Grundlagen
Die Erbinformation ist in Form der DNA gespeichert. Auf ihr befindet sich der Bauplan für jede Zelle unseres Körpers. Neben der Sequenz der Gene ist auch das Ablesen des genetischen Codes wichtig. So wird aus der Sprache DNA zunächst in die Sprache RNA übersetzt und in einem zweiten Translationsschritt in einen spezifischen Aminosäurecode, der das Endprodukt Protein/Eiweiß bildet.
DNA
Gene sind gewisse und definierte Abschnitte auf der DNA. Die Abkürzung DNA steht für das englische Wort DesoxyriboNucleidAcid. Im Deutschen auch als DNS (DesoxyriboNukleinSäure) abgekürzt. Die DNA besteht aus zwei antiparallelen Einzelsträngen, die komplementär zueinander sind. Jeder Einzelstrang besteht aus einzelnen Nukleotiden, die wie Perlen an einer Kette miteinander verbunden sind. Die einzelnen Nukleotide bestehen aus 3 Teilen: einer Phosphatgruppe, einem Zucker, der Desoxyribose, und der Base. Man kann je nach "Richtung" des DNA-Stranges von einer 3'-5' oder 5'-3'-Orientierung sprechen.
Von den DNA-Basen gibt es vier verschiedene: A (Adenin), T (Thymin), G (Guanin) und C (Cytosin). Die beiden antiparallelen Stränge, einer in 3'-5', der andere in 5'-3'-Richtung lagern sich so an, dass jeweils die Basen zueinander gerichtet sind. Hierbei paaren sich immer Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Von diesen beiden Strängen ist immer nur einer der "codierende" Strang. Codierend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nur ein Strang zur Proteinsynthese benutzt wird.
Den codierenden Strang erkennt man daran, dass hier der Beginn eines Gens mit der Basenfolge "ATG" liegt (Start-Codon). Für das "Stop"-Codon gibt es mehrere Möglichkeiten: TAA, TAG oder TGA. An diesem Beispiel sieht man, dass der genetische Code degeneriert ist. Es gibt mehrere Basentrippletts, die die gleiche Bedeutung haben.
RNA
Um später Proteine herzustellen, die entweder ins Zytosol oder aber nach außen abgegeben werden, muss die Information der DNA aus dem Zellkern transportiert werden. Hierzu wird ein Bote verwendet. Dieser Bote, oder auf Englisch "messenger", gehört zur Klasse der RNAs (RiboNucleidAcid). Diese mRNA ist wie alle anderen RNAs einstränging. Es gibt neben der Einsträngigkeit noch zwei weitere Unterschiede zur DNA. So wird statt der Desoxyribose, die Ribose als Zucker im Rückgrat verwendet. Der Aufbau ist aber mit Phosphat, Zucker und Base exakt identisch. Bei den Basen gibt es eine kleine Besonderheit: Thymin (T) wird durch Uracil (U) ersetzt. RNAs besitzen somit Adenin (A), Uracil (U), Guanin(G) und Cytosin (C). Die Paarungswirkung ist identisch A mit U und G mit C.
Die mRNA wird während der sogenannten Transkription gebildet. Ein Signal führt dazu, dass der doppelsträngige DNA-Strang entwunden wird. Eine Polymerase (ein Enzym) lagert sich an das entsprechende "Start"-Codon der DNA an und erzeugt dort über Basenpaarung einen mRNA-Strang. Dies geschieht immer in 5'-3'-Richtung des DNA-Stranges.
Gehen wir von einem DNA-Strang mit der Sequenz ATGCTGCA... aus, so sieht der komplementäre mRNA-Strang wie folgt aus: UACGACGU... Die Transkription findet so lange statt bis die Polymerase am "Stop"-Codon angekommen ist. Dort angekommen bricht aus unterschiedlichen Gründen die Polymerase ihre Synthese ab und die mRNA wird freigesetzt.
Die mRNA besitzt einige Charakteristika wie etwa einen "Schwanz" mit vielen A's oder auch Sequenzabschnitten die für die spätere "Übersetzung" in ein Protein nötig sind. Mit Hilfe anderer RNAs wird die mRNA durch Poren im Zellkern geschläust. Im Zytoplasma gelangt die mRNA an die sogenannten Ribosomen die aus rRNA bestehen. Neben der rRNA und der mRNA befindet sich noch eine tRNA im Zytoplasma. Diese tRNA oder TemplateRNA hat eine kleeblattähnliche Struktur. Auf der einen Seite besitzt sie Basentrippletts, auf der anderen die jeweils zum Basentripplett passende Aminosäure.
Am Ribosom lagert sich die mRNA an und im weiteren die tRNA. Das erste Basentripplett der mRNA ist somit besetzt. Am zweiten Basentripplett lagert sich eine weitere tRNA an. Durch diese Reaktion verbinden sich die beiden Aminosäuren und die erste tRNA verlässt lediglich mit dem Basentripplett, aber ohne Aminsäure das Ribosom. Am dritten Basentripplett der mRNA lagert sich derweil eine weitere tRNA an usw. Bei diesem Prozess der auch Translation oder auch "Übersetzung" bezeichnet wird, wird der genetische Code in Basenform in Aminsäuren übersetzt. Diese Aminosäuren bilden die Grundeinheit eines Proteins.
Proteine
Aminosäuren hängen aneinander wie Perlen an einer Perlenkette. Es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminsoäuren. Da es aber deutlich mehr Basentrippletts als Aminosäuren gibt, führen unterschiedliche Tripletts zu gleichen Aminosäuren.
Die Aminosäuren haben unterschiedliche Eigenschaften. Es gibt viele Möglichkeiten Aminosäuren einzuteilen. Ganz allgemein gibt es positive (basische) Aminosäuren wie etwa Arginin und negative (saure) Aminosäure, wie etwa Glutaminsäure oder Asparaginsäure. Daneben auch hydrophobe (wasserabweisende) und hydrophile (wasserliebende) Aminosäuren. Je nach der Aminosäurenzusammensetzung faltet sich ein Protein unterschiedlich.
Aminosäuren sind wie in einer Kette angeordnet. Diese Kette der Aminosäuren wird durch die sogenannte Peptidbindung zusammengehalten. Die Peptidbindung bewirkt aber eine positive und negative Partialladung an der Peptidbindung durch das leicht negativ geladene Sauerstoffatom (O) und das schwach positiv geladen Stickstoffatom (N). Es können sich je nach Orientierung der Aminosäuren zwei grundlegend verschiedene Strukturen ausbilden: das sogenannte beta-Faltblatt und die alpha-Helix. Dies wird auch als Sekundärstruktur des Proteins bezeichnet.
Die tertiäre Struktur wird durch die Reste der Aminosäuren bestimmt. Die Reste sind es die ein jeder Aminosäure ihre Eigenschaft verleiht. Der Rest kann positv, polar, ect. sein. Diese Reste können sich auch unterschiedlich im Raum anordnen und dem Protein die charakeristische "Faltung" verleihen. Durch diese Faltung können auch die aktiven Zentren (katalytische Zentren) von Enzymen entstehen. An diesen Stellen setzt das Substrat an, welches das Enzym verändern oder umwandeln soll.