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Genetischer CodeBearbeiten

Der genetische Code ist eine Regel, nach der in Nukleinsäuren befindliche Dreiergruppen aufeinanderfolgender Nukleobasen – Tripletts oder Codons genannt – in
Aminoacids table.svg
Aminosäuren übersetzt werden. Diese Übersetzung, Translation genannt, findet bei der Bindung von Aminosäuren an verschiedene Transfer-Ribonukleinsäuren (tRNA) statt, durch die die Aminosäuren für ihren Zusammenbau zu Proteinen angeordnet bzw. aktiviert werden.

Die Transfer-Ribonukleinsäuren unterscheiden sich durch ihr an einer prominenten Molekülstelle befindliches Nukleotid-Triplett, das aus jeweils drei Nukleotiden besteht, die den Nukleotiden eines bestimmten Codons entsprechen (komplementär sind), also ein dreigliedriges Anticodon bilden. Codon und Anticodon passen spezifisch zueinander und ihnen ist nach dem genetischen Code eine bestimmte Aminosäure zugeordnet. An jede Transfer-Ribonukleinsäure wird diejenige Aminosäure gebunden, für die das zum Anticodon der tRNA passende Codon steht. Auf diese Weise, durch die spezifische Bindung einer Aminosäure an eine tRNA mit einem dafür vom genetischen Code vorgesehenen Anticodon, wird also das Zeichen für eine bestimmte Aminosäure, das Codon, in die nach dem genetischen Code vorgeschriebene Aminosäure übersetzt. Streng genommen ist also die Translation schon in der Struktur der verschiedenen tRNA-Arten enthalten: Jedes tRNA-Molekül enthält eine so strukturierte Aminosäure-Bindungsstelle, dass nur die nach dem genetischen Code zu dem Anticodon dieser tRNA passende Aminosäure daran gebunden werden kann. Nach Bindung der Aminosäuren an tRNA kann die Synthese des durch die Folge der Codons in einer Desoxyribonukleinsäure (DNA) festgelegten Proteins beginnen. Als Voraussetzung für diese Synthese wird der DNA-Abschnitt eines Gens zunächst in ein Messenger-Ribonukleinsäure (mRNA) umgeschrieben (Transkription); danach werden in Eukaryoten bestimmte Teile dieser mRNA gezielt entfernt (Spleißen). Schließlich werden die Aminosäuren der zu den Codons passenden tRNAs miteinander zu einer Polypeptidkette verknüpft. Alle nach der Synthese und dem Spleißen der mRNA folgenden Schritte bis einschließlich der Synthese der Proteine werden als Translation bezeichnet, da bei der Proteinsynthese die Umsetzung der Triplett-Folge der DNA in eine Aminosäure-Folge deutlich wird. Die eigentliche Anwendung des genetischen Codes, die Übersetzung eines Codons, in eine Aminosäure findet jedoch nur bei der Bindung der Aminosäuren an tRNA statt, also bei der Vorbereitung der Aminosäuren zum Zusammenbau der Proteine. Einige Basentripletts codieren für keine Aminosäure. Diese werden auch als Nonsens-Codons bezeichnet. Sie führen zu einem Translations-Stop, welcher die Proteinsynthese beendet (Stopcodons). Alle Lebewesen benutzen in Grundzügen denselben genetischen Code. Die gebräuchlichste Version ist in den folgenden Tabellen angegeben. Sie zeigen, welche Aminosäuren von den 43 = 64 möglichen Codons kodiert werden, und welche Codons jede der 20 kanonischen, in der Translation verwendeten Aminosäuren kodieren. So steht zum Beispiel das Codon GAU für die Aminosäure Asp (Asparaginsäure), und Cys (Cystein) wird von den Codons UGU und UGC kodiert. Die in der Tabelle verwendeten Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil der mRNA; in der DNA wird statt Uracil Thymin verwendet.


CodonBearbeiten

Als Codon bezeichnet man die Abfolge einer Sequenz von drei Nukleobasen (Basentriplett) der mRNA, die im genetischen Code für eine Aminosäure codiert. Insgesamt existieren 43 = 64 mögliche Codons, davon sind drei Nonsens-Codons, diese werden zur Termination der Translation genutzt, die restlichen 61 codieren für die insgesamt 20 kanonischen, proteinogenen Aminosäuren. Für viele Aminosäuren gibt es daher mehrere verschiedene Kodierungen. Die Kodierung als Triplett ist trotzdem notwendig, da bei einer Duplett-Kodierung nur 42 = 16 mögliche Codons entstehen würden, und somit nicht genügend Möglichkeiten vorhanden wären, um alle 20 kanonischen Aminosäuren abzudecken.

Standard-Codon-Tabelle. Diese Tabelle zeigt die 64 möglichen Basen-Tripletts.
2. Base
U C A G
1. Base U
UUU Phenylalanin
UUC Phenylalanin
UUA Leucin
UUG Leucin
UCU Serin
UCC Serin
UCA Serin
UCG Serin
UAU Tyrosin
UAC Tyrosin
UAA Stop
UAG Stop
UGU Cystein
UGC Cystein
UGA Stop
UGG Tryptophan
C
CUU Leucin
CUC Leucin
CUA Leucin
CUG Leucin
CCU Prolin
CCC Prolin
CCA Prolin
CCG Prolin
CAU Histidin
CAC Histidin
CAA Glutamin
CAG Glutamin
CGU Arginin
CGC Arginin
CGA Arginin
CGG Arginin
A
AUU Isoleucin
AUC Isoleucin
AUA Isoleucin
AUG Methionin*
ACU Threonin
ACC Threonin
ACA Threonin
ACG Threonin
AAU Asparagin
AAC Asparagin
AAA Lysin
AAG Lysin
AGU Serin
AGC Serin
AGA Arginin
AGG Arginin
G
GUU Valin
GUC Valin
GUA Valin
GUG Valin
GCU Alanin
GCC Alanin
GCA Alanin
GCG Alanin
GAU Asparaginsäure
GAC Asparaginsäure
GAA Glutaminsäure
GAG Glutaminsäure
GGU Glycin
GGC Glycin
GGA Glycin
GGG Glycin


* Das Triplett AUG dient sowohl als Codon für Methionin als auch als Startsignal der Translation, es wird daher auch als Startcodon bezeichnet. Eines der ersten AUG-Tripletts auf der mRNA wird das erste Codon, das zu Protein translatiert wird. Welches AUG genau verwendet werden soll, erkennen die Proteine an Signalen in der umliegenden Sequenz.
Farbgebung der Aminosäuren
hydrophob (unpolar)
hydrophil neutral (polar)
hydrophil und positiv geladen (basisch)
hydrophil und negativ geladen (sauer)


Die Translation beginnt mit einem Start-Codon, aber dies alleine ist nicht ausreichend, um den Prozess zu beginnen. Bestimmte Initiationssequenzen nahe dem Start-Codon sind ebenfalls notwendig, um die Transkription in mRNA und deren Bindung am Ribosom herbeizuführen. Das wichtigste Start-Codon ist AUG, das auch für Methionin codiert. CUG und UUG, sowie GUG und AUU in Prokaryoten, funktionieren ebenfalls, allerdings mit wesentlich geringerer Effizienz. Die erste Aminosäure ist aber immer Methionin.

Die Translation endet mit einem der drei Stop-Codons, die auch Nonsens-Codons genannt werden. Ursprünglich wurden diesen Codons Namen gegeben –UAG ist amber (bernsteinfarben), UGA ist opal (opalfarben), und UAA ist ochre (ockerfarben), ein Wortspiel auf den Namen ihres Entdeckers (Harris Bernstein).

Während das Codon UGA zumeist als Stop gelesen wird, kann es selten und nur unter bestimmten Bedingungen für eine 21. Aminosäure stehen: Das Selenocystein (Sec). Die Biosynthese und der Einbaumechanismus von Selenocystein in Proteine unterscheidet sich stark von dem aller anderen Aminosäuren: seine Insertion erfordert einen neuartigen Translationsschritt, bei dem ein UGA im Rahmen einer bestimmten Sequenzumgebung und zusammen mit bestimmten Cofaktoren anders interpretiert wird. Hierzu ist eine strukturell einzigartige, Selenocystein spezifische tRNA (tRNASec) erforderlich, die bei Vertebraten mit drei verschiedenen, allerdings verwandten Aminosäuren beladen werden kann: Serin, Selenocystein und Phosphoserin.

Einige Archaeen und Bakterien nutzen ein UAG-Stoppkodon für eine 22. proteinogene Aminosäure: Pyrrolysin.

Umgekehrte Codon-Tabelle.
Az AS Codon
1 Start AUG
1 Met AUG
1 Trp UGG
2 Tyr UAU UAC
2 Phe UUU UUC
2 Cys UGU UGC
2 Asn AAU AAC
2 Asp GAU GAC
2 Gln CAA CAG
2 Glu GAA GAG
2 His CAU CAC
2 Lys AAA AAG
3 Ile AUU AUC AUA
4 Gly GGU GGC GGA GGG
4 Ala GCU GCC GCA GCG
4 Val GUU GUC GUA GUG
4 Thr ACU ACC ACA ACG
4 Pro CCU CCC CCA CCG
6 Leu CUU CUC CUA CUG UUA UUG
6 Ser UCU UCC UCA UCG AGU AGC
6 Arg CGU CGC CGA CGG AGA AGG
3 Stop UAA UAG UGA



Wird während der Translation ein Codon falsch dekodiert (eine falsche Aminosäure verwendet), so stimmt die Struktur des hergestellten Eiweißes nicht mehr, und es funktioniert nicht mehr wie vorgesehen. Offenbar war es daher sehr früh in der Evolutionsgeschichte notwendig, den genetischen Code mit einer gewissen Fehlertoleranz auszustatten: Er ist ein so genannter degenerierter Code, das heißt, dass eine semantische Einheit durch mehrere unterschiedliche syntaktische Symbole codiert wird: Abzüglich der Stopcodons stehen 61 unterschiedliche Codons zu Verfügung, es müssen aber nur 20 Aminosäuren codiert werden. Wie in der Tabelle oben ersichtlich, werden also für manche Aminosäuren mehrere Codes verwendet. Diese unterscheiden sich dann in der Regel in nur einer der drei Basen. (Sie haben dadurch einen minimalen Abstand im Coderaum (siehe:Hammingdistanz). Wird also eine der Basen falsch gelesen, liegt die Wahrscheinlichkeit, dass trotzdem die richtige Aminosäure ausgewählt wird, noch immer bei 60 %. Meist unterscheiden sich die betroffenen Codons zudem in der dritten („wobble“) Base eines Codons, die bei der Translation am häufigsten falsch gelesen wird.

Darüber hinaus haben Aminosäuren, die häufiger in Proteinen vorkommen als andere, mehr Codons, die für sie kodieren.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Charakter einer Aminosäure weitgehend durch die mittlere Position eines Tripletts bestimmt wird:

  • U (RNA) / T (DNA) – hydrophob
  • C – polar bis neutral
  • A – geladen
  • G – geladen, neutral bis polar

Daraus folgt, dass Radikalsubstitutionen (Tausch gegen Aminosäuren eines anderen Charakters) in erster Linie Folge von Mutationen in dieser zweiten Position sind. Mutationen in der ersten, besonders aber in der dritten Position („wobble“) erhalten dagegen häufig die Aminosäure oder zumindest ihren Charakter „konservative Substitution“. Berücksichtigt man ferner, dass Transitionen (Umwandlung von Purinen bzw. Pyrimidinen ineinander) aus mechanistischen Gründen häufiger auftreten als Transversionen (Umwandlung eines Purins in ein Pyrimidin und umgekehrt; dieser Prozess setzt zumeist eine Depurinierung voraus), so ergibt sich eine weitere Erklärung für den konservativen Charakter des Codes.