Eigenschaften des genetischen Codes
Wie die Basenfolge der mRNA in Aminosäuren übersetzt wird und welche Eigenschaften diesen Code kennzeichnen: Triplett, degeneriert, nahezu universell.
Das Wichtigste in Kürze
- Der genetische Code ordnet jedem der 64 mRNA-Tripletts (Codons) eine Aminosäure oder ein Stoppsignal zu und wird in 5’→3’-Richtung im festen Leseraster gelesen.
- 61 Codons codieren 20 Standard-Aminosäuren: Der Code ist degeneriert, die Zahl der Codons je Aminosäure reicht von einem bei Met und Trp bis zu sechs bei Leu, Ser, Arg.
- Synonyme Codons unterscheiden sich meist in der dritten Base; ihre organismusspezifische Häufigkeit heißt Codon usage.
- Der Standardcode ist weitgehend universell, doch im Mitochondrium des Menschen codiert z. B. UGA Tryptophan statt Stopp.
- Codiert werden nur L-Aminosäuren und das achirale Glycin; D-Serin und D-Cystein haben kein Codon. Bei H vorn und CO → R → N im Uhrzeigersinn liegt die L-Form vor.
Worum es geht
Der genetische Code legt fest, welche Basenfolge der mRNA für welche Aminosäure steht. Er verbindet die Information der Nucleinsäuren mit der Struktur der Proteine. In der Pharmazie braucht man ihn etwa, um zu verstehen, warum Bakterien menschliches Insulin herstellen können.
Triplett-Code im Überblick
Proteine bestehen aus 20 Standard-Aminosäuren. Die mRNA kennt dagegen nur vier Basen: A, U, G und C. Eine einzelne Base könnte also nur vier Aminosäuren unterscheiden, zwei Basen nur \(4^2 = 16\). Erst drei Basen reichen mit \(4^3 = 64\) Kombinationen aus. Deshalb ist der Code ein Triplett-Code.
Ein Codon ist ein Triplett aus drei aufeinanderfolgenden Nucleotiden der mRNA, das für eine Aminosäure oder ein Stoppsignal steht. Der genetische Code ist die Gesamtheit dieser 64 Zuordnungen.
Von den 64 Codons stehen 61 für Aminosäuren. Die drei übrigen, UAA, UAG und UGA, sind Stoppcodons. AUG codiert Methionin und dient zugleich als Startcodon. Mehr dazu unter Start- und Stoppcodons.
Leserichtung und Leseraster
Das Ribosom liest die mRNA in 5’→3’-Richtung. Es geht Codon für Codon vor, lückenlos und ohne Überlappung. Der Code ist also kommafrei und nicht überlappend. Wo das erste Codon beginnt, bestimmt das Leseraster. Jede Sequenz besitzt drei mögliche Raster.
Aus 5’-AUGGCUUUC-3’ wird im ersten Raster AUG-GCU-UUC, also Met-Ala-Phe. Um eine Base versetzt entstehen UGG und CUU, also Trp-Leu. Im dritten Raster folgen GGC und UUU, also Gly-Phe. Dieselbe Sequenz trägt damit drei völlig verschiedene Botschaften.
Codesonne lesen
Die Codesonne ordnet alle 64 Codons kreisförmig an. Man liest sie von innen nach außen: Der innere Ring zeigt die erste Base am 5’-Ende, der mittlere die zweite, der äußere die dritte. Am Rand steht die Aminosäure. Für CAU geht man also von C über A nach U und landet bei Histidin. Eine Codetabelle enthält dieselbe Information als Raster.
Degeneration
61 codierende Tripletts stehen nur 20 Standard-Aminosäuren gegenüber. Es gibt also mehr Codons als Aminosäuren. Deshalb werden die meisten Aminosäuren von mehreren Codons codiert. Diese Eigenschaft heißt Degeneration oder Redundanz des Codes. Der Begriff beschreibt eine feste Eigenschaft des Codes und hat mit Alterung nichts zu tun.
Die Codons verteilen sich ungleich. Manche Aminosäuren haben sechs Codons, zwei nur ein einziges:
| Codons je Aminosäure | Aminosäuren |
|---|---|
| 6 | Leucin, Serin, Arginin |
| 4 | Alanin, Glycin, Prolin, Threonin, Valin |
| 3 | Isoleucin |
| 2 | Phe, Tyr, His, Gln, Asn, Lys, Asp, Glu, Cys |
| 1 | Methionin (AUG), Tryptophan (UGG) |
Zählt man nach, ergibt sich \(18 + 20 + 3 + 18 + 2 = 61\) Sense-Codons. Zusammen mit den drei Stoppcodons sind das 64.
Die Degeneration ist ein Examensklassiker: Es gibt mehr codierende Tripletts als Aminosäuren, und die meisten Aminosäuren haben mehrere Codons. Achte darauf, dass die Zahl nicht für alle gleich ist. Sie reicht von einem Codon bei Met und Trp bis zu sechs bei Leu, Ser und Arg.
Synonyme Codons und dritte Position
Codons für dieselbe Aminosäure heißen synonyme Codons. Sie unterscheiden sich in der Regel nur in der dritten Base. Alanin etwa wird von GCU, GCC, GCA und GCG codiert. Die ersten beiden Basen legen die Aminosäure fest, die dritte ist oft beliebig. Bei Leucin, Serin und Arginin unterscheiden sich einige Codons auch an anderer Stelle.
Diese Lockerheit an Position drei hat zwei Folgen. Ein tRNA-Anticodon kann mehrere Codons erkennen, die Wobble-Paarung. Außerdem ändert ein Basenaustausch an dritter Stelle oft nichts am Protein, eine stille Mutation. Der Code puffert so viele Fehler ab.
Synonyme Codons werden nicht gleich oft genutzt. Jeder Organismus bevorzugt eigene Varianten. Diese organismusspezifische Häufigkeit heißt Codon usage. Sie passt zum Vorrat an tRNAs der Zelle. Für die Herstellung rekombinanter Arzneistoffe passt man die Gensequenz deshalb oft an die Codon usage des Wirts an.
Universalität
Bakterien, Archaeen und Eukaryonten nutzen weitgehend denselben Standardcode. Diese Universalität des Codes spricht für einen gemeinsamen Ursprung allen Lebens. Sie ist auch die Grundlage der Gentechnik. Ein menschliches Insulin-Gen wird in Escherichia coli in dieselbe Aminosäuresequenz übersetzt wie in der Bauchspeicheldrüse.
Streng universell ist der Code allerdings nicht. Bei einzelnen Organismen haben bestimmte Codons eine andere Bedeutung. Bei manchen Wimpertierchen codieren UAA und UAG Glutamin statt Stopp. Bei Mycoplasma steht UGA für Tryptophan.
Der mitochondriale Code
Auffällig weicht der Code der Mitochondrien ab. Ihr eigenes Genom wird mit leicht veränderten Regeln gelesen. Beim Menschen gilt:
- UGA codiert Tryptophan statt Stopp.
- AUA codiert Methionin statt Isoleucin.
- AGA und AGG wirken als Stoppcodons statt Arginin.
Dasselbe Codon kann also im Kern und im Mitochondrium Verschiedenes bedeuten. Mehr zum Mitochondriengenom unter plasmatische Vererbung.
Dass ein Codon im Mitochondrium eine andere Bedeutung hat, betrifft die Universalität. Degeneration meint dagegen, dass mehrere Codons innerhalb eines Codes dieselbe Aminosäure codieren.
Codierte Aminosäuren
Jede proteinogene Aminosäure wird durch mindestens ein Codon codiert. Neben den 20 Standard-Aminosäuren gilt das auch für Selenocystein. Es wird über ein umgedeutetes UGA eingebaut. Manche Archaeen und Bakterien nutzen zusätzlich Pyrrolysin über UAG.
Alle codierten chiralen Aminosäuren sind L-konfiguriert. L-Alanin, L-Cystein, L-Phenylalanin und L-Serin besitzen also Codons. Ihre Spiegelbilder D-Cystein und D-Serin haben kein Codon. Glycin trägt am α-C-Atom zwei Wasserstoffatome. Es ist daher achiral und wird trotzdem codiert. D-Aminosäuren kommen in der Natur zwar vor, etwa D-Alanin in der bakteriellen Zellwand. Sie entstehen aber auf anderen Wegen als durch Translation.
L oder D an der Formel erkennen
Die Grundlagen der Konfiguration stehen bei den Aminosäuren. Für Keilstrich- und Zwitterionformeln hilft die CORN-Regel:
- Ausrichten: Das H-Atom am α-C zeigt zum Betrachter, also als Keil nach vorn.
- Gruppen suchen: Carboxyl- bzw. Carboxylatgruppe (CO), Seitenkette (R), Amino- bzw. Ammoniumgruppe (N).
- Drehsinn prüfen: Folgt CO → R → N dem Uhrzeigersinn, liegt die L-Form vor. Gegen den Uhrzeigersinn bedeutet D.
- Umkehren bei Bedarf: Zeigt das H nach hinten, kehrt sich die Regel um.
Bei L-Alanin läuft der Weg vom \(\ce{COO-}\) über \(\ce{CH3}\) zum \(\ce{NH3+}\) im Uhrzeigersinn. Das Spiegelbild D-Alanin dreht entgegengesetzt. Ob die Formel als Zwitterion oder neutral gezeichnet ist, spielt keine Rolle. In der Fischer-Projektion erkennt man die L-Form an der Aminogruppe links.
L und D sind nicht dasselbe wie S und R. Fast alle L-Aminosäuren sind S-konfiguriert, L-Cystein ist wegen des Schwefels jedoch R.
Quiz
Aussage 1
Von den 64 möglichen Tripletts codieren 61 für Aminosäuren.
Drei der 64 Codons (UAA, UAG, UGA) sind im Standardcode Stoppcodons, die übrigen 61 codieren Aminosäuren.
Aussage 2
Infolge der Degeneration wird jede proteinogene Aminosäure von genau drei Codons codiert.
Die Zahl ist ungleich verteilt: von einem Codon (Met, Trp) bis zu sechs Codons (Leu, Ser, Arg).
Aussage 3
D-Serin besitzt im genetischen Code ein eigenes Codon.
Im genetischen Code sind nur L-Aminosäuren repräsentiert. D-Serin wird nicht codiert, L-Serin dagegen schon.
Aussage 4
Synonyme Codons einer Aminosäure unterscheiden sich in der Regel in der ersten Base.
Synonyme Codons unterscheiden sich meist in der dritten Base, etwa GCU, GCC, GCA und GCG für Alanin.
Aussage 5
Methionin und Tryptophan werden im Standardcode jeweils nur von einem einzigen Codon codiert.
Methionin hat nur AUG, Tryptophan nur UGG. Alle anderen Standard-Aminosäuren haben mehrere Codons.
Aussage 6
In menschlichen Mitochondrien wird das Codon UGA als Tryptophan gelesen.
Im Standardcode ist UGA ein Stoppcodon, im mitochondrialen Code des Menschen codiert es Tryptophan. Das zeigt, dass der Code nicht streng universell ist.
Aussage 7
Zeigt in der Keilstrichformel das H-Atom am α-C nach vorn und folgt CO → R → N dem Uhrzeigersinn, liegt eine L-Aminosäure vor.
Das ist die CORN-Regel. Gegen den Uhrzeigersinn läge bei nach vorn zeigendem H die D-Form vor.
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