Der genetische Code

Neben der Nukleinsäure DNA
als Träger der Erbinformation
ist noch
RNA (= Ribonukleinsäure)
an den molekularen Prozessen um die Erbinformation beteiligt. Sie kommt
in der Zelle in 3 Formen vor:

  1. m-RNA = Messenger-RNA
    oder Boten-RNA
  2. t-RNA
    = transfer-RNA
  3. r-RNA
    = ribosomale RNA.

Alle drei RNA-Sorten sind an der Realisierung der genetischen
Information beteiligt, also an der Umsetzung der Gene in Stoffwechsel.
Den Gedanke, daß die Erbinformation etwas mit dem Stoffwechsel zu
tun hat, äußerte Archibald Garrod
1902 zum ersten mal. George Beadle
und Edward Tatum bewiesen
um 1940 diesen Zusammenhang und stellten die “Ein-GEN
ein ENZYM-Hypothese”
auf. Sie benutzten Röntgenstrahlen,
um beim Pilz Neurospora Mutationen hervorzurufen. Diese betrafen
einzelne Gene und einzelne Enzyme in einem speziellen Stoffwechselweg.
Für ihre Forschungsergebnisse erhielten sie 1958 den Nobelpreis.
Genaueres über das Experiment und die Nobelpreisträger ist in
den Quellen zu erfahren.

Heute hat man diese Hypothese in Ein-Gen-ein-Polypetid
umbenannt, denn viele Proteine wie z.B. Hämoglobin bestehen aus
mehreren Polypeptidketten. Das heißt:


Ein
Gen trägt die Information für ein Polypetid.

Die DNA im Zellkern arbeitet also mit den Ribosomen
im Zytoplasma zusammen, denn dort werden die Proteine hergestellt. Wie
kommt nun die Information der DNA aus der Zelle und wird in Proteine umgesetzt?
Den grundsätzlichen Zusammenhang stellt die nächste Abbildung
her.

cendogma

Schon F. Crick hat 1953 den Informationsfluß
aus der DNA über RNA zu den Ribosomen als
zentrales
Dogma der Molekularbiologie
aufgestellt.
Ribonukleinsäure (RNA), die sowohl im Zellkern wie auch im
Cytoplasma vorkommt, übernimmt die Überträgerrolle der
genetischen Information zu den Proteinen. Man unterscheidet 2 Vorgänge:

  • die Transkription:
    das Abschreiben von Genen in eine mRNA-Genkopie
  • die Translation:
    die Proteinsynthese aufgrund der Information der mRNA-Genkopie

Die Ribosomen, die zu 2/3 aus RNA, genauer rRNA
bestehen sind der Ort der Proteinbiosynthese.

Um Eiweiße herstellen zu können, braucht
die Zelle Aminosäuren. Sie erhält sie aus der Nahrung.
t-RNA
-Moleküle
übernehmen den Transport im Zytoplasma zu den Ribosomen.

Der Genetische Code

Mit Hilfe der Ribosomen wird die
“Sprache der Gene” in die “Sprache der Proteine” umgesetzt.
Sprachen oder Schriften besitzen als Elemente Zeichen, Buchstaben und
Sonderzeichen
. Die deutsche Sprache besteht aus 26 Buchstaben, Umlaute
nicht mitgerechnet. Die Maschinensprache der Computer besteht aus 2 Zeichen:
0 und 1. Bei beiden werden in Kombinationen der Zeichen, also Wörtern
und Sätzen Information gespeichert.

Die Proteinsprache
besteht aus 22 Buchstaben, den Aminosäuren. In der Sequenz ist die
Information zur spezifischen räumlichen Struktur enthalten, die dem
Protein eine spezifische Funktion verleiht.

Die genetische
Sprache
besitzt 4 Buchstaben: Adenin,
Guanin, Cytosin
und Thymin
.
Was liegt also näher, als ebenfalls in der Kombination der Basen
die genetische Information zu vermuten. Die Frage war in den 50er Jahren
nur:

Wie lange ist ein genetisches Wort und
welche Basenkombination entspricht einer Aminosäure?

Mit einer Base könnte man maximal 4 Aminosäuren
verschlüsseln, zu wenig. Die Kombination von 2 Basen ergibt 42
Möglichkeiten d.h. 16 Varianten, also immer noch zu wenig. Bei mindestens
3 Basen in Kombination hätte man die Möglichkeit, alle 22 Aminosäuren
zu verschlüsseln, maximal 43 = 64 Kombinationsmöglichkeiten.

Dies wurde zu Beginn der 60er Jahre von Marshall
Nirenberg und Heinrich Matthaei
(Nobelpreis 1968) getestet. Sie
gaben in 20 Teströhrchen mit E.Coli-Zellfragmenten mit jeweils einer
bestimmten Aminosäure eine Poly-U- RNA. In einem Reaktionsansatz
entstand ein Polypeptid, das nur aus Phenylalanin bestand. Dabei fanden
Sie, daß eine Kombination von 3 Basen, ein Triplett
die Information für eine Aminosäure enthielt. Da an den Ribosomen
die zur DNA komplementäre mRNA verwendet wird, ist das entsprechende
Codogen in der DNA für Phe AAA, das Codon der mRNA UUU.
Durch Testen mit verschiedensten RNA-Sequenzen wurden alle Codogene geklärt.

code

Man fand 61 für Aminosäuren codierende Tripletts
und 3 Terminator oder Stop-Codogene
für die es keine Aminosäure gibt. Deshalb bricht hier die Proteinsynthese
ab, man spricht auch von Nonsens-Codonen.
Die mRNA-Sequenz ist: UAA, UAG und UGA.

Neben der tabellarischen Form ist auch
die “Codesonne” nach Bresch und Hausmann weit verbreitet.
Klicken Sie rechts um dies zu sehen. Die Codone werden von innen nach
außen gelesen.
codes2

Da an den Ribosomen der genetische Code in Form der mRNA
übersetzt wird, gibt man den genetischen
Code als mRNA-Code in Form der Codone an
. Eine tabellarische Zusammenstellung
findet man unten. Z.B. bedeutet Isoleucin AUU, AUC oder AUA. Da für
eine Aminosäure mehrere Codone zutreffen, nennt man den gentischen
Code degeneriert.

Diese Zuordnung der Aminosäuren hat man bei
allen Lebewesen gefunden, deshalb bezeichnet man den genetischen Code
als
universell.
Nur in den Mitochondrien und Chloroplasten bzw. den Archäbakterien
trifft man auf teilweise andere Codierungen.
Bis vor einigen Jahren waren nur 20 Aminosäuren bekannt. Inzwischen
hat man 2 weitere Aminosäuren gefunden, Selenocystein (Sec) und Pyrrolysin
(Pyl), die beide an speziellen t-RNAs gebunden an die Stopcodone UAG (Pyl)
und AGA (Sec) binden.

Der Code ist auch überlappungsfrei,
d.h. die Sequenz eines Gens wird nicht teilweise von einem anderen benützt.

Ein Ausschnitt aus einem Gen könnte so aussehen:


DNA, Codogener Strang

TAC CTT AAG AGC GAG

(3′ <- 5′)

DNA, komplementärer Strang:

ATG GAA TTC TCG CTC

(5′ -> 3′)

mRNA

AUG GAA UUC UCG CUC

(5′ -> 3′)

Protein

Met – Glu – Phe – Ser – Leu

COOH

Wie sieht nun die tatsächliche Nukleotidsequenz
eines Gens aus? Dies ist für Bakterien und Eukaryonten unterschiedlich.
Bei Bakterien besteht die komplette DNA aus Genen, die die Information
zur Herstellung von Proteinen enthalten.
eeee In Eukaryonten enthält nur ein
Teil der DNA Information für Proteine, genannt Exons.
Der Sinn des anderen Teils ist derzeit nicht bekannt =
Intron
s
. Die Ausdrücke kommen daher, daß ein Gen
beide Abschnitte enthält, siehe Abb. 27.

exin

Am Beispiel des Muskelproteins Tropomyosin sieht man die Exons und Introns
in einem eukaryontischen Gen.

tropmy

Tropomyosin ist
ein stäbchenförmiges Molekül (ca. 400 Å lang und
20 Å breit). Es besteht aus 2 parallel angeordneten
a-Helices. VieleTropomyosin- Moleküle
lagern sich eweils kopf- und schwanzseitig aneinander. Ein Skellettmuskel
besteht zu 3% aus Tropomyosin.

tromy2

3.3.1 Modellhafter Ablauf von Transkription
und Translation

Um nun aus dem Bauplan in der DNA ein Protein herzustellen
wird in einem komplizierten Vorgang zunächst das Gen im Zellkern
abgeschrieben. Dazu wird eine Kopie der codogenen Basensequenz der Doppelhelix
angefertigt. (codogener Strang = der Strang der das Gen enthält)
Den Vorgang nennt man Transkription.
Diese Kopie, m-RNA genannt wandert dann aus dem Kern ins Zytoplasma zu
den Ribosomen. Dort wird die Basensequenz
in die entsprechende Proteinsequenz übersetzt und ein Protein hergestellt.
Dies nennt man Translation.

transsri5

Transkription

Die Transcription läuft in 3 Schritten ab:

  1. Initiation
  2. Elongation
  3. Termination

transcrp7

1. Initiation

Zum Abschreiben des Gens bindet der RNA-Polymerasekomplex
an eine bestimmte Stelle, den Promotor.
Dazu sind verschiedene Faktoren wie z.B. der Sigmafaktor notwendig. Die
nachfolgende Stelle wird nun entschraubt und die Bildung einer komplementären
Nukleotidsequenz als mRNA ( messenger RNA)
ab dem Startcodon beginnt.

2. Elongation

Der gesamte Transsriptionskomplex samt entstehender mRNA
wandert in 5´ – 3´- Richtung entlang dem Gen, wobei das Gen
sozusagen komplementär abgeschrieben wird.

3. Termination

Beim Erreichen einer Stopsequenz
mit einem Terminatorcodon wird die
Abschrift beendet. Der RNA-Polymerasekomplex fällt von der DNA ab.

In Prokaryonten wird diese mRNA direkt von den Robosomen
als Matrize benutzt um daraus das entsprechnde Protein (=Translation)
herzustellen. In Eukaryonten wird das primäre Transcript (= prä
– mRNA
) noch bearbeitet und dabei in die zur Translation notwendige
mRNA umgewandelt. Dieser Umwandlungsvorgang der prä -mRNA in mRNA
bei Eukaryonten besteht aus Capping,
Polyadenylierung
und Splicing
(Spleißen)
.

Bearbeitung der der prä – mRNA bei Eukaryonten

Capping: Nach der Transcription
wird die prä-m-RNA am 5´-Ende mit einer Kappe (= Cap) versehen
(= Capping). Dabei wird eine spezielles Nukleotid (7-Methyl-Guanosin)
in einer 5′-5′ Bindung an das 5´-Ende der prä-mRNA gebunden.

Polyadenylierung: An das
3´-Ende werden zwischen 20 und 250 Adenin-Nukleotide angefügt.
(= Poly-A-Schwanz).

splic7

Splicing: Danach werden die
durch einen Komplex (= Spliceosom) aus Proteinen und speziellen RNAs (=
snRNAs) die Introns herausgeschnitten und die Exons zusammengefügt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 24

Dogma der Molekularbiologie

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 25
 

Sprachen

 

 

Deutsche Sprache: 26 Buchstaben
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
Kombinationen der Buchstaben:
beliebig; Beispiel: sieben=7
Satzzeichen:
.,;:!”?/ usw.
Zeichenabfolge:
ohne Überlappung, Leerzeichen

Binärcode: 2 Buchstaben
0, 1
Kombination der Zeichen:
beliebig; Beispiel: 0111=7
Satzzeichen:
keine
Zeichenabfolge:
nicht überlappend, keine Leerzeichen

Proteinsprache: 22 Buchstaben
G – Glycin (Gly)
P – Prolin (Pro)
A – Alanin (Ala)
V – Valin (Val)
L – Leucin (Leu)
I – Isoleucin (Ile)
M – Methionin (Met)
C – Cystein (Cys)
F – Phenylalanin (Phe)
Y – Tyrosin (Tyr)
W – Tryptophan (Trp)
H – Histidin (His)
K – Lysin (Lys)
R – Arginin (Arg)
Q – Glutamin (Gln)
N – Asparagin (Asn)
E – Glutaminsäure (Glu)
D – Asparaginsäure (Asp)
S – Serin (Ser)
T – Threonin (Thr)
— Selenocystein (Sec)
— Pyrrolysin (Pyl)

Kombination der Zeichen:
beliebig; Beispiel: Heptapeptid
Gly-Asp-Ala-Phe-Glu-Cys-Ala
Satzzeichen:
keine
Zeichenabfolge:
nicht überlappend, keine Leerzeichen

Genetischer Code: 4 Buchstaben
DNA: Adenin(A), Guanin(G), Cytosin(C), Thymin(T)
RNA: A, G, C,U= Uracil statt Thymin
Kombination der Zeichen:
als Triplett; Beispiel: ACG
Satzzeichen:
Start- und Stop-Codon
Zeichenabfolge:
nicht überlappend, keine Leerzeichen; Exons, Introns

polyphen


Abb. 26
 

Marshall W. Nirenberg 1927 –

 

nirenb

Nobelpreis für Medizin 1968
Aufklärung des genetischen Codes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 27
 

Exons – Introns

 


Die farbigen Regionen codieren für Proteine.

 


Abb. 28
 

Tropomyosingen

 

Hellblaue Regionen sind Introns (Nonsens), dunkelblau Exons (codierend).

Ein Muskel ist ein Bündel von Muskelfasern,
die aus einzelnen Zellen bestehen und die funktionelle Untereinheit
des Muskels sind. Jede Faser hat viele Zellkerne, was zeigt, daß
sie sich aus vielen Zellen entwickelt haben. Jede Faser besitzt
viele Organelle genannt Myofibrillen, die wiederum aus langen
stächenförmigen Strukturen aus hauptsächlich 2
Proteinen bestehen: Aktin und Myosin.

myofib

Daneben sind noch Troponin und Tropomyosin am Aufbau
beteiligt.

musklek

Wer sich mehr über den Muskelaufbau informieren
möchte klicke bitte auf das Bild oben.

 

 


Abb. 29
 

Transcription – Translation

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 30
 

Transcription

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 31
 

Splicing

 

 

Weiterführende
Quellen:

genetischer Code http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/C/Codons.html
http://www.amsci.org/amsci/issues/Comsci98/compsci9801.html
Transcription http://vcell.ndsu.nodak.edu/~christjo/vcell/animationSite/transcription/
Splicing http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch5A4.htm
Capping, Polyadenylierung http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/T/Transcription.html

http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/22mRNAprocessing/default.html
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