3.3.1 modellhafter Ablauf von Transkription und Translation

Translation

Die Translation ist der letzte Vorgang zur Realisierung der genetischen Information bei dem an den Ribosomen anhand der Genkopie mRNA ein Protein hergestellt wird. Die mRNA diffundiert nun aus dem Zellkern in Zytoplasma und fädelt sich dort in Ribosomen ein. Dort sind eine Unzahl an Enzymen, Proteinen und viele mit Aminosäuren beladene t-RNA-Moleküle mit dem Übersetzungsvorgang der mRNA-Sequenz in die Proteinsequenz beschäftigt.

Eine Zelle besitzt tausende von Ribosomen (E.Coli ca. 15000). Sie kommen in Eukaryonten frei oder gebunden an das ER oder die Kernmembran vor. Auch in Mitochondrien und Chloroplasten findet man sie, allerdings sind sie dort kleiner, genau so wie die Ribosomen der Bakterien.

Prokaryonten

70S mit einer 50S und 30S Untereinheit

 53 Proteine

Eukaryonten

80S mit einer 60S und 40S Untereinheit

 83 Proteine

Sie bestehen aus einer kleinen und großen Untereinheit und aus 2/3 rRNA und 1/3 Protein (53 verschiedene bei Bakterien). Bei E.Coli machen die Ribosomen 25% der Masse der Zelle aus.

Die Ribosomen fertigen die Proteine aus deren Bausteinen, den Aminosäuren. Diese werden von einem speziellen Transport- und Übersetzermolekül der t-RNA zu den Ribosomen transportiert.

Die Translation läuft wie die Transcription in 3 Schritten ab:

  1. Initiation
  2. Elongation und
  3. Termination.

1. Initiation: Die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an die mRNA kurz vor dem Startcodon AUG. Dort lagert sich nun die große Untereinheit und eine Initiator-t-RNA an. Diese ist mit Methionin (Met) beladen (bei Bakterien mit fMet) und bindet an den Ausgangsort (P-Site) des Ribosoms.

2. Elongation: Eine mit einer Aminosäure beladene t-RNA mit dem passenden komplementären Anticodon besetzt den Eingangsort (A-Site) des Ribosoms. Unter Energieverbrauch (GTP) wird zwischen den beiden Aminosäuren der im Ribosom befindlichen t-RNAs ein Peptidbindung geknüpft. Die Starter- Met-t-RNA verläßt den Ausgang, das Ribosom rückt ein Triplett weiter. Die tRNA im Eingang wechselt in den Ausgang. Dies wiederholt sich bis das Ribosom am Stopcodon angelangt ist.

3. Termination: Ein Hilfsprotein erkennt das Stopcodon, das Polypeptid fällt vom Ribosom ab, da es keine t-RNA gibt, dessen Anticodon an das Stopcodon passt. (Ausnahme pyl-tRNA, Sec-tRNA). Das Ribosom zerfällt in seine 2 Untereinheiten.

3.4 Mutation

Überblick über Mutationsformen

Die bisher besprochenen Vorgänge um die Verdopplung des Erbguts (Replikation) und die Realisierung der genetischen Information (Transkription, Translation) sind alle höchst kompliziert und bedürfen eines gewaltigen Aufwandes an Energie und Material in der Zelle. Dabei geschehen spontan Fehler. Spontane oder induzierte Änderungen des Erbgutes werden als Mutationen bezeichnet.

Wird z.B. ein Gen falsch abgeschrieben, ensteht ein modifiziertes oder sogar defektes Protein, was sich in einem veränderten Stoffwechsel oder als Krankheit äußert. Man nennt solche Mutationen Genmutationen. Insgesamt kennt man 3 Mutationsformen:

Bei den Genommutationen hat sich die Gesamtzahl der Chromosomen verändert, bei der Chromomenmutation ist ein Chrimosom verändert.

Wir wollen hir nur kurz die Genmutation besprechen. (siehe Biokurs Klasse 13)

Sichelzellanämie

In Abb. 36 ist das Hämoglobin-Molekül abgebildet. Eine Genmutation im Gen der ß-Kette sorgt für eine veränderte Hämoglobinstruktur, sichelzellartig verformte Erythrocyten (siehe Abb. 36) und eine schlechte O2-Speicherung.

Man bezeichnet diese Krankheit als Sichelzellanämie.
Sie tritt fast nur bei der schwarz-afrikanischen Bevölkerung auf.

In den USA kann man die Häufigkeit des Auftretens der Abbildung entnehmen.

Bei der schwarzen Bevölkerung tritt sie homozygot 1:400 und heterozygot 1:12 auf. In den Malariagebieten Afrikas findet man sehr häufig die heterozygote Form, da die Sichelform der Erythrozyten den Infektionszyklus des Malaria-Erregers behindert und so dem Merkmalsträger eine Resistenz verliehen wird.
Homozygot ist das Krankheitsbild u.a. von Anämie und Verstopfung der Blutgefäße gekennzeichnet.

Genetische Ursache:

Bei der Sichelzellanämie ist in der b-Kette in Position 6 die Base A (GAG = Glutaminsäure) gegen T (GTG = Valin) ausgetauscht. Das Hämoglobin besitzt deshalb eine andere Konformation. Man bezeichnet eine solche Änderung nur einer Base als Punktmutation. Man spricht ebenfalls von einer Fehlsinn-Mutation, da die genetische Information. geändert wurde.

Daneben gibt es noch andere Mutationsformen z.B. die Rastermutation. Auch diese Form tritt z.B. im Hämoglobingen auf:

Bei der Thalassämie werden zu wenig intakte Betaketten des Hämoglobins gebildet, da die Proteinproduktion durch die Rastermutation abbricht und zu einem defekten Protein führen. Die Folge sind deformierte rote Blutkörperchen, Sauestoffmangel und viele organische Defekte.

Krebs

Brustkrebs (Mammakarzinom) ist ein bösartiger Tumor der Brust, der gewöhnlich in in den Geweben der Milchdrüsenkanäle oder -drüsenläppchen entsteht. Brustkrebs ist in Deutschland die häufigste Krebsart und auch die häufigste Krebstodesursache bei Frauen. Jeder vierte bösartige Tumor bei Frauen ist Brustkrebs. Jährlich erkranken 43.000 Frauen uns ca. 400 Männer an Brustkrebs. Bundesweit starben 2001 ca.19.000 Frauen an Brustkrebs. 60 Prozent der Erkrankungen erfolgen erst nach dem 60. Lebensjahr.

Alle Tumoren der Brust können grob in Milchgangskarzinome, auch duktales Karzinom, und in Läppchenkarzinome auch lobuläres Karzinom unterschieden werden. (siehe Abb. 40) Nachfolgend einige häufige Karzinome:

Art des Brustkrebses Häufigkeit in %
infiltrierend duktales Karzinom 75
Kolloidkarzinom 15
lobulär invasives Karzinom 10
tubuläres Karzinom selten
adenozystisches Karzinom selten
papilläres Karzinom selten

5 -10 % der Brustkrebserkrankungen sind erblich und werden durch autosomal dominante Mutationen in bestimmten Genen wie BRCA1 (Chromosom 17) oder BRCA2 (Chromosom 13) verursacht. Diese Gene werden auch Tumor - Suppressor-Gene genannt. (Suppressor = Unterdrücker)
Die weiblichen Geschlechtshormone (Östrogene) begünstigen das Wachstum gewisser Brustkrebstypen.

Das BRCA1-Gen wurde 1990 entziffert. Es besteht aus 5,592 Nucleotiden verteilt in 24 Exons verteilt in 81 Kilobasen (kb) DNA. Das Genprodukt (Protein) ist 1863 Aminosäuren lang und bindet Zink. Es spielt eine wichtige Rolle im Zellzyklus im Zusammenhang mit Genaktivierung und DNA-Reparatur.
Das Gen wird in allen Geweben transcribiert.

Das BRCA2-Gen wurde 1994 identifiziert, besteht aus 11,385 Nucleotiden in 27 Exons verteilt in 70 kb des Chromosoms 13. Das Genprodukt besteht aus 3418 Aminosäuren. Es ist an der DNA-Reparatur von Chromosomenpaaren bei Strangbrüchen beteiligt. Eine Mutation oder ein Ausfall führt zu Krebs, in anderen Zellen als des Brustgewebes führt ein Defekt zu Eierstockkrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs.

Man kennt heute über 235 Mutationen in BRCA1 und mehr als 100 Mutationen im BRCA2-Gen.

In Abb. 42 ist das Krebsrisiko für 3 Mutationen im BRCA1-Gen zusehen. Ein Ausfall oder eine Beschädigung der an der DNA-Reparatur beteiligten Gene führt also immer mit steigendem Alter zu einer Zunahme des Krebsrisikos. Ein Strangbruch vor dem p53-Gen und der Ausfall der BRCA-Gene sorgt für unkontrollierte DNA-Replikation und Zellwachstum (Tumor), Anhalten des Zellzyklus in der G1-Phase und der Apoptose.

 

 

 

 

 

Abb. 32

Nukleus mit ER und Ribosomen

 

Abb. 33

70S Ribosom

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 34

tRNA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 35

Translation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 36

S-Hämoglobinmolekül

Sichelzellanämie

 

 

 

 

 

 

Abb. 37

Sichelzellanämie in den USA

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 38

Punktmutation

 

 

 

 

 

Abb. 39

Rastermutation - Thalassämie



Blutbild mit Thalassämie



Verbreitung der Thalassämie

 

 

Abb. 40

Anatomie der Brust

Drüsenläppchen (Lobuli)
Brustwarze (Mamilla)
Warzenhof (Areola)
Kanäle (Ductus)

Autosomal =
die Nichtgeschlechtschromosomen betreffend, also 1 -22 beim Mensch)

dominant:
das gesunde Merkmal überdeckend

BRCA:
BReast CAncer- 1 und 2

 

Abb. 41

Mutation im BRCA-gen


 

Abb. 42

Mutationen in BRCA-Genen

Krebsrisiko

 

Abb.43

DNA-Reparatur durch BRCA2

ATM = Kinase
p53 = kritisches Checkpoint Gen
PCNA = proliferating cell nuclear antigen

 

Weiterführende Quellen:

genetischer Code

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/C/Codons.html
http://www.amsci.org/amsci/issues/Comsci98/compsci9801.html

Bustkrebs

http://www.hosppract.com/genetics/9710gen.htm
http://www.genomenewsnetwork.org/articles/09_02/breast_gene.shtml
http://www.krebshilfe.de/neu/presse/pm-detail.php?Nr=426

Sichelzellanämie

http://www.defiers.com/scd.html

Thalassämie

http://www.med-ed.virginia.edu/courses/path/innes/rcd/thalassemia.cfm