Ein Hormon entschlüsseln
AFB I–IIOxytocin ist ein kurzes Peptidhormon, das unter anderem die Wehen auslöst. M2 zeigt den codogenen Strang eines vereinfachten Modellgens für Oxytocin, M1 die Code-Sonne.
3′-CGTACACGATGTAGGTCTTGACAGGGGACCCGATT-5′
Im Körper entsteht Oxytocin aus einem längeren Vorläuferprotein; die Sequenz ist daher ein Modell.
- Beschreiben Sie, wie man mit der Code-Sonne die Aminosäure zu einem Codon bestimmt.
- Ermitteln Sie die mRNA und die Aminosäuresequenz des Peptids (M1, M2).
- Erläutern Sie an Ihrem Ergebnis aus b) zwei Eigenschaften des genetischen Codes.
- Begründen Sie, dass ein Code aus Zweiergruppen von Basen nicht ausreichen würde.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Man benötigt das Codon der mRNA in 5′→3′-Richtung. Die erste Base sucht man im innersten Ring, die zweite im anschließenden Ring innerhalb dieses Sektors, die dritte im dritten Ring. Im äußeren Ring steht dann die zugehörige Aminosäure oder „Stopp“. Beispiel: UGC → innen U, dann G, dann C → Cystein.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
mRNA (komplementär, U statt T, 5′→3′): 5′-GCAUGUGCUACAUCCAGAACUGUCCCCUGGGCUAA-3′. Das erste AUG beginnt an der 3. Base, Leseraster: AUG UGC UAC AUC CAG AAC UGU CCC CUG GGC UAA. Aminosäuren: Met–Cys–Tyr–Ile–Gln–Asn–Cys–Pro–Leu–Gly, dann Stopp. Ohne das Start-Methionin, das später abgespalten wird, ist das die Sequenz von Oxytocin (9 Aminosäuren).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Degeneriert: Cystein wird einmal von UGC, einmal von UGU codiert; beide Codons unterscheiden sich nur in der 3. Base. Eindeutig: Jedes der Codons ergibt beim Ablesen genau eine Aminosäure, z. B. CCC immer Prolin. Kommafrei und nicht überlappend: Die 33 Basen ab AUG werden lückenlos in 11 Codons zerlegt, keine Base wird doppelt genutzt. (Zwei Eigenschaften mit Beleg genügen.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Mit vier Basen lassen sich 4² = 16 verschiedene Zweiergruppen bilden. Es müssen aber 20 Aminosäuren und ein Stoppsignal codiert werden. Erst Dreiergruppen liefern mit 4³ = 64 genügend Codewörter; der Überschuss erklärt, warum der Code degeneriert ist.
Den Code knacken
AFB II–III1961 gaben Marshall NIRENBERG und Heinrich MATTHAEI künstlich hergestellte mRNA in ein zellfreies System aus zerkleinerten E. coli-Zellen, das alle für die Proteinsynthese nötigen Bestandteile und radioaktiv markierte Aminosäuren enthielt. Später nutzte Har Gobind KHORANA mRNAs mit sich wiederholenden Basenfolgen. In diesem System beginnt die Übersetzung an beliebiger Stelle der künstlichen mRNA.
| künstliche mRNA | Basenfolge | gebildete Peptide |
|---|---|---|
| Poly-U | …UUUUUUUUU… | nur Phenylalanin-Ketten |
| Poly-C | …CCCCCCCCC… | nur Prolin-Ketten |
| Poly-A | …AAAAAAAAA… | nur Lysin-Ketten |
| (UC)n | …UCUCUCUCU… | Ketten mit abwechselnd Serin und Leucin |
| (UUC)n | …UUCUUCUUC… | drei Sorten Ketten: nur Phe, nur Ser oder nur Leu |
- Beschreiben Sie die Ergebnisse in M3.
- Erklären Sie das Ergebnis mit (UC)n und leiten Sie daraus eine Aussage über die Länge der Codewörter ab.
- Deuten Sie das Ergebnis mit (UUC)n im Hinblick auf die Eigenschaften des Codes.
- „Diese Versuche beweisen, dass der genetische Code ein Triplett-Code ist.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Einheitliche mRNAs aus nur einer Base (Poly-U, Poly-C, Poly-A) liefern Ketten aus jeweils nur einer Aminosäure: Phe, Pro bzw. Lys. Die mRNA mit abwechselnd U und C liefert eine gemischte Kette, in der Serin und Leucin abwechseln. Die mRNA aus der Wiederholung UUC liefert drei verschiedene Kettensorten, die jede für sich aber nur aus einer Aminosäure bestehen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei einem Triplett-Code wird …UCU CUC UCU CUC… gelesen: Die Codons UCU und CUC wechseln sich ab, also entstehen abwechselnd zwei Aminosäuren (Ser und Leu). Bei einem Zweier-Code (UC UC UC …) oder Vierer-Code (UCUC UCUC …) entstünde immer dasselbe Codewort und damit eine einheitliche Kette. Die abwechselnde Kette zeigt: Ein Codewort besteht aus einer ungeraden Zahl von Basen. Mit 4¹ = 4 < 20 bleibt als kleinste Möglichkeit das Triplett.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Da die Übersetzung an beliebiger Stelle beginnt, gibt es drei Leseraster: UUC UUC … (Phe), UCU UCU … (Ser) und CUU CUU … (Leu). Jede Kette ist einheitlich — innerhalb einer Kette wird das einmal gewählte Raster lückenlos beibehalten (kommafrei) und keine Base doppelt genutzt (nicht überlappend). Bei einem überlappenden Code entstünden gemischte Ketten. Der Befund zeigt zudem, wie wichtig in der Zelle ein festgelegter Start (AUG) für das richtige Leseraster ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Versuche stützen den Triplett-Code stark: (UC)n schließt gerade Codelängen aus; (UUC)n mit einheitlichen Ketten schließt einen Ein-Basen-Code aus (er ergäbe Mischketten nach dem Muster X–X–Y) und passt nur zu Codelängen, die Vielfache von 3 sind. Zusammen mit der Mindestzahl von 20 Codewörtern ist das Triplett die sparsamste Deutung. Streng bewiesen ist sie damit nicht — ein Neuner-Code wäre mit M3 noch vereinbar; erst die vollständige Zuordnung aller 64 Tripletts und spätere Sequenzvergleiche von Genen und Proteinen haben die Frage endgültig geklärt. Urteil: Die Aussage ist im Kern richtig, „beweisen“ ist aber zu stark.