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14.2: Das zentrale Dogma
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PROTOKOLLE

14.2: Das zentrale Dogma

Überblick

Das zentrale Dogma der Biologie besagt, dass die in der DNA enkodierte Information auf die Boten-RNA (mRNA) übertragen wird. Diese steuert anschließend die Proteinsynthese. Die Gesamtheit der Anweisungen, die es ermöglichen, die mRNA-Nukleotidsequenz in Aminosäuren zu entschlüsseln, wird als genetischer Code bezeichnet. Die Universalität dieses genetischen Codes hat den Fortschritt in der wissenschaftlichen Forschung, der Landwirtschaft und der Medizin vorangetrieben.

Die RNA ist die fehlende Brücke zwischen DNA und Proteinen

Anfang 1900 entdeckten Wissenschaftler, dass die DNA alle Informationen speichert, die für zelluläre Funktionen benötigt werden. Die meisten Funktionen der Zellen führen dabei Proteine die aus. Die Mechanismen der Umwandlung der genetischen Information in funktionelle Proteine blieben jedoch viele Jahre lang ungeklärt. Zunächst glaubte man, dass ein einzelnes Gen direkt in sein kodiertes Protein umgewandelt wird. Zwei entscheidende Entdeckungen in Eukaryontischen Zellen stellten diese Theorie jedoch in Frage. Erstens findet die Proteinproduktion nicht im Zellkern statt. Zweitens ist keine DNA außerhalb des Zellkerns vorhanden. Diese Erkenntnisse lösten die Suche nach einem Zwischenmolekül aus, welches die DNA mit der Proteinproduktion verbindet. Dieses Zwischenmolekül, das sich sowohl im Zellkern als auch im Zytoplasma befindet und mit der Proteinproduktion in Verbindung steht, ist die RNA.

Während der Transkription wird RNA im Zellkern synthetisiert, wobei die DNA als Vorlage dient. Die neu synthetisierte RNA ist in der Sequenz ähnlich wie der DNA-Strang, außer dass Thymidin in der DNA durch Uracil in der RNA ersetzt wird. In Eukaryonten wird dieses primäre Transkript weiter prozessiert, wobei die nicht kodierenden Bereiche des Proteins entfernt werden. Zusätzlich wird den 3- und 5-Enden ein 3 poly-A Schwanz hinzugefügt. Diese erzeugte mRNA wird dann ins Cytoplasma übertragen.

Die Regeln für die Interpretation der mRNA-Sequenz bilden den genetischen Code

Die Translation erfolgt an Ribosomen im Zytoplasma, wo die in der mRNA kodierten Informationen in eine Aminosäurekette übersetzt werden. Ein Satz von drei Nucleotiden kodiert für eine Aminosäure und diese Tripletts werden als Codons bezeichnet. Das Regelwerk, das festlegt, welche Codons eine bestimmte Aminosäure spezifizieren, bildet den genetischen Code.

Der genetische Code ist redundant

Proteine werden in Eukaryonten aus 20 Aminosäuren gebildet. Die Kombination von vier Nucleotiden in Sets von drei liefert 64 (43) mögliche Codons. Das bedeutet, dass es möglich ist, dass einzelne Aminosäuren von mehr als einem Codon kodiert werden können. Der genetische Code wird als redundant oder degeneriert bezeichnet. In vielen Fällen, aber nicht immer, unterscheiden sich Codons, die die gleichen Aminosäuren spezifizieren, nur im dritten Nukleotid des Tripletts. Die Codons GUU, GUC, GUA und GUG stehen beispielsweise alle für die Aminosäure Valin. AUG ist jedoch das einzige Codon, das die Aminosäure Methionin repräsentiert. Das Codon AUG ist auch das Codon, in dem die Proteinsynthese beginnt und wird daher Startcodon genannt. Durch die Redundanz im System werden die schädlichen Auswirkungen von Mutationen minimiert. Eine Mutation (d.h. Veränderung) an der dritten Position des Codons muss nicht unbedingt zu einer Veränderung der Aminosäure führen.

Der genetische Code ist universell

Mit wenigen Ausnahmen verwenden die meisten prokaryontischen und eukaryontischen Organismen den gleichen genetischen Code für die Proteinsynthese. Diese Universalität des genetischen Codes hat Fortschritte in der wissenschaftlichen Forschung, der Landwirtschaft und der Medizin ermöglicht. Beispielsweise kann menschliches Insulin heute in großem Maßstab in Bakterien hergestellt werden. Dies geschieht mit Hilfe der rekombinanten DNA-Technologie. Rekombinante DNA besteht aus genetischem Material verschiedener Spezies. Gene, die für menschliches Insulin kodieren, werden mit bakterieller DNA verbunden und in eine Bakterienzelle eingefügt. Die Bakterienzelle führt die Transkription und Translation durch, um das in der rekombinanten DNA kodierte Humaninsulin zu produzieren. Das daraus resultierende Humaninsulin wird zur Behandlung von Diabetes eingesetzt.


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