, dazu zählen Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin und Uracil.

• mRNA: Messenger RNA, transportiert genetische Information zur Proteinsynthese.

• tRNA: Transfer RNA, bringt während der Proteinsynthese Aminosäuren zum Ribosom.

• rRNA: Ribosomale RNA, ein wesentlicher Bestandteil der Ribosomen.

Fragen zur Reflexion

• Wie hat die Entdeckung der Doppelhelix die moderne Forschung und medizinische Praxis beeinflusst?

• Welche ethischen Fragen wirft der Einsatz von Technologien wie CRISPR zur genetischen Manipulation auf?

• Inwiefern kann unser Wissen über RNA zur Entwicklung innovativer Therapieansätze und Impfstoffe beitragen?

Entschlüsselung des genetischen Codes: DNA und RNA aufbauen und vergleichen

Diese Mini-Challenge zielt darauf ab, das Verständnis der Strukturen von DNA und RNA zu vertiefen, indem dreidimensionale Modelle erstellt werden. Die Schülerinnen und Schüler visualisieren die Molekülstrukturen und vergleichen sie, um die funktionellen Unterschiede besser zu verstehen.

Anweisungen

• Bildet Gruppen von 4–5 Personen.

• Verwendet die bereitgestellten Materialien (Draht, verschiedenfarbige Perlen, Klebeband und Papier), um ein Modell der DNA sowie eines der RNA zu erstellen.

• Achtet darauf, dass die unterschiedlichen stickstoffhaltigen Basen korrekt dargestellt werden: Für die DNA Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) sowie für die RNA Adenin (A), Uracil (U), Cytosin (C) und Guanin (G).

• Baut die DNA als Doppelhelix und das RNA-Modell als Einzelstrang.

• Beschriftet die einzelnen Basen und hebt die wesentlichen Unterschiede zwischen DNA und RNA hervor.

• Präsentiert eure Modelle der Klasse und erläutert dabei eure Farbauswahl sowie die zentralen Gemeinsamkeiten und Unterschiede.

• Diskutiert abschließend, wie die jeweiligen Strukturen ihre Funktionen in der Zelle unterstützen, und reflektiert über die Bedeutung dieses Wissens für die Molekularbiologie.