21.12: Von der DNA zum Protein

Der Fluss genetischer Information in Zellen von der DNA über die mRNA bis zum Protein wird durch das zentrale Dogma beschrieben, das besagt, dass Gene die Sequenz der mRNAs bestimmen, die wiederum die Sequenz der Aminosäuren spezifizieren, aus denen alle Proteine bestehen. Die Dekodierung eines Moleküls in ein anderes wird von spezifischen Proteinen und RNAs durchgeführt. Da die in der DNA gespeicherte Information für die zelluläre Funktion so zentral ist, macht es intuitiv Sinn, dass die Zelle mRNA-Kopien dieser Informationen für die Proteinsynthese anfertigt, während die DNA selbst intakt und geschützt bleibt. Das Kopieren von DNA in RNA ist relativ einfach, wobei für jedes im DNA-Strang gelesene Nukleotid ein Nukleotid zum mRNA-Strang hinzugefügt wird. Die Übersetzung in ein Protein ist etwas komplexer, da drei mRNA-Nukleotide einer Aminosäure in der Polypeptidsequenz entsprechen. Die Übersetzung in ein Protein ist jedoch immer noch systematisch und kollinear, so dass die Nukleotide 1 bis 3 der Aminosäure 1 entsprechen, die Nukleotide 4 bis 6 der Aminosäure 2 und so weiter.

Der genetische Code ist degeneriert und universell

Jede Aminosäure wird durch eine Drei-Nukleotid-Sequenz definiert, die als Triplett-Codon bezeichnet wird. Angesichts der unterschiedlichen Anzahl von “Buchstaben” in den mRNA- und Protein-“Alphabeten” stellten die Wissenschaftler die Theorie auf, dass einzelne Aminosäuren durch Kombinationen von Nukleotiden repräsentiert werden müssen. Nukleotid-Dubletten würden nicht ausreichen, um jede Aminosäure zu spezifizieren, da es nur 16 mögliche Zwei-Nukleotid-Kombinationen gibt (4,²). Im Gegensatz dazu gibt es 64 mögliche Nukleotid-Tripletts (4³), was weit mehr ist als die Anzahl der Aminosäuren. Wissenschaftler stellten die Theorie auf, dass Aminosäuren von Nukleotid-Tripletts kodiert werden und dass der genetische Code “entartet” ist. Mit anderen Worten, eine bestimmte Aminosäure kann von mehr als einem Nukleotid-Triplett kodiert werden. Dies wurde später experimentell bestätigt: Francis Crick und Sydney Brenner verwendeten die Chemikalie Proflavin, um ein, zwei oder drei Nukleotide in das Gen eines Virus einzubauen. Wenn ein oder zwei Nukleotide eingefügt wurden, wurden die normalen Proteine nicht produziert. Wenn drei Nukleotide eingefügt wurden, war das Protein synthetisiert und funktionsfähig. Dabei zeigte sich, dass die Aminosäuren durch Gruppen von drei Nukleotiden spezifiziert werden müssen. Diese Nukleotid-Tripletts werden als Codons bezeichnet. Die Insertion von ein oder zwei Nukleotiden veränderte den Triplett-Leserahmen vollständig, wodurch sich die Botschaft für jede nachfolgende Aminosäure veränderte. Obwohl die Insertion von drei Nukleotiden dazu führte, dass während der Translation eine zusätzliche Aminosäure eingefügt wurde, blieb die Integrität des restlichen Proteins erhalten.

Zusätzlich zu den Codons, die die Hinzufügung einer bestimmten Aminosäure zu einer Polypeptidkette anweisen, beenden drei der 64 Codons die Proteinsynthese und setzen das Polypeptid aus der Translationsmaschinerie frei. Diese Tripletts werden Nonsens-Codons oder Stopp-Codons genannt. Ein weiteres Codon, AUG, hat ebenfalls eine besondere Funktion. Neben der Spezifizierung der Aminosäure Methionin dient es auch als Startcodon, um die Translation einzuleiten. Der Leserahmen für die Translation wird durch das AUG-Startcodon in der Nähe des 5′-Endes der mRNA festgelegt. Nach dem Startcodon wird die mRNA in Dreiergruppen gelesen, bis ein Stoppcodon gefunden wird.

Die Spezifizierung einer einzelnen Aminosäure durch mehrere ähnliche Codons wird als “Entartung” bezeichnet. Es wird angenommen, dass Entartung ein zellulärer Mechanismus ist, um die negativen Auswirkungen zufälliger Mutationen zu reduzieren. Codons, die die gleiche Aminosäure spezifizieren, unterscheiden sich typischerweise nur durch ein Nukleotid. Darüber hinaus werden Aminosäuren mit chemisch ähnlichen Seitenketten durch ähnliche Codons kodiert. Zum Beispiel sind Aspartat (Asp) und Glutamat (Glu), die den GA*-Block einnehmen, beide negativ geladen. Diese Nuance des genetischen Codes stellt sicher, dass eine Einzelnukleotid-Substitutionsmutation zwar die gleiche Aminosäure spezifizieren kann, aber keine Wirkung hat oder eine ähnliche Aminosäure spezifiziert, wodurch verhindert wird, dass das Protein vollständig funktionsunfähig wird.

Der genetische Code ist nahezu universell. Mit wenigen Ausnahmen nutzen praktisch alle Spezies den gleichen genetischen Code für die Proteinsynthese. Die Konservierung von Codons bedeutet, dass eine gereinigte mRNA, die für das Globinprotein bei Pferden kodiert, auf eine Tulpenzelle übertragen werden könnte, und die Tulpe würde Pferdeglobin synthetisieren. Die Tatsache, dass es nur einen genetischen Code gibt, ist ein starker Beweis dafür, dass alles Leben auf der Erde einen gemeinsamen Ursprung hat, insbesondere wenn man bedenkt, dass es etwa 10⁸⁴ mögliche Kombinationen von 20 Aminosäuren und 64 Triplett-Codons gibt.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Biology 2e, Chapter 15.1: Der genetische Code.