Grundlagen der Genetik: Von der DNA zum Protein

Genetischer Code

Der genetische Code beschreibt das Verhältnis zwischen Nukleotiden und Aminosäuren (AA). Seine Eigenschaften sind:

• Die Leserichtung erfolgt in 5'->3'-Richtung.
• Er ist universell: In Prokaryoten und Eukaryoten haben die Codons die gleiche Bedeutung.
• Die meisten Tripletts sind synonym (degeneriert).
• Dies liegt daran, dass die tRNA mit mehreren Codons interagieren kann.
• Aminosäuren und Codons sind so verschlüsselt, dass kleine Mutationen nicht zwangsläufig alles verändern.
• Der genetische Code ist präzise in seiner Zuordnung.
• Es gibt 64 mögliche Codons, von denen 61 für Aminosäuren codieren.
• Das Leseraster darf nicht unterbrochen werden, da die Codons lückenlos aneinanderliegen.

Regulation der Genexpression

Zellen produzieren nicht ständig Proteine; die Synthese wird reguliert und kann gestoppt werden.

DNA-Replikation (Duplikation)

Die DNA-Replikation ist die Synthese von Nukleinsäuren, die in jeder Zellgeneration vorkommt. Sie basiert auf folgenden Punkten:

• Es entstehen Kopien der beiden Stränge der Doppelhelix durch die Paarung der Stickstoffbasen (BN).
• Die Synthese erfolgt immer in 5'->3'-Richtung.
• Die beteiligten Enzyme werden DNA-Polymerasen genannt.
• DNA-Polymerasen benötigen einen Primer (aus RNA-Nukleotiden), um die Replikation zu initiieren.

Die Synthese findet vor der Zellteilung statt. Bei Bakterien geschieht dies in der Zeit zwischen zwei Teilungen, bei Eukaryonten nur während der S-Phase der Interphase. Seit der Entdeckung der DNA im Jahr 1953 durch Watson und Crick wurde über den Mechanismus diskutiert: dispersiv, konservativ oder semikonservativ. Heute ist belegt, dass die Replikation semikonservativ ist (ein alter Strang bleibt erhalten, ein neuer wird gebildet).

Die Synthese beginnt bei Prokaryoten an einem Punkt, bei Eukaryoten an mehreren. Es bilden sich zwei Replikationsgabeln; jede Gabel arbeitet bidirektional. An jeder Gabel wird ein Strang kontinuierlich und der andere diskontinuierlich (in Okazaki-Fragmenten) synthetisiert. Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und füllt die Lücken mit DNA-Nukleotiden. Die DNA-Ligase schließt die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten.

Transkription

In Prokaryoten beginnt die Translation des Moleküls oft schon, bevor die Transkription vollständig abgeschlossen ist. In Eukaryoten muss die RNA erst reifen, bevor sie übersetzt wird. Die Transkription ist die Bildung eines RNA-Moleküls als Komplementärstrang zur DNA (mRNA, rRNA oder tRNA). Der Prozess umfasst:

1. Initiation: Das Enzym RNA-Polymerase erkennt eine spezifische DNA-Sequenz (Promotor), bindet daran, öffnet die Doppelhelix und startet die Synthese.
2. Elongation: Die RNA-Polymerase fügt komplementäre Nukleotide in 5'->3'-Richtung an.
3. Termination: Das Kettenwachstum setzt sich fort, bis die RNA-Polymerase eine Stoppsequenz erreicht.
4. Reifung (Prozessierung): Die primären Transkripte (hnRNA) werden bei Eukaryoten modifiziert:
   • Hinzufügen einer Poly-A-Kappe am 3'-Ende (erleichtert den Transport ins Zytoplasma).
   • Hinzufügen eines Guanin-Caps am 5'-Ende (schützt vor Abbau).
   • Spleißen: Entfernung von Introns (nicht codierende Abschnitte) und Zusammenfügen von Exons (codierende Informationen). Danach liegt die reife mRNA vor.

Translation oder Biosynthese

Die Translation ist das Ablesen der Informationen der mRNA zur Bildung von Proteinen. Die mRNA wird gemäß dem genetischen Code gelesen, der die Codons den Aminosäuren zuordnet. Bei der Translation verbindet sich jede Aminosäure mit der entsprechenden tRNA durch spezifische Enzyme.

• Initiation: Die mRNA bindet an eine Untereinheit des Ribosoms und Initiationsfaktoren. Die Synthese beginnt am Startcodon AUG (Methionin).
• Elongation: Die mRNA wird in 5'->3'-Richtung gelesen. Eine wachsende Peptidkette entsteht, beginnend mit der Aminogruppe von Methionin. Die tRNA bindet mit ihrem Anticodon an das Codon der mRNA. Die Aminosäure wird an die Kette gebunden und die leere tRNA freigesetzt. Dieser Prozess wiederholt sich zyklisch.
• Termination: Der Prozess endet, wenn eines der drei Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) erreicht wird. Da diese für keine Aminosäure codieren, stoppt das Ribosom, und der Komplex zerfällt.