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Vom Gen zum Protein

Translation

Die Translation ist eine der wichtigsten Abläufe der Zelle. Sie sorgt für die Übersetzung der genetischen Information aus der „Sprache“ der Nucleinsäuren in die Sprache der Proteine. Insoweit kann der Begriff Translation auch wortwörtlich als „Übersetzen“ gedeutet werden (lat. translatio = Übersetzung von einer Sprache in die andere). Dieses Übersetzen geht einher mit einer enormen Verstärkung der Information. Aus einer einzigen Kopie DNA werden über die Stufe der RNA viele Tausende von Proteinmolekülen.

Das Lexikon der Translation ist die Tafel des genetischen Codes. In den 1960er und 1970er Jahren haben zahlreiche prominente Wissenschaftler an der Entschlüsselung des genetischen Codes gearbeitet. Eine ganze Serie von Nobelpreisen wurde für die Entschlüsselung der Zusammenhänge vergeben. Aus der folgenden Tabelle soll die Rolle der Chemiker bei den entscheidenden Vorarbeiten und der Entwicklung der notwendigen Methoden erkennbar werden.

Tab.1
Wichtige Schritte bei der Entschlüsselung der zellulären Translation
1947 Alexander Todd gelingt die erste Synthese eines Nucleotids, Beschreibung der Bedeutung der 2´-OH-Gruppe. Chemie-Nobelpreis 1957
1953 James D. Watson und Francis H.C. Crick entwerfen das Modell der DNA-Doppel-Helix. Medizin-Nobelpreis 1962
1955 Entdeckung der Poly-Nucleotid-Phosphorylase durch Marianne Grunberg-Manago und Severo Ochoa; fälschlich für die zelluläre RNA-Polymerase gehalten. Medizin-Nobelpreis 1959
1955 Erstbeschreibung der Ribosomen durch George Palade. Medizin-Nobelpreis 1974
1959 Erstes Modell für die Regulation der Genexpression durch Francois Jacob und Jacques Monod. Medizin-Nobelpreis 1965
1961 Beginn der Entschlüsselung des genetischen Codes (UUU = Phe) durch J. Heinrich Matthaei und Marshall W. Nirenberg. Medizin-Nobelpreis 1968
1963 Bruce Merrifield formuliert die erste Festphasensynthese als Grundlage der Oligonucleotidsynthese. Chemie-Nobelpreis 1984
1964 Bestimmung der ersten tRNA-Sequenz (Alanin-tRNA) durch Robert W. Holley. Medizin-Nobelpreis 1968
1965 Erste chemische Synthese eines Nucleosiddiesters durch H. Gobind Khorana. Medizin-Nobelpreis 1968
1973 Erste Röntgenstrukturanalyse einer tRNA (Phe) durch Sung-Hou Kim und Alexander Rich.  
1975 Chemische und enzymatische DNA-Sequenzierung als Basis der Charakterisierung der mRNA durch Allan Maxam, Walter Gilbert, Fred Sanger und A.Coulsen. Chemie-Nobelpreis 1980
1977 Ratten-Insulin in Escherichia coli exprimiert durch Howard Goodmann; letzter Beweis für die Universalität des genetischen Codes.  
1977 Entdeckung des Spleißens (splicing) gleichzeitig durch Richard Roberts und Phillip Sharp. Medizin-Nobelpreis 1993
1978 Erste gerichtete Mutagenese durch Michael Smith als Grundlage für die Herstellung gezielt veränderter Proteine. Chemie-Nobelpreis 1993
1984 Erste Polymerase Kettenreaktion mit Hilfe der E.coli DNA Polymerase I durch Kary B. Mullis als Grundlage für die Herstellung gezielt veränderter Proteine. Chemie-Nobelpreis 1993
1999 - 2000 Fünf Gruppen gelang nahezu gleichzeitig, die 3D-Struktur des Ribosoms durch Kristallstrukturanalyse aufzuklären. Chemie-Nobelpreis 2009

Seit der Entschlüsselung des genetischen Codes kennt man neben den zwanzig Aminosäuren der allgemeinen Code-Tafel noch mindestens zwei weitere Aminosäuren, die an Stellen mit speziellen Anforderungen eingebaut werden.

Der Code übersetzt nicht nur "Worte", sondern kann auch "Satzanfänge" und "Satzenden" interpretieren. Ähnlich wie die Transkription verläuft auch die Translation nicht vollkommen fehlerfrei. Ein Beispiel ist hierfür die Aminoacyl-tRNA-Bildung. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit kann eine strukturell ähnlich aussehende Aminosäure aktiviert und an die tRNA angeheftet werden (z.B. Ile anstelle von Val). Jedoch bevor es zum Einbau der falschen Aminosäure kommt, wird das entsprechende Aminoacyl-adenylat wieder hydrolysiert, so dass die richtige Aminosäure an der vorgesehenen Stelle inkorporiert wird.

Die gezielte Veränderung von Genen gehört mittlerweile in den meisten Laboratorien zum Standard-Repertoire, um durch einen Vergleich von Wildtyp- versus Mutanten-Protein Struktur-Funktionsbeziehungen im Detail zu studieren. So gelingt auch eine Expression von Genen unabhängig von den Artgrenzen, so dass heute die Biotechnologie als Zukunftstechnologie hoch im Kurs steht.

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