Molekularbiologie: Transkription, Translation und Gentechnik

Transkription: Der erste Schritt der Genexpression

Die Transkription ist der Prozess, bei dem Zellen ihre genetische Information exprimieren. Dabei wird eine Kopie der entsprechenden DNA-Nukleotidsequenz eines Gens in RNA umgeschrieben. Dieser Vorgang wird durch die RNA-Polymerase durchgeführt, die ein DNA-Molekül als Vorlage nutzt. Für die Synthese werden Ribonukleotid-Triphosphate als RNA-Vorstufen verwendet. Die RNA-Polymerase benötigt keine Grundierung (Primer) und besitzt keine Nukleaseaktivität.

Einleitung (Initiation)

Es liegt in den Genen: Der Promotor zeigt an, wo die mRNA-Synthese beginnt und welcher der beiden DNA-Stränge transkribiert werden muss. Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor in Anwesenheit einer Protein-Untereinheit, was den Beginn der Transkription ermöglicht. Dabei öffnet sich die Doppelhelix, und die Synthese beginnt in Richtung 5' -> 3'.

Elongation

Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Strangs und entwindet die Doppelhelix direkt vor sich. Die Synthese der mRNA-Kette erfolgt in Richtung 5' -> 3'. Währenddessen löst sich die RNA-Kette von der DNA-Vorlage, und die RNA-Polymerase erleichtert die erneute Bildung der Doppelhelix.

Termination

Die RNA-Polymerase fügt weiterhin Nukleotide hinzu, bis sie auf ein Stoppsignal (Termination) trifft. Die RNA-Polymerase trennt sich von der synthetisierten DNA, und die RNA wird als Einzelstrang freigesetzt.

Translation (Proteinbiosynthese)

In diesem Schritt wird die Sprache der Nukleotide in die Sprache der Aminosäuren (aa) übersetzt. Drei Basen der mRNA bilden ein Codon. Jedes Codon bezieht sich auf eine tRNA, die eine spezifische Aminosäure trägt und über ein Anticodon verfügt. Die Korrespondenz zwischen Basentripletts und Aminosäuren bildet den genetischen Code. Dieser ist universell (gilt für fast alle Lebewesen) und degeneriert (eine Aminosäure kann durch verschiedene Tripletts verschlüsselt werden).

Aktivierung der Aminosäuren

Eine Aminosäure bindet an die entsprechende tRNA (Anticodon). Diese Reaktion wird durch Enzyme, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, unter Verbrauch von ATP katalysiert.

Initiation der Translation

Die mRNA bindet an die kleine Untereinheit des Ribosoms am 5'-Ende. mRNAs besitzen eine Sequenz, die nicht übersetzt wird (Leader-Sequenz). Das Initiator-Triplett befindet sich im P-Zentrum (Peptidyl-Stelle), während sich die anderen Tripletts an der A-Stelle (Akzeptor-Stelle) befinden.

Elongation der Translation

An der A-Stelle erfolgt die Bindung der tRNA an die Aminosäure. Es folgt die Translokation bzw. die Bewegung des Ribosoms in Richtung des 3'-Endes der mRNA.

Termination der Translation

Stoppsequenzen werden durch Terminationsfaktoren erkannt. Die Verbindung zwischen der Polypeptidkette und der letzten tRNA wird gelöst, und die ribosomalen Untereinheiten trennen sich.

Methoden zum Gentransfer in Pflanzen

• Physikalisch-chemische Methoden: Direkte Umwandlung von Protoplasten durch Elektroporation (Pflanzenzellen, deren Zellwand entfernt wurde).
• Biobalistik: Beschuss von Pflanzenzellen mit einer „Genkanone“, die DNA-beschichtete Mikropartikel beschleunigt, sodass diese in die Zelle eindringen, ohne die Zellwand zu zerstören.
• Stämme der Bakteriengattung Agrobacterium: Diese erzeugen Tumore in Pflanzen durch DNA-Transfer von Plasmiden. Bei transgenen Pflanzen werden die tumorerzeugenden Gene aus dem Plasmid entfernt und durch die gewünschten Gene ersetzt.

Biotechnologie und ihre Anwendungen

Biotechnologie ist die Anwendung von Organismen, Systemen und biologischen Prozessen zur Herstellung nützlicher Güter und Dienstleistungen.

Einsatz in der Lebensmittelindustrie

• Alkoholische Gärung
• Milchsäuregärung: Laktose wird vergoren, wodurch das Medium angesäuert wird. Dies führt dazu, dass das Milcheiweiß gerinnt.

Einsatz in der pharmazeutischen Industrie

Herstellung von Antibiotika, Impfstoffen, Seren, Proteinen und Hormonen.

Einsatz für die Umwelt (Bioremediation)

Entfernung von Verunreinigungen durch Mikroorganismen: Abwasserbehandlung, biologische Abbaubarkeit von Abfällen, industrielle Abfälle, biologischer Abbau von Öl und Herstellung biologisch abbaubarer mikrobieller Verbundwerkstoffe.

Gentechnik: Methoden und Medizin

Die Gentechnik umfasst Techniken, die es ermöglichen, das Genom von Lebewesen gezielt zu verändern.

Anwendung in der Medizin

• Herstellung menschlicher Substanzen durch Bakterien (z. B. Insulin, Wachstumshormone).
• Gewinnung von Impfstoffen (z. B. Hepatitis B).
• Klinische Diagnose von Erbkrankheiten.
• Gentherapie, Krebstherapie und immunologische Therapie.

Anwendung in der Landwirtschaft und Tierzucht

• Transgene Sorten von Mais und Tomaten.
• Stickstofffixierung (N2) bei Pflanzen.
• Erzeugung interessanter Stoffe durch transgene Pflanzen.
• Tiere: Steigerung der Zucht, des Gewichts und der Milchproduktion sowie Gewinnung pharmazeutischer Substanzen aus transgenen Tieren.

Klonen: Isolierung und Replikation von Genen

1. Isolierung: Das zu untersuchende Gen wird isoliert. Die DNA wird mit Restriktionsenzymen fragmentiert, die spezifische Nukleotidsequenzen erkennen und beide Stränge der Doppelhelix schneiden.
2. Bindung: Diese Fragmente werden an einen Klonierungsvektor (z. B. ein Plasmid) gebunden, um ein fremdes Gen in eine Wirtszelle einzuführen. Dies geschieht durch die DNA-Ligase, die „Sticky Ends“ (komplementäre einzelsträngige Enden) verbindet. Es entsteht rekombinante DNA.
3. Einführung: Das rekombinante DNA-Molekül wird in den Wirtsorganismus eingeführt und dort repliziert (Klone). Dieser Prozess wird als Genamplifikation bezeichnet.
4. Erkennung: Das geklonte Gen wird identifiziert, und die Vermehrung der Zellen, die das Gen tragen, wird sichergestellt.