Über den genetischen Code ist an dieser Stelle bereits einiges bekannt. So wissen wir, dass je drei Nucleotide ein Codon bilden, welches für eine Aminosäure codiert.
Warum besteht ein Codon aus drei Nucleotiden?
Es gibt 20 Aminosäuren, die codiert werden müssen. Bestünde ein Codon nur aus einem Nucleotid, so könnte die DNA nur für vier Aminosäuren codieren.
Base = Buchstabe der DNA
Codon = Wort der DNA
Gen = Abschnitt der DNA, der für ein Protein codiert.
Besteht ein Codon dagegen aus drei Nuclotiden, einem so genannten Basen-Triplett, so gibt es genau 64 verschiedene Kombinationen, das sollte für die 20 Aminosäuren völlig ausreichen.
Ein Codon, das aus vier Nucleotiden bestünde, könnte sogar 256 verschiedene Aminosäuren codieren, weit mehr, als für die Synthese von Proteinen benötigt werden.
Also ist die Länge von 3 Nucleotiden (Basen) für ein Codon optimal.
|
Wichtige Fachbegriffe: Codon = Eine Abfolge von Nucleotiden bzw. Basen, die eine Aminosäure codiert. Triplett = Drei Nucleotide bzw. Basen, die aufeinander folgen. |
Codonlänge 2 - 16 Aminosäuren
Codonlänge 3 - 64 Aminosäuren
Codonlänge 4 - 256 Aminosäuren
Experiment Typ I
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.
|
Versuchsanleitung: Stelle künstliche mRNA her, gib sie in ein Reagenzglas, füge alle notwendigen Komponenten für die Translation hinzu (Ribosomen-Untereinheiten, Energieträger wie ATP oder GTP, notwendige Enzyme und natürlich die Rohstoffe A, U, G und C in ihrer aktivierten Form, nämlich als Triphosphate. |
Schauen wir uns zum Beispiel die mRNA an, die ausschließlich aus U-Nucleotiden besteht und daher als Poly-U bezeichnet wird: UUUUUUU....
Wie man es auch dreht und windet, die Ribosomen der Prokaryotenzelle können aus dieser mRNA zwar ein Protein herstellen, aber es wird immer die gleiche Aminosäure in dieses Protein eingebaut, nämlich Phenylalanin. Das gebildete Protein hat also die Aminosäure-Sequenz Phe-Phe-Phe-Phe-.....
Damit wäre schon mal 1/64 des genetischen Codes aufgeklärt.
Frage: Wie viele Codons kann man mithilfe solcher Experimente aufklären?
Antwort: Genau vier. Statt Poly-U kann man den Versuch mit Poly-A, Poly-G und Poly-C wiederholen.
|
Versuchsergebnisse: UUU = Code für Phenylalanin AAA = Code für Lysin GGG = Code für Glycin CCC = Code für Prolin |
Leider hat diese einfache Methode einen gravierenden Nachteil: man kann nur den Code von vier Aminosäuren auf diese Weise aufdecken.
Experiment Typ II
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
Frage: Wieviele solcher mRNAs können konstruiert werden, und wieviele der 64 Codes kann man mit diesem Versuch aufklären?
Antwort: Es sind folgende mRNAs möglich:
Poly-AC, Poly-AG, Poly-AU, Poly-CG, Poly-CU und Poly GU, also genau sechs verschiedene. Somit sollte es möglich sein, mit diesem Experiment 12 verschiedene Codes aufzuklären.
Bei künstlichen mRNAs, bei denen sich drei Basen regelmäßig abwechseln, also z.B. Poly-UGA, also UGAUGAUGAUGAUGA... gibt es drei verschiedene Codons: UGA, GAU und AUG. Daher müssen die entsprechenden Proteine auch aus drei Aminosäuren bestehen.
Bei all diesen Versuchen hatte man allerdings das Problem, dass man nicht genau wusste, welches Codon für welche der zwei bzw. drei Aminosäuren codiert. Also musste man ein richtig kompliziertes Experiment durchführen.
Experiment Typ III
|
Achtung Abiturienten: Dieses Experiment eignet sich gut für eine Klausur-Aufgabe. Ich selbst habe in meinen Klausuren schon recht häufig das folgende Experiment analysieren lassen. |
Grundidee des Versuchs:
Herstellung einer mRNA mit definierter prozentualer Zusammensetzung, z.B. 80% U und 20% A. Die Sequenz dieser künstlichen mRNA ist für den Versuch nicht von Bedeutung.
Statistische Betrachtung:
Welche Tripletts kommen mit welcher Wahrscheinlichkeit vor?
Dazu machen wir uns eine Tabelle:
|
Triplett |
Abs. Wahrscheinlichkeit |
Rel. W. |
|
UUU |
0,512 |
100% |
|
UUA |
0,128 |
25% |
|
UAU |
0,128 |
25% |
|
AUU |
0,128 |
25% |
|
AAU |
0,032 |
6,25% |
|
AUA |
0,032 |
6,25% |
|
UAA |
0,032 |
6,25% |
|
AAA |
0,008 |
0,16% |
Alles klar? Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Triplett zweimal U und einmal A enthält, berechnet sich aus den Einzelwahrscheinlichkeiten 0,8 und 0,2. Setzt man die absolute Wahrscheinlichkeit des häufigsten Tripletts (hier: UUU) gleich 100%, so erhält man die relativen Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Tripletts.
Im nächsten Schritt führt man wieder eine in-vitro-Translation durch und analysiert dann die Häufigkeiten der in das Peptid eingebauten Aminosäuren. Die Häufigkeit der am meisten vertretenen Aminosäure setzt man dann wieder gleich 100%. Nun ist man im Grunde fertig. Die Aminosäuren, die mit einer relativen Häufigkeit um die 25% vorkommen, werden durch eines der Codons UUA, UAU oder AUU codiert. Die Aminosäuren, die mit einer Häufigkeit zwischen 4 und 10% vorkommen, werden durch eines der Codons AAU, AUA oder UAA codiert. Und die Aminosäure, die mit der geringsten Häufigkeit im Protein vorkommt, wird durch das Codon AAA codiert.
Experiment Typ IV
Man synthetisierte extrem kurze 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.
Die zu den mRNA-Molekülen passenden tRNAs binden an die Ribosomen und werden durch den Filter zurückgehalten.
Die Codesonne
Das hier ist die berühmte "Codesonne", die von innen nach außen zu lesen ist. Ich weiß nicht, wer diese Darstellungsform berühmt gemacht hat. Zum ersten Mal habe ich sie in dem Genetik-Buch von Bresch/Hausmann gesehen. Diese Zeichnung hier habe ich 1996 selbst erstellt (Paintbrush, Windows 3.1). Stephan Reitinger und Dr. Kai Lemcke haben kleinere Fehler entdeckt, die jetzt aber korrigiert wurden.
