Grundlagen der Eiweißsynthese der Zelle

Erläuterungen der Grundbegriffe zur therapeutischen Idee von Prof. Dyckerhoff

Erbgut und Eiweiß, ein starkes Team

Die Chemie des Erbguts

Chemisch betrachtet bestehen Chromosomen aus einer langen Kette einer Substanz mit der Bezeichnung Desoxyribonucleinsäure, abgekürzt DNS. Diese DNS-Kette wird aus dem Zucker „Ribose“ gebildet, der perlschnurartig aufgereiht ist. Als Bindeglied zwischen den Zuckern dient Phosphor. Die genetische Information wird aber durch 4 verschiedene stickstoffhaltige Moleküle bestimmt, sogenannte „Stickstoffbasen“, von denen jeweils eine an jede Ribose gebunden ist. Die Abfolge dieser unterschiedlichen Stickstoffbasen bestimmt, für welches Eiweiß dieser Abschnitt auf dem Chromosom die Vorlage bildet.

Ribonucleinsäuren

Die Chromosomen liegen geschützt verpackt im Zellkern jeder Körperzelle, der Aufbau der Eiweiße erfolgt aber außerhalb des Zellkerns. Die Chromosomen sind zu groß, um durch die winzigen Poren in der Hülle des Zellkerns nach außen zu gelangen und für den Aufbau der Eiweiße ist im Zellkern kein Platz. Dieses Problem wird gelöst, indem die genetische Information auf eine kurze Molekülkette überschrieben wird, die den Zellkern verlassen kann und das ist die Ribonucleinsäure (RNS).

Chemisch ist RNS ganz eng mit der DNS verwandt, sie besteht ebenfalls aus Zucker-Phosphat-Ketten mit gebundenen Stickstoffbasen, die aber im Vergleich zur DNS ein paar Besonderheiten aufweisen, aber dennoch als Gegenstück genau auf die DNS passen. RNS ist damit eine kurzkettige Kopie eines Gens und so klein, dass damit die Information für den Aufbau von Eiweiß an jeden Ort der Zelle gebracht werden kann.

Diese „Übersetzung“ ist der sogenannte „genetische Code“ der in der Grafik dargestellt ist. Die Übersetzung funktioniert vereinfacht dargestellt so: Die Ribonucleinsäure, die den Bauplan für das Eiweiß enthält, heißt messenger-RNA (m-RNA). Eine weitere und besondere Art der Ribonucleinsäuren kann Aminosäuren transportieren, die transfer-RNA (t-RNA). Dabei hängt an jeder transfer-RNA jeweils genau eine der 23 möglichen Aminosäuren und diese Zuordnung ist fest, d.h. diese transfer-RNA kann keine andere Aminosäure transportieren. Jede Sorte transfer-RNA enthält einen Abschnitt mit drei Basen, der zeigt eindeutig, welche Aminosäure gebunden und für die Proteinsynthese bereitgestellt wird. Zu diesen spezifischen drei Basen der transfer-RNA gibt es jeweils drei entsprechende Basen auf der messenger-RNA, also dem RNA-Strang, der die Information für ein komplettes Protein trägt. Nun bindet die transfer-RNA an den passenden Abschnitt auf der messenger-RNA. Benachbarte Aminosäuren können dann zu einer Kette verbunden werden, die Reihenfolge entspricht dann dem Code auf der messenger-RNA. Die Graphik zeigt die möglichen Basenabfolgen auf der messenger-RNA mit den zugehörigen Aminosäuren. Die Graphik wird von innen nach außen gelesen. Wenn z.B. an einer Stelle der messenger-RNA die Basen Uracil, Guanin, Guanin (U, G, G) in dieser Reihenfolge vorliegen, wird an dieser Stelle eine transfer-RNA gebunden, die die Aminosäure Thryptophan (Trp) transportiert. Der genetische Code bestimmt so die Reihenfolge der Aminosäuren in jedem Protein. Liegt daneben auf der messenger-RNA ein Bereich mit den Basen Cytosin, Uracil, Uracil (C,U,U), wird eine transfer-RNA mit der Aminosäure Leucin gebunden. Die benachbarten Aminosäuren Tryptophan und Leucin werden dann verbunden und sind Teil der Kette, die das Eiweiß bilden werden.

Sogar die Übereinstimmung der genetischen Information ist bei den Lebewesen erstaunlich hoch. Mensch und Affe haben eine Übereinstimmung von etwa 95 %, Huhn und Mensch immerhin noch 60 % im Erbgut. Selbst bei der Hefe findet man einzelne Gene, die noch zu 50 % mit dem entsprechenden Gen beim Menschen übereinstimmen. Neue Untersuchungen zeigen sogar, dass gerade die kurzkettige Ribonucleinsäuren (micro-RNA) bei allen Säugetieren identisch oder fast gleich ist. 

Zusammenfassung

DNS ist der Datenspeicher für die gesamte Information, die ein Lebewesen benötigt, Ribonucleinsäure ist die Transportform für genau die Teile der Information, die eine bestimmte Zelle gerade benötigt, um die notwendigen Eiweiße zu bilden. Der Aufbau neuer Eiweiße bleibt während des gesamten Lebens erforderlich, denn unser Körper befindet sich in einem ständigen Auf - und Abbau. Wenn diese Prozesse nicht mehr richtig ablaufen, entsteht Degeneration und wir beginnen zu altern.

Aktuelle Forschung

Ribonucleinsäuren sind Gegenstand aktueller Forschung

Es gibt Regulatoren in jeder Zelle, die bestimmen, welche Gene für die Produktion von Eiweiß verwendet werden. Man kennt inzwischen eine Vielzahl von Regulatoren, neu ist aber, dass auch Ribonucleinsäuren diese Aufgabe übernehmen. Hier sind besonders sehr kurze Ketten von nicht mehr als 20-25 Zuckern von Bedeutung, die sogenannte micro-RNA (RNA ist die Englische Abkürzung für RNS). Micro-RNA wurde in den letzten Jahren intensiv erforscht. Inzwischen ist bekannt, dass diese micro-RNA sowohl für den Stoffwechsel im „Tagesgeschäft“ der Zellen als Regulator notwendig ist, als auch bei der Entwicklung von der ersten Zelle bis zum erwachsenen Menschen mit entscheidet, welche Funktion jede Zelle und jedes Gewebe übernehmen soll.

Prof. Dyckerhoff hat bereits vor 60 Jahren diese Ribonucleinsäuren isoliert. Aktuelle Forschung zeigt, dass mit seinem Herstellungsverfahren auch microRNA gewonnen wird (Stommel et al. 2015). Er hat diese natürlichen RNA-Extrakte zum Arzneimittel gemacht und damit die Grundlage für erfolgreiche Behandlungen gelegt. Die zu Grunde liegenden Wirkmechanismen werden wir in Zukunft in immer größerer Tiefe verstehen.

Ein Blick in die Zukunft

Gegenwärtig werden die Ribonucleinsäuren in großem Umfang kommerziell erforscht.
Eine wesentliche Fragestellung ist dabei: kann man Ribonucleinsäuren nutzen, um damit andere Arzneimittel in genau die Zellen zu schleusen, in denen das Arzneimittel wirken soll? Dabei möchte man eine ganz besondere Eigenschaft der Ribonucleinsäuren nutzen, die dafür sorgt, dass bestimmte Ribonucleinsäuren nur von ganz bestimmten Zellen aufgenommen werden. Hier wird ein großes Potential für die Entwicklung neuer Medikamente gesehen.

Eine weitere Entwicklung sind stabile messenger-RNA Moleküle, die im Körper als Vorlage für fehlende Proteine dienen sollen. Solche Proteine sind z.B. auch Antikörper. Der gesamte Bereich der Erkrankungen mit Beteiligung des Immunsystems, könnte damit völlig neuartige Therapiemöglichkeiten erhalten.

Referenzen

Stommel G, Schühlein S, Schühlein KH, Rainsford KD (2015) Therapeutic Effects of Ribunucleinate (Ribonucleotides) in Immuno-Inflammatory and Arthritic Diseases in Progress in Drug Research, Vol. 70, K. D. Rainsford et al. (Eds): Novel Natural Products: Therapeutic Effects in Pain, Arthritis and Gastro-intestinal Diseases, pp 35-89; 978-3-0348-0926-9; (Medline:PMID: 26462364)