Der genetische Code - Mittler zwischen DNA und Protein

     

In der Zelle herrscht Arbeitsteilung: Die DNA trägt die Erbinformation, Proteine verrichten die Arbeit. Doch wie fließt die Information von DNA zu Protein? Vor Jahr­milliarden entwickelte sich der genetische Code - bis heute ist er fast unverändert.

Will eine Zelle neue Proteine herstellen, greift sie auf Baupläne zurück, die in der DNA-Sequenz des Erbguts verschlüsselt sind. Dabei steht sie vor einem Problem: DNA besteht aus Nukleinbasen, Proteine jedoch aus Aminosäuren - die Erbinformation muss quasi in eine andere Sprache übersetzt werden. Dazu benötigt die Zelle ein Wörterbuch, das die Übersetzung regelt und eindeutig definiert. Diese Rolle erfüllt der genetische Code.

Die Code-Sonne des genetischen Codes

Die Code-Sonne verdeutlicht den genetischen Code. Die Nukleinbasen werden von innen nach außen abgelesen, die jeweiligen Aminosäuren bzw. die Stopp-Signale sind am Rand ablesbar. (Bild: Mouagip)

Ein weiteres Problem ist die praktische Umsetzung: Die DNA stellt ein Alphabet aus vier Buchstaben bereit (die Nuklein­basen), mit denen zwanzig verschiedene Begriffe (die Amino­säuren) benannt werden müssen. Eine einfache Rechnung zeigt, dass dafür eine Wortlänge von mindestens drei Buchstaben notwendig ist: 4 x 4 x 4 = 64 (zwei Buchstaben, 4 x 4 =16, wären zu wenig). Diese minimale Lösung hat die Natur auch gewählt: Drei aufeinander folgende Basen in der DNA-Sequenz werden zu einer Einheit zusammen­gefasst - dem Codon.

Vom Codon zur Aminosäure

Die Abfolge der Codons auf der DNA legt fest, welche Aminosäure an welcher Stelle des Proteins eingebaut wird. Ein weiteres Codon wird als Stopp-Signal benötigt, um die Herstellung des Proteins an der vorhergesehenen Stelle abbrechen zu lassen. Die 64 unterschiedliche Codons müssen also 20 Aminosäuren und ein Stopp-Signal vertreten - 43 Codons wären damit theoretisch überflüssig.

Dennoch bleiben diese Codons nicht ungenutzt, sie werden mehr oder weniger gleichmäßig verteilt; häufig genutzte Aminosäuren bekommen dabei eher eine höhere Zahl an Codons zugewiesen. Der genetische Code ist also nur in eine Richtung eindeutig: Jedes Codon bezeichnet genau eine Aminosäure, aber die meisten Aminosäuren und das Stopp-Signal werden von mehreren Codons vertreten.

Zwei Codons, die die gleiche Aminosäure vertreten, sind nicht unbedingt gleichwertig. Oftmals wird eines der Codons schnell übersetzt, während es bei dem anderen deutlich länger dauert. Die Folge: Ein Gen, in dem viele 'schnelle' Codons vorkommen, wird deutlich mehr Protein hervor­bringen als ein Gen, das vor allem aus eher 'langsamen' Codons besteht. Die Wahl der Codons beeinflusst also die Aktivität der Gene.

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Seltene Ausnahmen für seltene Aminosäuren

In seltenen Fällen jedoch wird ein Teil des genetischen Codes außer Kraft gesetzt. Vor einigen Jahren haben Forscher zwei neue Aminosäuren gefunden, die das Repertoire der zwanzig Standard-Aminosäuren erweitern1. Das Selenocystein wird in Stoffwechsel-Enzyme eingebaut, wenn ein bestimmtes Stopp-Codon auftaucht - allerdings nur, wenn gleichzeitig andere Faktoren an dieses Codon binden. Noch seltener ist das Pyrrolysin, das nur in Bakterien vorkommt, die Methan-Gas herstellen; auch in diesem Fall wird ein Stopp-Codon umgewandelt.

Alle Lebewesen auf dieser Erde verwenden den genetischen Code - er muss also Milliarden von Jahren alt sein. Aber wer oder was hat den genetischen Code geprägt? Und kann er durch Menschen manipuliert werden? Antworten auf diese Fragen finden sich im zweiten Teil...

Teil 1/2: Der genetische Code - zwischen DNA und Protein
Teil 2/2: Evolution und Manipulation des genetischen Codes
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1 Lobanov et al., Titel, Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 2010, vol. 45, pp. 257-65 (link)

Die Code-Sonne des genetischen Codes

Die Code-Sonne verdeutlicht den genetischen Code. Die Nukleinbasen werden von innen nach außen abgelesen, die jeweiligen Aminosäuren bzw. die Stopp-Signale sind am Rand ablesbar. (Bild: Mouagip)
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Kurz und knapp 

  • der genetische Code übersetzt in die Erbinformation in Proteine
  • drei aufeinander folgende Nukleinbasen auf der DNA werden zu einem Codon zusammengefasst
  • jedes Codon bezeichnet genau eine Aminosäure oder ein Stopp-Signal
  • die Stopp-Signale und die meisten Aminosäuren werden von mehreren Codons vertreten
  • in extrem seltenen Fällen kann ein bestimmtes Stopp-Codon auch für eine ungewöhnliche Aminosäure stehen