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Was ist der DNA-Code?
Der DNA-Code ist eigentlich die „Sprache des Lebens“. Er enthält die Anweisungen für die Herstellung eines Lebewesens. Der DNA-Code besteht aus einem einfachen Alphabet mit nur vier „Buchstaben“ und 64 „Wörtern“ mit drei Buchstaben, den Codons. Es mag schwer zu glauben sein, dass ein Großteil der wunderbaren Vielfalt des Lebens auf einer „Sprache“ beruht, die einfacher ist als Englisch – aber es ist wahr.
Dieser Code besteht nicht buchstäblich aus Buchstaben und Wörtern. Stattdessen stehen die vier Buchstaben für vier einzelne Moleküle, die Nukleotide: Thymin (T), Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (G). Die Reihenfolge oder Sequenz dieser Basen bildet einen einzigartigen genetischen Code.
Diese Codon-„Wörter“ im genetischen Code sind jeweils drei Nukleotide lang – und es gibt 64 davon. Das sind so viele Wörter mit drei Buchstaben, wie man mit nur vier Buchstaben kombinieren kann. ATG und CCC sind einige Beispiele für Codons.
Genauso wie es in menschlichen Sprachen wie dem Englischen mehr als nur Buchstaben und Wörter gibt, z. B. Satzzeichen, Kommas usw., gilt dies auch für den genetischen Code. Anstatt den Anfang eines Satzes groß zu schreiben, signalisiert der genetische Code zum Beispiel den Beginn neuer Anweisungen fast immer mit ATG, einem dieser Codons mit drei Buchstaben.
Und anstelle von Punkten enden Gene mit einem von drei verschiedenen Codons: TAG, TAA, oder TGA. Es gibt noch andere Teile der DNA, die keine Codons sind und die als eine Art Interpunktion oder Signale fungieren können, die zum Beispiel angeben, wann, wo und wie stark ein Gen abgelesen werden sollte.
Wie kodiert die DNA Informationen?
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, wie die DNA Informationen in den Zellen kodiert, sind die Gene. Der Mensch hat etwa 20.000 Gene. Jedes Gen enthält die Anweisungen für die Herstellung eines bestimmten Proteins, und jedes Protein hat eine bestimmte Aufgabe in der Zelle.
Das Laktase-Gen enthält zum Beispiel die Anweisungen für die Herstellung des Laktase-Proteins. Das Laktaseprotein spaltet den Zucker Laktose, der in der Milch enthalten ist. Menschen mit einem ausgeschalteten Laktase-Gen sind laktoseintolerant.
Die Anweisungen für die Herstellung dieser Proteine sind in den bereits erwähnten Drei-Nukleotid-Codons codiert. Aber genau wie eine Anleitung, die gelesen werden muss, um etwas zu bauen, müssen auch die in der DNA kodierten Anweisungen gelesen werden.
Die DNA mit dem Code für die Herstellung des Laktaseproteins ist zum Beispiel nicht in der Lage, den Zucker Laktose abzubauen. Stattdessen muss eine Zelle, um Laktose zu verdauen, zuerst das Gen ablesen und dann das Laktaseprotein herstellen.
Der erste Schritt beim Ablesen eines Gens ist die Übertragung der Information von der DNA auf die Boten-RNA (mRNA) mithilfe eines Proteins namens RNA-Polymerase (beim Menschen ist die Polymerase, die Gene wie Laktase abliest, die RNA-Polymerase II). Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet.
Die mRNA wird dann zu einer Proteinbildungsmaschine in der Zelle, dem Ribosom, weitergeleitet. Dort wird die mRNA in das spezifische Protein übersetzt, für das sie die Anweisungen enthält. Die Laktase-mRNA wird am Ribosom in das Protein Laktase übersetzt.
Wofür kodieren Codons?
Ein Codon ist eine Folge von drei Nukleotiden auf einem DNA- oder RNA-Strang. Jedes Codon ist wie ein Wort mit drei Buchstaben, und alle diese Codons zusammen bilden die DNA- (oder RNA-) Anweisungen. Da es in der DNA und RNA nur vier Nukleotide gibt, sind nur 64 Codons möglich.
Von den 64 Codons kodieren 61 für Aminosäuren, die die Bausteine für Proteine sind. Proteine werden hergestellt, indem eine Reihe von Aminosäuren aneinander gehängt werden. Jedes Protein unterscheidet sich durch die Reihenfolge und die Anzahl der Aminosäuren, die es enthält. Der DNA-Code ist also eigentlich nur die Anleitung, wie man die richtige Anzahl und Art von Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge aneinanderreiht.
Die drei Codons, die nicht für Aminosäuren kodieren, nennt man Stoppcodons. Man kann sie sich wie Punkte am Ende eines Satzes vorstellen. Sie dienen als Stoppsignal, das dem Ribosom mitteilt, dass es am Ende der Proteinanweisungen angelangt ist und keine weiteren Aminosäuren mehr hinzufügen soll. In der RNS wird die Nukleotidbase Thymin (T) durch die Nukleotidbase Uracil (U) ersetzt. Die drei Stoppcodons in der mRNA sind UAG, UAA und UGA.
Während 61 Codons für Aminosäuren codieren, hat der Mensch nur 20 Aminosäuren, so dass es mehr Codons als nötig gibt. Dies wird als Redundanz bezeichnet. Eine Aminosäure kann mehr als ein Codon haben, das für sie codiert. Zum Beispiel kodieren sowohl UUU als auch UUC für die Aminosäure Phenylalanin (Phe).
Redundanz trägt dazu bei, die Auswirkungen von Veränderungen in der DNA zu verringern. Damit ein Protein optimal funktioniert, muss es die richtige Aminosäure an der richtigen Stelle haben. Jede Veränderung in einem Gen, die eine Aminosäure durch eine andere ersetzt, kann dazu führen, dass ein Protein nicht mehr funktioniert.
Während dies für das Laktase-Gen vielleicht keine große Sache ist (man muss einfach Lactaid nehmen, wenn man Milch trinkt), können die Auswirkungen bei anderen Genen schwerwiegender sein. Die Sichelzellenanämie ist ein Fall, bei dem eine einzige Aminosäureveränderung im Beta-Globin-Gen zu der Krankheit führt.
Redundanz macht es unwahrscheinlicher, dass Mutationen zu Aminosäureveränderungen und damit zu einer möglichen Krankheit führen, da einige Veränderungen in der DNA, die so genannten stillen Mutationen, zu derselben Aminosäure führen werden. Wenn zum Beispiel ein C das letzte U in UCU ersetzt, um UCC zu bilden, wird das Codon immer noch die gleiche Aminosäure bilden: Serin (Ser). Mehr als ein Codon pro Aminosäure kann verhindern, dass ein nicht funktionsfähiges Protein entsteht.
Wie viele mögliche Codons gibt es?
Die meisten Organismen, wie der Mensch, haben ähnliche genetische Codes mit 64 Codons, die auf die gleiche Weise funktionieren. Man nennt ihn sogar „Universeller Genetischer Code“. Ein Beispiel wäre ACG, das für die Aminosäure Threonin (Thr) bei Menschen, Katzen und Pflanzen kodiert.
Neue Forschungen zeigen jedoch, dass einige Bakterien Codons haben, die anders kodieren. Zum Beispiel kann das Stoppcodon UGA bei einigen Bakterien für die Aminosäure Glycin (Gly) kodieren. Ebenso kann das Stoppcodon UGA in den Mitochondrien einiger Organismen für Tryptophan kodieren.
Wofür kodiert die DNA?
Nur etwa zwei Prozent der DNA in Ihren Zellen kodieren tatsächlich für Proteine. Der Rest wird manchmal sogar als „Junk-DNA“ bezeichnet – aber die Wissenschaftler waren vielleicht etwas voreilig, ihn so zu nennen. Diese nichtcodierende DNA hat viele verschiedene Funktionen in der Zelle, zum Beispiel die Regulierung von Genen. Nichtcodierende DNA kann dabei helfen, Gene ein- und auszuschalten, einen Platz für die Bindung von Proteinen bereitzustellen, damit diese ihre Arbeit verrichten können, und so weiter. Das Studium der nichtcodierenden DNA ist derzeit ein aktives Forschungsgebiet.