Aminosäuren Code

Code für Aminosäuren

Durch den genetischen Code kann die DNA in Proteine übersetzt werden: Jeweils drei DNA-Basen entsprechen einer Aminosäure im Protein. Also wie können Aminosäuren nur mit Basen kodiert werden? Es war dann klar, dass drei aufeinanderfolgende Basen einer mRNA das Codewort für eine Aminosäure in der Proteinkette bildeten. Andererseits haben die Proteine, die aus zwanzig Aminosäuren bestehen, auch eine kettenartige Struktur.

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Genetischer Code Sonne: Die Codierung der Aminosäuren (außen) durch die Basentripel auf der molekularen RNA kann von drinnen (5') nach draußen (3') gelesen werden. Unter dem genetischen Code versteht man eine Regelung, nach der Gruppen von drei aufeinanderfolgenden Nucleobasen - sogenannte Triplets oder Codone - in Nucleinsäuren in Aminosäuren umgerechnet werden. Dies geschieht, wenn Aminosäuren an unterschiedliche Transfer-Ribonukleinsäuren (tRNA) binden, die die Aminosäuren für ihren Aufbau zu Eiweißen anordnen oder aktivieren.

Sie bestehen aus drei Nucleotiden, die den Nucleotiden eines gewissen Kodons korrespondieren (komplementär sind), also ein dreiteiliges Antikodon ausbilden. Kodon und Antikodon sind voneinander abhängig und werden entsprechend dem Gencode einer gewissen Anzahl von Aminosäuren zugewiesen. Für jede Transfer-Ribonukleinsäure die jeweilige Amino-Säure, an die das dem Antikodon der TMRNA entsprechende Kodon bindet.

So wird durch die gezielte Anbindung einer Aminosäure mit einem dafür durch den Gencode bereitgestellten Antikodon an eine TLRNA das Vorzeichen einer bestimmten, vom Gencode vorgegebenen Aminosäure, das Kodon, in die vom Gencode vorgegebene Aminosäure umgerechnet. Genau gesagt ist die Übersetzung bereits in der Gliederung der einzelnen tRNA-Typen enthalten:

In jedem tRNA-Molekül befindet sich eine Aminosäurebindungsstelle, die so aufgebaut ist, dass nur die für das Antikodon dieser TMRNA gemäß dem Gencode geeignete Aminosäure daran bindet. Nachdem die Aminosäuren an die TMRNA angebunden sind, kann die Produktion des durch die Codonsequenz definierten Eiweißes in einer DNA (Desoxyribonukleinsäure) anlaufen. Grundvoraussetzung für diese Synthetisierung ist, dass der DNA-Abschnitt eines Genes zunächst in eine Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) transkribiert wird; anschließend werden einzelne Bestandteile dieser RNA in Eukaryonten spezifisch abtransportiert.

Die Aminosäuren der zu den Codonen gehörenden tRNA werden anschließend zu einer Polypeptid-Kette verbunden. Sämtliche Arbeitsschritte nach der Herstellung und Spleißung der molekularen RNA bis hin zur Herstellung der Eiweiße werden als Translationen betrachtet, da die Umwandlung der Triplettsequenz der DNS in eine Aminosäuresequenz während der Eiweißsynthese klar wird.

Allerdings erfolgt die tatsächliche Applikation des Erbguts, die Umwandlung eines Kodons in eine Amino-Säure, erst bei der Anbindung der Aminosäuren an die TMRNA, d.h. bei der Herstellung der Aminosäuren zum Aufbau der Eiweiße. Manche Basen-Triolen verschlüsseln keine Aminosäuren. Grundsätzlich verwenden alle lebenden Wesen den gleichen Erbgutcode. Es wird gezeigt, welche Aminosäuren von den 43 = 64 verschiedenen Codonen codiert werden und welche Codonen jede der 20 für die Umsetzung benutzten Kanonen.

Beispielsweise steht das Kodon für die Aminogruppe Rapssäure (Asparaginsäure), und das Kodon für die Kodons Asparagin ( "Cys") wird von den Kodons für die Buchstaben und Buchstaben GGU und GC eingenommen. Jahrhundert gab es unter den Biochemikerinnen und -chemikern einen gewissen Wettbewerb um das Erbgut. Der deutsche Biologe Dr. med. Heinrich Matthäus schaffte am Samstag, den 27. 5. 1961 um 3 Uhr einen entscheidenden Erfolg mit dem Poly-U-Experiment im Forschungslabor von Marschall Nirenberg: die Dekodierung des Kodons HEUU für die Aminogruppe Phenyläthan.

Im Jahre 1966, fünf Jahre nach der Dekodierung des ersten Kodons, war die komplette Dekodierung des Erbguts mit allen 64 Basis-Triolen erfolgreich. Eine Kodon ist die Folge von drei Nucleobasen (Basentripeln) der molekularen RNA, die eine im Gencode enthaltene Amino-Säure kodiert. Es gibt 43 = 64 verschiedene Kodons, drei davon sind Unsinn-Kodons, mit denen die Übersetzung beendet wird, die übrigen 61 kodieren die 20 kanonisch, proteinogene Aminosäuren.

Bei vielen Aminosäuren gibt es mehrere unterschiedliche Codierungen. Eine Codierung als Triplet ist jedoch erforderlich, da sich bei einer Duplet-Codierung nur 42 = 16 Codes ergeben würden und damit nicht genug Möglichkeit bestünde, alle 20 kanonische Aminosäuren zu erfassen. Das Triplet A. G. fungiert sowohl als Kodon für die Methioninbildung als auch als Start-Signal für die Übersetzung und wird daher auch als Start-Codon genannt.

Eine der ersten AUG-Triolen auf Basis von RNA wird das erste Kodon, das in Proteine übersetzt wird. Übersetzung fängt mit einem Startcodon an, aber das allein reicht nicht aus, um den Vorgang zu starten. Um Transkriptionen in mRNAs und deren Bindungen an das jeweilige Startcodon zu induzieren, sind auch gewisse Startsequenzen vonnöten.

Aber die erste Amino-Säure ist immer Methhionin. Am Ende der Übersetzung steht eines der drei Stop-Codons, auch Unsinn-Codons oder" Unsinn-Codons" oder"? Urspruenglich wurden diese Kodons benannt - und zwar gelb, ocker, UGA und ocker, ein Spiel mit dem Titel ihres Erfinders (Harris Bernstein). Obwohl das UGA-Codon in der Regel als Stopp interpretiert wird, kann es nur in seltenen Fällen und nur unter gewissen Voraussetzungen für eine 21:

Der Mechanismus der Bio-Synthese und Inkorporation von selenocysteine in Proteinen ist sehr unterschiedlich zu dem aller anderen Aminosäuren: seine Einführung verlangt einen neuen Übersetzungsschritt, in dem eine solche innerhalb einer gewissen Sequenz-Umgebung und zusammen mit gewissen Co-Faktoren unterschiedlich gedeutet wird. Dazu ist eine strukturspezifische, selenocysteinspezifische T-RNA (tRNASec) notwendig, die bei Wirbeltieren mit drei unterschiedlichen, aber miteinander verknüpften Aminosäuren aufgeladen wird: die tRNASec:

Manche Archäen und Keime verwenden ein UAG-Stoppcodon für eine 21. eiweißbildende Aminosäure: Pyrrolysine. Wenn bei der Übersetzung ein Kodon fehlerhaft entschlüsselt wird (eine fehlerhafte Amino-Säure), ist die Proteinstruktur nicht mehr korrekt und arbeitet nicht mehr wie erwünscht. Daher war es offensichtlich sehr frühzeitig in der Entwicklungsgeschichte nützlich, dass der Gencode eine bestimmte Fehler-Toleranz hatte: Er ist ein so genannte entarteter Code, d.h. eine Semantik wird von mehreren verschiedenen syntaktischen Symbolen kodiert:

Ohne die Stoppcodons sind 61 verschiedene Kodons verfügbar, aber nur 20 Aminosäuren müssen kodiert werden. Bei manchen Aminosäuren werden, wie in der obigen Übersicht dargestellt, mehrere Kodes benutzt. Wenn eine der Grundlagen nicht korrekt abgelesen wird, ist die Chance, dass die korrekte Fettsäure noch gewählt wird, 60%.

In den meisten Fällen unterscheidet sich der betroffene Codon auch in der dritten ("Wobble") Basis eines Codon, die bei der Übersetzung am meisten mißverstanden wird. Außerdem haben Aminosäuren, die mehr Proteine enthalten als andere, mehr Kodons, die sie codieren. Auffallend ist, dass der Typ einer einzelnen Säure im Wesentlichen durch die Mittelstellung eines Triole umsetzt wird: Die Aminosäure:

Folglich sind radikale Substitutionen (Austausch gegen Aminosäuren anderer Art) in erster Linie das Ergebnis von Veränderungen in dieser zweiten Stellung. In der ersten, vor allem aber in der dritten Stellung ("Wobble") hingegen bekommen sie oft die Aminosäuren oder wenigstens ihren "konservativen Substitutionscharakter". Bedenkt man auch, dass Übergänge (Umwandlung von Pyridinen oder Pyrimidine ineinander) aus mechanischen Ursachen öfter vorkommen als Übergänge (Umwandlung eines Pyrimidins in ein Purin und vice versa; dieser Vorgang erfordert in der Regel eine Ausscheidung), liefert dies eine weitere Erläuterung für den Konservativcharakter des Kodes.

Der Begriff "Genetischer Code" wurde von Erwin SCHRÖDINGER in seinem 1944 erschienenen Werk "Was ist Life? Die exakte Position des Kodes war damals noch vage. Es ist bemerkenswert, dass der Gencode bis auf wenige Ausnahmefälle für alle lebenden Wesen grundsätzlich gleich ist, d.h. alle lebenden Wesen verwenden die gleiche "genetische Sprache".

Weil ein bestimmter Kodon immer die gleiche Amino-Säure darstellt, ist es z.B. in der Gentechnologie möglich, das menschliche Insulin-Gen in das Bakterium einzuführen, damit es dann insulinbildend wirken kann. Dieser Grundsatz wird als "Universalität des Codes" bezeichne. Das wird durch die Entwicklung so begründet, dass der Gencode sehr frühzeitig in der Entstehungsgeschichte des Menschen entwickelt und dann an alle sich entwickelnde Spezies weitergereicht wurde.

Diese Verallgemeinerung schliesst nicht aus, dass die Frequenz der verschiedenen Codeworte (die so genannte Codon-Nutzung) zwischen den einzelnen Lebewesen unterschiedlich sein kann. Auch gibt es Abweichungen von der Allgemeingültigkeit des Erbguts: In den sogenannten mitochondrialen ( "Energieumwandlungsorganellen" der Zelle), die wahrscheinlich von symbiontischen Keimen stammen (Endosymbionten-Theorie) und ihr eigenes Erbgut beinhalten (neben der DNS des Zellkerns), wird eine leicht modifizierte Codeform verwendet.

Ein weiteres Beispiel ist die Bierhefe namens Kandida, bei der KUG für das Serum einsteht. Darüber hinaus gibt es einige Aminosäurevarianten, die von Keimen (Bakterien) und Archäen (Archaea) genutzt werden; das Stopcodon kann wie oben erwähnt für Selenozystein und UAG-Pyrrolysin codieren. Gegenwärtig sind 16 Unterschiede der Zuweisung von Aminosäuren zu einem Kodon (Basentriplett der mRNA) vom Standardcode bekannt:

S. J. Freeland und L. D. Hurst: The Sneaky Code of Life. Die Entwicklung des Erbguts:

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