Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie

Grundvorlesung Allgemeine Mikrobiologie
DNA gibt Informationen in Paketen an RNA ab
Die Sequenzen der Aminosäuren in den Proteinen ergeben sich anhand von Anweisungen, die in der
Reihenfolge der Nukleotide in der DNA enthalten sind. Um die Information der DNA nutzbar zu machen,
wird sie zunächst in die mRNA (messenger RNA) überschrieben. Dieser Prozeß heißt Transcription. Die
Transcriptionsmaschinerie der Zelle weiß aufgrund bestimmter Signale, welcher Strang der
DNA−Doppelhelix der sinnvolle ist; sie weiß auch, wo die korrekten Start− und Stop−Stellen der
Transcription sind. Die mRNA wird komplementär zur DNA synthetisiert. Die Prinzipien der Basenpaarung
sind dieselben wie beim Watson−Crick−Modell der DNA: Guanin paart mit Cytosin und Adenin paart mit
Uracil. Uracil ist so etwas wie eine Ausnahme und vertritt in der RNA die Rolle von Thymin. Chemisch sind
beide Nucleobasen zwar verschieden, die von den Wasserstoffbrücken abhängigen Basenpaarungen sind aber
die gleichen.
Der zweite Unterschied zwischen DNA und RNA liegt im Zuckeranteil des Nukleotids. Während DNA immer
Desoxyribose enthält, gibt es in der RNA immer Ribose. Der Unterschied − eine einzige Hydroxylgruppe −
kommt uns sehr gering vor, ist aber für die Biologie sehr entscheidend. Ribose−5−Phosphat bildet sehr gerne
ein zyklisches Phosphat zwischen der 3− und der 2− Position. Passiert das innerhalb eines
RNA−Makromoleküls, so ist die Folge ein Bruch der Nukleotidkette. Die RNA degradiert. Tatsächlich gibt es
viele Enzyme, die diesen chemisch und energetisch ohnehin einfachen Schritt katalysieren. Da diese Enzyme
RNA abbauen, werden sie Ribonukleasen genannt.
Für die Zelle ist diese chemische und enzymatische Labilität der RNA vorteilhaft. Schließlich wird die
Information vieler Gene nur zu bestimmten Zeiten des Zellteilungszyklus oder unter ganz bestimmten
Umweltbedingungen gebraucht. Zu anderen Zeiten oder unter anderen Bedingungen werden solche Gene
nicht in RNA überschrieben, und die schon transcribierte mRNA soll rasch wieder verschwinden, um nicht
völlig unnötige Proteine zu synthetisieren. Bei der DNA ist das anders: Der Träger aller Erbinformationen und
auch aller Informationen für die Synthese von Proteinen muß chemisch weitgehend stabil sein. Da die
Hydroxylgruppe in der 2'−Position des Zuckers fehlt, können die erwähnten cyclischen Phosphatester nicht
gebildet werden. Der Abbau von DNA ist chemisch schwieriger als der von RNA. Es ist kein reiner Zufall,
daß seit Beginn der Evolution für den Informationsspeicher die stabile DNA, für den Informationsüberträger
aber die labilere RNA verwendet wurde.
Proteinbiosynthese findet an Ribosomen statt
Die Informationen der mRNA werden in Proteine übersetzt. Dieser Schritt des Informationsflusses heißt
Translation. Dieser Prozeß läuft an kleinen Partikeln des Cytoplasmas ab, den Ribosomen. Die bakteriellen
Ribosomen bestehen zu 40% aus Proteinen und zu 60% aus RNA. Aus aufgebrochenen Zellen können sie mit
Hilfe der differentiellen Zentrifugation recht leicht rein dargestellt werden, so daß sie der biochemischen
Analyse gut zugänglich sind.
Man hat die physikochemischen Eigenschaften der Ribosomen zunächst in der Ultrazentrifuge studiert. Die
Sedimentation von Makromolekülen und kleinen Partikeln im extremen Schwerefeld der Ultrazentrifuge von
mehreren 10 5 g hängt sowohl von ihrer Dichte, als auch von ihrer Form und Größe ab. Die Rate, mit der die
Partikel sedimentieren wird in den so genannten Svedberg−Einheiten gemessen. Bakterielle Ribosomen
sedimentieren mit einer Svedberg−Konstante von 70S. Diese 70S−Partikel sind bei einer Konzentration von
etwa 5mM Mg 2+ stabil, dissoziieren aber bei bei geringeren Magnesiumionen−Konzentrationen in die 30S−
und die 50S−Untereinheit. Die S−Werte sind nicht additiv!
Die 30S−Untereinheit besteht aus einem RNA−Molekül mit einer Sedimentationskonstanten von 16S und 21
verschiedenen Polypeptiden. Die ribosomale 50S−Untereinheit enthält zwei verschiedene RNA−Moleküle
von 23S und 5S, sowie 31 Proteine. Wenn alle diese Komponenten unter den richtigen Salzbedingungen in
der richtigen Reihenfolge miteinander gemischt werden, entstehen wieder funktionsfähige ribosomale
Untereinheiten. Unter den Bedingungen des bakteriellen Cytoplasmas binden die beiden Untereinheiten
nacheinander an die Startstellen der Translation auf der mRNA (ribosomale Bindungsstelle oder
DNA gibt Informationen in Paketen an RNA ab 15