Corona – 16 .. Impfung (2) – mRNA: Ausflug in die Zellfabrik

Dieser Artikel ist Teil 16 von 18 in der Serie "Corona" ...

Fortsetzung zum Abschnitt Impfung (1)

Ich gebe hier eine ausführliche, hoffentlich anschauliche Show zu den Vorgängen in einer Zelle mit Zellkern. Wenn man verstehen will, was mRNA ist, muss man wissen, was in einer Zelle normalerweise so passiert.
Und es geht um das Wesen von Viren. Alles natürlich im Zusammenhang mit der SARS-Cov2-Impfung.

tl; dr: Intrazelluläre Vorgänge sind extrem cool. Wer’s gern kurz mag, ist hier falsch. Goldrichtig hingegen, wer’s wie ich immer genau wissen will und gern was lernt. :)

Extrem effizient, aber wenig Spass

Viren sind die effizientesten aller Parasiten, wiewohl Viren gar nicht zu den Lebewesen zählen, und zwar genau deswegen: Sie sind völlig auf einen einzigen Zweck reduziert – sich zu vermehren. Und das, ohne Energien für etwas so Profanes aufbringen zu müssen wie Stoffwechsel, Fortbewegung, Arbeit oder gar ein erfolgversprechendes Sozialverhalten.
Party gibt’s trotzdem: in den kleinen Fabriken in unseren Zellen.

Ein Virus ist vielfach kleiner als die meisten Bakterien, und dennoch oft aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt.
Das wichtigste am Virus ist aber seine Erbinformation. Das ist die Bauanleitung für den Virus – für den vorhandenen, und für neue. Wer sich vervielfältigen will, muss diese Anleitung liefern.
Rund um dieses Genom des Virus sind meist noch Schichten aus Lipiden und Proteinen, ganz außen ist die Virushülle. (Dazu später mehr.)

Der genetische Code

Der funktioniert für alle Organismen weitgehend gleich:
Mithilfe von vier verschiedenen organischen Verbindungen werden Informationen codiert.
Genauer: mit Nukleotiden.
Noch genauer: Das sind zusammengesetzte Moleküle aus einer Base, einem Zuckermolekül und mindestens einer Phosphatgruppe.

Die Nukleotide liegen in der Erbinformation sehr zahlreich nebeneinander und sind chemisch miteinander verknüpft, sodass sie damit gleichzeitig das Rückgrat ihres eigenen Strangs bilden.
Wie kleine Buchstaben, die sich an den Händen halten. Naja, an den Füßen. Also, an Hand und Fuß. Blöde Metapher! :D

RNA ist (meist) einseitig angeordnete Information aus einer Reihe ihrer Nukleotide.
Sieht aus wie ein der Länge nach halbiertes Bahngleis.
In manchen Viren liegt das Erbgut in dieser Form vor (Masern, Ebola, SARS-CoV).

DNA ist zweiseitig angeordnete Information aus Reihen ihrer Nukleotide.
Daraus ergibt sich die bekannte Doppelhelix-Form: zwei gegenüberliegende und in der Mitte verbundene Stränge, die ineinandergewunden sind.
Sieht aus wie ein komplettes Bahngleis, aber ein viel zu weiches und daher in sich verdrehtes.
Die Schienen sind das Rückgrat, ein Bahnschweller jeweils zwei gegenüberliegende Nukleotide = ein Basenpaar.

Wir Menschen tragen unser Erbgut in dieser Form in unseren Zellkernen, wie alle Organismen mit echtem Zellkern und Zellmembran (Eukaryoten): Tiere, Pflanzen, Pilze – aber auch bestimmte Viren.
Auch Organismen ohne echten Zellkern (Prokaryoten) haben DNA, also Bakterien und Archaeen, aber nur direkt in ihrem Zellplasma.

(Sprachhinweis: Das A in RNA und DNA steht für Acid (Säure); das sind die internationalen Abkürzungen, sie entsprechen den deutschen Abkürzungen RNS und DNS).

Macht euch klein für einen Ausflug ins Erbmaterial!

Hier erstmal ein leiwandes kleines Video zur Protein-Biosynthese. Bitte einfach nur schauen, noch nix verstehen müssen! :)
Und dann hier weiterlesen.

Wirklich! Bitte anschauen! Es dauert nur 2 Minuten 42.
Ich warte auch hier, versprochen! =)

Anders als bei einschlägigen YouTube-Schwurbler-Videos, die man nur nachplappern braucht, muss man hier sein Köpfchen ein wenig anstrengen, um zu verstehen, was man gesehen hat.
Hier folgt das Basiswissen dazu.

Ein Buch aus Codes

Mithilfe gewitzter Codierung sind in DNA und RNA tausende Bauanleitungen gespeichert:
Die Reihenfolge, in der die Basenpaare auf dem Strang angeordnet sind, ergibt Codes, die für verschiedene Aminosäuren stehen.
Aus einer ganzen Kette von Aminosäuren kann eine Zellfabrik zB Proteine bauen.

Buchstaben

Die Nukleotide sind die Buchstaben im Buch der Erbinformation.

ஐ Bei DNA sind das A G C T: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin

ஐ Bei RNA sind das A G C U: dieselben ersten drei, aber Uracil statt Thymin (ist aber fast dasselbe ;)

Worte

Ein Dreiergrüppchen an Nukleotiden – ein Basentriplett oder Codon – codiert eine bestimmte Aminosäure.
Da es zur Zusammensetzung dieser Tripletts aber vier verschiedene Basen gibt, sind damit zahlreiche unterschiedliche Codone möglich. Dies teilweise mit Redundanz: Einige Codone sehen zwar verschieden aus, ergeben aber ein- und dieselbe Aminosäure; es ist also auch eine gewisse Fehlertoleranz im Code eingebaut.

Sätze

Manche Codone sind auch Satzzeichen – auf dem Strang gibt es nämlich zwischen den unterschiedlich großen Triplett-Gruppen auch Codone für Start und Stop. Damit man weiß, wo ein Bauplan zu Ende ist und der nächste beginnt.

Ein Start + viele Codone nacheinander + ein Stop = quasi ein Satz in der Erbinformation.
Dieser Satz ist ein Gen. Es codiert eine Kette aus Aminosäuren, und wenn man die in der richtigen Reihenfolge zusammenbaut, ergibt sie ein funktionierendes Endprodukt.

Kapitel und Buch

Unmengen solcher Sätze hintereinander bilden die Kapitel unserer Erbinformation, die Chromosomen.
23 Chromosomen-Paare von Mama und Papa enthält das Buch der menschlichen Erbinformation, das in unseren Zellkernen liegt – das Buch ist das Genom.
Es enthält 23.700 Gene (Sätze) aus etwa 6,4 Milliarden Buchstaben (3,2 Gigabasenpaare (Gbp) = Milliarden Basenpaare).

Satzweise Übersetzung

Aus der Anleitung für eine Kette aus Aminosäuren – aus einem Gen – kann eine Zelle ein Makromolekül bauen: ein Peptid oder Protein.

Ein Peptid ist ein Molekül aus bis zu 100 Aminosäuren (Polypeptid). Ein Protein hingegen besteht aus über hundert, bis hin zu tausenden Aminosäuren.

Bauanleitung und Zusammenbau

Einfach dargestellt passiert dieser Vorgang so:

In der Zelle gibt’s eine Zentrale: den Zellkern, und eine Fabrik: das Zellplasma (Cytoplasma, gr. kýtos: “Gefäß”).
Die Zentrale verfügt über sämtliche Baupläne in Form der DNA. Werden bestimmte Stoffe im Körper benötigt, dann erstellt die Zentrale eine Bestellkarte mit einem Satz drauf – eine kopierte Bauanleitung – und schickt die nach draußen in die Fabrik.
Dort wird die Bestellung dann ausgelesen und zusammengebaut.

SCHRITT 1: Die Bestellkarte verfassen – TRANSKRIPTION (Umschreibung)

Im Zellkern wird aus der DNA ein Satz = Gen abgeschrieben, in dem der benötigte Stoff codiert ist, und das geht so:

Ein Transkriptions-Team im Zellkern spürt das gesuchte Gen in der DNA auf.
Ein sehr nerdiges Protein (TBP) sucht und bindet sich dazu an das sogenannte Start-Codon (für Nerds: an den sog. Promotor, zB eine “TATA-Box”).

Von dort aus wird ein Stück “stromabwärts” gezählt und das DNA-Bahngleis dort dann quasi aufgezippt.
Eine kleine Kopierer-Dampflok aus Enzymen (RNA-Polymerase II-Kernkomplex) wählt die richtige Seite zum Abschreiben aus und beginnt, diese Schiene entlangzuschnaufen.

Frei im Zellkern verfügbare RNA-Nukleotide (= die Buchstaben-Kopien) schreiben währenddessen die buchstäbliche Gen-Information aus der DNA ab, indem sie sich einzeln gegenüber von den DNA-Nukleotiden platzieren.
Eigentlich schreiben sie sie aber nicht ab, sondern um:
Weil immer zwei Basen komplementär (“ergänzend”) sind:

A bindet sich gern an
T

G lieber an
C.

Und umgekehrt natürlich!

Die freien RNA-Nukleotide bilden also die Reihenfolge der Basen auf der DNA-Schiene nicht 1:1 nach, sondern komplementär.
Sie hätten dabei vielleicht auch gern
A in
T umgeschrieben – aber ach, die RNA-Nukleotide haben ja gar kein T! Und so verwenden sie stattdessen ein
U.

Steht in der DNA also
C T G A, dann wird daraus im RNA-Transkript
G A C U.

dna_transcription

Bild: “Schematische Darstellung der beiden DNA-Stränge während der Transkription und des entstehenden RNA-Transkripts” von National Human Genome Research Institute. Lizenz: Gemeinfrei
(Änderungen durch mich: *Erleichterung bei Rot-Grün-Farbenblindheit *Komplementärfarben für komplementäre Basen *sprachliche Ergänzungen)

So geht’s dahin, natürlich aber in Tripletts: Aus
CTGACGGAT wird
GACUGCCUA und so weiter.

Hinter dem Kopiervorgang schließt sich der DNA-Zipp wieder.

Auf der herausflatternden RNA-Kopie reihen sich also die umgeschriebenen Tripletts aneinander wie auf einem der Länge nach halbierten Bahngleis. Die Kopie ist einsträngig und wird danach auch noch ein bisschen zurechtgeschnipselt. Sie enthält DNA-Wörter in Spiegelschrift, die einen Satz ergeben.
Diese Botin bildet die Bestellkarte an die Fabrik.

Und genau das ist mRNA: messenger ribonucleic acid oder: Boten-RNA.

Leider ist die Botin sehr filigran, und sie sieht von vorne und hinten auch irgendwie gleich aus.
Deshalb kriegt die mRNA auf ihrer Kopfseite noch ein Käppchen aufgesetzt, damit man sieht, wo vorn und hinten ist, und damit es sie nicht zerreißt auf ihrer Reise aus der Zentrale in die Fabrik. Sie reist aus dem Zellkern hinaus und hinein ins feuchte Klima des Zellplasmas, zu den Ribosomen innerhalb der Zellmembran.

#SideFact: Die gerade beschriebenen komplementären Nukleotide bilden auch die Gegenüberseite auf der DNA-Doppelhelix – dieselbe Information nochmal gegengleich, sowas wie eine gespiegelte Sicherheitskopie. Gegenüber von A ist T, gegenüber von C ist G.
Man kann sich mit ein bisschen Gespür für Statik schon anhand der Form der Doppelhelix vorstellen, wieviel stabiler so eine DNA im Vergleich zu RNA sein muss.

SCHRITT 2: Die Bestellung ausführen – TRANSLATION (Übersetzung)

In den Fabriken außerhalb des Zellkerns wird auf Basis der mRNA-Infos die Aminosäurenkette produziert, und das geht so:

Ein Translations-Team nimmt die mRNA außerhalb des Zellkerns in Empfang und trägt die darauf codierten Aminosäuren zusammen.
Zu diesem Behufe kommt Transfer-RNA zum Einsatz:
Diese tRNA ist wie ein Adapter in Form eines Kleeblättchens, sie hat wie auf so’m Dreizack ein Basen-Triplett auf ihrer einen Seite – das sogenannte Anticodon (Anti-, weil wieder 3 komplementäre Basen zum Codon passen); auf ihrer anderen Seite glitzert die entsprechende Aminosäure.
Passt nun das Anticodon der tRNA perfekt auf das Codon auf der mRNA, dann wird die Aminosäure abgeladen.

Die spiegelhafte Informationskopie aus dem Zellkern wird also Codon für Codon übersetzt, es findet seine Entsprechung in einer Aminosäure. Dann ist das nächste Codon dran, das richtige tRNA-Anticodon passt drauf, und so entsteht eine Kette an Aminosäuren.
Aber immer schön der Reihe nach – so, wie es auf der mRNA geschrieben steht.

Die Ribosomen machen dabei die eigentliche Arbeit, sie sind quasi die Produktionswalzen und Zahnräder, die sich von einem Zustand in den anderen verwandeln, um die mRNA auszulesen und die Aminosäuren, die von der tRNA getragen werden, zur Kette zu verknüpfen.

Das Ende des Vorgangs wird erreicht, weil das Stop-Codon auf der mRNA einfach keine Entsprechung in der Anticodon-Sprache der tRNA hat. Das Stop-Codon beendet daher den Vorgang.
(Für Nerds: UAG, UGA, UAA sind Stop-Codons. Man kann also statt Stop! auch Uga! rufen (das wär ein geniales Safeword für Nerds! :))

Die Aminosäuren-Kette ist damit fertig und wird vom Ribosom freigegeben.
Sie faltet sich im Zellplasma zu ihrer dreidimensionalen Endform zusammen.

Die Proteinbiosynthese ist abgeschlossen.

Das fertige Protein wird durch die Außenmembran der Zelle geschleust und ins Leben entlassen.
Oder vielleicht bleibt es ja auch daheim – weil auch in der Zelle Proteine gebraucht werden. Ribosomen bestehen auch teils aus Proteinen, hauptsächlich aber aus rRNA (ribosomaler Ribonukleinsäure).

Proteine sind enorm potente kleine Dinger, die alles mögliche können: Signalstoffe erkennen, andere Stoffe anordnen, transportieren, für sie den Katalysator machen, sie integrieren und zu größeren Konstrukten verbinden. Sie sind für die biologische Entwicklung eines Lebewesens und den Stoffwechsel in der Zelle essentiell.

Und jetzt nochmal

das Video von vorhin.

Et voilà: Warum sich bei den Vorgängen, die man hier sieht, nicht einfach immer dieselbe Farbe gegenüber hinstellt, um die DNA mithilfe von mRNA abzubilden, dass das kein Fehler in der Darstellung ist, sondern so gewollt – das ist jetzt bestimmt klarer. (Hoffe ich!)

Bei der Translation in Aminosäuren findet über die tRNA der umgekehrte Vorgang statt wie bei der Transkription – nur dass wir hier, weil von RNA zu RNA, schon dauerhaft mit U arbeiten statt mit T.

Ein einzelner mRNA-Strang kann dabei für eine einzige solche Produktion dienen, oder auch für mehrere herhalten. Manchmal sitzen auch mehrere Ribosomen auf einer mRNA und produzieren gleichzeitig. Doch letztlich zerfällt die mRNA mehr oder weniger zufällig in ihre Bestandteile.

Wahre Komplexität

Ich weiß, das Ganze klingt hier schon eher kompliziert. Welche unglaublich differenzierten Phasen und Komponenten diese Vorgänge aber tatsächlich haben, die ich euch hier beinhart unterschlagen habe, das kann man hier angucken; und auch die “Codesonne” für die Aminosäuren-Codierung. Dort kann man, von innen nach außen gelesen, für die drei Beispiel-Codons von oben aus der Grafik die entsprechenden Aminosäuren ablesen:
GAC: Asp (D): Asparaginsäure
UGC: Cys (C): Cystein
CUA: Leu (L): Leucin

#SideFact: Die Nukleotide in der RNA und DNA sind nicht nur starre Information. Gewisse Typen enthalten auch Energie in Form von chemischen Verbindungen, die etwa als Quelle für Reaktionen bei der DNA-Replikation genutzt werden kann. Sie bilden so die ursprünglichsten Energiequellen des Lebens.

Ich hoffe, ihr könnt darüber auch so schön staunen wie ich! Jedesmal, wenn ich aus diesem genialen Mikrokosmos geistig wieder auftauche in meine gewohnte Welt, bin ich endlos fasziniert von der Vorstellung, dass diese Vorgänge in unseren Zellen in jeder einzelnen Sekunde unseres Lebens stattfinden!
Auf so winzigem Raum, innerhalb einer einzigen menschlichen Zelle, sind schon allein Ribosomen in der unvorstellbaren Menge von 10^5 bis 10^7 Exemplaren vorhanden!

Zurück zum Virus und zur Impfung

… gibt’s dann demnächst!

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Korrekturen und Fragen bitte in die Kommentare!

Credits:

Herzlichen Dank für die Beantwortung meiner Fragen der lieben Dr. Julie Blommaert, Mikrobiologin mit Expertise in Genom-Sequenzierung, Transponierbare Elemente und Evolutionary Genomics.

Dieser Artikel ist Teil der Serie "Corona".<< Zum vorigen Teil: "Corona – 15 .. Unser Weihnachten?"Zum nächsten Teil: "Corona – 17 .. Impfung (3) – Virus, Mutationen, mRNA-Impfstoff" >>

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