Die experimentelle Entschlüsselung des Genetischen Codes

Hallo! Vor über 50 Jahren entdeckten Forscher die geheime Sprache unserer Gene. Sie entschlüsselten den genetischen Code. In diesem Video klären wir auf, warum es sich mindestens um einen Triplett-Code handeln muss, beschreiben den Triplettbindungstest und untersuchen die Eigenschaften des Codes. Beginnen wir mit der ersten Frage: Warum handelt es sich um einen Triplett-Code? Wir gehen das ganze mathematisch an. Du weißt, dass RNA vier Basen enthält: Guanin, Cytosin, Adenin und Uracil. Das sind unsere vier Zeichen, die wir verschieden kombinieren können. Diese vier Zeichen müssen ausreichen, um insgesamt 20 Aminosäuren zu codieren. Gehen wir die Möglichkeiten einmal durch. Bei einer 1:1-Codierung stünde jede der vier Basen für genau eine Aminosäure. Es könnten also nur vier von 20 Aminosäuren codiert werden. Bei einer 2:1-Codierung gäbe es schon mehr Möglichkeiten. Immer 2 Basen stünden für eine Aminosäuren. Jede der vier Basen kann mit jeder anderen kombiniert. Das ergibt 4² Möglichkeiten, also 16. Aber auch diese 16 Kombinationen reichen noch nicht aus, um für alle 20 Aminosäuren einen individuellen Code zu erstellen. Erst die 3:1-Codierung bringt die Lösung. Hier codieren drei Basen für eine Aminosäure. Daher gibt es 4³, also 64 Basenkombination. Das sind mehr als genug für alle Aminosäuren. Die Dreiergruppen an Basen nennt man Basentripletts. Welches Basentriplett für welche Aminosäure codiert, fand man mit Hilfe des Triplettbindungstest heraus. 1961 hatten der deutsche Biochemiker Heinrich Matthaei und der nordamerikanische Molekularbiologe Marshall Nirenberg die zündende Idee. Im ersten Schritt stellten sie ein Gemisch aus Bakterien her, das mRNA alle Stoffe für Proteinbiosynthese enthielt. Diesem fügten sie synthetische RNA-Moleküle hinzu, deren Basensequenz sie kannten. Im ersten Versuch bestand die synthetische RNA nur aus Uracil-Basen. Es entstanden also immer Tripletts mit der Kombination UUU, also jeweils drei Uracil-Basen. Anschließend analysierten sie die Aminosäuren-Sequenzen der gebildeten Polypeptide, oder auch künstliche Proteine genannt, die natürlich keine echten Funktionen hatten. Dieses künstliche Protein, das aus der künstlichen RNA entstand, bestand nur aus der Aminosäure Phenylalanin, die sich immer wiederholte. So fanden sie heraus, dass der Code UUU für die Aminosäure Phenylalanin codiert. Nach diesem Durchbruch gab es eine Reihe verschiedenster Experimente, um die Codes für die verbliebenen Aminosäuren zu entschlüsseln. Nirenberg und Leder entwickelten eines der erfolgreichen Verfahren. Sie schufen Mini-RNAs aus jeweils drei Basen. Für die Translation waren sie kurz, aber diese Mini-RNAs bewirkten, dass sich aminosäurebeladene T-RNAs an Ribosomen anlagerten. Die Forscher fanden Schritt für Schritt heraus, welche Aminosäure bei Gegenwart welcher Mini-RNA an die Ribosomen gekoppelt wurde. Zumindest gelang ihnen das für 35 Tripletts. Die restlichen wurden mit anderen Verfahren entschlüsselt. 1965 war der genetische Code vollständig entschlüsselt. Hier siehst du die so genannte Code-Sonne, diese ordnet jeder dreistelligen Basenfolge eine Aminosäure zu. Eine besondere Rolle nehmen dabei vier Basentripletts ein. AUG kodiert nicht nur für die Aminosäure Methionin, sondern stellt auch das Startcodon dar. Jedes Polypeptid beginnt also mit Methionin. Als Stopcodon fungieren die Tripletts UGA, UAA und UAG. Hier kann der Einzelstrang nicht weiter abgelesen werden, die Transkription bricht ab. Stopcodons codieren für keine Aminosäure, sondern beenden die Proteinbiosynthese. Anhand der Experimente wurde dem genetischen Code verschiedene Eigenschaften zugesprochen. Zunächst ist der Code nicht überlappend. Triplets werden hintereinander abgelesen. Eine Base ist dabei immer nur Bestandteil eines Tripletts. Das Ablesen des Codes erfolgt kommafrei, also lückenlos. Es werden keine Tripletts oder Basen ausgelassen. Der Code ist eindeutig. Das heißt, ein bestimmtes Triplett legt immer den Einbau einer bestimmten Aminosäure fest. Gleichzeitig ist er redundant, das heißt, eine Aminosäure kann von verschieden Triplett codiert werden. Glycin zum Beispiel ist codiert durch GGA, GGG, GGU und GGC. Außerdem ist der Code universell. Er gilt für alle fast alle bisher untersuchten Organismen. Bei ganz wenigen bekannten Arten gibt es leichte Varianzen. Näher verwandte Organismen verwenden oft ein bestimmtes Triplett für eine Aminosäuren. Fassen wir noch einmal zusammen: Aminosäuren werden durch Basentripletts codiert. Der genetische Code wurde von Matthaei und Nirenberg mit Hilfe des Triplettbindungstests in den Sechzigern entschlüsselt. Dabei wurden synthetische mRNA-Moleküle mit bekannter Basensequenz verwendet. Nach der Proteinbiosynthese wurden die gebildeten Aminosäuren analysiert und dem Basentriplett zugeordnet. Zu den Eigenschaften des Codes zählen, dass er nicht überlappend ist, kommafrei, eindeutig und universell. Es gibt Start- und Stopcodons. Außerdem kann eine Aminosäure durch mehrere Tripletts codiert werden. Der Code ist also redundant. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.