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Der genetische Code

Grundsätzliche Überlegungen

Bei der Translation müssen 20 bis 21 Aminosäuren in das wachsende Protein eingebaut werden. Die Information, welche Aminosäuren wann einzubauen ist, beziehen die Ribosomen aus der mRNA, die ja aus genau vier "Buchstaben" besteht: A, C, G und U.

Eine einfache mathematische Überlegung zeigt nun, dass "Worte" aus zwei dieser Buchstaben (z.B. GC) nur für die Codierung von 16 Aminosäuren reichen würden. Worte aus drei Buchstaben (z.B. GCA) reichen für die Verschlüsselung von 64 Aminosäuren, und Worte aus vier Buchstaben (z.B. GCAA) würden sogar für 256 Aminosäuren reichen.

In der Evolution setzen sich immer (oder fast immer) die ökonomisch günstigsten Varianten durch, und das wäre hier ein Code, der sich aus 3-Buchstaben-Worten zusammensetzt. Weniger geht nicht für 21 Aminosäuren, und mehr wäre unökonomisch.

Die Experimente von Nirenberg & Co.

Versuch 1

Das einfachste Experiment, mit dem man den genetischen Code aufklären kann, ist die in-vitro-Translation künslicher mRNAs, die nur aus einer Sorte von Nucleotiden bestehen. MATTHAEI und NIRENBERG führten entsprechende Versuche 1961 durch. In der Tat kann man in einem solchen Experiment eine Translation beobachten, und es entsteht auch ein Polypeptid. Allerdings besteht dieses Polypeptid nur aus einer Sorte von Aminosäuren. Im Falle von Poly-A-mRNA (also AAAAAAA…) entsteht ein Polypeptid, das ausschließlich aus Lysin-Bausteinen aufgebaut ist, also ein Poly-Lys.

Mit unseren heutigen Kenntnissen der Translation kann man dieses Ergebnis natürlich leicht erklären. In der Poly-A-mRNA kommt nur eine Sorte von Codon vor, nämlich AAA. In den Ribosomen kann daher auch nur eine Sorte von tRNA andocken, nämlich tRNA mit dem Anticodon UUU. Diese tRNA-Moleküle bringen aber stets die gleiche Aminosäure mit zu den Ribosomen, nämlich Lysin.

Es stellt sich nun die Frage: Wie viele Codons kann man mithilfe solcher Experimente entschlüsseln? Die Antwort darauf lautet: Genau vier. Statt Poly-A kann man den Versuch mit Poly-U, Poly-G und Poly-C durchführen. Und so fand man heraus, dass AAA für Lysin steht, CCC für Prolin, UUU für Phenylalanin und GGG für Glycin. Damit waren schon einmal vier der 64 möglichen Codes für Aminosäuren "geknackt".

Versuch 2

Schauen wir uns nun das nächst kompliziertere Experiment an, das ebenfalls Anfang der 60er Jahre durchgeführt wurde. Man stellte wieder künstliche mRNA her, war diesmal aber etwas einfallsreicher als bei den allerersten Versuchen. Betrachten wir zum Beispiel folgende künstliche mRNA:

U G U G U G U G U G U G U G U G U G

Wie viele Codons mögen in dieser mRNA enthalten sein? Da wir schon wissen, dass ein Codon immer aus drei Basen besteht, können wir uns leicht ausrechnen, dass die mRNA genau zwei Codons enthält, nämlich UGU und GUG:

U G U G U G U G U G U G U G U G U G

Andere Codons werden Sie hier nicht finden - versuchen Sie es doch einmal, Sie können anfangen, wo Sie wollen. Da diese Poly-UG-RNA nur zwei verschiedene Codons enthält, sollte das gebildete Protein auch nur zwei verschiedene Aminosäuren enthalten, die sich regelmäßig abwechseln. Und tatsächlich, genau das kam bei diesem Experiment heraus. Es entstand folgendes Protein:

Cys - Val - Cys - Val - Cys - Val

Allerdings kann man hier noch nicht genau sagen, welcher Code für welche Aminosäure steht. UGU steht entweder für Cystein oder Valin, und GUG steht ebenfalls entweder für Cystein oder Valin. Mit anderen künstlichen mRNAs aus zwei sich regelmäßig abwechselnden Basen konnte man den Code weiterer Aminosäuren "knacken" - den ganzen genetischen Code konnte man auf diese Weise aber nicht aufklären.

Versuch 3

Das Grundprinzip dieses Versuchs wollen wir uns an einem sehr einfachen Beispiel klar machen. Angenommen, wir geben mRNA-Nucleotide A und G im Verhältnis 2 : 3 in ein Reagenzglas und lassen diese Nucletotide zu einer künstlichen mRNA aggregieren. Die Reihenfolge der zwei Basen ist dann rein zufällig, aber die Zusammensetzung der mRNA ist uns wohlbekannt: 2/5 A und 3/5 G bzw. 40% und 60%.

Schauen wir uns nun die Codesonne an:

Die Wahrscheinlichkeit, in dieser mRNA ein AAA-Codon vorzufinden, beträgt genau 2/5 * 2/5 * 2/5 = 8/125 bzw. 6,4%. Die Wahrscheinlichkeit, ein AAG, ein AGA oder ein GAA-Codon zu finden, beträgt genau 2/5 * 2/5 * 3/5 = 12/125 bzw. 9,6%

Die folgende Tabelle zeigt die genauen Wahrscheinlichkeiten, mit der die einzelnen Codons auftreten:

Codon W(Codon) AS
AAA 8/125 Lys
AAG 12/125 Lys
AGA 12/125 Arg
GAA 12/125 Glu
AGG 18/125 Arg
GAG 18/125 Glu
GGA 18/125 Gly
GGG 27/125 Gly

Fassen wir die Wahrscheinlichkeiten zusammen, mit denen wir die vier Aminosäuren in dem Peptid vorfinden, das durch die in-vitro-Translation entsteht, wenn wir die richtigen Komponenten zufügen:

Lysin = 20/125, Arginin = 30/125, Glutamin = 30/125 und Glycin = 45/125. Zusammen sind das 125/125, die Rechnung geht also auf.

Als man in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts den genetischen Code aufklärte, kannte man die Codesonne und den genetischen Code natürlich noch nicht, daher konnte man solche Berechnungen, wie ich sie hier gerade gemacht habe, noch nicht durchführen. Aber wir verstehen nun, wie die Forscher damals vorgegangen sind.

Die prozentuale Zusammensetzung der künstlichen mRNA war bekannt, die Reihenfolge der Basen aber nicht. Man konnte aber die Wahrscheinlichkeit der verschiedenen Codons berechnen. Das durch Translation gebildete Peptid konnte mit den damaligen Mitteln analysiert werden, das heißt, man konnte herausfinden, welche Aminosäuren zu wie viel Prozent in diesem Peptid vorkommen.

Wenn nun die Aminosäure Lysin zu 16% in dem Peptid vorkam, und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bestimmten Codons ebenfalls bei 16% lag, dann war die Sache klar, dann wahr dieses Codon höchstwahrscheinlich für diese Aminosäure verantwortlich.

Dummerweise gibt es 64 mögliche Codons, aber nur 20 bis 21 verschiedene Aminosäuren. Für manche Aminosäuren existieren also mehrere Codons, so auch in unserem obigen Beispiel. Lysin wird zum Beispiel sowohl durch AAA wie auch durch AAG codiert. Diese Redundanz des genetischen Codes machte anfangs natürlich Schwierigkeiten bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeiten, aber durch geschicktes Experimentieren und mathematische Findigkeit konnten diese Probleme dann bald behoben werden. Einzelheiten erspare ich mir hier, die kenne ich selbst auch noch nicht. Wer Lust hat, kann da ja mal recherchieren und mir dann einen Gastbeitrag schicken, den ich hier veröffentlichen kann.

Versuch 4

Man synthetisierte mRNAs, die nur aus drei Nucleotiden bestanden. Man sollte nun denken: "Diese kurzen RNA-Moleküle können unmöglich die beiden Ribosomen-Untereinheiten an sich binden, dafür sind sie viel zu kurz!". Irrtum! Zum Glück für die Wissenschaftler bildeten sich tatsächlich solche Trinucleotid-Ribosomen-Komplexe.

Diese Komplexe konnten nur jeweils eine spezifische tRNA binden. An den Komplex aus der mRNA UGU und einem Ribosom band sich zum Beispiel die tRNA für die Aminosäure Cystein, also Cys-tRNA.

In der Theorie hört sich das gut an, doch wie bekommt man in der Praxis heraus, welche tRNA sich an welchen mRNA-Ribosomen-Komplex gebunden hat?

Und auch hierfür hatten die Wissenschaftler um Nirenberg eine gute Idee: "Trinucleotid-Ribosomen-Komplexe wurden auf Membranfiltern mit einer bestimmten definierten Porengröße zurückgehalten, während die viel kleineren, freien, nicht ans Ribosom gebundenen tRNA-Moleküle ungehindert durch das Filter laufen." (aus Knippers, molekulare Genetik, 1995). Anschließend mussten die zurückgehaltenen Ribosomen-mRNA-tRNA-Komplexe nur noch "eingesammelt" und analysiert werden.

Lernkarten:

Interne Links:

Translation

Externe Links:

Simulationsversuche von Nirenberg am PC selbst durchführen!

Eine informative Website über Nirenbergs Experimente

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