Kovalente Bindungen, Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte bestimmen Form und Verhalten biologischer Moleküle. Strukturformeln und Elektronegativität helfen, Polarität und Wechselwirkungen vorherzusagen.

Die besonderen Eigenschaften des Wassers, hydrophobe Effekte, Säuren, Basen und Puffersysteme erklären viele Vorgänge in Zellen. Dazu gehören pH-Berechnungen und das Ansetzen einfacher Pufferlösungen.

Freie Energie, Enthalpie, Entropie, chemisches Gleichgewicht und Reaktionsgeschwindigkeit zeigen, ob und wie schnell Prozesse ablaufen. Diese Größen werden auf gekoppelte Reaktionen und biologische Systeme angewendet.

Funktionelle Gruppen, Isomerie, Chiralität und typische Reaktionstypen prägen Biomoleküle. Strukturzeichnungen werden genutzt, um Reaktivität und räumliche Eigenschaften abzuleiten.

Prokaryotische und eukaryotische Zellen, Organellen, Cytoskelett und Kompartimente schaffen geordnete Reaktionsräume. Mikroskopische Zellbilder werden mit ihren molekularen Funktionen verknüpft.

Von Fermentation und Enzymtheorie über DNA als Erbmaterial bis zu Genomik und Geneditierung: Zentrale Experimente zeigen, wie das heutige Fach entstanden ist. Auch die Entwicklung der Evolutionstheorie und ihre Verbindung zur Molekularbiologie werden eingeordnet.

Gefahrstoffkennzeichnung, persönliche Schutzausrüstung, sterile Arbeit, Pipettieren, Abfallentsorgung und Laborbuchführung gehören zur sicheren Praxis. Kleine Übungen trainieren korrektes Messen, Beschriften und Dokumentieren.

Konzentrationen, Verdünnungsreihen, Standardkurven, Kontrollen und Messunsicherheit machen biologische Ergebnisse auswertbar. Tabellen und einfache Diagramme werden genutzt, um Messdaten kritisch zu prüfen.

Aminosäuren, Peptidbindungen sowie Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur erklären die Vielfalt der Proteine. Sequenzen und Strukturmodelle werden auf Ladung, Löslichkeit und mögliche Funktion untersucht.

Proteine falten sich über ein dynamisches Energielandschaftsmodell und benötigen oft Chaperone. Fehlfaltung, Aggregation, intrinsisch ungeordnete Bereiche und Proteinabbau verbinden Molekülstruktur mit Gesundheit und Krankheit.

Enzyme senken Aktivierungsbarrieren und werden durch Substrate, Cofaktoren, Inhibitoren und allosterische Effekte gesteuert. Michaelis-Menten-Kinetik und Hemmungsarten werden anhand echter Messkurven ausgewertet.

Zentrifugation, Dialyse, Fällung, Chromatografie und Gelelektrophorese trennen Biomoleküle nach Größe, Ladung, Dichte oder Bindungseigenschaften. Ein Reinigungsplan wird über Ausbeute, Reinheit und Aktivität beurteilt.

UV/Vis-Spektroskopie, Fluoreszenz, Massenspektrometrie und Bindungsassays liefern Informationen über Menge, Struktur und Wechselwirkungen. Passende Methoden und Kontrollen werden für konkrete Proben ausgewählt.

Röntgenkristallografie, NMR-Spektroskopie und Kryo-Elektronenmikroskopie machen molekulare Strukturen sichtbar. Auflösung, Probenanforderungen und typische Unsicherheiten werden an Proteinstrukturen verglichen.

Kohlenhydrate dienen als Energiequellen, Strukturstoffe und Erkennungssignale. Monosaccharide, Polysaccharide, Glykoproteine und Glykosylierung werden anhand ihrer Bindungen und biologischen Rollen unterschieden.

Fettsäuren, Triacylglycerine, Phospholipide, Sphingolipide und Steroide erfüllen Speicher-, Membran- und Signalfunktionen. Ihre Strukturen erklären Löslichkeit, Membranverhalten und Stoffwechselwege.

Lipid-Doppelschichten, Membranproteine, Diffusion, Kanäle, Carrier und Pumpen regeln den Stoffaustausch. Elektrochemische Gradienten werden genutzt, um Transportvorgänge vorherzusagen.

ATP, Redoxreaktionen, Elektronenträger und chemiosmotische Kopplung verbinden Energiegewinnung mit Zellarbeit. Energiebilanzen zeigen, wie Reaktionen über gemeinsame Zwischenprodukte gekoppelt werden.

Glykolyse, Gluconeogenese, Glykogenstoffwechsel und Pentosephosphatweg steuern die Nutzung von Glucose. Regulation und Stofffluss werden für Nahrungsaufnahme, Fasten und körperliche Belastung verglichen.

Citratzyklus, Atmungskette und oxidative Phosphorylierung gewinnen Energie aus Acetyl-CoA. Hemmstoffe, Entkoppler und mitochondriale Störungen zeigen, wie empfindlich das System reguliert ist.

Fettsäuresynthese, Beta-Oxidation, Ketonkörper und Cholesterinstoffwechsel erklären Speicherung und Mobilisierung von Energie. Zelluläre Kompartimente und hormonelle Signale werden in die Bilanz einbezogen.

Aminosäureabbau, Transaminierung, Harnstoffzyklus und die Bildung stickstoffhaltiger Moleküle regeln den Stickstoffhaushalt. Stoffwechseldefekte dienen als Fälle für die Verbindung von Reaktionsweg und Symptom.

Leber, Muskel, Fettgewebe und Gehirn tauschen Stoffe abhängig von Ernährung, Fasten, Stress und Bewegung aus. Insulin, Glukagon und weitere Hormone koordinieren diese systemweite Anpassung.

Rezeptoren, G-Proteine, Kinasen, Second Messenger und Phosphatasen übertragen Signale in Entscheidungen der Zelle. Signalwege werden als Netzwerke mit Verstärkung, Rückkopplung und Crosstalk analysiert.

Nukleotide, DNA-Doppelhelix, Basenpaarung, Chromosomen und verschiedene Genomorganisationen tragen Erbinformation. Sequenzen werden in Leserichtung, Komplementarität und Genkontext gelesen.

DNA-Polymerasen, Replikationsgabeln, Telomere und Kontrollmechanismen sichern die Vervielfältigung des Genoms. Reparaturwege und homologe Rekombination erklären Mutationsvermeidung und genetischen Austausch.

mRNA, tRNA, rRNA und regulatorische RNAs unterscheiden sich in Struktur, Verarbeitung und Funktion. Spleißen, RNA-Editing, Modifikationen und RNA-Abbau bestimmen Lebensdauer und Informationsgehalt.

Promotoren, Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerasen setzen DNA-Information in RNA um. Initiation, Elongation, Termination und RNA-Prozessierung werden für Prokaryoten und Eukaryoten verglichen.

Genetischer Code, Ribosomen, tRNAs und Translationsfaktoren erzeugen Proteine aus mRNA-Sequenzen. Leseraster, Mutationen, Proteintransport und posttranslationale Modifikationen werden praktisch verfolgt.

Operons, Repressoren, Aktivatoren und kleine regulatorische RNAs ermöglichen schnelle Anpassungen in Bakterien. Klassische Systeme wie lac und trp dienen zum Vorhersagen von Genaktivität.

Enhancer, Chromatin, Transkriptionsfaktoren, DNA-Methylierung und Histonmodifikationen steuern eukaryotische Gene. Epigenetische Zustände werden mit Differenzierung, Entwicklung und Krankheit verbunden.

Viren, Plasmide, Transposons und andere mobile Elemente verändern Genome und übertragen genetisches Material. Replikationsstrategien, Wirtsabhängigkeit und horizontaler Gentransfer werden anhand ausgewählter Systeme untersucht.

DNA- und RNA-Extraktion, Restriktionsenzyme, Ligation, Klonierung, PCR, qPCR und Gelelektrophorese gehören zum molekularbiologischen Werkzeugkasten. Ein Klonierungs- oder Nachweisexperiment wird mit Kontrollen geplant.

Reportergene, Überexpression, Knockdown, Mutanten und Komplementation prüfen Genfunktionen in Zellen und Organismen. Versuchsdesigns trennen Korrelation, Notwendigkeit und hinreichende Wirkung.

Mutationen erzeugen genetische Variation, während Selektion, Drift, Migration und Rekombination ihre Häufigkeiten verändern. Hardy-Weinberg-Modelle und einfache Populationsdaten machen diese Kräfte messbar.

Natürliche Selektion, neutrale Evolution, Genverdopplung und molekulare Uhren erklären Veränderungen von Sequenzen und Proteinen. Synonyme und nicht synonyme Substitutionen helfen, evolutionäre Kräfte zu erkennen.

Sequenzvergleiche, Homologie, Alignments und phylogenetische Bäume rekonstruieren Verwandtschaft. Baumtopologien, Knotenunterstützung und typische Fehlinterpretationen werden an realen Datensätzen geprüft.

Genome verschiedener Arten machen konservierte Regionen, Genfamilien, strukturelle Varianten und Genomumbauten sichtbar. Orthologe und Paraloge werden genutzt, um Funktion und Abstammung zu unterscheiden.

Konservierte Entwicklungsprogramme, Hox-Gene und Änderungen regulatorischer DNA verbinden Embryonalentwicklung mit der Entstehung neuer Körperformen. Beispiele zeigen, wie kleine molekulare Änderungen große Merkmalsunterschiede erzeugen.

Hypothesen zum Ursprung des Lebens verbinden präbiotische Chemie, Selbstreplikation, Membranbildung und frühe Stoffwechselnetze. Evidenz und offene Fragen werden klar von spekulativen Szenarien getrennt.

Kontrollierte Populationen von Mikroorganismen und digitalen Modellen machen Evolution in Echtzeit beobachtbar. Fitness, Anpassung, Parallelität und historische Zufälle werden in Versuchsreihen ausgewertet.

Öffentliche Sequenz-, Struktur-, Expressions- und Literaturdatenbanken sind zentrale Arbeitsmittel der modernen Biologie. Datensatzkennungen, Metadaten, Qualitätsangaben und programmatische Zugänge werden sicher genutzt.

Sequenzsuche, Alignment, Motivsuche, Genannotation und reproduzierbare Skripte machen aus Rohdaten biologische Aussagen. Kleine Analysepipelines verbinden Kommandozeile, Statistik und dokumentierte Parameter.

Massiv parallele Kurzlese-Sequenzierung ermöglicht Genom-, Exom- und Transkriptomanalysen in großem Maßstab. Bibliotheksvorbereitung, Qualitätskontrolle, Mapping, Variantenaufruf und technische Verzerrungen werden als zusammenhängender Prozess behandelt.

Lange Einzelmolekül-Reads lösen repetitive Regionen, Strukturvarianten, Haplotypen und vollständige Transkripte besser auf. Fehlerprofile, Assemblierung und die Kombination mit Kurzreads werden an typischen Projekten abgewogen.

RNA-Sequenzierung misst Genexpression, Spleißvarianten und Transkriptgrenzen auf genomweiter Ebene. Normalisierung, differentieller Ausdruck und funktionelle Anreicherung führen von Rohzählungen zu biologischen Aussagen.

Massenspektrometrische Proteomik erfasst Proteinmengen, Modifikationen und Interaktionspartner. Probenvorbereitung, Peptididentifikation, Quantifizierung und Fehlerkontrolle werden zu einem auswertbaren Arbeitsablauf verbunden.

Metabolomik misst kleine Moleküle als Momentaufnahme des Zellzustands. Chromatografie, Massenspektrometrie, Metabolitidentifikation und Stoffflussanalysen mit stabilen Isotopen werden voneinander abgegrenzt.

Einzelzell-RNA-Sequenzierung macht Zelltypen, Zustände und Entwicklungswege sichtbar, die in Mischproben verborgen bleiben. Barcodes, Qualitätsfilter, Dimensionsreduktion, Clustering und Zelltypannotation werden kritisch eingesetzt.

Räumliche Transkriptomik und Proteomik verbinden molekulare Messwerte mit ihrer Position im Gewebe. Auflösung, Segmentierung, räumliche Nachbarschaften und die Verknüpfung mit Einzelzelldaten stehen im Mittelpunkt.

CRISPR-Cas-Systeme ermöglichen gezielte Schnitte, Basenänderungen, Prime Editing und genomweite Screens. Guide-Design, Reparaturwege, Off-Target-Effekte, Validierung und ethische Grenzen werden in einem Editierprojekt berücksichtigt.

Standardisierte DNA-Bauteile, genetische Schaltkreise und Design-Build-Test-Learn-Zyklen verwandeln Zellen in planbare Systeme. Ein einfacher Biosensor oder Produktionsstamm wird vom Entwurf bis zur Messung durchdacht.

Metagenomik und Metatranskriptomik untersuchen mikrobielle Gemeinschaften ohne Kultivierung. Probenahme, Kontamination, taxonomische Profile und funktionelle Gene werden für Darm-, Boden- oder Gewässerproben ausgewertet.

Umwelt-DNA weist Arten über genetische Spuren in Wasser, Boden oder Luft nach. Markerwahl, Probenkontrollen, Referenzdatenbanken und Nachweisgrenzen werden für Biodiversitätsmonitoring und Artenschutz eingesetzt.

Moderne Fluoreszenzmikroskopie, Superauflösung, Lichtblattverfahren und Live-Cell-Imaging zeigen Moleküle und Prozesse in Raum und Zeit. Bildaufnahme, quantitative Bildanalyse und typische Artefakte werden gemeinsam betrachtet.

Maschinelles Lernen sagt Proteinstrukturen, Komplexe und teilweise molekulare Eigenschaften aus Sequenzen voraus. Konfidenzwerte, experimentelle Prüfung und Grenzen bei Dynamik, Liganden und neuen Proteinfamilien verhindern eine blinde Nutzung.

Netzwerkmodelle, Rückkopplungen, Differentialgleichungen und stochastische Simulationen beschreiben komplexe biologische Systeme. Modelle werden an Daten angepasst, auf Empfindlichkeit geprüft und für überprüfbare Vorhersagen genutzt.

Aus einer biologischen Frage entsteht über Hypothese, Versuchsplan, Kontrollen, Datenerhebung und Analyse eine belastbare Aussage. Ein vollständiges Projekt führt weiter durch Validierung, Dokumentation, Veröffentlichung und Archivierung der Daten.

Replikate, Randomisierung, Verblindung, statistische Tests, Versionskontrolle und offene Daten stärken die Aussagekraft von Forschung. Fehlerhafte Abbildungen, selektive Auswertung und nicht reproduzierbare Pipelines werden an Fällen erkannt.

Risikogruppen, Sicherheitsstufen, gentechnisch veränderte Organismen, Dual-Use-Fragen und sichere Datenpraxis betreffen Forschung und Anwendung. Risikoanalysen verbinden biologische Gefahren mit Eindämmung, Genehmigungen und verantwortlicher Kommunikation.

Biochemie, Molekularbiologie, Diagnostik, Biotechnologie, Bioinformatik und Forschung bieten unterschiedliche Rollen und Zugangswege. Das Kapitel ordnet Studienwege, praktische Kompetenzen, Portfolios, Labor- und Datenprojekte sowie Strategien zum fachlichen Aktualisieren ein.