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DNA, Gene und Chromosomen

Verstehe, wie Erbinformation aufgebaut und organisiert ist – mit beschrifteten Modellen, Basen-Werkstatt und Aufgaben zum Anwenden.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Was kannst du schon?

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Lösungen mit Erklärungen

Cytosin – G und C bilden ein komplementäres Basenpaar.
Eine Variante eines Gens – Mehrere Varianten eines entsprechenden Genabschnitts heißen Allele.
DNA und zugehörigen Proteinen – DNA ist zusammen mit Proteinen als Chromatin organisiert und kann zur Teilung stark verdichtet werden.

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Wo ist Erbinformation gespeichert?

Die DNA ist ein Molekül, in dessen Basenreihenfolge genetische Information gespeichert ist. Gene sind bestimmte Abschnitte dieser DNA. Zusammen mit Proteinen ist DNA in Chromosomen organisiert. Diese Begriffe beschreiben also unterschiedliche Ebenen derselben Erbinformation.

Von der Zelle zum Gen

1 · Zellkern

In Zellen mit Zellkern liegt hier der größte Teil der DNA. Mitochondrien und Chloroplasten besitzen zusätzlich eigene DNA.

2 · Chromosom

DNA und Proteine bilden Chromatin. Ein Ein-Chromatid-Chromosom enthält ein langes DNA-Doppelstrangmolekül. Gezeigt ist die stark verdichtete Transportform.

3 · Gen

Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt mit Information für ein funktionelles RNA-Produkt. Bei proteincodierenden Genen wird über RNA ein Protein hergestellt. Stark vereinfachtes Modell.

Merke

Ein Gen ist kein eigenes kleines Chromosom. Auf einem Chromosom liegen viele Gene und weitere DNA-Abschnitte. Die Zeichnungen zeigen unterschiedliche Vergrößerungsstufen, keine echten Größenverhältnisse.

So ist DNA aufgebaut

Das Leiter-Modell

Blau: Zucker-Phosphat-Rückgrat. Die Buchstaben stehen für Basen; Striche zwischen ihnen für Wasserstoffbrücken. Die echte DNA ist zur Doppelhelix gewunden.

DNA bedeutet Desoxyribonukleinsäure. Zwei Ketten von Nukleotiden bilden einen Doppelstrang. Außen verläuft das Zucker-Phosphat-Rückgrat, innen liegen die Basenpaare.

Die Basen heißen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). A paart mit T, G mit C. Diese Zuordnung heißt komplementär.

Die beiden Ketten verlaufen entgegengesetzt: antiparallel. Die Zeichen 5′ und 3′ benennen ihre Richtung; im Bild steht deshalb links 5′ oben und rechts 3′ oben.

Ein Nukleotid

1: Phosphat · 2: Zucker (Desoxyribose) · 3: eine Base, hier Adenin.

Ein Nukleotid besteht aus Phosphat, Zucker und Base. Viele miteinander verknüpfte Nukleotide ergeben einen DNA-Einzelstrang.

Genauer: Benachbarte Nukleotide eines Strangs sind über feste kovalente Bindungen verbunden. Zwischen den Basen der beiden Stränge liegen Wasserstoffbrücken: zwei bei A–T, drei bei G–C. Die Sprossen im Modell und die Seiten besitzen also unterschiedliche Bindungen.

Basen-Werkstatt: Ergänze den Gegenstrang

Wähle eine Vorlage. Ergänze den fehlenden Gegenstrang zuerst selbst und kontrolliere anschließend. Die Reihenfolge wird hier auf beiden Zeilen von links nach rechts gelesen; die Strangrichtungen sind unterschiedlich.

Vorlage: 5′ → 3′

ATGCCT

Gegenstrang: 3′ → 5′

??????

A passt zu T; G passt zu C. Jede Vorlage hat sechs Basen.

Was bedeutet die Reihenfolge der Basen?

Die Information steckt in der Sequenz, also der Reihenfolge der Basen. ATGCCT und ACGTTC bestehen aus denselben Basenarten, können aber unterschiedliche Information tragen – ähnlich wie Wörter aus denselben Buchstaben.

Bei einem proteincodierenden Gen wird die Information zunächst in RNA abgeschrieben (Transkription). An Ribosomen dient die Boten-RNA als Vorlage für eine Aminosäurekette (Translation). Das daraus entstehende Protein kann etwa als Enzym einen Stoffwechselweg ermöglichen.

Gen → RNA → Protein → Wirkung im Organismus: Ein Enzym kann beispielsweise an der Herstellung eines Farbstoffs beteiligt sein. Meist entstehen Merkmale aber durch das Zusammenwirken mehrerer Gene und der Umwelt. Nicht jedes Gen codiert ein Protein und nicht jedes Merkmal hängt von nur einem Gen ab.

Gene, Allele und homologe Chromosomen

Gleicher Ort, verschiedene Varianten

Auf homologen Chromosomen liegen entsprechende Gene an denselben Genorten. Varianten eines Gens heißen Allele. Ein Allel kann sich durch seine Basenfolge von einem anderen unterscheiden.

Zwei Kopien – nicht zwei verschiedene Gene

Eine diploide Zelle besitzt bei einem typischen autosomalen Gen zwei Allele: eines mütterlicher, eines väterlicher Herkunft. Sie können gleich oder verschieden sein.

Beim Menschen enthalten die meisten kernhaltigen Körperzellen 46 Chromosomen: 23 Paare. Keimzellen besitzen 23 einzelne Chromosomen. Die Aussage „jede menschliche Zelle hat 46“ ist falsch: Reife rote Blutkörperchen haben beispielsweise keinen Zellkern.

Vor einer Teilung: DNA kopieren

1 · Stränge trennen

Die DNA-Doppelhelix wird abschnittsweise geöffnet. Die beiden alten Stränge dienen als Vorlagen.

2 · Komplementär ergänzen

Enzyme bauen zu jedem Vorlagenstrang einen neuen passenden Strang auf: A–T und G–C.

3 · Zwei Doppelstränge erhalten

Jedes DNA-Molekül besitzt danach einen alten und einen neuen Strang. Das heißt semikonservative Replikation.

4 · Richtig zählen

Nach der S-Phase besteht ein Chromosom aus zwei Schwesterchromatiden. Die DNA-Menge ist verdoppelt; die Chromosomenzahl ist zunächst gleich geblieben.

Die Replikation kopiert DNA; die Transkription erzeugt RNA. Beides ist nicht dasselbe. Für die Verteilung der verdoppelten Chromosomen schließt die Seite zur Mitose an.

Rechenbeispiel: Basenanteile

In einer doppelsträngigen DNA-Probe sind 30 % aller Basen Adenin. Weil A mit T paart, beträgt auch der Thyminanteil 30 %. Für G und C bleiben zusammen 40 %. Beide Anteile sind gleich: G = 20 % und C = 20 %.

Die Gleichheit gilt für die gesamte doppelsträngige DNA, nicht zwingend für einen einzelnen Strang.

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Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen

1 · Erkennen und zuordnen

1. Welche Beziehung zwischen Gen und DNA stimmt?

DNA besteht ausschließlich aus fertigen Proteinen
Ein Gen ist ein funktioneller DNA-Abschnitt
Jedes Gen ist ein eigener Zellkern

Lösung und Erklärung

Ein Gen ist ein funktioneller DNA-Abschnitt

Gene sind Abschnitte des Informationsmoleküls DNA. Chromosomen enthalten viele Gene und weitere DNA-Bereiche.

2. Aus welchen Bestandteilen besteht ein DNA-Nukleotid?

Phosphat, Desoxyribose und Base
Aminosäure, Fett und Stärke
Nur zwei miteinander verbundene Basen

Lösung und Erklärung

Phosphat, Desoxyribose und Base

Nukleotide sind die Bausteine der DNA-Stränge und enthalten jeweils Zucker, Phosphat und eine Base.

3. Welche Basenpaarung gehört zur DNA?

A–G und T–C
A–U und G–T
A–T und G–C

Lösung und Erklärung

A–T und G–C

Adenin paart mit Thymin, Guanin mit Cytosin.

4. Was bedeutet antiparallel bei einem DNA-Doppelstrang?

Beide Stränge verlaufen zwingend 5′→3′ in dieselbe Richtung
Die Stränge verlaufen in entgegengesetzter Richtung
Beide Stränge müssen dieselbe Basenfolge besitzen

Lösung und Erklärung

Die Stränge verlaufen in entgegengesetzter Richtung

Zu einem 5′→3′ orientierten Strang liegt der Partner entgegengesetzt in 3′→5′-Richtung.

5. Was sind Allele?

Varianten eines Gens
Die vier Phasen jeder Mitose
Proteine des Zucker-Phosphat-Rückgrats

Lösung und Erklärung

Varianten eines Gens

Allele können sich in ihrer Basenfolge unterscheiden und liegen am entsprechenden Genort homologer Chromosomen.

6. Worin liegt die Information einer DNA-Sequenz?

Nur in ihrer räumlichen Entfernung zum Zellkern
Ausschließlich in der Zahl ihrer Phosphatgruppen
In der Reihenfolge ihrer Basen

Lösung und Erklärung

In der Reihenfolge ihrer Basen

Die Reihenfolge entscheidet über die gespeicherte Information; dieselben Basenarten können verschieden angeordnet sein.

2 · Anwenden und erklären

1. Welcher gegenüberliegende Strang ergänzt 5′–ACGTTA–3′?

3′–UGCAAU–5′
3′–TGCAAT–5′
3′–ACGTTA–5′

Lösung und Erklärung

3′–TGCAAT–5′

Die DNA-Basen werden komplementär ergänzt und der zweite Strang entgegengesetzt orientiert.

2. Wie lautet der Gegenstrang zu 5′–AAGC–3′ in seiner eigenen 5′→3′-Richtung?

5′–GCTT–3′
5′–TTCG–3′
5′–AAGC–3′

Lösung und Erklärung

5′–GCTT–3′

Gegenüber liegt 3′–TTCG–5′. Für die Schreibweise 5′→3′ muss diese Folge umgekehrt werden.

3. In doppelsträngiger DNA sind 20 % aller Basen A. Wie hoch ist der G-Anteil?

20 %
60 %
30 %

Lösung und Erklärung

30 %

T beträgt ebenfalls 20 Prozent. Für G und C bleiben zusammen 60 Prozent, also je 30 Prozent.

1. Muss auf einem einzelnen DNA-Strang die Anzahl A gleich der Anzahl T sein?

Ja, sonst kann überhaupt kein Gegenstrang gebildet werden
Nein, diese Gleichheit gilt für die gesamte doppelsträngige DNA
Ja, jedes einzelne Triplett enthält gleich viel A und T

Lösung und Erklärung

Nein, diese Gleichheit gilt für die gesamte doppelsträngige DNA

Der Partnerstrang gleicht die Mengen durch komplementäre Paarung aus. Ein Einzelstrang kann ungleiche Anteile haben.

2. Warum ist „Jedes Gen liefert ein Protein“ zu pauschal?

Einige Gene liefern funktionelle RNA, die nicht in Protein übersetzt wird
Gene bestehen grundsätzlich nicht aus DNA
Proteine enthalten niemals genetisch bestimmte Information

Lösung und Erklärung

Einige Gene liefern funktionelle RNA, die nicht in Protein übersetzt wird

Auch nicht proteincodierende Gene besitzen funktionelle RNA-Produkte. Ein Gen ist nicht auf eine Proteinbauanleitung beschränkt.

3. Warum beweist dieselbe Anzahl von Basen noch keine gleiche Erbinformation?

Die Reihenfolge hat keinerlei biologische Bedeutung
Gleiche Länge erzwingt dieselben Gene
Auch die Reihenfolge der Basen muss übereinstimmen

Lösung und Erklärung

Auch die Reihenfolge der Basen muss übereinstimmen

Zwei Sequenzen gleicher Länge können unterschiedliche Basenfolgen und damit unterschiedliche Information besitzen.

4. Warum stimmt „Jede menschliche Zelle hat 46 Chromosomen im Kern“ nicht?

Menschliche Zellen enthalten grundsätzlich keine Chromosomen
Keimzellen besitzen normalerweise 23; reife rote Blutkörperchen besitzen keinen Zellkern
Alle menschlichen Zellen haben stattdessen 92

Lösung und Erklärung

Keimzellen besitzen normalerweise 23; reife rote Blutkörperchen besitzen keinen Zellkern

Die Zahl 46 gilt für typische diploide kernhaltige Körperzellen, nicht für ausnahmslos jede Zelle.

5. Was unterscheidet die Bindungen im DNA-Rückgrat von denen zwischen den Basenpaaren?

Im Rückgrat liegen kovalente Bindungen, zwischen den gepaarten Basen Wasserstoffbrücken
Beide bestehen ausschließlich aus Peptidbindungen
Zwischen Basenpaaren liegen die Zucker-Phosphat-Ketten

Lösung und Erklärung

Im Rückgrat liegen kovalente Bindungen, zwischen den gepaarten Basen Wasserstoffbrücken

Die beiden Seiten eines DNA-Modells und seine Sprossen stellen unterschiedliche chemische Verbindungen dar.

6. Kann dasselbe Gen allein jeden Aspekt eines komplexen Merkmals festlegen?

Ja, jedes Merkmal besitzt genau ein allein bestimmendes Gen
Ja, Umweltbedingungen können Genwirkungen niemals beeinflussen
Nein, häufig wirken mehrere Gene, Regulation und Umwelt zusammen

Lösung und Erklärung

Nein, häufig wirken mehrere Gene, Regulation und Umwelt zusammen

Viele sichtbare Merkmale entstehen durch das Zusammenwirken verschiedener biologischer und äußerer Faktoren.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Lösungen mit Erklärungen

26 % – C beträgt ebenfalls 24 Prozent. Die übrigen 52 Prozent verteilen sich gleich auf A und T.
3′–CTAGCT–5′ – Ergänze G–C, A–T, T–A, C–G, G–C und A–T. DNA enthält Thymin und nicht Uracil.
Es besitzt zwei Schwesterchromatiden; die Chromosomenzahl bleibt zunächst gleich – Die Verdopplung der DNA erzeugt zwei Kopien innerhalb eines zunächst weiterhin zusammengehörigen Chromosoms.

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Denke an Proteine, andere Gene und Umwelt.

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Genprodukte wirken in komplexen Prozessen. Viele Merkmale hängen von mehreren Genen, ihrer Regulation und Umweltbedingungen ab.

Zusätzlicher Begriffscheck

Kurzer Begriffscheck

Wo liegt die genetische Information einer DNA-Sequenz?

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Fachliche Orientierung: OpenStax · Biology 2e. Grundlagen im schulischen Genetikunterricht; die Zuordnung zu Klassenstufen unterscheidet sich nach Bundesland und Schulart. Eigene, vereinfachte Lehrabbildungen.

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DNA & Vererbung verstehen – Gene, Chromosomen & Erbinformation einfach erklärt – Lernposter / Lernplakat als PDF

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DNA-Aufbau und Verdopplung – kostenloses Biologie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

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Wo ist Erbinformation gespeichert?

Von der Zelle zum Gen

1 · Zellkern

2 · Chromosom

3 · Gen

So ist DNA aufgebaut

Das Leiter-Modell

Ein Nukleotid

Basen-Werkstatt: Ergänze den Gegenstrang

Was bedeutet die Reihenfolge der Basen?

Gene, Allele und homologe Chromosomen

Gleicher Ort, verschiedene Varianten

Zwei Kopien – nicht zwei verschiedene Gene

Vor einer Teilung: DNA kopieren

1 · Stränge trennen

2 · Komplementär ergänzen

3 · Zwei Doppelstränge erhalten

4 · Richtig zählen

Rechenbeispiel: Basenanteile

Üben & prüfen

Übe in deinem Tempo

1 · Erkennen und zuordnen

1. Welche Beziehung zwischen Gen und DNA stimmt?

2. Aus welchen Bestandteilen besteht ein DNA-Nukleotid?

3. Welche Basenpaarung gehört zur DNA?

4. Was bedeutet antiparallel bei einem DNA-Doppelstrang?

5. Was sind Allele?

6. Worin liegt die Information einer DNA-Sequenz?

2 · Anwenden und erklären

1. Welcher gegenüberliegende Strang ergänzt 5′–ACGTTA–3′?

2. Wie lautet der Gegenstrang zu 5′–AAGC–3′ in seiner eigenen 5′→3′-Richtung?

3. In doppelsträngiger DNA sind 20 % aller Basen A. Wie hoch ist der G-Anteil?

4. Ein DNA-Doppelstrang enthält 400 Basenpaare. Wie viele Nukleotide enthält er insgesamt?

5. Welche Aussage beschreibt semikonservative Replikation?

6. Eine typische diploide Zelle trägt an einem autosomalen Genort zwei unterschiedliche Allele. Wo liegen sie?

3 · Prüfen und übertragen

1. Muss auf einem einzelnen DNA-Strang die Anzahl A gleich der Anzahl T sein?

2. Warum ist „Jedes Gen liefert ein Protein“ zu pauschal?

3. Warum beweist dieselbe Anzahl von Basen noch keine gleiche Erbinformation?

4. Warum stimmt „Jede menschliche Zelle hat 46 Chromosomen im Kern“ nicht?

5. Was unterscheidet die Bindungen im DNA-Rückgrat von denen zwischen den Basenpaaren?

6. Kann dasselbe Gen allein jeden Aspekt eines komplexen Merkmals festlegen?

Wie sicher bist du jetzt?

10 Aufgaben: Wissen anwenden und Zusammenhänge erklären

1 · Ordne DNA, Gen und Chromosom ein.

2 · Aus welchen drei Teilen besteht ein Nukleotid?

3 · Ergänze 5′–AGTCCA–3′.

4 · Was ist an „A paart mit G“ falsch?

5 · Eine doppelsträngige DNA hat 18 % G. Bestimme A, T und C.

6 · Warum sind Gene und Allele nicht dasselbe?

7 · Was bedeutet semikonservativ?

8 · Nach der S-Phase: 46 oder 92 Chromosomen?

9 · Ist ein Chromosom immer X-förmig?

10 · Warum legt ein Gen nicht allein jeden Aspekt eines Merkmals fest?

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