Molekulare Genetik: DNA, Proteinbiosynthese & Lac-Operon

Der Genetische Code

Der genetische Code ist die Information für die Abfolge von Aminosäuren in einem Protein. Er basiert auf der Basenabfolge der DNA.

• Drei Nucleotide bilden immer ein Codon.
• Ein Codon codiert immer für eine Aminosäure.
• Die Basen werden durchgehend abgelesen.
• Eine Base kann nicht Bestandteil verschiedener Codons sein (der Code ist nicht überlappend).

Aufbau eines Nukleotids

Ein Nukleotid besteht aus:

• Zucker (Desoxyribose)
• Phosphorsäuremolekül
• Einer Base

Nukleotide verbinden sich zu einem Doppelstrang.

DNA-Replikation

Die DNA-Replikation ist der Vorgang der Verdopplung der DNA:

1. An einem bestimmten DNA-Abschnitt lagern sich Replikationsenzyme an.
2. Die DNA wird durch die Helicase entschraubt und die Wasserstoffbrückenbindungen werden gelöst.
3. Die DNA trennt sich in zwei Einzelstränge.
4. Die Primase bildet den Primer (Startpunkt), der synthetisiert wird.
5. An den Primer bindet sich die DNA-Polymerase.
6. Freie Nukleotide lagern sich komplementär an den Originalstrang an.
7. Die Polymerase verknüpft die Nukleotide zum neuen Strang.
8. Die Enzyme lösen sich von den neu entstandenen Nukleotiden.

Die Proteinbiosynthese

Transkription (Ort: Zellkern)

Die Transkription ist die Umschreibung der genetischen Information von DNA in mRNA:

• Der Transkriptionsfaktor bindet sich an den Promotor.
• Die RNA-Polymerase bewegt sich auf der DNA entlang (in 5’–3’ Richtung).
• Die Polymerase entwindet die DNA und öffnet den Strang blasenartig.
• Komplementäre RNA-Nukleotide lagern sich an.
• Die Verknüpfung der Nukleotide erfolgt durch die RNA-Polymerase.
• Die Transkription endet bei einer Stoppsequenz.
• Die Polymerase löst sich vom Strang und setzt die mRNA frei.
• Die mRNA wandert ins Cytoplasma zur Translation.

Translation (Ort: Ribosomen)

Die Translation ist die Übersetzung der mRNA-Information in ein Protein:

Initiation

Die Start-tRNA (mit Methionin) und die kleine Ribosomenuntereinheit binden am 5’-Ende der mRNA und stoßen auf das Startcodon AUG. Die Anlagerung der großen Ribosomenuntereinheit bildet das funktionsfähige Ribosom, das entlang der mRNA in Richtung 3’-Ende wandert.

Elongation

Das nächste tRNA-Molekül mit der passenden Aminosäure lagert sich an das zweite Codon an. Es entsteht eine wachsende Polypeptidkette.

Termination

Ein Stoppcodon beendet die Translation (da keine passende tRNA existiert). Das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten, das Polypeptid wird freigesetzt und faltet sich zum fertigen Protein.

RNA-Prozessierung (Spleißen)

Die prä-mRNA besitzt:

• Exons: Tragen die für das Protein relevante genetische Information.
• Introns: Werden entfernt (sind irrelevant).

Spleißen: Beim alternativen Spleißen wird die prä-mRNA unterschiedlich prozessiert, indem zusätzlich zu den Introns auch Exons aus der prä-mRNA herausgeschnitten werden. So können aus einem Gen verschiedene Proteine entstehen. Dadurch werden mehr Proteine hergestellt, als Gene vorhanden sind.

Genregulation: Das Lac-Operon

Repression (Keine Lactose vorhanden)

Das Enzym zur Spaltung von Lactose wird nicht benötigt:

1. Das Regulatorgen wird transkribiert und der Repressor wird synthetisiert.
2. Der aktive Repressor bindet sich an den Operator.
3. Die RNA-Polymerase wird blockiert.
4. Die Transkription kann nicht stattfinden. Es wird kein Enzym gebildet.

Induktion (Lactose vorhanden)

Das Enzym zur Spaltung von Lactose wird benötigt:

1. Das Regulatorgen wird transkribiert und der Repressor wird synthetisiert.
2. Der Effektor (Lactose) bindet sich an den Repressor.
3. Der Repressor ist im inaktiven Zustand und lagert sich nicht an den Operator an.
4. Die RNA-Polymerase kann die Strukturgene transkribieren.
5. Das Enzym zur Spaltung von Lactose wird synthetisiert. (Lactose wirkt bei der Substratinduktion als Effektor.)