Im genetischen Code steht ein bestimmtes Triplett von Nucleotiden

Im genetischen Code steht ein bestimmtes
Triplett von Nucleotiden für eine bestimmte
Aminosäure: Eine nähere Betrachtung
Als den Biologen dämmerte, dass die Anweisungen für die
Proteinsynthese in der DNA codiert sind, erkannten sie sofort
das Problem: Es gibt nur vier verschiedene Nucleo-tide, um 20
Aminosäuren zu codieren. Daher kann der genetische Code nicht
der chinesischen Sprache ähnlich sein, bei der jedes Zeichen
einem einzelnen Wort entspricht. Wenn nämlich jede
Nucleotidbase in eine Aminosäure übersetzt würde, so könnten
nur 4 der 20 Aminosäuren codiert werden. Würde eine Sprache
mit
einem
Zweibuchstaben-Code
ausreichen?
Die
Basensequenz AG könnte eine Aminosäure codieren und GT
eine andere. Da es vier Basen sind, würde dies 16 (4 2)
mögliche Kombinationen zulassen - nicht genug, um alle 20
Aminosäuren zu codieren.
Tripletts von Nucleotidbasen sind die kleinsten Codewörter,
durch die alle Aminosäuren codiert werden können.
(b) eukarvotische Zelle
Wenn nämlich drei aufeinanderfolgende Basen eine Aminosäure codieren, so gibt es 64 (4 3) mögliche Codeworte -mehr
als genug für die Codierung aller Aminosäuren. Experimente
zum Informationsfluss vom Gen zum Protein bewiesen
tatsächlich die Existenz eines Triplett-Codes: Die genetische
Anweisung für die Synthese eines Polypeptids ist in der DNA
durch eine Serie von Drei-Nucleotid-Wörtern niedergeschrieben. So codiert beispielsweise das Triplett AGT in
der DNA die Aminosäure Serin, die dann an der entsprechenden
Position in das wachsende Polypeptid eingebaut wird. Eine
Zelle kann die Basentripletts eines Gens nicht direkt in
Aminosäuren übersetzen. Der Zwischenschritt ist die
Transkription, bei der das Gen die Folge der Basentripletts auf
dem mRNA-Molekül bestimmt. Bei jedem Gen wird nur
einer der beiden DNA-Stränge transkribiert. Dieser Strang
wird als Matrizenstrang bezeichnet, weil er die Vorlage
(Matrize) für die Anordnung der Basen im RNA-Transkript
darstellt. Der komplementäre Strang, also der
„Nichtmatrizenstrang", besitzt die gleiche Basensequenz
wie das RNA-Transkript. In einem DNA-Molekül
kann abwechselnd der eine oder der andere Einzelstrang
als Matrize für eine RNA-Synthese dienen; für ein
bestimmtes Gen sind jedoch Matrizenstrang und
Nichtmatrizenstrang klar festgelegt.
Ein mRNA-Molekül ist komplementär zur DNA-Vorlage
und nicht identisch mit dieser, weil auch die RNA-Basen
nach den Gesetzen der Basenpaarung aneinandergereiht werden (Abbildung 16.4). Das Prinzip ist dasselbe wie bei der
spezifischen Basenpaarung während der DNA-Replikation.
Wird ein DNA-Strang transkribiert, so bildet das Basentriplett CCG in der DNA die Vorlage für das komplementäre
Triplett GGC in der mRNA. Die Basentripletts der mRNA
werden als Codons bezeichnet. Wie in Abbildung 16.4 zu
sehen ist, paart sich U, die dem T in der DNA entsprechende
Base, mit A. Daher wird das DNA-Triplett AGT in der
mRNA als das Codon UCA erscheinen und in die Aminosäure Serin übersetzt werden.
Bei der Translation wird die Abfolge der Codons auf der
mRNA in die Sequenz der Aminosäuren übersetzt oder
translatiert, die dann eine Polypeptidkette bilden. Jedes
Codon der mRNA bedingt den Einbau einer der 20 Aminosäuren an der richtigen Position im Polypeptid. Da Codons
Basentripletts sind, beträgt die Zahl der Nucleotide einer
mRNA ein Dreifaches der Zahl der Aminosäuren des Proteinproduktes. In einer 300 Nucleotide langen mRNA kann
ein Protein von 100 Aminosäuren codiert sein.
Wie der genetische Code entschlüsselt wurde
Der genetische Code wurde von Molekularbiologen in den
frühen 60er Jahren geknackt. Sie führten eine Reihe eleganter
Experimente durch, welche die Aminosäurebedeutung jedes
RNA-Codons enträtselten. Das erste Codon wurde im Jahre
1961 durch den Amerikaner Marshall Nirenberg entschlüsselt.
Nirenberg hatte eine synthetische mRNA hergestellt, indem er
lauter RNA-Nucleotide mit der Stickstoffbase Uracil
aneinanderhängte. Wo auch immer auf dieser RNA die
Translation begann, es war immer nur ein einziges Codon in
vielfacher Wiederholung: UUU. Nirenberg gab diese
„Poly(U)-RNA" in ein Reagenzglas mit einer Mischung
von Aminosäuren, Ribosomen und anderen für die
Proteinsynthese nötigen Komponenten. Sein artifizielles System
translatierte Poly(U) in ein Polypeptid, das nur eine einzige
Sorte von Aminosäure enthielt, nämlich Phenylala-nin (Phe),
viele Male aneinandergereiht (Polyphenylalanin). Daraus
leitete Nirenberg ab, das mRNA-Codon UUU müsse die
Aminosäure Phenylalanin codieren. Bald danach wurden die
Aminosäuren identifiziert, die durch die Codons AAA, GGG
und CCC codiert werden.
Obwohl kompliziertere Techniken eingesetzt werden mussten,
um gemischte Tripletts wie AUA und CGA zu decodieren,
waren alle 64 Codons in der Mitte der 60er Jahre
entschlüsselt. Wie aus Abbildung 16.5 zu ersehen ist, codieren
nur 61 Tripletts Aminosäuren. Bemerkenswerterweise besitzt
das Codon AUG eine Doppelfunktion: Es codiert nicht nur die
Aminosäure Methionin (Met), sondern dient auch als
Startcodon
oder „Initiationscodon".
Die genetische
Botschaft beginnt auf der mRNA stets mit AUG, das der
Proteinsynthese-Maschinerie signalisiert, die Translation an
diesem Codon zu beginnen. (Da AUG auch Methio-nin bedeutet,
tragen alle neu gebildeten Polypeptide als erste Aminosäure
Methionin. Es existiert jedoch ein Enzym, welches die
Startaminosäure gegebenenfalls wieder vom Poly-peptid
entfernt.) Die verbleibenden drei Codons haben keine
Aminosäurebedeutung, sondern dienen ausschließlich als
„Satzzeichen". Sie wirken als Stopcodons oder „Terminationscodons" und signalisieren das Ende der genetischen
Botschaft.
Wie Sie in Abbildung 16.5 sehen, ist der genetische Code
redundant, aber eindeutig. Obwohl die Codons GAA und
GAG beide für Glutaminsäure stehen (Redundanz), codiert
keines von ihnen eine andere Aminosäure (Eindeutigkeit).
Die Redundanz des Codes ist nicht zufällig verteilt. In vielen
Fällen gibt es für eine bestimmte Aminosäure „synonyme"
Codons, die sich nur an der dritten Position des Tripletts
unterscheiden. Wir werden später in diesem Kapitel eine
Konsequenz dieser Redundanz diskutieren. Anstelle von
„Redundanz" spricht man auch von „Degeneration" des
genetischen Codes.
Die Chance, den Sinn einer geschriebenen Botschaft zu
begreifen, hängt von unserer Fähigkeit ab, die Symbole in ihrer
richtigen Reihenfolge und Gruppierung zu lesen. Dieses
Ordnungsprinzip wird als Leseraster bezeichnet (englisch:
reading frame). Betrachten wir den Satz: „Der Bär mag den
Aal". Vertauscht man die Worte in diesem Satz, so entsteht
unerwartet ein anderer Sinn, „Der Aal mag den Bär". Wenn
man die Buchstaben nicht richtig in Worte gliedert, wie zum
Beispiel „Derbärmagdenaal", so könnte man annehmen, das
erste Wort wäre „Derb". Das Leseraster ist also wichtig für die
molekulare Sprache der Zelle. Die Aminosäuren in Abbildung
16.4 können nur in der richtigen Anordnung translatiert werden,
wenn die mRNA-Codons UGG UUU GGC UCA von Anfang bis
Ende in der richtigen Reihenfolge und in Dreiergruppen gelesen
werden. Obwohl die Basen in der mRNA kontinuierlich
aneinanderhängen, liest die Proteinsynthese-Maschinerie
der Zelle die Botschaft im richtigen Leseraster als eine
Folge von nichtüberlappenden dreibuchstabigen Codewörtern. Die Botschaft wird nicht als eine Folge überlappender
Wörter - UGGUUU, und so fort - gelesen, wodurch ein
ganz anderer Sinn entstünde.
Fassen wir zusammen, was Sie gerade gelernt haben. Die
genetische Information ist in der Folge nichtüberlappender
Basentripletts oder Codons verschlüsselt, von denen jedes
bei der Proteinsynthese in eine bestimmte Aminosäure übersetzt wird.
Die evolutionäre Bedeutung einer gemeinsamen
genetischen Sprache
Der genetische Code ist nahezu universell und wird von so
verschiedenen Organismen wie Bakterien und Menschen
benutzt. Das RNA-Codon CCG zum Beispiel wird von
allen untersuchten Organismen in die Aminosäure Prolin
translatiert. Im Labor können Gene auch nach Übertragung
von einer Art auf die andere korrekt transkribiert und translatiert werden (Abbildung 16.6). Als eine wichtige Anwendung dieser Universalität kann man Bakterien durch Einbau
des menschlichen Insulingens dazu bringen, Insulin zu synthetisieren, ein Produkt, das Zuckerkranke benötigen.
Solche Anwendungsmöglichkeiten haben zu einer
aufregenden Entwicklung der Biotechnologie geführt, über
die Sie in Kapitel 19 noch Einzelheiten erfahren werden.
Es gibt aber einige interessante Ausnahmen von der Universalität des genetischen Codes. In einigen einzelligen
Eukaryoten, den Ciliaten (zu ihnen gehört auch das bereits
erwähnte Pantoffeltierchen Paramecium, siehe Abbildung
7.23b), fanden Biologen eine Variante des StandardCodes. In diesen Organismen werden die Basentripletts
UAA und UAG nicht als Stopsignale gelesen wie in
anderen Organismen, sondern als Glutamin-Codon.
Forscher haben in der DNA von Mitochondrien und
Chloroplasten noch weitere Abweichungen vom StandardCode entdeckt; diese extra-chromosomale DNA codiert
für eine Reihe von Proteinen der betreffenden Organellen.
Obwohl die Biologen noch nicht verstehen, wie sich
diese Variationen des genetische Codes im Laufe der
Evolution entwickelt haben, steht für sie die evolutionäre
Bedeutung des fast universellen Charakters des
genetischen Codes außer Frage. Eine gemeinsame
Sprache, die heute von allen lebenden Organismen benutzt
wird, muss sehr dicht am Ursprung des Lebens entstanden
sein - früh genug, um von jenen Urformen verwendet zu
werden, welche die Vorfahren aller heute existierender
Lebewesen sind, angefangen von den einfachsten
Bakterien bis hin zu den kompliziertesten Pflanzen und
Tieren. Das gemeinsame genetische Vokabular belegt die
Verwandtschaft aller Organismen auf dieser Erde. Wir
haben nun die Entschlüsselung und die evolutionäre
Bedeutung des genetischen Codes besprochen und können
uns jetzt ausführlicher den Vorgängen während der Transkription und der Translation zuwenden.
16.5 Das Wörterbuch des genetischen Codes. Die drei Basen eines
mRNA-Codons werden hier als die erste, zweite und dritte Base
bezeichnet. Üben Sie den Gebrauch des Code-Wörterbuches, indem Sie
die vier Codons aus Abbildung 16.4 suchen. Das erste, UGG, ist das
einzige Codon für die Aminosäure Tryptophan. Die meisten Aminosäuren
werden jedoch durch zwei oder mehr Codons verschlüsselt. So stehen die
beiden Codons UUU und UUC für die Aminosäure Phenylala-nin (Phe). Wird
eines dieser beiden Codons auf dem mRNA-Molekül gelesen, so wird
Phenylalanin in die wachsende Polypeptidkette eingebaut. Die beiden
Codons UUU und UUC sind also im genetischen Code gleichbedeutend
(synonym). Als Besonderheit steht das Codon AUG nicht nur für die
Aminosäure Methionin (Met), sondern dient auch als Startsignal der
Translation. Die Ribosomen sind die Orte der Proteinsynthese: Sie
beginnen am AUG-Codon mit der Translation der mRNA. Drei der 64
Codons dienen als Stopsignale. Jedes der drei Stopcodons signalisiert das
Ende der genetischen Botschaft, und die fertige Polypeptidkette wird vom
Ribosom gelöst.