Genetischer Code, DNA-Transkription, Rekombination und Replikation

Einführung in den genetischen Code und die DNA

Das genetische Material muss folgende Bedingungen erfüllen:

• Informationsspeicherung: Die DNA enthält alle Informationen über die Rolle der Infrastruktur und Organisation der Zelle sowie der stabileren Phänotypen von Zellen und Organismen.
• Proteinsynthese: Die DNA bestimmt die Synthese von Proteinen. Daher muss das genetische Material die Präsenz und effektive Menge von Proteinen in der Zelle bestimmen.
• Präzise Replikation: Die DNA muss sehr präzise repliziert werden, damit die Nachkommenschaft dieselbe genetische Information wie die elterliche Zelle erhält. Jede Zelle kopiert sich mit Genauigkeit, damit jede Tochterzelle eine exakte Kopie der DNA erhält.
• Variationsfähigkeit: Die DNA muss in der Lage sein zu variieren, da Mutationen und Veränderungen ansonsten keine Evolution und Entwicklung ermöglichen würden.

DNA-Transkription

Die Transkription ist der Prozess, bei dem Informationen von der DNA auf ein einzelsträngiges RNA-Molekül übertragen werden. Dieser Strang wird als Boten-RNA (mRNA) bezeichnet.

Die anschließende Übersetzung konvertiert diese Information der mRNA in eine Aminosäuresequenz.

Ein Beispiel für die Kontrollmechanismen der Genexpression findet sich bei Escherichia coli und Enzymen, die Laktose metabolisieren. Diese Bakterien verwenden Glucose als Kohlenstoffquelle. Wenn das Medium statt Glucose Laktose enthält, synthetisieren die Bakterien Enzyme, die in der Lage sind, Laktose abzubauen.

Diese Enzyme sind nicht permanent präsent, sondern werden als Reaktion auf das Vorhandensein von Laktose und die Abwesenheit von Glucose synthetisiert. Das bedeutet: Die Gene, die für diese Enzyme kodieren, sind nur dann aktiv, wenn Laktose vorhanden und keine Glucose verfügbar ist.

Rekombinante DNA

Rekombinante DNA ist ein neues Molekül, das durch die Kombination verschiedener DNA-Quellen entsteht. Während DNA-Rekombination bei der Meiose natürlich vorkommt (durch den Austausch von Chromosomenfragmenten), wird der Begriff „rekombinante DNA“ in der Gentechnik für die künstliche Verbindung biologischer Quellen verwendet.

Für die Herstellung rekombinanter DNA werden bestimmte Enzyme eingesetzt: Restriktionsenzyme oder Restriktionsendonnukleasen. Diese stammen oft von Bakterien und sind in der Lage, fremde DNA (wie von Viren) abzubauen.

Diese Enzyme erkennen bestimmte DNA-Sequenzen (meist von 4 bis 10 Basenpaaren Länge) und schneiden diese. Während diese Sequenzen in der eigenen Bakterien-DNA durch Methylierung der Basen geschützt sind, wird die Virus-DNA erkannt und abgebaut, ohne dass das Bakterium geschädigt wird. Es sind verschiedene Enzymtypen bekannt:

• Typ I und III: Schneiden die DNA an verschiedenen Erkennungsstellen.
• Typ II: Schneiden die DNA an derselben Erkennungsstelle. Die Erkennungsstellen dieser Typ-II-Enzyme sind oft invertierte Wiederholungen (Palindromsequenzen).

DNA-Replikation

Die DNA muss sich korrekt replizieren, damit Tochterzellen exakt dieselben Informationen wie die Mutterzellen erhalten. Das Doppelhelix-Modell von Watson und Crick ermöglichte es, dass sich die Helix entwunden kann und jeder Strang als Matrize für eine Kopie dient.

Es wurden mehrere Modelle für die Replikation vorgeschlagen:

• Konservatives Modell: Die Originalstränge bleiben nach der Replikation zusammen und bilden wieder eine gemeinsame Helix.
• Semikonservatives Modell: Jeder neue Strang besteht aus einem Originalstrang und einem neu gebildeten Strang (de novo).
• Disperses Modell: Die ursprüngliche Helix bricht in Segmente auseinander, und die neue Doppelhelix besteht aus abwechselnden alten und neuen Segmenten.

Das Experiment von Matthew Meselson und Franklin Stahl aus dem Jahr 1958 ermöglichte es, den genauen Replikationsmechanismus der DNA zu bestimmen. Sie kultivierten das Bakterium Escherichia coli in einem Medium mit schwerem Stickstoff (${}^{15} ext{N}$ in ${}^{15} ext{NH}_4 ext{Cl}$) anstelle des normalen Isotops (${}^{14} ext{N}$).

Durch die Zentrifugation der DNA in einem Cäsiumchlorid-Gradienten konnte die Dichte bestimmt werden. Nach mehreren Generationen in ${}^{14} ext{N}$-Medien zeigte sich, dass die Ergebnisse exakt dem semikonservativen Modell entsprechen.

Der genetische Code

Um Proteine zu produzieren, wird die in den Genen des zellulären Genoms gespeicherte Information durch Transkription in mRNA und anschließende Übersetzung in eine Aminosäuresequenz übertragen.

Es ist also notwendig, die Nukleotidsequenz der DNA in eine Aminosäuresequenz eines Proteins zu übersetzen. Die spezifische Sequenz von Basen, die jede Aminosäure kodiert, wird als genetischer Code bezeichnet.

Der genetische Code ist bei fast allen untersuchten Organismen nahezu identisch; es gibt nur wenige Ausnahmen, wie etwa in einigen mitochondrialen DNA-Sequenzen. Dies stützt die Hypothese eines gemeinsamen Vorfahren und einer einzigen biochemischen Ursprungsform des terrestrischen Lebens.