Der genetische Code

• Grundsätzlich werden alle vererbbaren Merkmale mit Hilfe von enzymkatalysierten Reaktionen ausgebildet. Alle Enzyme sind Proteine, die aus 20 verschiedenen Aminosäure-Bausteinen aufgebaut sind. Dabei hängen Struktur und biologische Funktion eines Proteins von der Aminosäuresequenz ab.
• Die chemische Struktur der DNA zeigt nur in der Abfolge der vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin eine Variabilität. Eine Aminosäure wird durch eine Gruppe von drei Basen, einem Basentriplett der DNA, codiert.
• Die DNA befindet sich in den Chromosomen des Zellkerns, die Proteine werden jedoch im Zytoplasma synthetisiert. Es wurde ermittelt, dass die Ribosomen die Organellen sind, an denen Aminosäuren zu Proteinen verknüpft werden. Die Anweisung für Zahl und Abfolge der Aminosäuren eines Enzyms ist in der DNA codiert, die den Zellkern aber nicht verlässt. Vielmehr wird die Information für die Aminosäurensequenz eines Proteins durch ein chemisches Zwischenprodukt von der DNA abgelesen. Als Überträger der genetischen Information vom Zellkern zu den Ribosomen fungiert eine Nukleinsäure, die sog. messenger-RNA (mRNA ).
• RNA unterscheidet sich von der DNA in zwei Bausteinen: Die Zuckerkomponente ist hier Ribose und statt Thymin tritt in der RNA Uracil als vierte Base neben Guanin, Cytosin und Adenin auf.
• Gibt man zu einer wachsenden Zellkultur radioaktiv markierte RNA-Bausteine, so werden diese in neusynthetisierte RNA eingebaut. Überprüft man kurz danach, wo in der Zelle Radioaktivität auftritt, so findet sich diese fast ausschließlich im Zellkern. Weitere Untersuchungen zeigen, dass RNA an DNA-Abschnitten der Chromosomen gebildet wird. Dazu tritt in dem DNA-Abschnitt eine vorübergehende Entwindung der Doppelhelix auf. An einem Strang der DNA, dem sog. codogenen Strang, lagern sich komplementär zur Basensequenz RNA-Nukleotide an und werden verknüpft. Die Basenpaarung läuft ähnlich wie bei der DNA-Verdopplung ab. Dabei ist dem Adenin der DNA das Uracil der RNA gepaart. Die synthetisierte RNA löst sich vom codogenen DNA-Strang, und die Entwindung der Doppelhelix wird wieder rückgängig gemacht.
• Durch die mRNA-Synthese wird die genetische Information auf der DNA folglich dadurch abgelesen, dass ihre Basensequenz der Basenfolge des codogenen DNA-Stranges entspricht. Man gibt daher die Basentripletts des genetischen Codes in der "mRNA-Verschlüsselung" an. Ein mRNA-Triplett wird als Codon bezeichnet.

Realisierung genetischer Information

• Die in der DNA gespeicherte genetische Information wird abschnittsweise auf die RNA überschrieben. Diese RNA-Synthese wird Transkription genannt. Sie zeigt einen zur DNA-Verdopplung analogen Mechanismus. Allerdings wird dabei nur ein kleiner Teilbereich der DNA-Basensequenz abgelesen. RNA-Moleküle sind daher wesentlich kürzer als die DNA-Doppelhelix.
• Die Transkription wird von dem Enzym RNA-Polymerase katalysiert. Es erkennt anhand von bestimmten Basensequenzen Start- und Stoppzeichen auf dem codogenen Strang der DNA.
• Jedes mRNA-Molekül enthält die genetische Information für die Aminosäuresequenz eines Proteins. Um diese Information in die Synthese eines Proteins umzusetzen ist neben den Ribosomen, Aminosäuren und mRNA eine weitere RNA-Art nötig, die transfer-RNA (tRNA ). Das tRNA-Molekül ist relativ klein, es besteht nur aus etwa 80 Nukleotiden, und transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen. Dabei bindet ein tRNA-Molekül immer nur eine bestimmte Aminosäure. In der Zelle sind daher mindestens 20 verschiedene tRNA-Typen vorhanden.
• Bei der Verwirklichung genetischer Information wirken mRNA, tRNA und Ribosomen sowie zahlreiche weitere Faktoren in spezifischer Weise zusammen. Zunächst erfolgt die Bindung der mRNA an ein Ribosom. Damit ist das "Startsignal" für die nachfolgenden Prozesse gegeben. Ein mit seiner ihm zugeordneten Aminosäure beladenes tRNA-Molekül kann im sog. Eingang eines Ribosoms gebunden werden. Am Grunde dieses Eingangs liegt die mRNA mit einem Basentriplett-Abschnitt ebenfalls gebunden vor. Es lagert sich dann die Aminosäuren-tRNA an, die das Codon der mRNA erkennen kann. Dieses Erkennen erfolgt durch ein Basentriplett der tRNA, durch das sogenannte Anticodon.
• Das Codon der mRNA und das Anticodon der tRNA sind in ihren Basensequenzen einander komplementär. So kann entsprechend dem Prinzip der genetischen Codierung einem Basentriplett eine Aminosäure eindeutig zugeordnet werden.
• Das Ablesen aller Codons eines mRNA-Moleküls ergibt die Aminosäuresequenz eines Proteins. Gleichzeitig erfolgt aber am Ribosom auch die Verknüpfung der Aminosäuren untereinander. Grundsätzlich beginnt die Biosynthese eines Proteins immer mit dem sog. Startcodon AUG, das zugleich die Aminosäure Methionin codiert. Nachdem die Methionin-tRNA mit dem Anticodon UAC im Ribosomen-Eingang durch Basenpaaarung gebunden ist, rückt das Ribosom um eine Triplettbreite auf der mRNA weiter. Die Methionin-tRNA sitzt dann in der als Ausgang zu bezeichnenden zweiten Bindungsstelle des Ribosoms. In den Ribosomen-Eingang ist dann das nächstfolgende Codon der mRNA gerückt. Dort wird nun die entsprechende zweite Aminosäure-tRNA angelagert. Danach geht die Aminosäure im Ribosomen-Ausgang auf die Aminosäure in der Eingangsposition über und wird dort angeknüpft. Im Ribosomen-Eingang sitzt nun ein tRNA-Molekül, das ein Dipeptid trägt. Das im Ausgang entladene tRNA-Molekül verlässt das Ribosom und bindet im Zytoplasma erneut die ihm zugeordnete Aminosäure.
• Das Ribosom rückt erneut um ein Basentriplett weiter. Die das Peptid tragende tRNA sitzt dann im Ausgang des Ribosoms. Der Eingang wird durch eine neue Aminosäure-tRNA besetzt, die das dort vorliegende Codon erkennt.
• Das Ribosom läuft die gesamte Basensequenz der mRNA ab, und die oben geschilderten Vorgänge wiederholen sich, wobei die Proteinkette ständig wächst. An dieser Kettenverlängerung sind verschiedene Enzyme beteiligt, die Bestandteile des Ribosoms sind. Erreicht das Ribosom ein Stoppcodon – dies können die Tripletts UAA, UAG oder UGA sein – zerfällt das Ribosom in seine beiden Untereinheiten, und die Proteinbiosynthese ist abgeschlossen. Bei dieser Synthese erfolgt die Übersetzung der genetischen Sprache, die Basensequenz der Nukleinsäuren, in die Aminosäuresequenz eines Proteins. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Translation.
• In der Regel wird ein mRNA-Molekül von mehreren Ribosomen gleichzeitig abgelesen. Die Ribosomen wandern hintereinander am mRNA-Strang entlang. Jedes Ribosom bewirkt die Synthese eines Proteinmoleküls.
• Die Vorgänge bei der Proteinsynthese lassen folgenden Fluss der genetischen Information erkennen:

DNA --- Transkription ---> m-RNA --- Translation ---> Protein

• Die damit festgelegte Richtung des Informationsflusses wird als Dogma der Molekularbiologie bezeichnet. Man kennt heute allerdings bei einigen Viren Abweichungen von diesem Schema. Generell aber fungiert mRNA als Zwischenträger zwischen dem Ort der Speicherung und dem Ort der Realisierung von genetischer Information. Die mRNA ist nur ein kurzlebiges Molekül, das nach einiger Zeit durch zelleigene Enzyme wieder abgebaut wird. In einer Zelle liegen immer verschiedene mRNA-Moleküle nebeneinander vor. Welche mRNA-Moleküle auftreten hängt jeweils von der gerade abgerufenen genetischen Information ab.
• Durch Versuche hat man herausgefunden, dass alle 64 (4³) denkbaren Tripletts in der Zelle auch tatsächlich auftreten. Die meisten Aminosäuren werden durch mehrere Basentripletts codiert.
• Man kann – mit Ausnahme des Tryptophans und des Methionins – aus einer Aminosäure nicht auf ein bestimmtes Basentriplett schließen. Meist unterscheiden sich die Codons für eine Aminosäure in der dritten Base.