Genetischen Codes

DNA und das Genom
Der Zellkern unterscheidet sich vom Rest einer Zelle
Bereits frühe Untersuchungen zeigten,
das sich im Zellkern besondere, sich
vom restlichen Zytoplasma unterscheidbare Stoffe befinden.
 Affinität für bestimmte Farbstoffe
 „Chromatin“
Die „Eiterzelle“ als Objekt großer Entdeckungen ...
1869 entdeckte Friedrich Miescher (1844-1895) die
Nukleinsäure in einem Extrakt aus Eiterzellen und
nannte sie „Nuclein“ - abgeleitet von lateinisch
nucleus, Kern. Er arbeitete damals im Labor von Felix
Hoppe-Seyler im Tübinger Schloß.
„Über die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen“
Besorgte sich große Mengen Eiter aus dem Städtischen
Krankenhaus in Tübingen
Wusch Schweinemägen mit Salzsäure aus, um Pepsin zu
gewinnen
Entfernte chemisch Lipide und Proteine aus den Zellen
Übrig blieb ein Stoff, den er „Nuklein“ nannte und der in
großen Mengen Phosphor enthielt
Auf diese Weise wurde die Nukleinsäure, die es in zwei Varianten gibt, entdeckt.
„Sofern wir (...) annehmen wollten, daß eine einzelne Substanz (...) auf irgendeine Art (...) die
spezifische Ursache der Befruchtung sei, so müßte man ohne Zweifel vor allem an das Nuclein
denken.“
F. Miescher, 1874
Das Nuklein wurde in der Folgezeit in chemischer Hinsicht eingehend untersucht:
1889 fand man den säureähnlichen Charakter des Nukleins  Nukleinsäure
1929 entdeckte man, daß die Grundbausteine der Nukleinsäure ein spezieller
Zucker (Pentose) sowie vier verschiedenen organischen Basen sind. Der
schon von Miescher gefundene Phosphor liegt als Phosphorsäureester vor.
 die monomere Grundeinheit des Moleküls wurde als Nukleotid bezeichnet
 die Mengenverhältnisse von Adenin zu Thymin und Cytosin zu Guanin waren
jeweils gleich 1
1944 Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarthy konnten zweifelsfrei zeigen,
daß die DNA die seit langem gesuchte „Erbsubstanz“, d.h. Träger der
Erbinformationen ist.
1953 James Watson und Francis Crick erkannten (nach röntgenkristallographischen
Vorarbeiten von Rosalind Franklin die Doppelhelixstruktur des Moleküls.
1961 Entschlüsselung des Genetischen Codes durch Heinrich Matthaei und
Marshall Nirenberg
Francis Crick (1916-2004) und James Watson
„It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately
suggests a possible copying mechanism for the genetic material.“
Nobelpreis für Medizin 1961 zusammen mit Maurice Wilkins
Die DNA - Anatomie eines Makromoleküls
Die Strukturaufklärung gelang 1953 anhand der
eines Molekülmodells, welches Watson und Crick
unter Nutzung von Röntgenbeugungsbildern
entwickelt hatten.
- helikal umschwungenes Zucker-Phosphat-Rückrat
- dazwischen „Leitersprossen“ aus Purin- und
Pyrimidinbasen
Die Doppelhelix ist meist rechtsgängig (Rechtsgewinde)
Sowohl die DNA als auch die RNA bestehen jeweils
aus nur vier verschiedenen Nukleotiden
Zucker-Phosphat-Rückrat
Phosphorsäureester-Bindung, Zucker fungiert als Alkohol
Hier fehlt ein Sauerstoffatom
2‘- Desoxyribose
Der Phosphatanteil einer DNA-Monostruktur
ist mit der 5‘ – Hydroxylgruppe OH der Pentose
verbunden, dessen Kohlenstoff 1‘ C wiederum
mit einer organischen Base verbunden ist.
DNA-Polymere entstehen durch Kondensationsreaktionen und können aus mehreren Millionen
Monomeren aufgebaut sein.
Organische Basen: Purine (Voll- und Halbring) und Pyrimidine (Vollring)
Die Bindung der komplimentären
Stränge erfolgt über zwei bzw.
drei Wasserstoffbrücken
Die Anbindung an die Pentose des
DNA-Gerüstes erfolgt über eine
kovalente Bindung an das 1‘-C
Atom der Desoxyribose.
Eine Purinbase muß sich immer mit einer Pyrimidinbase koppeln, wobei
 Adenin – Thymin und Guanin – Cytosin (A-T und G-C)
gilt.
Struktur des DNA-Moleküls
Jeder Strang enthält die
gleiche Information in
jeweils komplimentärer
Form
Die Basen sind durch
energiearme Wasserstoffbrücken verbunden
 durch Erhitzen lassen
sich beide Stränge
trennen (Denaturierung)
DNA-Moleküle besitzen
eine definierte Richtung
5‘-Ende Phosphatgruppe
3‘-Ende Hydroxylgruppe
 Ableserichtung
Größenverhältnisse im DNA-Molekül
3‘
5‘
Das größte menschliche Chromosom
enthält 247 Millionen Basenpaare
 Moleküllänge: 8.4 cm
Die „Länge“ des gesamten diploiden
Genoms des Menschen beträgt 2.18 m
Aufgrund der Wechselwirkung des
DNA-Moleküls mit speziellen Proteinen,
den Histonen, kann es soweit aufgewickelt werden, daß es bequem in einen
Zellkern paßt.
 Chromosom
Die DNA als Informationsträger lebender Systeme
Nochmals etwas Geschichte ...
1944 konnten Oswald Avery, Colin McLeod und Maclyn McCarthy durch Versuche
mit der Bakterienart Diplococcus pneumoniae zweifelsfrei nachweisen, daß die
genetische Information nicht durch die strukturell artenreichen Proteine, sondern von
den eher strukturell langweiligen Nukleinsäuren übertragen wird.
Bakterienform S mit Polysaccharid-Kapsel
führt zur Infektion und Tod der Maus
Bakterienform R ohne Polysaccharid-Kapsel
ist harmlos für die Mäuse
Erhitzt man den S-Stamm, dann kommt es
zu keiner tödlichen Infektion
Mischt man Form R mit abgetöteter Form S,
dann wird ein Teil der Mäuse infiziert
R kann also irgendwie die Information
zur Kapsel-Bildung aus abgestorbenen
S-Stämmen übernehmen
Versuche zeigten, daß die DNA- die gesuchte Substanz war
Die Erkenntnis, daß die Nukleinsäuren für die Vererbung verantwortlich sind, konnte sich
jedoch nicht sofort unter den Biologen durchsetzen. Erst die noch eindrucksvolleren, 1952
mit T2-Phagen durchgeführten Experimente (Hershey, Chase) waren so überzeugend, daß
die DNA seitdem als Erbmolekül anerkannt ist.
35-S
32-P
Basenpaarung und genetische Information
3 Pyrimidinbasen (Vollring) - Cytosin / Thymin / Uracil (ersetzt T in RNA)
2 Purinbasen (Vollring+Halbring) – Adenin / Guanin
In der DNA ist jeweils eine Pyrimidinbase über entweder 2 (T-A) oder 3 Wasserstoffbrücken (C-G) miteinander verbunden:
Mögliche Kombinationen
T
A
C
G
-
A
T
G
C
Information komplimentär
Das sind die 4 Buchstaben des Gen-Alphabets
Nun weiß man, daß die Proteine, die in Lebewesen gefunden werden (beim Menschen
rund 30000 Verschiedene) , aus 20 unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut sind.
Frage:
Wenn ich 4 verschiedene Buchstaben zur Verfügung habe (A, T, G, C), wie viele
Buchstaben muß mindesten ein Wort haben, daß ich damit 20 verschiedene
Aminosäuren benennen kann?
4 Nukleotide - 4^2 Zweiergruppen  16 Kombinationsmöglichzkeiten
4 Nukleotide - 4^3 Dreiergruppen  64 Kombinationsmöglichkeiten
Um 20 verschiedene Aminosäuren zu verschlüsseln, benötige ich mindestens eine
Dreiergruppe von Nukleotidsequenzen
 Triplet oder Codon
Die Codierung ist „entartet“, d.h. es gibt für bestimmte
Aminosäuren mehrere unterschiedliche Codon (für
Leucin, Arginin und Serin z.B. jeweils 6).
Spezial-Codons codieren darüber hinaus Anfang- und Ende eines Gens.
Die Entschlüsselung des Genetischen Codes
Wenn ein Codon (z.B. TGG ) eine bestimmte Aminosäure verschlüsselt, dann ist die Frage,
welches Codon welche Aminosäure verschlüsselt:
 Genetischer Code
Die Entschlüsselung des genetischen Codes gelang während der Jahre 1961 bis 1966
in einem dramatischen Wettstreit mehrerer Laboratorien und führte 1968 zur Verleihung des Nobel-Preises an W.M. Nirenberg, R.W. Holley und H.G. Khorona.
Das „genetische Wörterbuch“ ist für alle Lebewesen auf der Erde identisch!
 alles Leben muß einen gemeinsamen Ursprung haben
Wenn ein Codon eine Aminosäure codiert, was codiert dann eine Folge von Codons
zwischen einem Start-Codon und einem End-Codon (d.h. ein Gen)?
 Ein Gen codiert die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein
Die Code-Scheibe
(dafür gab es den Nobelpreis)
Der genetische Code wird oft über die RNA-Basenfolge festgelegt (statt Thymin -> Urazil)
Jede Gensequenz beginnt
mit dem Code für
Methionin
Es gibt drei unterschiedliche
Stopcodierungen
Bis auf Methionin und
Tryptophan gibt es für
alle Aminosäuren eine
mehrfache Codierung
Der Abschnitt zwischen
einem Start-Codon und
einem End-Codon wird
als Gen bezeichnet. Diese
Information wird im Zuge
der Transkription auf ein
mRNA-Molekül übertragen.
Anzahl der Gene und typische Gengrößen verschiedener Lebewesen
Ein paar kurze Bemerkungen zum menschlichen Genom
Das menschliche Genom wurde als erstes Eukaryoten-Genom in den Jahren 1998-2005
vollständig analysiert. Bereits seit 100 Jahren ist bekannt, daß es aus einem doppelten
Satz von 23 Chromosomen, sowie dem X- und Y-Chromosom besteht. Hinzu kommt die
Mitochondriale DNA.
Insgesamt enthält das Genom
3,101,788,170 Basenpaare
20,251 Gene.
Nächstes Mal: Aufbau der Gene und Chromosomen