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B978-3-437-41387-2.00002-4

10.1016/B978-3-437-41387-2.00002-4

978-3-437-41387-2

Abb. 2.1

[L253]

Zellkern und endoplasmatisches Retikulum

Abb. 2.2

[L253]

Aufbau des Chromatins

  • a)

    Nucleosom

  • b)

    mehrere Nucleosomen und Linker-DNA

  • c)

    Nucleosomen und H1-Histone

Abb. 2.3

[L253]

Verdichtung des Chromatins

Abb. 2.4

[F362–002]

Aufnahme der Chromosomen 1–5 sowie Schema des vollständigen Chromosomensatzes eines Mannes

Abb. 2.5

[L253]

DNA und RNA gegenübergestellt. Beachtet die Verknüpfung der Nucleotide über das Zucker-Phosphat-Rückgrat

Abb. 2.6

[L253]

Basenpaarung mittels Wasserstoffbrücken

Abb. 2.7

[L253]

Schema der DNA-Doppelhelix

Abb. 2.8

[L253]

Schematischer Aufbau eines Gens

Abb. 2.9

[L253]

RNA-Polymerase bei der Transkription

Abb. 2.10

[L253]

Wenn man einen Doppelstrang aus der reifen mRNA (rot) und dem zugehörigen DNA-Abschnitt erzeugt, haben die Introns der DNA keinen Partner (denn die sind bereits aus der mRNA herausgespleißt). Folglich erkennt man sie gut als Schleifen, die keinen Kontakt zur mRNA haben

Abb. 2.11

[L253]

Die Code-Code-SonneSonne

Dreiecke kennzeichnen Startcodons, Punkte kennzeichnen Stoppcodons. Die Sternchen machen deutlich, dass die jeweiligen Aminosäuren durch unterschiedliche Codons, die sich in der ersten Base unterscheiden, codiert werden

Abb. 2.12

[L253]

Schema einer tRNA. Die Sternchen stehen für „seltene Basen“

Abb. 2.13

[L253]

Translation

Abb. 2.14

[L253]

Transkription, Translation, Replikation

Abb. 2.15

[L253]

Schema der zirkulären mitochondrialen DNA

RNAs

Tab. 2.2
RNA Funktion
hnRNA/prä-mRNA (heterogeneous nuclear RNA) Unmittelbares Produkt der Transkription
mRNA (messenger RNA) Entsteht durch Reifung der prä-mRNA und wird bei der Translation als Vorlage zur Synthese des Proteins genutzt
tRNA (transfer RNA) Bringt Aminosäuren zum Ribosom
rRNA (ribosomal RNA) Bestandteil der Ribosomen
snRNA (small nuclear RNA) Bestandteil des Spleißosoms, hilft bei der Reifung der prä-mRNA
miRNA (micro RNA) Kann Abbau von mRNA auslösen und reguliert auf diese Weise die Proteinbiosynthese nach der Transkription

Transkription und Translation – Das Tagesgeschäft der Zelle

  • 2.1

    Zellkern (Nucleus)35

    • 2.1.1

      Nucleolus36

  • 2.2

    Organisation des Chromatins36

    • 2.2.1

      Histone37

    • 2.2.2

      Chromosomen38

  • 2.3

    DNA und RNA39

    • 2.3.1

      Struktur der DNA39

    • 2.3.2

      Struktur der RNA42

  • 2.4

    Transkription42

    • 2.4.1

      Reifung der prä-mRNA43

  • 2.5

    Genetischer Code und Translation44

    • 2.5.1

      Genetischer Code44

    • 2.5.2

      Translation45

    • 2.5.3

      Posttranslationale Modifikation46

  • 2.6

    Exkurs: Mitochondriale DNA47

    • 2.6.1

      Hemmstoffe der Translation48

    • 2.6.2

      Die verschiedenen RNAs48

  • 2.7

    Übungen49

Bevor wir uns voll auf Transkription und Translation stürzen, müssen wir uns erst etwas mit dem großen Thema DNA an sich befassen. Wir beginnen mit einem Nachtrag zu dem Organell, in dem sich ein Großteil unserer Erbinformation befindet.

Zellkern (Nucleus)

Da die Erbinformation quasi die Bauanleitung für alle anderen Organellen und Enzyme darstellt, genießt sie besonderen Schutz. Sie schwimmt folglich nicht frei im Zytoplasma (zumindest bei Eukaryonten), sondern befindet sich im Nucleus. Der Nucleus selbst besteht aus einer Doppelmembran (also zwei Phospholipiddoppelschichten), die das sogenannte Karyoplasma umschließt. Im Karyoplasma findet sich unsere Erbinformation in Form der Chromosomen. Die Substanz, aus der die Chromosomen bestehen, wird Chromatin genannt. Chromatin ist der Sammelbegriff für die DNA und die Proteine, die mit ihr assoziiert sind. Die äußere Doppelmembran geht nahtlos ins endoplasmatische Retikulum über (Abb. 2.1). Der inneren Membran liegt von innen die Kernlamina an. Diese besteht vorwiegend aus verschiedenen Intermediärfilamenten, die Lamine genannt werden. Defekte in den Genen für diese Lamine können verschiedenste Auswirkungen haben. Am prominentesten ist wahrscheinlich das Hutchinson-Gilford-Progerie-Hutchinson-Gilford-Progerie-SyndromSyndromZellkern, bei dem die betroffenen Patienten rapide „altern“ und oftmals schon im Kindesalter massive arteriosklerotische Gefäßveränderungen zeigen.
Natürlich muss es auch die Möglichkeit geben, dass Stoffe vom Zytoplasma in den Kern gelangen und umgekehrt. Dafür gibt es einerseits Kernporen, andererseits auch Proteinkomplexe, die Importine genannt werden, und größere Moleküle wie etwa Histone, mit denen wir uns noch befassen werden, in den Kern zu schleusen.

Achtung!

Im Zellkern kommen zwar Proteine vor, diese werden aber, wie alle anderen auch, im Zytoplasma synthetisiert und nicht etwa im Kern. Damit sie auch tatsächlich in den Kern gelangen, enthalten diese Proteine eine kurze Aminosäurensequenz, die Nuclear Localization Signal genannt wird. Das NLS wird von einem Protein mit dem passenden Namen Importin gebunden und der entstehende Komplex wandert in den Kern.

Nucleolus

Wenn man gefärbte Zellen durchs Lichtmikroskop beobachtet, fällt einem im Zellkern eine Struktur auf, die vergleichsweise auffällig angefärbt ist. Je nach Gewebe- bzw. Zelltyp ist diese Anfärbbarkeit mehr oder weniger ausgeprägt. Die gefärbte Struktur wird Kernkörperchen oder NucleolusNucleolus genannt. Auch wenn es vielleicht so aussieht, ist der Nucleolus nicht klar vom restlichen Kern abgegrenzt. Er wird von Abschnitten der Chromosomen gebildet, die Nucleolus Organizer Regions (NOR)Nucleolus Organizer Regions (NOR) heißen. NORs finden sich nur auf den Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 (merken!), die zu den sogenannten akrozentrischen Chromosomen zählen.
Was macht der Nucleolus? Ihr erinnert euch vielleicht noch, dass die Ribosomen aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA) bestehen. Und genau diese rRNA wird im Nucleolus transkribiert (also von den jeweiligen DNA-Abschnitten abgelesen). Da Ribosomen zur Herstellung von Proteinen benötigt werden, finden sich in stoffwechselaktiven Zellen, die große Mengen von Proteinen herstellen, viele Ribosomen. Entsprechend ist der Bedarf an rRNA hoch, sodass es sogar mehrere Nucleoli geben kann, in denen die rRNA synthetisiert wird.

Organisation des Chromatins

Wir haben gelernt, dass unsere Erbinformation (die DNA) und die assoziierten Proteine als Chromatin bezeichnet werden.

Für Ahnungslose

Was bedeutet „assoziierte Proteine“? DNA assoziierte Proteine sind Proteine, die mit der DNA interagieren. Man unterteilt diese Gruppe grob in Histone (auf die wir noch detailliert eingehen werden) und Nicht-Histon-Proteine, wie z. B. die Enzyme, die an der Vervielfältigung der DNA beteiligt sind.

Die DNA hat eigentlich die Form eines langen Fadens. Da sie aber ziemlich lang und der Zellkern vergleichsweise klein ist, ergäbe sich ein Platzproblem. Die Lösung? Man rollt den Faden auf!

Histone

Jeder der schon mal versucht hat, einen Faden aufzuwickeln, sollte wissen, dass es hilfreich ist, den Faden um einen Gegenstand herum zu wickeln. Im Zellkern stellen globuläre Proteine, die Histone genannt werden, diesen Gegenstand dar. Der DNA-Faden wickelt sich dabei rund 1 ¾-mal um ein HistonHiston. Die Histone liegen allerdings nicht einzeln vor. Acht Histone bilden ein Oktamer. Die Gruppe der Histone lässt sich noch weiter unterteilen und ihr solltet wissen, dass ein Oktamer aus je zwei Histonen vom Typ H2a, H2b, H3 und H4 besteht. Wickelt sich nun die DNA um ein Histon-Oktamer, spricht man von einem Nucleosom. Was ist mit dem Histon H1? Histone vom Typ H1 stabilisieren die DNA zwischen den Nucleosomen, die auch als Linker-DNA (link = Verbindung) bezeichnet wird (Abb. 2.2).

Lerntipp

Wenn ihr euch diesen Fakt schwer merken könnt, denkt an euren Nachbarn HEins Linker, der seinen Gartenschlauch aufwickelt.

Für Ahnungslose

Warum hält die DNA eigentlich an den Histonen? Die DNA enthält ein sogenanntes Phosphatrückgrat, also ein Grundgerüst aus negativ geladenen Phosphatgruppen. Histone bestehen dagegen aus vielen basischen Aminosäuren (wie Lysin), die bei dem in der Zelle vorherrschenden pH positiv geladen sind, sodass es zu elektrostatischen Anziehungskräften zwischen Histonen und DNA kommt. Durch das Anhängen von funktionellen Gruppen (Methylierung, Acetylierung etc.) an die Histone können die Anziehungskräfte zwischen Histonen und DNA beeinflusst werden. Je stärker die Anziehungskräfte, desto schwerer wird es für Enzyme, die die DNA zur Synthese von RNA nutzen, den DNA-Strang zu binden. Histonmodifikationen können folglich auf das Ausmaß der RNA- bzw. Protein-Synthese Einfluss nehmen, was im Rahmen der Epigenetik zunehmend erforscht wird.

Das aufgelockerte Chromatin wird EuchromatinEuchromatin genannt, wohingegen eng gepacktes Chromatin als HeterochromatinHeterochromatin bezeichnet wird.

Chromosomen

Kann man die DNA noch weiter kondensieren? Man kann! Packt man mehrere Nucleosomen zusammen, spricht man vom SolenoidSolenoid (Abb. 2.3).
Kurz bevor eine Zelle sich teilt (Mitose), verdichtet sich das Chromatin noch weiter. Nun wird es sogar lichtmikroskopisch sichtbar. Man erkennt in der Regel 46 Strukturen (die DNA ist also nicht EIN langer Faden), die ChromosomenChromosomen genannt werden. Schaut man sich das Ganze genauer an – hierfür fertigt man ein sogenanntes Karyogramm an, bei dem die Mitose durch Colchicin (Kapitel 1.5.1) arretiert wird – erkennt man, dass sich manche Chromosomen sehr ähnlich sehen. Unsere 46 Chromosomen bestehen nämlich aus 23 homologen Chromosomenpaaren. Das heißt nicht, dass diese Chromosomen permanent aneinander hängen, sondern dass sich auf beiden Gene finden, die für die gleichen Proteine codieren. Dabei stammt ein Chromosom von eurer Mutter und das andere von eurem Vater. Dieser doppelte Chromosomensatz, der in den meisten Zellen unseres Körpers vorliegt, wird auch als diploid bezeichnet und mit 2n abgekürzt. Gibt es auch Zellen, in denen ein einfacher bzw. haploider (n) Chromosomensatz vorliegt? Ja, und zwar in den Spermien und Eizellen! Wenn auch in diesen Zellen ein doppelter Chromosomensatz vorläge, hätte die befruchtete Eizelle demzufolge einen vierfachen Chromosomensatz.
Man kann die Chromosomen zudem in Geschlechtschromosomen (GonosomenGonosomen) und AutosomenAutosomen unterteilen. Die Chromosomenpaare 1–22 sind bei beiden Geschlechtern vorhanden. Zusätzlich verfügen Frauen über zwei X-Chromosomen, wohingegen Männer ein X- und ein Y-Chromosom besitzen. Das Vorhandensein von X- bzw. Y-Chromosomen bestimmt also das Geschlecht (Abb. 2.4).
Erfreulicherweise bieten die Chromosomen noch einige Strukturmerkmale, anhand derer sie sich genauer beschreiben lassen.
Lage des Zentromers:
Kurz vor der Mitose muss die Erbinformation verdoppelt werden, damit jede Tochterzelle über einen vollständigen Chromosomensatz verfügt. Wenn die Erbinformation eines Chromosoms verdoppelt wird, entsteht dabei aber kein weiteres Chromosom, sondern eine Kopie, die mit ihrer Vorlage verbunden bleibt. Auf diese Weise entsteht die charakteristische X-Form des Chromosoms. Die beiden Äste (Vorlage und Kopie) werden Chromatide genannt. Das gesamte Gebilde heißt Zwei-Chromatid-Chromosom. Der Ort, an dem die Chromatide verbunden sind, heißt Zentromer. An dieser Stelle werden die Chromatiden auch bei der Mitose getrennt und zu gegenüberliegenden Zellpolen gezogen. Nach der Lage des Zentromers lassen sich die Chromosomen weiter klassifizieren:
  • Liegt das Zentromer genau in der Mitte des Chromosoms, spricht man von metazentrischenChromosomen:metazentrisch Chromosomen.

  • Ist das Zentromer leicht verschoben, sodass kurze und lange Arme entstehen, spricht man von submetazentrischenChromosomen:submetazentrisch Chromosomen.

  • Ist das Zentromer noch weiter von der Mitte entfernt (fast schon endständig), sodass die kurzen Arme des Chromosoms fast verschwunden sind, spricht man von akrozentrischenChromosomen:akrozentrisch Chromosomen.

Armlänge:
Bei submetazentrischen und akrozentrischen Chromosomen lassen sich kurze (p) und lange (q) Arme unterscheiden. Diese Unterscheidung wird wichtig, wenn man die genaue Position eines Gens auf dem Chromosom angeben will.

Für Ahnungslose

Warum wird der kurze Arm p-Arm und der lange Arm q-Arm genannt? „p“ steht für petit (= französisch für „klein“) und „q“ ist der nächste Buchstabe im Alphabet.

Kinetochor:
Als Kinetochor bezeichnet man eine Struktur, die vorwiegend aus Proteinen besteht, am Zentromer sitzt und an der sich die Mikrotubuli des Spindelapparats bei der Mitose verankern können.
Telomer:
Telomere sind Regionen an den Enden der Chromosomen, die nicht für Proteine codieren, sondern die „wichtigen“ Abschnitte des Chromosoms schützen. Mehr dazu erfahrt ihr in Kapitel 3.2.1.
Außerdem solltet ihr über die Rekordhalter unter den Chromosomen Bescheid wissen, die bereits im Physikum gefragt wurden:
  • Chromosom 1 ist das größte menschliche Chromosom.

  • Chromosom 19 ist zwar kleiner als Chromosom 1, verfügt aber über die höchste Gendichte.

  • Das männliche Y-Chromosom ist das kleinste – und als ob das nicht genug wäre, hat es auch noch die geringste Gendichte.

Nachdem wir nun die wichtigsten Fakten zum Aufbau der Chromosomen kennen, werden wir uns in Kapitel 3.5 mit ihren Defekten und weiteren Details befassen.

DNA und RNA

Nun müssen wir uns noch anschauen, wie DNA und RNA aufgebaut sind. Diese Themen werden euch allerdings in der Biochemie nochmal detaillierter begegnen, sodass wir uns hier auf die für uns relevanten Fakten beschränken werden.

Struktur der DNA

DNADNA steht für DesoxyribonucleinsäureDesoxyribonucleinsäure. Sie besteht aus Nucleotiden. Alle Nucleotide wiederum bestehen aus einem Zucker namens 2-Desoxyribose (einer Pentose), die an eine Phosphatgruppe gebunden ist. Zusätzlich trägt jeder Zucker eine Base und in diesem Punkt unterscheiden sich die Nucleotide (Abb. 2.5). In der DNA kommen in der Regel vier Basen vor. Sie heißen:
  • Adenin (A) und Guanin (G) (sogenannte Purinbasen)

  • Cytosin (C) und Thymin (T) (sogenannte Pyrimidinbasen)

Für Ahnungslose

Was ist eine Pentose? Eine Pentose ist ein Zucker, der aus fünf Kohlenstoffatomen besteht.

Lerntipp

  • Purine haben einen kurzen Namen, aber ein großes Molekül. Bei Pyrimidinen ist es umgekehrt.

  • Zu den Pyrimidinen gehören die Basen, die ein y im Namen tragen.

Die Nucleotide sind in der DNA zu langen Strängen verknüpft. Dabei sind die Zucker an ihrem dritten und fünften C-Atom über Phosphatbrücken miteinander verbunden. Am einen Ende eines Strangs findet sich folglich eine freie 3'-OH-Gruppe, am anderen Ende eine freie 5'-OH-Gruppe, sodass man die Enden auf diese Weise unterscheiden kann. Das ist wichtig, wenn man die Basenfolge auf dem Strang angeben will.

Achtung!

Adenin ist eine Base. Wenn man von dem Nucleotid sprechen will, das die Base Adenin enthält (also Adenin + Zucker + Phosphat), dann bezeichnet man dieses als Adenosin. Die Nomenklatur gestaltet sich auch für die anderen Basen ähnlich:

  • Guanin (Base) → Guanosin (Nucleotid)

  • Thymin (Base) → Thymidin (Nucleotid)

  • Cytosin (Base) → Cytidin (Nucleotid)

Die DNA liegt in der Regel nicht als einzelner Strang, sondern als Doppelstrang vor. Dafür lagern sich zwei Stränge zusammen und gegenüberliegende Basen der beiden Stränge bilden Wasserstoffbrücken zueinander aus. Diese Wasserstoffbrücken können, im Gegensatz zu kovalenten Bindungen, auch gut wieder gelöst werden, doch dazu später mehr.
Viel wichtiger ist zunächst, dass nur bestimmte Basen miteinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden (Abb. 2.6):
  • Adenin bildet zwei Wasserstoffbrücken zu Thymin.

  • Guanin bildet drei Wasserstoffbrücken zu Cytosin.

Folglich müssen zwei DNA-Stränge, damit sie einen Doppelstrang bilden können, komplementär sein, also zueinander passen.
Da G und C mehr Wasserstoffbrücken ausbilden als A und T, sollte klar sein, dass Regionen des DNA-Doppelstrangs, in denen viel GC vorkommt, stabiler sind als solche, in denen vor allem Adenin und Thymin vorliegen.

Lerntipp

Eine weit hergeholte, aber effektive Eselsbrücke:

Die Buchstaben G und C sehen fast gleich aus. Ein G ist quasi ein C mit einem kleinen Strich am unteren Ende. Folglich sind G und C verwandt … und da Blut dicker als Wasser ist, bilden sie auch mehr Wasserstoffbrückenbindungen aus, da die den Zusammenhalt stärken.

Der DNA-Doppelstrang liegt in unseren Zellen nicht linear, sondern als Doppelhelix vor. Die einzelnen Stränge sind umeinander gewunden. Das Rückgrat wird dabei von den Zuckern und Phosphatgruppen gebildet (man spricht auch vom Zucker-Phosphat-Rückgrat), während die Basenpaare wie Sprossen einer Leiter die beiden Stränge der Doppelhelix verbinden (Abb. 2.7).
Zwei Fakten zur Doppelhelix:
  • Die Doppelhelix ist vorwiegend rechtsgängig (eine Ausnahme ist die Z-DNA).

  • Die Ganghöhe, also die Distanz, nach der sich die Helix einmal komplett gedreht hat, beträgt zehn Basenpaare.

Wenn man nun einen Strang der Länge nach abliest, ergibt sich eine Basensequenz (z. B. ATTCGGG etc.). Diese Sequenz sagt den Ribosomen unserer Zelle, welche Aminosäuren sie zu einem Protein verknüpfen sollen. Allerdings codieren nicht alle Abschnitte unserer DNA für Proteine.
  • An den Telomeren und Zentromeren der Chromosomen findet sich repetitive DNA, die keine Informationen für die Synthese von Proteinen enthält. Übrigens: Je nach Quelle beträgt der Anteil repetitiver DNA an der gesamten Erbinformation bis zu 50 %.

  • Codierende Sequenzen (sogenannte Exons) werden oftmals durch Sequenzen unterbrochen, die nicht für eine Aminosäurensequenz codieren (sogenannte Introns). Mit Exons und Introns werden wir uns noch genauer beschäftigen.

Andererseits gibt es aber auch Gene für Proteine, die mehrfach in der DNA vorhanden sind (man spricht von RedundanzRedundanz). Diese Gene codieren in der Regel für Proteine, die viel gebraucht werden, z. B. weil sie Bestandteil von Ribosomen sind.

Struktur der RNA

Die RNA ist in ihrem Aufbau der DNA weitgehend ähnlich – umso wichtiger ist es, die Unterschiede zu kennen (Abb. 2.5)!
  • Der Zucker der RNA-Nucleotide ist nicht die 2-Desoxyribose, sondern die Ribose. Daher stammt auch das R in RNA.

  • Die vier wichtigsten Basen der RNA sind Guanin, Cytosin, Adenin und Uracil (U). Thymin kommt in der RNA nicht vor. Es gibt auch sogenannte „seltene Basen“, die für ganz bestimmte Funktionen wichtig sind und euch in der Biochemie begegnen werden.

  • Die RNA ist meistens einzelsträngig, wobei es auch hier gelegentliche Ausnahmen gibt.

Im Verlauf dieses Kapitels werdet ihr verschiedene Arten von RNA kennenlernen, die am Ende in Tab. 2.2 zusammengefasst sind.

Transkription

Alle Proteine unserer Zellen sind also in der DNA codiert und warten nur darauf, synthetisiert zu werden. Genau mit diesem Vorgang, der Proteinbiosynthese, wollen wir uns nun beschäftigen. Damit ein Protein synthetisiert werden kann, muss die Information, die in der DNA codiert ist, irgendwie den Zellkern verlassen. Die Zelle nutzt dafür RNAs, und der Vorgang, bei dem diese gebildet werden, heißt Transkription.Transkription In diesem Kapitel werden wir uns genau damit befassen, um uns danach dem Vorgang an den Ribosomen, der Translation,Translation zu widmen.
Wir wollen also die Informationen der DNA irgendwie zu den Ribosomen bringen, damit ein Protein entstehen kann. Man könnte nun versuchen, das ganze Chromosom aus dem Zellkern zu schleifen. Aber wäre es nicht besser, man würde sich auf genau die Information beschränken, die auch wirklich gebraucht wird? Man könnte nun also das Gen herausschneiden, aber die Gefahr, dass dabei unser wertvolles Gen oder gar das Chromosom zerstört wird, ist zu groß. Die Lösung: Eine Kopie des Gens, die den Kern verlassen kann, zum Ribosom gelangt, gelesen wird und dann vernichtet werden kann, ohne dass das ursprüngliche Gen in Gefahr gerät.

Für Ahnungslose

Was ist ein Gen? Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der für eine RNA codiert, die eine Funktion hat. Entweder wird mithilfe der RNA ein Protein hergestellt oder sie erfüllt selbst Aufgaben, wie etwa die ribosomale RNA.

Um die RNA zu synthetisieren, braucht es ein Enzym, die RNA-Polymerase. Diese bindet an die Promotorregion, die Bestandteil eines jeden Gens (Abb. 2.8) ist. An dieser Bindung sind auch Transkriptionsfaktoren beteiligt, über die reguliert werden kann, wie häufig ein Gen transkribiert wird. Damit die RNA-Polymerase die DNA unseres Gens auch tatsächlich lesen kann, muss sie lokal den Doppelstrang trennen, denn es wird immer nur von einem Strang abgelesen. Dieser wird auch Matrize oder codogener Strang genannt. Man bezeichnet die Fähigkeit, die Stränge zu trennen, auch als Helicase-Aktivität, da es ein Enzym namens DNA-Helicase gibt, das ebenfalls dazu in der Lage ist.

Für Ahnungslose

Gibt es noch andere Möglichkeiten, die Genaktivität zu regulieren? Ja, und zwar einige! Eine Möglichkeit besteht in der Methylierung der DNA. Außerdem können auch die Histone modifiziert werden. Neben der Methylierung solltet ihr in diesem Zusammenhang auch die Acetylierung kennen.

Die RNA-Polymerase kommt aber ohne dieses Enzym aus, trennt die Stränge selbst und beginnt die RNA zu synthetisieren. Dafür knüpft sie freie Nucleotide aneinander (Abb. 2.9). Der genaue Mechanismus wird in der Biochemie wichtig, deswegen solltet ihr euch an dieser Stelle vor allem merken, dass die RNA-Polymerase immer die 3'-OH-Gruppe der bestehenden Kette nutzt, um sie mit einem neuen Nucleotid zu verbinden. Folglich bleibt die 5'-OH-Gruppe des ersten Nucleotids dauerhaft frei. Man sagt deshalb, dass die RNA von 5' nach 3' synthetisiert wird. Die entstehende RNA-Kette wird als prä-mRNA prä-mRNA(das „m“ steht für „messenger“) bzw. hnRNA hnRNA(„hn“ steht für „heterogeneous nuclear“) bezeichnet. Erreicht die RNA-Polymerase die Terminator-Region, die das Ende eines Gens markiert, dissoziiert die RNA-Polymerase von der DNA ab.
Erinnert ihr euch noch daran, dass wir gesagt hatten, dass nur bestimmte Abschnitte unserer DNA, die Exons, für Proteine codieren? Ein Gen besteht aber sowohl aus Exons als auch aus nicht codierenden Introns. Was macht man nun? Die Introns rausschneiden! Das Ganze ist Teil der Reifung unserer prä-mRNA zur fertigen mRNA.

Reifung der prä-mRNA

Für die Klausur

Fakten zur Reifung bzw. zum Processing der prä-mRNA lassen sich gut abprüfen und erfreuen sich vor allem in schriftlichen Prüfungen großer Beliebtheit – gerade im Hinblick auf die Biochemie.

5'-Cap:
Unsere frisch hergestellte prä-mRNA muss es nun aus dem Kern zum Ribosom schaffen – wenn möglich ohne abgebaut zu werden. Dafür knüpft die Zelle an das 5'-Ende der prä-mRNA ein Nucleotid namens 7-Methyl-guanosin. Diese Gruppe wird als Cap und das Anheften der Gruppe als Capping bezeichnet. Die Cap erfüllt gleich mehrere Funktionen:
  • Sie signalisiert der Zelle, dass die mRNA, die die Kappe trägt, nicht abgebaut werden darf, sondern aus dem Kern ins Zytoplasma exportiert werden soll.

  • Außerdem interagiert die Cap mit dem Ribosom und sorgt dafür, dass die mRNA auch tatsächlich erkannt wird.

Wir haben gelernt, dass die RNA-Polymerase die RNA von 5' nach 3' synthetisiert. Folglich muss die Zelle nicht bis zum Ende der Transkription warten, um die Cap anzuheften, sondern kann das Ganze sogar zeitgleich (cotranskriptional) machen.
Poly-A-Ende:
Auch das 3'-Ende der mRNA muss vor dem Abbau geschützt werden. Dafür gibt es ein Enzym, das eine bestimmte Sequenz auf der prä-mRNA erkennt und dann 50–200 Adenosinreste anhängt.
Spleißen: Spleißen
Damit man auch wirklich von einer reifen mRNA sprechen kann, müssen noch die Introns entfernt werden. Dies geschieht in einem Prozess, der Spleißen genannt wird. Das Spleißen geschieht an den Spleißosomen. Dabei handelt es sich um Strukturen im Zellkern (also gewissermaßen ein Organell in einem Organell), die aus spezieller RNA (sogenannter small nuclear RNA)small nuclear RNA und Proteinen bestehen. Die Reaktionen am Spleißosom führen dazu, dass die Introns zunächst sogenannte Lasso-Strukturen bilden und dann abgespalten werden (Abb. 2.10). Die abgespaltenen Introns können sogar noch innerhalb des Kerns abgebaut werden und unsere fertige mRNA ist somit ein gutes Stück kürzer als die ursprüngliche prä-mRNA.
Übrigens: Die sogenannten Kernflecken oder Nuclear Speckles Nuclear Speckleswerden ebenfalls mit dem Spleißen in Verbindung gebracht. Ihre Funktion ist noch nicht abschließend geklärt. In diesem Zusammenhang werden oft auch die Cajal Bodies Cajal Bodieserwähnt, die zudem bei der Synthese der Telomerase von Bedeutung sein sollen.

Genetischer Code und Translation

Die reife mRNA verlässt nun den Zellkern und gelangt ins Zytoplasma. Dort lagern sich eine große und eine kleine ribosomale Untereinheit an der mRNA zusammen und bilden ein Ribosom. Doch bevor wir uns mit der eigentlichen Synthese des Proteins, der Translation, befassen, müssen wir zunächst verstehen, wie die genetische Information codiert ist.

Genetischer Code

Die Ribosomen lesen die Sequenz der mRNA immer in Päckchen aus drei Basen, sogenannten Tripletts bzw. Codons. Jedes Codon steht dabei für eine bestimmte Aminosäure, z. B. sagt die Basenfolge AUG dem Ribosom, dass nun Methionin ins Protein eingebaut werden muss. Dabei werden viele Aminosäuren durch mehrere Codons codiert.
Genetischer Code

Für Ahnungslose

Warum sind oft mehrere Codons einer Aminosäure zugeordnet? Weil es mehr Kombinationsmöglichkeiten als proteinogene Aminosäuren gibt. In einem Triplett kann an jeder Position eine der vier Basen der RNA stehen. Folglich existieren 4 × 4 × 4, also 64 Kombinationsmöglichkeiten. Da es beim Menschen nur 21 proteinogene Aminosäuren gibt, können wir eine Aminosäure mehrfach codieren.

Ihr müsst natürlich nicht alle Codons auswendig können, denn dafür gibt es Code-Sonnen. Liest man sie von innen nach außen, erhält man die Basensequenz, die die jeweilige Aminosäure codiert (Abb. 2.11). Einige Codons muss man allerdings erkennen können – und zwar die, die dem Ribosom sagen, dass es loslegen muss und die, bei denen das Ribosom weiß, dass die Arbeit getan ist:
  • das Codon AUG steht für die Aminosäure Methionin und zeigt dem Ribosom, dass jetzt die Sequenz der mRNA beginnt, aufgrund der das Protein synthetisiert wird. Man bezeichnet AUG deshalb auch als Startcodon.

  • Die Stoppcodons zeigen dem Ribosom, dass es nun keine Aminosäuren mehr verknüpfen muss, entsprechend codieren sie auch für keine Aminosäure. Es gibt drei Stoppcodons: UGA, UAA und UAG

Lerntipp

AUf Geht's, MEhr Protein! Das Startcodon AUG codiert MEthionin!

Für Ahnungslose

Wenn der Start der Translation durch das Codon AUG markiert wird und AUG für Methionin steht, müsste jedes Protein unserer Zellen mit Methionin beginnen, oder? Nein, denn die Proteine werden noch nach der Translation verändert (posttranslational modifiziert). Dabei können unter anderem einzelne Aminosäuren oder ganze Sequenzen abgespalten werden, sodass es in unseren Zellen nicht ganz so eintönig aussieht!

Der genetische Code verfügt zudem über einige Eigenschaften, die man nennen und grob erläutern können sollte. Der genetische Code ist …
  • universell: Egal ob Pflanze, Mensch oder Bakterie – die Zuordnung von Aminosäuren zu Basentripletts ist die gleiche. Lediglich die mitochondriale DNA, auf die wir in diesem Kapitel noch zu sprechen kommen werden, enthält einige kleine Abweichungen.

  • degeneriert: Dieser Begriff bezeichnet die Tatsache, dass eine Aminosäure in der Regel durch mehrere Tripletts codiert wird.

Andere Eigenschaften des genetischen Codes sind mit Sicherheit auch interessant, aber normalerweise nicht prüfungsrelevant.

Translation

Damit das Ribosom nun anhand der mRNA Aminosäuren aneinander knüpfen kann, müssen die Aminosäuren erstmal zu ihm gelangen. Hierfür gibt es spezielle RNAs, die tRNAs (Abb. 2.12). Das T steht dabei aber nicht etwa für „Translation“ oder ihre Struktur (die wird nämlich als „kleeblattartig“ bezeichnet), sondern für „transfer“, also ihre Funktion. Jede tRNA wird von einem Enzym namens Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit einer Aminosäure beladen – aber nicht jede Aminosäure passt zu jeder tRNA. Auf der tRNA gibt es nämlich auch bedeutsame Tripletts, sogenannte Anticodons. Diese Anticodons sind komplementär zu den Codons auf der mRNA. Entsprechend wird also die tRNA, die das passende Anticodon zu AUG (UAC) enthält, mit Methionin beladen (schließlich codiert AUG für Methionin).
TranslationGelangt das Ribosom nun auf der mRNA zum Codon AUG, kommt die passende tRNA dazu und bindet mit ihrem Anticodon an das Codon der mRNA. Die tRNA fungiert also als eine Art Adapter.
Wenn nun das Ribosom weiterrückt und die tRNA, die zum nächsten Codon passt, dazukommt, kann es eine Peptidbindung zwischen den Aminosäuren knüpfen. So geht es weiter, bis das Ribosom auf ein Stoppcodon stößt und von der mRNA abdissoziiert (Abb. 2.13).
In Abb. 2.14 ist schematisch dargestellt, inwiefern sich Transkription, Translation und Replikation voneinander unterscheiden und zu welchen Ergebnissen sie führen.

Posttranslationale Modifikation

Nach der Translation ist das synthetisierte Protein allerdings meistens noch nicht einsatzbereit. Häufig kommt es vorher noch zu mehr oder weniger umfangreichen posttranslationalen Modifikationen. Wir haben bereits das Abspalten einzelner Aminosäuren oder ganzer Sequenzen als eine Möglichkeit der posttranslationalen Modifikation kennengelernt. Der Fachbegriff für diesen Vorgang lautet limitierte Proteolyse. Eine verbreitete posttranslationale Modifikation stellt außerdem das Einfügen von funktionellen Gruppen, wie etwa Hydroxygruppen, in das Protein dar. Ebenfalls erwähnenswert ist das Anhängen von Zuckern (N- bzw. O-Glykosylierung), mit dem wir uns bereits bei der Besprechung der Zellorganellen (Kapitel 1.4) befasst hatten.
Posttranslationale ModifikationZu guter Letzt wird das Protein natürlich auch noch gefaltet, wobei diese Faltung unter Umständen durch die Bildung von Disulfidbrücken (im endoplasmatischen Retikulum) stabilisiert werden kann.
Übrigens: Wird ein Protein nicht richtig gefaltet, kann es genauso wie alte Proteine abgebaut werden. Den Abbau der Proteine im Proteasom haben wir ja bereits kennengelernt.

Exkurs: Mitochondriale DNA

Wir haben uns bereits bei den Zellorganellen (Kapitel 1.4) mit den Mitochondrien befasst, ihre Funktionen kennengelernt und die Endosymbiontentheorie – also der These, dass Mitochondrien mal eigenständige Prokaryonten waren – besprochen. Dabei haben wir diverse Fakten kennengelernt, die diese These stützen. Einen Punkt mussten wir noch etwas zurückstellen, nämlich den, dass Mitochondrien über eigene DNA (mtDNA) verfügen (die Erbinformation unserer Zelle befindet sich also nicht ausschließlich im Kern), und dass sich diese in einigen Punkten von der nucleären DNA unterscheidet. Mit dem Grundwissen an genetischen Fachbegriffen, das ihr im Laufe des letzten Kapitels erworben habt, lässt sich dieses Thema viel leichter besprechen.
  • DNA:MitochondrialeDie DNA der Mitochondrien ist zwar, wie die Kern-DNA auch, doppelsträngig, allerdings ist sie nicht als Chromosom organisiert, sondern bildet einen Ring (aus ca. 16.000 Basenpaaren). Man spricht von zirkulärer DNA (Abb. 2.15).

  • Im Gegensatz zur Kern-DNA ist die mitochondriale DNA nicht um Histone gewickelt, was bei einem zirkulären Genom wahrscheinlich auch relativ unpraktisch wäre.

  • Da in den Mitochondrien oftmals Sauerstoffradikale entstehen (schließlich ist hier auch die Atmungskette organisiert), wird kontrovers diskutiert, ob mtDNA ein im Vergleich zur nucleären DNA erhöhtes Mutationsrisiko aufweist.

Translationshemmstoffe

Tab. 2.1
HemmstoffeMechanismusVorkommen/Verwendung
DiphtherietoxinHemmt den Elongationsfaktor eEF-2Toxin des Bakteriums Corynebacterium diphtheriae
AminoglykosideHemmen 30S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
TetracyclineHemmen 30S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
ChloramphenicolHemmt 50S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
ClindamycinHemmt 50S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
LinezolidHemmt 50S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
LincomycinHemmt 50S-Untereinheiten der RibosomenAntibiotikum
Was ist nun alles in der mitochondrialen DNA codiert? Die mtDNA codiert für 13 Proteine, die in der Atmungskette von Bedeutung sind. Allerdings enthält sie auch Informationen für einige tRNAs und rRNAs, sodass wir auf insgesamt 37 Gene kommen.

Achtung!

Die Tatsache, dass die mtDNA für Proteine codiert, bedeutet nicht, dass Mitochondrien keine Proteine aus dem Zytosol importieren müssten. Wahrscheinlich sind sogar mehr als ¾ der Proteine, die in den Mitochondrien aktiv sind, im Kern codiert.

Hemmstoffe der Translation

Wenn die Translation gehemmt wird, kann die Zelle weniger oder im schlimmsten Fall gar keine Proteine synthetisieren. Dass das für Zellen nicht gut ist, erklärt sich von selbst. Einerseits können wir die gezielte Hemmung der Translation in Form von Antibiotika nutzen, um uns gegen Bakterien zu helfen, andererseits gibt es aber auch Bakterien, die Translationshemmstoffe gegen unsere Zellen einsetzen. Ihr seht: In unserem Körper wird mit harten Bandagen gekämpft – und die wichtigsten Vertreter solltet ihr kennen.
Translation:Hemmstoffe

Für die Klausur

Da die Translationshemmstoffe, die wir als Antibiotika einsetzen, nur an 30S- bzw. 50S-Untereinheiten, also an den 70S-Ribosomen der Prokaryonten, wirken, könnte man meinen, dass diese Antibiotika die Zellen unseres Körpers schonen und keine unerwünschten Nebenwirkungen zeigen. Spätestens beim Blick auf die Packungsbeilage von Aminoglykosiden wird man merken, dass dem nicht so ist. Das liegt daran, dass auch unsere körpereigenen Zellen über 70S-Ribosomen verfügen … denkt mal an die Mitochondrien!

Ihr solltet wissen, an welcher Untereinheit die Translationshemmstoffe ansetzen. Denkt deshalb daran, dass man Aktien immer zu einem höheren Preis verkaufen soll als man sie eingekauft hat:

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Aminoglykoside und Tetracycline hemmen die 30S-Untereinheit, Chloramphenicol, Clindamycin, Erythromycin, Linezolid und Lincomycin wirken an der 50S-Untereinheit.

Die verschiedenen RNAs

Zu guter Letzt noch die versprochene Tabelle zu den verschiedenen RNAs. Einige von ihnen haben wir bereits in diesem Kapitel kennengelernt, von den anderen solltet ihr trotzdem gehört haben.

Die RNA-Polymerasen der Eukaryonten

Tab. 2.3
EnzymFunktion
RNA-Polymerase ISynthetisiert den Großteil der rRNAs
RNA-Polymerase IISynthetisiert die prä-mRNAs
RNA-Polymerase IIISynthetisiert die tRNAs, diverse kleine RNAs und die 5S-rRNA
RNAFür die verschiedenen RNAs gibt es auch verschiedene Enzyme, die sie herstellen. Die drei RNA-Polymerasen der Eukaryonten findet ihr in der Tabelle.

Für die Klausur

Nach α-Amanitin,<03B1>-Amanitin dem Gift des grünen Knollenblätterpilzes, wird in Prüfungen gern gefragt. Es hemmt vorwiegend die RNA-Polymerase II (in großen Mengen auch die RNA-Polymerase III). Merkt euch: Wenn ihr Knollenblätterpilze Mampft, könnt ihr keine MRNAs mehr machen.

Übungen

1. Vervollständige:
  • Das Startcodon ________ codiert für die Aminosäure _______.

  • Die Reife mRNA trägt eine ____ Cap und einen ________ Poly-A-Schwanz.

  • Zum Arretieren der Mitose bei der Erstellung eines Karyogramms, kann man z. B. ____________ verwenden.

2. Welche Aussage trifft nicht zu?
  • a)

    Chromosom 19 verfügt über die höchste Gendichte.

  • b)

    Die RNA-Polymerase III synthetisiert den Großteil der tRNAs.

  • c)

    Posttranslationale Modifikationen sind für die Funktion der meisten Proteine essenziell.

  • d)

    Antibiotika, die an 70S-Ribosomen ansetzen, verursachen keine Nebenwirkungen.

Für die Klausur

Phrasen wie „in der Regel“, „meistens“ und „selten“ signalisieren oft zutreffende Antworten, da sie juristische Sicherheit bieten. Wenn eine Frage Formulierungen wie „ausschließlich“, „nie“, „immer“ oder „nur“ enthält, muss man als Student nur ein Gegenbeispiel vorbringen können und könnte die Physikumsfrage anfechten! Deswegen sind Antworten, die diese „harten“ Formulierungen enthalten, meistens nicht zutreffend. Dies muss allerdings nicht zwangsläufig der Fall sein.

3. Welche Basen bilden in der DNA Wasserstoffbrücken miteinander? Und wie viele?
4. Welche Aussage trifft zu?
  • a)

    Aminoglykoside binden an die 50S-Untereinheiten bakterieller Ribosomen.

  • b)

    Mitochondriale DNA codiert alle Proteine, die das Mitochondrium für seine Stoffwechselwege benötigt.

  • c)

    Beim Spleißen der hnRNA werden die Exons entfernt.

  • d)

    Beim Spleißen der hnRNA werden die Introns entfernt.

Für die Klausur

Wenn ihr bei einer Klausurfrage völlig ahnungslos seid, versucht Antwortmöglichkeiten zu finden, die sich widersprechen. Das ist natürlich nicht immer so offensichtlich wie in Aufgabe 4, aber wenn es euch gelingt, steigt eure Chance richtig zu raten auf 50 %.

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