Molekulare Genetik

In der Einheit „Genetik“ hast du bereits gelernt, wie die Mitose und Meiose vonstatten geht und wie Merkmale weitervererbt werden. Aber wie wird die Information, die in unserer DNA steckt, weiterverarbeitet? Wie verdoppelt sich die DNA vor der Zellkernteilung und wie bilden Zellen Proteine daraus? Diesen Fragen werden wir in diesem Kapitel auf den Grund gehen.

Die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, ist ein Biomolekül. Sie ist Träger der Erbinformation, das bedeutet, sie dient der Speicherung und Weitergabe von vererbten Merkmalen.

Die DNA ist ein Polymer, das aus Makromolekülen, den Nukleotiden, besteht. Ein Nukleotid wiederrum besteht aus folgenden Molekülen: einem Zuckermolekül, genauer der 2-Desoxyribose, einer Phosphorgruppe und einer Base.

Es gibt zwei Gruppen von Basen, die größeren Purinbasen und die kleineren Pyrimidinbasen. Zu den Purinbasen zählen Adenin und Guanin und zu den Pyrimidinbasen gehören Cytosin und Thymin.

Somit ist das einzig variable an den Nukleotiden die Base, denn der Zucker und die Phosphatgruppe sind konstant und bilden das Rückgrat des Polymers. Der Zucker ist ein Pentosezucker, das bedeutet, er hat fünf Kohlenstoffatome. Diese sind durchnummeriert von C1‘ bis C5‘. Die Base hängt immer am C1‘-Atom.

Die Verbindung zwischen Zucker und Phosphatgruppe ist etwas umständlicher. Die chemische Bindung heißt Phosphodiesterbindung. Der chemische Hintergrund ist, dass die Hydroxylgruppen (also die OH-Gruppen) des Phosphorrestes mittels Esterbindung zwei Zuckermoleküle verbinden. Die Folge ist eine feste, kovalente Bindung. Diese Verbindung zwischen den Zuckermolekülen ist bei einem der Zuckermoleküle am C3‘-Atom und bei dem anderen am C5‘-Atom vorhanden. Somit ergibt sich eine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen den zwei komplementären Strängen der DNA zwischen 5‘ und 3’ Ende. Dort wo der eine Strang sein 3‘-Ende hat, hat der andere sein 5‘-Ende und umgekehrt. Dies ist bei der DNA-Replikation von Bedeutung.

Jetzt gehen wir noch etwas genauer auf die Basen ein. Neben dem Begriff Nukleotid gibt es noch den Begriff Nukleosid. Der Unterschied ist, dass beim Nukleosid der Phosphorrest nicht mit dabei ist. Man kann die Nukleotide der verschiedenen Basen aber auch namentlich unterscheiden. Wenn ein Nukleotid z. B. Adenin als Base hat, wird es Adenosin genannt. Für Thymin wäre das Thymidin, etc..

Wie wir nun wissen, ist die DNA aus Makromolekülen (den Nukleotiden) aufgebaut, die chemisch miteinander verbunden sind. Zudem haben wir gehört, dass diese Stränge komplementär sind. Wie können wir uns das vorstellen?

Die DNA ist ein Doppelstrang, genauer eine Doppelstrang-Helix. Das bedeutet es gibt zwei Stränge und diese sind komplementär zueinander angeordnet. Bei der DNA bedeutet komplementär, dass die Base des Nukleotids eine Verbindung zur Base des gegenüberliegenden Nukleotids hat. Die Verbindung zwischen den Nukleotiden ist keine feste kovalente Bindung, sondern eine Wasserstoffbrückenbindung. Das bedeutet, dass sich Atome der Basen durch unterschiedliche Elektronegativitäten und Teilladungen anziehen. Die Basen die komplementär zu einander sind, sind Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Adenosin und Thymidin sind mittels zwei Wasserstoffbrückenbindungen  und Guanosin und Cystidin mit drei Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. Die Verbindung zwischen Guanosin und Cystidin ist somit stärker als die von Adenosin und Thymidin. Dieser DNA-Doppelstrang kann in verschiedenen Formen in der Zelle vorliegen. Die bekannteste Form ist die Form der Doppelhelix und sie ist meist rechtsgängig. Die Ganghöhe bis sich die Helix einmal gedreht hat, sind 10 Basenpaare.

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Die Replikation der DNA findet in der S-Phase (Synthesephase) des Zellzyklus statt. Wie wir bereits gelernt haben, ist dies die Phase in der die DNA verdoppelt wird. In diesem Kapitel lernen wir, wie die Replikation genau vonstattengeht. Wir gliedern den Prozess in drei Schritte auf:

1. Initiation
2. Elongation
3. Termination

Die Initiation stößt die Replikation an. Im Zuge dessen wird die DNA an mehreren Stellen aufgebrochen und es lagern sich verschiedene Enzyme an die offenen Stellen an. Diese Enzyme sind zum Einen die Helikase und die Topoisomerase sowie die DNA-Polymerase. Diese Orte des Aufbruchs heißen ORI (Origin of Replication). Der Vorteil von mehreren Replikationsursprüngen ist, dass der Prozess dadurch beschleunigt werden kann. Zuerst wird die DNA mittels dem Enzym Topoisomerase entspiralisiert, die DNA-Helix löst sich also auf. Nach der Entspiralisierung kann die Helicase die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen auflösen. Eine weitere wichtige Proteingruppe in diesem Prozess sind die Einzelstrang-bindenden Proteine (single-strand-binding-proteins, SSB-Proteins), welche die Einzelstränge offen halten, sodass sich die Einzelstränge nicht sofort wieder mit ihrem komplementären Strang verbinden. In dieser Verfassung nennt man den Teil der entspiralisierten DNA die Replikationsgabel. Der nächste Schritt wird durch die DNA-Polymerase α bei Eukaryoten bzw. die Primase, eine RNA-Polymerase, bei Prokaryoten bewerkstelligt. Diese beiden Enzyme synthetisieren jeweils ein Stück RNA (Primase) bzw. DNA (DNA-Polymerase α). Dieses Stück wird Primer genannt und hat eine Länge von ca. 10 Nukleotiden. Die Polymerasen können nur einen 5‘-3‘ Strang erzeugen, somit also nur den Matrizenstrang 3‘-5‘ kopieren. Jetzt beginnt die DNA-Polymerase III die DNA zu replizieren – diesen Teil der Replikation nennt man Elongation. Es werden beide Stränge der Doppelhelix repliziert jeweils unterschiedlich repliziert. Der in einem Stück synthetisierte Strang wird Leitstrang genannt. Der Folgestrang ist der 3‘-5‘ Strang, bei dem der komplementäre Strang nur stückweise synthetisiert wird, da die Polymerase hier eigentlich in die falsche Richtung arbeitet und immer wieder neu ansetzen muss. Diese Stücke heißen Okazaki-Fragmente. Die Fragmente werden mittels DNA-Ligase verbunden und die Primer mit DNA ersetzt. Der RNA zu DNA Wechsel bei den Primern wird von der RNase übernommen. Die Termination, also der Abschluss der Replikation, findet statt, wenn die DNA vollständig repliziert ist – es bedarf bei Eukaryoten keinem besonderen Vorgang. Als Produkt haben wir somit zwei Doppelstränge, die die gleiche Information enthalten. Da mit diesem Prozess jeder Doppelstrang aus einem alten und einem neuen Strang besteht, nennt man den Mechanismus semikonservativ.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:DNA_replication_de.svg

Das menschliche Genom ist mit ca. 3 Milliarden Basenpaare sehr groß. Bei einer so immensen Größe passieren während der Replikation immer wieder Fehler, die korrigiert werden müssen. Diese Fehler bzw. Schäden werden mittels Enzymen korrigiert oder entfernt.

Man unterscheidet dabei drei Mechanismen:

1. Proofreading
2. Exzisionsreparatur
3. Rekombinationsreparatur

Das Proofreading, deutsch Korrekturlesen, ist der erste Reparaturmechanismus. Hier liest die DNA-Polymerase über ihr selbstverursachten Fehler in Strangrichtung 3‘-5‘ und korrigiert diese sofort und selbstständig.
Interessant ist dabei, dass bei Bakterien kein Proofreading stattfindet. Dadurch läuft die Replikation der Bakterien schneller ab als bei Eukaryoten – in einer Sekunde werden ca. 1000 Nukleotide repliziert. Beim Menschensind es nur 50 pro Sekunde.

Bei der Exzisionsreparatur wird mittels Exzisionsendonuklease ein gesamter DNA-Abschnitt aus dem Strang geschnitten. Im Anschluss wird der fehlende Abschnitt erneut von der DNA-Polymerase ersetzt und von der DNA-Ligase wieder mit dem restlichen Strang verbunden.

Wenn bei der Replikation ein Fehler im Strang entdeckt wird, wird dieser nicht repliziert und die Lücke wird nach der Replikation durch eine fehlerlose Sequenz des 2. Stranges aufgefüllt. Außerdem komplettiert eine Polymerase darüber hinaus noch den 2. Strang. Diesen Vorgang nennen wir Rekombinationsreparatur.

Als genetischen Code bezeichnet man ein Regelwerk von lebenden Zellen, das als Anleitung dient, Informationen, die als genetisches Material (DNA bzw. RNA) in Zellen kodiert sind, in Proteine ​​umzuwandeln.

Dieser Code ist universell und kommt in Pflanzen, Tieren und Bakterien vor. Außerdem ist er degeneriert, was so viel bedeutet wie, dass mehrere sogenannte Codons für ein und dieselbe Aminosäure codieren.

Der genetische Code ist die Grundlage für die Proteinbiosynthese, genauer die Translation von mRNA zu einer Peptidkette. Er besteht aus den Basen der DNA, die immer zu dritt für eine Aminosäure stehen. In der Abfolge der Basen steckt also die „Bauanleitung“ für unsere Proteine. 

Im Bild siehst du die Codesonne, aus der du ablesen kannst, welche Aminosäure sich aus welchen drei aufeinanderfolgenden Basen ergibt. Die Codesonne verfügt statt einem T für Thymin über ein U für Uracil. Uracil ist eine Base in der RNA, die das Äquivalent zum Thymin in der DNA darstellt. Somit ist die komplementäre Base zu Uracil auch Adenin. Die drei Ringe mit Basen ergeben ein Basentriplett – ein Synonym dafür ist Codon. Die erste Base des Codons ist eine der vier Basen, die man in der Codesonne am innersten Kreis sieht. Die Base der zweiten Position im Triplett ist im Ring um den Kreis der ersten Base. Und so weiter. Am ganz äußersten Ring (der nicht bunt ist) stehen die dazugehörigen Aminosäuren sowie die Start/Stop-Codons. Jedes Codon ist für eine bestimmte Aminosäure oder einen Stoppbefehl bestimmt. Da es mehr Kombinationsmöglichkeiten der Basen als proteinogene Aminosäuren gibt, kodieren mehrere Codons für eine Aminosäure. Die Aminosäure Methionin mit dem Basentriplett AUG ist das Startcodon. Dieses Triplett signalisiert dem Ribosomen, dass nun der Teil der mRNA beginnt, der synthetisiert werden soll. Die Synthese findet statt, bis eines der Stoppcodos kommt. Die Basentripletts der Stoppcodons sind UGA, UAA und UAG.

Zur Erinnerung: Ein Gen stellt einen Abschnitt der DNA dar, der für RNAs und damit Proteine codiert.

Eukaryotische Gene sind anders als prokaryotische. Bei den eukaryotischen Genen gibt es Promotor- und Terminator-Genabschnitte. Diese werden regulatorische Regionen genannt und werden nicht transkribiert. Innerhalb dieser Regionen ist das zu transkribierende Gen. Hier wird zwischen Introns und Exons unterschieden.

Die Introns sind Bereiche, die nicht für das Protein kodieren. Exons hingegen codieren für Gene. Introns werden bei der Proteinbiosynthese dementsprechend herausgespliced, also aus der RNA entfernt.

Dieser Stichpunkt ist beim BMS ein sehr allgemeingehaltenes Übersichtsthema.

Die Proteinbiosynthese findet im Zellkern und im Zytoplasma statt. Sie ist somit lokal aufgeteilt. Im Zellkern findet die Transkription statt, hier wird aus der DNA eine mRNA (messenger RNA) gebildet. Bei der Translation, die dann im Zytoplasma stattfindet, wird die mRNA durch die Ribosomen in eine Aminosäurekette übersetzt, die schließlich zu einem Protein gefalten wird. 

Ribonukleinsäure, die RNA, ist in der Regel einzelsträngig. In ihrem Aufbau unterscheidet sie sich durch den Zucker von der DNA. Der Zucker, die Ribose, ist in diesem Fall nicht desoxydiert und somit besitzt somit am C2-Atom immer noch seine Hydroxylgruppe statt dem Wasserstoffatom bei der DNA. Außerdem: Anstatt dem Thymin ist Uracil die komplementäre Base zu Adenin. Die wichtigsten Formen der RNA sind:

• mRNA

• rRNA

• tRNA

Diese Formen werden wir im Laufe der Translation näher kennenlernen.

Außerdem gibt es auch noch die hnRNA (auch prä-mRNA), die durch die Transkription entsteht und noch zur mRNA modifiziert werden muss, damit die Translation beginnen kann. Weitere RNA-Typen in menschlichen Zellen sind die snRNA, ein Teil des Spleißosoms, also der Maschinerie, die für das Splicing verantwortlich ist, und die miRNA, die den Abbau einer mRNA auslösen kann.

Als Protein(-bio-)synthese bezeichnet man die Neubildung von Proteinen in Zellen. Dieser Prozess ist in zwei Teile gegliedert, die Transkription und Translation. Die Proteinbiosynthese ist auch örtlich in verschiedene Kompartimente aufgegliedert. Die Transkription findet im Zellkern statt, die Translation hingegen im Zytoplasma. Bei der Proteinbiosynthese wird von der DNA ausgehend über eine prä-mRNA ein mRNA-Strang synthetisiert, der bei der Translation in eine Aminosäurekette übersetzt wird. Diese Aminosäurekette wird dann noch gefaltet und modifiziert, sodass das von dem Genabschnitt codierte Protein entsteht.

Transkription

Wir beginnen mit dem ersten Schritt der Proteinbiosynthese, der Transkription. Dieser Prozesspunkt kann als Abschreiben gesehen werden, da von der DNA eine Kopie in Form einer prä-mRNA hergestellt wird. Um eine Kopie herzustellen muss man den Doppelstrang erstmal trennen, dies kann die RNA-Polymerase (hier ist es tatsächlich auch bei Eukaryonten eine RNA-Polymerase) selber und benötigt keine Helicase, wie wir sie bei der Replikation kennengelernt haben. Sie dockt an der Promotorstelle an. Wenn ein Bereich von 10 – 20 Basen entspiralisiert ist, lagern sich freie komplementäre Nukleotide an – sie bilden die prä-mRNA. Hier ist wichtig zu wissen, dass die RNA-Polymerase immer in Richtung 3‘-5‘ Richtung synthetisiert und die entstehende prä-mRNA somit ein 5‘- 3‘ Strang ist. Der prä-mRNA Strang wird bis zur Terminator-Region synthetisiert. Bevor wir die mRNA bei der Translation übersetzen können, muss man die prä-mRNA noch zur mRNA machen. Das wird durch drei  verschiedenen Prozesse bewerkstelligt:

• Capping

• Polyadenylierung

• Splicing

Translation

Die Translation ist die Übersetzung der mRNA in eine Aminosäurensequenz, aus der schlussendlich ein Protein gefaltet wird.

Der genaue Ort der Translation ist im Zytoplasma am rauen endoplasmatischen Retikulum lokalisiert, da hier die Ribosomen, die in diesem Prozess federführend sind, vorzufinden sind.

Die tRNA hat bei der Translation eine wichtige Rolle. Zu jeder Aminosäure existiert eine spezielle tRNA, die das spezifische Anticodon besitzt. Die Translation wird in drei Phasen eingeteilt:

1. Initialphase
2. Elongationsphase
3. Termination

Zusätzlich ist es wichtig die Bindestellen der Ribosomen zu kennen. Es gibt drei Bindestellen:

• A-Stelle

• P-Stelle

• E-Stelle

Jetzt zum Prozess bei der Initialphase: die kleine Untereinheit des Ribosoms wandert den mRNA Strang entlang, bis sie auf das Startcodon AUG stößt. Dieses Codon codiert neben dem Start auch noch für die Aminosäure Methionin. An dieser Stelle dockt eine tRNA mit dem passenden, komplementären Anticodon an. Das Anticodon beinhaltet die Basen UAC, also genau das komplementäre Gegenstück zu AUG. Das Anticodon dockt an die A-Stelle am Ribosomen an und bildet den Initiationskomplex. Somit kann sich die große Untereinheit des Ribosoms anlagern.

Darauffolgend findet nun die zweite Phase statt, die Elongationphase. Hier dockt die nächste tRNA mit dem passenden Anticodon für das nächste Basentriplet und der entsprechenden Aminosäure an das Ribosom und die mRNA an. Die Peptidyltransferase verknüpft die Aminosäuren und verschiebt somit die Kette von der P Stelle auf die A Stelle. Das Ribosom wandert entlang der mRNA weiter, die A-Stelle wird somit frei und die Polypeptidkette rutscht auf die P-Stelle. Die „benutzte“ tRNA, jetzt ohne Aminosäure, kommt an die E-Stelle und wird wieder freigesetzt. An der A-Stelle lagert sich die passende tRNA für das nächste Codon an. Dieser Prozess läuft weiter bis eines der Stoppcodons kommt.

Jetzt treten wir in die dritte Phase ein: die Termination. Hier wird durch einen Releasing-Faktor die Bindung zwischen der Aminosäure und der tRNA gespalten und das Ribosom löst sich von der mRNA und der Aminosäurekette und dissoziiert in seiner Untereinheiten.

Als nächsten Schritt würde sich die Polypeptidkette zu einem Protein falten – das besprechen wir jedoch in der Chemie genauer.

Splicing ist ein Prozess während der Proteinbiosynthese bei dem Introns mittels dem Spleißosomen entfernt werden. Außerdem bietet das Splicing eine Möglichkeit um aus einem Gen, also einem DNA-Abschnitt, verschiedene mRNAs zu erzeugen. So können je nach Bedarf auch entsprechende Exons herausgeschnitten werden, wodurch bei der Translation ein anderes Protein entsteht.