Wie funktioniert die Abfrage der Erbinformationen

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Ich habe noch eine eine eigene Version des Vorgangs in meiner digitalen Schublade. Vielleicht hilft es dir, die Sache mal aus einem anderen Blickwinkel als bei Wiki zu betrachten.

Die Botschaft, welche die DNA enthält, liegt in der Reihenfolge der Basenpaare, ganz ähnlich, wie etwa in der Reihenfolge von Nullen und Einsen Computerdateien verschlüsselt werden. Ein einzelner DNA-Abschnitt, der die Information für die Herstellung und den Einsatz eines bestimmten Zellproduktes (normalerweise der Untereinheit eines Proteins) trägt, wird dabei als Gen bezeichnet. Ein Gen kann sich aber auch über mehrere, voneinander entfernt liegende DNA-Abschnitte erstrecken. Der komplette Satz aus Genen, der notwendig ist, um einen Körper aufzubauen, heißt Genom. Seltsamerweise bestehen bei höheren Lebensformen jedoch rund 95 Prozent der DNA nicht aus Genen, sondern aus scheinbar nutzlosen Basenfolgen mit endlosen Wiederholungen und Aneinanderreihungen. Es wird bei der Nutzung der Information in der Zelle zwar anfänglich auch mit abgelesen, dann jedoch aussortiert und für den weiteren Produktionsprozess nicht mehr verwendet. Ein wirksames DNA-Stück mit informeller Bedeutung bezeichnet man als Exon, einen nicht verwertbaren Abschnitt als Intron. In den Zellen höherer Lebensformen liegt die DNA bekanntlich stets doppelt vor. Beim Menschen ist jeder dieser beiden Baupläne in jeweils 23 Einzelabschnitte zerteilt und umfasst rund 3 Milliarden Basenpaare. Hintereinander gereiht wären die Fäden etwa einen Meter lang. Die DNA reguliert den zellulären Stoffwechsel nicht direkt, sondern vorwiegend über die Herstellung und den Einsatzplan von Enzymen. Dabei handelt es sich um kompliziert gebaute Proteine, welche die einzelnen biochemischen Reaktionen gezielt beschleunigen können. Enzyme sind üblicherweise noch aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt. Im Prinzip ist ein Enzym nichts anderes als ein unregelmäßig geformtes Gebilde aus Eiweißsträngen, die man auch Polypeptide nennt. Stellt man sich einen einzelnen Strang auseinander gezogen vor, so erweist er sich als eine lange Kette von Eiweißbausteinen, von Aminosäuren. Es gibt 20 verschiedene Arten von ihnen.

Form und Struktur eines Proteins werden im Wesentlichen durch die Art und die Reihenfolge seiner miteinander verknüpften Aminosäuren bestimmt. Diese tragen nämlich zum Teil elektrische Ladungen oder reaktionsfähige Seitengruppen und können daher auch noch bestimmte Querverbindungen ausbilden, wenn sie bereits perlschnurartig aneinandergereiht sind. Eine frisch entstandene Aminosäurekette existiert also nicht lange als lineares Gebilde, sondern nimmt alsbald die Form eines Knäuels an. Alle Peptidketten, die aus den gleichen Abfolgen von Bausteinen zusammengesetzt sind, neigen dabei ganz spontan zu einer ähnlichen Gestalt. Ihre endgültige „Passform“, die sie für ihre biochemische Aufgabe benötigen, erhalten sie noch durch die Einwirkung bestimmter Hilfsstoffe in den Zellen, die man „Chaperone“ nennt. Diese Form gebenden Eiweißstoffe (der Name leitet sich von dem französischen Wort für „Anstandsdame“ ab) sorgen auch dafür, dass sich die verschiedenen Untereinheiten der Enzyme in der richtigen Weise zusammenlagern.

Um die „Rohform“ eines bestimmten Enzyms festzulegen, muss die Zelle zunächst jedoch nur dafür sorgen, dass die richtigen Aminosäuren in einer vorgesehenen Reihenfolge miteinander verbunden werden. Und genau um eine solche „Montageanleitung“ handelt es sich bei der Struktur der DNA. Die Abfolge ihrer Basen auf einem bestimmten Teilstück legt exakt die Reihenfolge von Aminosäuren in einem Eiweißstrang, die so genannte Primärstruktur, fest. Technisch ausgedrückt codiert ein Stück DNA die lineare Zusammensetzung eines Proteins; es enthält den Code (= die verschlüsselte Anweisung), eine spezielle Aminosäurekette, ein Polypeptid, zu bilden.

Um die 20 Aminosäuren, die in Proteine eingebaut werden können, nun dazu anzuweisen, eine geordnete Kette zu bilden, stehen als bedeutsame Zeichen jedoch nur vier Basen zur Verfügung. Es versteht sich also von selbst, dass sie deswegen noch zu größeren Einheiten, gleichsam zu Wörtern, zusammengefasst sein müssen. Alle Lebewesen verfahren dabei nach dem gleichen Prinzip: Die Abfolge von exakt drei Basen - man spricht von einer Dreierkombination oder einem Triplett - auf einem DNA-Abschnitt steht stellvertretend für eine ganz bestimmte Aminosäure in einem Polypeptid. Wer auf einer Holm-Seite der DNA in eine bestimmte Richtung hin jeweils Dreiergruppen von Basen lückenlos abliest, wird eindeutig darüber informiert, wie die Sequenz einer Aminosäurekette im zugehörigen Protein auszusehen hat.

Unmissverständlich ist die Anweisung allerdings nur in diese eine Richtung, von der DNA zum Protein hin. Denn da stets gleichlange, dreibuchstabige „Wörter“ verwendet werden, entsteht zwangsläufig ein Überschuss an Information: Aus den vier Grundzeichen A, C, G, und T lassen sich nämlich 4 hoch 3 = 64 Dreierkombinationen bilden, obwohl nur 20 davon wirklich gebraucht würden. Folglich bezeichnen immer mehrere - zumeist drei - verschiedene Basen-Tripletts ein und dieselbe Aminosäure. Die genaue Zuordnungsvorschrift der 64 Basentripletts zu den 20 Aminosäuren, der genetische Code, wurde in den sechziger Jahren aufgeklärt. Molekularbiologen fanden heraus, dass zur Codierung der Aminosäuren insgesamt 61 Tripletts zur Verfügung stehen. Die restlichen drei werden entweder als Start- oder als Stop-Zeichen verwendet. Die DNA kann ihre Information nicht direkt in Produktionsanweisungen umsetzen. Sie ist bei höheren Lebensformen in einem Zellkern eingeschlossen, während die Synthese der Eiweiße im umgebenden Plasma stattfindet. Genau besehen sind für diese Aufgabe bestimmte Zellstrukturen zuständig, die aus Membranen aufgebaut sind und „Innerplasmatisches Netzwerk“ (Endoplasmatisches Retikulum, abgekürzt E.R.) genannt werden. Auch Einzeller, die keinen Kern besitzen, haben solche „Arbeitskammern“ ausgebildet, um ihre Proteine effektiver herstellen zu können. Insofern wird immer ein Vermittler benötigt, der den Text der genetischen Botschaft vom Zellkern oder von der frei im Plasma liegenden DNA zu diesen „Werkstätten“ trägt. Die betreffende Transportsubstanz ist aus ganz ähnlichem Material aufgebaut wie die DNA und wird als Boten-RNS (im Englischen: messenger-RNA oder m-RNA) bezeichnet.

Wie aber erhält der Bote seine Anweisung? Das diesbezügliche Verfahren wird Transkription (Überschreibung) genannt und läuft ganz ähnlich ab, wie wenn ein DNA-Strang sich repliziert: Eine seiner Seiten, der so genannte Matrizenstrang, dient als Schablone, von der dann in einem vorherbestimmten Abschnitt eine Kopie abgenommen wird. Ein Enzym namens RNA-Polymerase drängt sich dazu an der vorgesehenen Stelle zwischen die Wasserstoffbrücken der DNA und trennt sie auf. Das Erkennungszeichen dafür, wann und wo sie mit dem Umkopieren zu beginnen hat, liefert ihr der so genannte Promotor oder das Starter-Gen. Die Polymerase wandert nun in eine bestimmte Richtung die DNA entlang und sorgt dafür, dass sich am Information tragenden Matrizenstrang eine mehr oder weniger lange Ergänzungskette anlagert. Ist die Sache durchgezogen, so beendet ein Stopp-Signal ihren weiteren Lauf.

Der frisch erzeugte Negativ-Abdruck, der „Komplementärstrang“, entspricht allerdings nicht ganz der gegenüberliegenden Seite des Matrizenstranges, von der er abgenommen wurde. In dreierlei Hinsicht weicht er vom üblichen DNA-Schema ab:

• zum einen enthält der neue Strang eine etwas andere Zuckerkomponente als ein DNA-Strang, eine so genannte Ribose (daher auch die Bezeichnung RNA).

• zum anderen ist eine seiner vier Basen verändert. An die DNA-Base Adenin lagert sich nämlich nicht Thymin an, sondern die ähnliche gebaute Base Uracil.

• zum dritten bleibt er nicht lange an der DNA haften. Sobald er seine vorgesehene Länge erreicht hat, löst er sich als Einzelstrang von ihr ab.

Der Botenstrang enthält natürlich trotz seiner Besonderheiten die exakt spiegelbildliche Kopie der Original-Information. Wo auf der DNA-Vorlage zum Beispiel die Basenfolge: Adenin-Guanin-Cytosin-Thymin-Guanin-Adenin (AGCTGA) gestanden hatte, ist jetzt auf der Boten-RNS die komplementäre Folge: Uracil-Cytosin-Guanin-Adenin-Cytosin-Uracil (UCGACU) zu finden. Dieser überschriebene, „transkribierte“, Text wird in der Fachsprache Codon genannt.

Bei einem Bakterium wandert der losgelöste Botenstrang nun sofort zum Innerplasmatischen Netzwerk, der „Werkhalle für Proteine“, und wird dort, so wie er ist, als Vorlage für die Eiweißsynthese verwendet. Bei höheren, kernhaltigen Zellen liegen die Verhältnisse allerdings etwas komplizierter:

Hier enthält die DNA nämlich noch die schon erwähnten, nicht verwertbaren Zwischenabschnitte, die Introns. Sie sind in die sinnvolle Basenfolge unregelmäßig mit eingestreut und werden bei der Transkription zunächst einfach mit abkopiert. Die neue Boten-RNA muss also erst noch von ihrem Informations-Müll befreit und in Form gebracht werden, bevor sie den Zellkern verlassen darf. Das entsprechende Verfahren wird „Spleißen“ oder auch „Prozessierung“ genannt. Verschiedene Enzyme trennen die unbrauchbaren Abschnitte heraus und andere kleben den informativen Rest, die Exons, wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen. Die RNS ist nun gebrauchsfertig -„redigiert“, wie man sagt.

Hallo es ist zwar sicher etwas spät aber für zukünftige Fragen rund um die Prozesse im Organismus sicher hilfreich. Unser Biochemie Professor an der Uni hat uns als Einstieg folgendes Buch empfohlen. "Biochemie light" Verlag Harri Deutsch, ISBN 3-8171-1638-1. Gibt es bei Amazon gebraucht schon ab 4,50 EUR. Es ist Klasse, die chemischen Abläufe also auch die Proteinbiosynethese, sind ganz einfach anhand von Grafiken und zusätzlich einem erklärendem Text erklärt. In der Einleitung wird auch mit Grafiken und Texten die DNS, Enzyme, Co-Enzyme, Ribosomen etc. erklärt. Leider musste ich die Erfahrung machen, dass man die einfachen und guten Bücher erst findet, wenn man sie nicht mehr braucht. Deshalb dieser Buchtipp und es ist wirklich mehr als empfehlenswert! Vielleicht hilft es Dir bei zukünftigen anderen Themen die so in Biologie und Chemie auf Dich warten. Viel Glück und fleißiges lernen ;)

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