Von der Information zum Produkt

Von der Geninformation zum Produkt Biotechnologie

Jedem aufmerksamen Leser ist längst eines aufgefallen: die Zahlen 4 (Informationselemente der DNA) und 20 (Bausteine der Proteine) passen irgendwie nicht zusammen. Wie können mit 4 Informationseinheiten 20 Aminosäuren codiert werden? Die Natur hat eine einfache Lösung gefunden: sie hat jeweils 3 Informationselemente - Basen - zu einer Informationseinheit zusammengefasst. Das eröffnet 43 = 4x4x4 = 64 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für die vier Informationselemente A,C,G und T.

Eine Informationseinheit - oder Codewort - aus drei Basen bezeichnet man auch als Codon. Jedes Codon lässt sich einer der 20 in Proteinen vorkommenden Aminosäuren zuordnen, d. h. einige der Aminosäuren sind von mehr als einem Codon belegt. So wird die Aminosäure Glutaminsäure von den Codons GAA und GAG programmiert. Die Entschlüsselung des "genetischen Codes", der Bedeutung aller 64 Codons, gelang 1960. Wir können also heute die DNA eines Organismus, sofern sie isoliert und die Folge der Basen bestimmt wurde, verstehen: wir können sie in eine Proteinsequenz übersetzen. Dabei hat man festgestellt, dass nicht alle Codons Aminosäuren programmieren, sondern einige auch für "Satzzeichen" der molekularen Schrift stehen: AUG signalisiert als Startcodon beenden den Anfang eines Proteins, die Stopp- oder Terminationscodons UAA, UGA und UAG die Proteinsynthese.

Der genetische Code gilt universell, ob Bodenbakterium, Elefant oder Mensch, die Information zur Synthese der spezifischen Proteine ist immer auf die gleiche Art verschlüsselt. Lediglich die Genomgröße ist unterschiedlich. Die Erbinformation eines prokaryontischen Organismus, z.B. die des Darmbakteriums Escherichia coli, besteht nur aus einer einzigen, zu einem Ring geschlossenen DNA-Doppelhelix (bakterielles Chromosom). Das genetische Material höherer Organismen ist etwa 1000mal umfangreicher als das der Bakterien. Beim Menschen sind dies drei Milliarden Basenpaare. Diese große DNA-Menge ist daher auf verschiedene Chromosomen verteilt.

Die Aminosäuren sind den Basentripletts (mRNA-Codons; U entspricht T, s. Text) zugeordnet. Von den 64 verschiedenen Möglichkeiten codieren 61 die zwanzig verschiedenen, in Proteinen vorkommenden Aminosäuren. Das bedeutet, dass eine Aminosäure von verschiedenen Tripletts codiert werden kann; man bezeichnet dies auch als "Degeneration" des genetischen Codes. Aufgrund dieser Degeneration kann man von einer Proteinsequenz nicht eindeutig auf eine DNA-Sequenz rückschließen, es gibt eine Unsicherheit in der dritten Basenposition der jeweiligen Codons.
Ochre, amber und opal sind die Namen der 3 verbleibenden Terminationscodons, die keine Aminosäure codieren. Das Startcodon ist immer AUG und codiert die Aminosäure Methionin: Jedes Protein beginnt mit Methionin, aber auch Methionin innerhalb der Aminosäurekette wird von AUG codiert.

Tabelle 8

DER GENETISCHE CODE
Triplett-CodewortBedeutungTriplett-CodewortBedeutung
AAALysCAAGln
AACAsnCACHis
AAGLysCAGGln
AAUAsnCAUHis
ACAThrCCAPro
ACCThrCCCPro
ACGThrCCGPro
ACUThrCCUPro
AGAArgCGAArg
AGCSerCGCArg
AGGArgCGGArg
AGUSerCGUArg
AUAIleCUALeu
AUCIleCUCLeu
AUGMetCUGLeu
AUUIleCUULeu
GAAGluUAAochre
GACAspUACTyr
GAGGluUAGamber
GAUAspUAUTyr
GCAAlaUCASer
GCCAlaUCCSer
GCGAlaUCGSer
GGAGlyUGAopal
GGCGlyUGCCys
GGGGlyUGGTrp
GGUGlyUGUCys
GUAValUUALeu
GUCValUUCPhe
GUGValUUGLeu
GUUValUUUPhe

Ribonucleinsäuren dienen bei der Umsetzung des genetischen Codes als Mittler. Die Genexpression erfolgt also in zwei Schritten: Im ersten Schritt wird die Kopie eines DNA-Abschnitts (Gens) in Form von Boten-RNA (mRNA) im Kern hergestellt. Man bezeichnet diesen ersten Schritt der Genexpression auch als Transkription. Der zweite Schritt, die Translation, findet nach Export der mRNA aus dem Kern im Cytoplasma statt. Hier werden an den Ribosomen die Proteine entsprechend der RNA-Information synthetisiert (s.u.).

RNA-Moleküle sind der DNA im Aufbau sehr ähnlich. Zwei Unterschiede gibt es allerdings: das Zuckermolekül, die Desoxyribose, ist in der RNA durch Ribose und die Base Thymin (T) ist durch die Base Uracil (U) ersetzt. Chemisch gesehen unterscheidet sich Uracil von Thymin durch das Fehlen einer Methylgruppe. Am Informationsgehalt ändert das nichts, das U der mRNA entspricht dem T der DNA. Enzyme aber können wegen dieses strukturellen Unterschieds zwischen DNA und mRNA unterscheiden.

Quelle: BLL