Proteine, Genetischer Code und Biotechnologie: Grundlagen der Molekularbiologie

Proteine: Aufbau und Synthese

Protein

Proteine sind Biomoleküle, die durch die Vereinigung von Aminosäuren gebildet werden. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen. Die Änderung einer einzigen Aminosäure bewirkt, dass das Protein anders ist. Jede Zelle produziert Tausende von Proteinen an ihren freien Ribosomen aus Aminosäuren, die im Zytoplasma vorhanden sind. Ein Molekül namens Messenger-RNA (mRNA) agiert als Bote, kopiert die genetische Information von der DNA und transportiert sie zu den Ribosomen im Zytoplasma. Die mRNA ist eine Sequenz, die komplementär zu den Basen der DNA ist. Die mRNA ist eine Einzelstrang-Nukleotidkette, und die stickstoffhaltige Base T (Thymin) in der DNA wird in der mRNA durch Uracil (U) ersetzt. Der Prozess, bei dem die mRNA aus der DNA gebildet wird, nennt man Transkription.

Der Genetische Code

Der Genetische Code ist ein Satz von Regeln, der die DNA-Nukleotidsequenz mit der Aminosäuresequenz eines Proteins in Beziehung setzt. Der genetische Code ist ein aus drei Buchstaben bestehender Code. Die Buchstaben sind die Nukleotide, aus denen die DNA aufgebaut ist. Jede Gruppe besteht aus drei Nukleotiden und wird als Triplett oder Codon bezeichnet, welches der Schlüssel für eine spezifische Aminosäure im Protein ist. Es gibt drei Gruppen von Nukleotiden, die nicht allen Aminosäuren entsprechen, da einige Tripletts Stoppsignale darstellen, die das Ende der Proteinsynthese bedeuten. Der genetische Code ist universell; alle Lebewesen besitzen denselben Gen-Code. Diese Eigenschaft ermöglicht es, DNA aus unterschiedlichen Quellen zu kombinieren und ein menschliches Protein in einer anderen Zelle zu produzieren.

Enzyme: Biokatalysatoren

Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen in Lebewesen kontrollieren. Sie werden auch als Biokatalysatoren bezeichnet, da sie chemische Reaktionen beschleunigen; ohne Enzyme wären diese Reaktionen zu langsam. Enzyme sind spezifisch: Sie sind nur an einer bestimmten Reaktion beteiligt. Die Aminosäuresequenz jedes Enzyms wird individuell durch die Gene bestimmt.

Biotechnologie und Gentechnik

Grundlagen der Biotechnologie

Biotechnologie ist die Modifikation von Organismen, Systemen oder biologischen Verfahren zur Gewinnung nützlicher Produkte für den Menschen, die Landwirtschaft, die Lebensmittelproduktion, die Industrie und die Umwelt. Die heutige Biotechnologie nutzt hochentwickelte Techniken, um Gene zu verändern und transgene Pflanzen und Tiere zu produzieren.

Rekombinante DNA-Technologie

Bekannt als DNA-Technologie oder Gentechnik, ermöglichen diese Techniken die Kombination von DNA aus verschiedenen Quellen, sogar aus verschiedenen Arten, in einem einzigen DNA-Molekül im Labor. Es ist möglich, das Gen für ein menschliches Protein in Hefe oder Bakterien einzuführen, die schneller wachsen, um große Mengen dieses Proteins zu nutzen. Die durch DNA-Technologie gewonnenen Organismen werden als genetisch veränderte Organismen (GVO) bezeichnet, da ihr Genom verändert wurde. Wenn diese Veränderung die Einführung eines oder mehrerer Gene aus anderen Spezies beinhaltet, wird der resultierende Organismus als transgener Organismus bezeichnet. DNA, die DNA-Fragmente aus verschiedenen Quellen kombiniert, wird als rekombinante DNA bezeichnet.

Das Humane Genom

Struktur und Umfang

Das Genom besteht aus DNA-Molekülen, die in 46 Chromosomen organisiert sind. Um die enthaltenen genetischen Informationen zu kennen, ist es notwendig, die Basensequenz des menschlichen Genoms zu bestimmen. Die gewonnenen Informationen haben gezeigt, dass das menschliche Genom 3,2 Milliarden Nukleotidpaare und zwischen 30.000 und 40.000 Gene enthält. Die Herausforderung besteht darin, die Funktion jedes einzelnen Gens zu entschlüsseln und zu verstehen, wie sie interagieren, um die Organisation und Funktion des menschlichen Körpers zu steuern, sowie Gene zu identifizieren, die mit dem Auftreten bestimmter Krankheiten einhergehen.

Potenzial für Medizin und Therapie

Das Wissen über das menschliche Genom kann die Identifizierung krankheitsrelevanter Gene beschleunigen und die Entwicklung von Instrumenten zur Diagnose von Personen mit defekten Genen ermöglichen, noch bevor sich die Krankheit manifestiert. Das Wissen um das für eine Erkrankung verantwortliche Gen kann zur Entwicklung geeigneter Medikamente oder Heilbehandlungen führen. Erkrankungen, die ihren Ursprung in fehlerhaften Genen haben, die eine Person geerbt hat, werden als Erbkrankheiten bezeichnet.