Genetischer Code

Zu den grundlegenden Begriffen zählen:

• Triplett: Folge von drei Nukleotiden. Auf der mRNA wird ein Triplett als Codon bezeichnet. Das Codon ACG (aus Adenin, Cytosin und Guanin) kodiert z.B. die Aminosäure Threonin.
• Anticodon: Komplementäres Basentriplett der tRNA, das sich während der Translation mit dem Codon der mRNA paart.
• Leseraster: Durch den Startpunkt festgelegte Einteilung der Nukleotidsequenz in aufeinanderfolgende Codons.
• Codesonne: Kreisförmige Darstellung des genetischen Codes, mit der sich ausgehend von einem Codon schnell die zugehörige Aminosäure ablesen lässt. Es existieren verschiedene Varianten dieser Darstellung.

Die Entschlüsselung des genetischen Codes begann 1961 mit einem Experiment von Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei: Synthetische Poly-Uridin-RNA führte in einem zellfreien System zur Bildung von Polyphenylalanin. UUU wurde damit als erstes Codon (für Phenylalanin) identifiziert. Bis 1966 waren alle 64 Codons zugeordnet. 1968 erhielten Robert W. Holley, Har Gobind Khorana und Marshall Nirenberg dafür den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Aus den vier möglichen Basen ergeben sich 4³ = 64 mögliche Codons. Davon kodieren 61 Codons (Sinncodons) für die 20 Standardaminosäuren, drei dienen als Stoppcodons. Die meisten Aminosäuren werden daher durch mehrere Codons spezifiziert. Man spricht vom redundanten oder degenerierten Code.

Synonyme Codons unterscheiden sich meist nur in der dritten Base. Ein Austausch dieser Base führt deshalb häufig nicht zu einem Aminosäureaustausch. Zudem kodieren ähnliche Codons oft chemisch ähnliche Aminosäuren. Diese Eigenschaften machen den genetischen Code fehlertoleranter gegenüber Punktmutationen.^[1]

Die Wobble-Hypothese erklärt, warum eine tRNA mehrere synonyme Codons erkennen kann: Die Paarung zwischen der dritten Codonbase und der ersten Anticodonbase folgt weniger strengen Regeln.

Neben der Redundanz ist der genetische Code durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

Die Stoppcodons UAA, UAG und UGA kodieren für keine Aminosäure. Für sie existiert keine passende tRNA. Stattdessen werden sie von Freisetzungsfaktoren (Release-Faktoren) erkannt. Diese beenden die Proteinbiosynthese und leiten die Freisetzung der Polypeptidkette sowie die Dissoziation des Ribosoms von der mRNA ein.

Das Startcodon AUG kodiert für die Aminosäure Methionin und markiert zugleich den Beginn der Translation. Bei Prokaryoten wird am Start N-Formylmethionin eingebaut. Prokaryoten nutzen zudem gelegentlich alternative Startcodons wie GUG oder UUG. Das fertige Protein trägt nicht zwangsläufig Methionin als erste Aminosäure: Es wird häufig bereits kotranslational durch die Methionin-Aminopeptidase abgespalten.

Selenocystein wird als 21. proteinogene Aminosäure meist getrennt von den 20 Standardaminosäuren genannt. Es wird durch das Stoppcodon UGA kodiert, wenn die mRNA eine spezielle Haarnadelstruktur trägt, das SECIS-Element (Selenocysteine Insertion Sequence). Bei Eukaryoten liegt dieses in der 3'-untranslatierten Region. Beim Menschen kommt Selenocystein in etwa 25 Selenoproteinen vor, z. B. in der Glutathionperoxidase.

Pyrrolysin gilt als 22. proteinogene Aminosäure. Es wird durch das Codon UAG kodiert und kommt nur bei einigen Archaeen und Bakterien vor, nicht beim Menschen.

Der genetische Code ist nur nahezu universell. Abweichungen kommen in Mitochondrien sowie bei bestimmten Bakterien, Hefen und verschiedenen Gruppen von Protisten vor.^[2] Die folgende Tabelle zeigt Beispiele:

Aus den Eigenschaften des genetischen Codes ergeben sich die Auswirkungen verschiedener Mutationstypen:

Die Fehlertoleranz des Codes erklärt, warum viele Punktmutationen ohne funktionelle Folgen bleiben.^[1]