Genetische Information – glossariumBITri

1. Lebensformen und ihre genetische Information

Im Allgemeinen kann die Zelle als kleinste Einheit des Lebens bestimmt werden, da sie in der Lage ist, Informationen zu erzeugen, zu vervielfältigen und zu verarbeiten. Eine Zelle enthält verschiedene Teile, die eine bestimmte Funktion und einen bestimmten Prozess besitzen, um die Zelle zu einer Maschine zu machen, die auf ihre Umgebung und äußere Einflüsse reagieren kann. Die Fähigkeit, Informationen zu empfangen, zu verarbeiten und durch Vervielfältigung zu erzeugen, wie bei der Translation/Transkription, macht die Zelle zu einem völlig unabhängigen System und damit zu einer eigenständigen Lebensform.

Zellen können in zwei verschiedene Typen unterteilt werden. Der eine ist das einfachste und grundlegendste Konzept einer Zellstruktur. Sie wird von Bakterien und Archaeen verwendet, die früher die einzigen Lebensformen auf der Erde waren, bis im Laufe der Evolution höher entwickelte Zellen aufkamen. Diese Zellen werden als prokaryotische Zellen bezeichnet, während die anderen die eukaryotischen Zellen sind, die eine komplexere Zellstruktur besitzen. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Zelltypen besteht in der Struktur und der Form der Informationsspeicherung. Die prokaryotische Zelle speichert Informationen, biologisch als DNA bezeichnet, in Form einer gefalteten Struktur, die in dichten, übereinander gewundenen Strängen durch die Zelle fließt. Im Gegensatz dazu hat die eukaryotische Zelle einen Kern, den Nukleus, in dem die DNA zur weiteren Verwendung gespeichert wird. Die DNA ist um Proteine, die sogenannten Histone, gewickelt. Die Struktur des Zellkerns ist punktiert, so dass bestimmte Fragmente die Umschließung des Kerns durch Löcher in der Kernmembran verlassen können.

2. DNA- Struktur und Funktionsweise

Die DNA ist eine Kurzbezeichnung für Desoxyribonukleinsäure. Die DNA beschreibt die Struktur der genetischen Information, die auf einem Polynukleotid basiert. Ein Polynukleotid beschreibt eine lange Kette von Nukleotiden, die in allen lebenden Zellen gleich ist, sowohl bei Ineukaryoten als auch bei Prokaryoten. Jedes Nukleotid basiert auf einer von vier Nukleobasen: Adenin, Cytosin, Thymin und Guanin. Zwei Basen sind komplementär zueinander, Adenin zu Thymin und Guanin zu Cytosin, und aus den Sequenzen der komplementären Nukleobasen kann eine bestimmte Struktur gebildet werden. Das Nukleotid selbst besteht aus einem Phosphatmolekül, einem Zuckermolekül und einer Nukleobase. Die verschiedenen Nukleobasen sind durch eine starke Wasserstoffbrücke miteinander verbunden, die der DNA eine gewisse Flexibilität verleiht, wobei die festgelegte Reihenfolge der Nukleobasen beibehalten wird. Im Zellkern liegt die DNA in Form einer Doppelhelix vor, um weniger Platz zu beanspruchen, wenn sie in der Mitte des Zellkerns zu einer engen Kugel aufgerollt ist (Lara, 2009). Laut Lara kann jedes Nukleotid an seinem 5′- und 3′-Ende eine „Kopf-Schwanz-Assoziation mit jedem anderen Nukleotid“ eingehen. Das bedeutet, dass jedes Nukleotid eine definierte Struktur mit zwei verschiedenen Enden hat, um mit anderen Nukleotiden zu interagieren und sich zu verbinden. Dieses Phänomen definiert die DNA-Sequenz, die für das Wachstum und die Entwicklung von Lebensformen unerlässlich ist.

Die DNA-Sequenz wurde erstmals von den Wissenschaftlern James Dewey Watson und Francis Crick verschlüsselt. Mit ihrer Entdeckung der DNA-Sequenz, auch „Universalität des genetischen Codes“ genannt, verlagerte sich der Schwerpunkt von der Chemie hinter der DNA auf die Codierung der DNA durch die Nukleobasen und die molekulare Struktur der Information in einer Zelle (Lyre, 2002).

Die Abfolge der DNA wird verwendet, um Informationen über den Aufbau von Proteinen und andere Betriebsfunktionen der Zelle zu speichern. Durch Transkription und Translation können diese Informationen vervielfältigt und abgelesen werden, um neue Proteine in der Zelle zu konstruieren.

3. Prozess der Informationsvervielfältigung in der Biologie

Zellen haben die Fähigkeit, Proteine durch Translation zu vervielfältigen, um das Überleben der Zelle auf lange Sicht zu sichern. Proteine basieren auf Aminosäuren und jedes Protein unterscheidet sich durch seine Verwendung und Funktion. Die Zelle selbst ist in zwei verschiedene Abteilungen unterteilt. Das Zytoplasma umgibt alle Teile des Zellinneren und diese Teile können durch den Einschluss der Zellwände frei schwimmen. Der Zellkern hingegen hat eine runde Form und enthält die DNA der Zelle sowie die Geräte, die diese gespeicherten Informationen verwalten. Sogar die Aktivierung und Blockierung bestimmter Nukleotidsequenzen kann mit dieser Art von Ausrüstung erreicht werden (Lara, 2009: 3). Beide Teile, der Zellkern und das Zytoplasma, sind durch die Kernhülle getrennt, die die verschiedenen Stadien des Informationsflusses innerhalb der Zelle physisch voneinander trennt. Nach Lyre (2003: 91) besteht die Informationsverarbeitung aus zwei verschiedenen Phasen, der Transkription und der Translation. Darüber hinaus kann die DNA repliziert werden, um dem Bedarf der Zellteilung durch Wachstum zu entsprechen.

1. Transkription:

Der Prozess der Transkription beschreibt den Akt des Kopierens einer DNA-Sequenz in eine mobilere Form der Information. Diese Form wird mRNA genannt, was für messenger ribonucleicacid steht. Sie stellt die Hälfte des benötigten Teils der ursprünglichen Nukleotidhelixstruktur dar.

Wenn die Boten-RNA voll entwickelt ist, wandert sie durch Löcher in der Kernwand und gelangt in die nächste Stufe der Informationsverarbeitung, das Zytoplasma.

2. Übersetzung:

Im Zytoplasma findet der nächste Schritt der Informationsverarbeitung in der Zelle statt, der sogenannte Translationsprozess. Die mRNA schwimmt nun frei im Zytoplasma und ein Protein, das Ribosom, heftet sich an die mRNA und beginnt, eine tRNA an das erste Codon der mRNA anzuhängen. Es gibt verschiedene tRNAs, die zu den verschiedenen Sequenzen der Nukleobasen in der mRNA-Struktur passen. Beim Ablesen der Nukleobasensequenz wird eine Aminosäure aufgebaut und es entsteht ein Protein (bioadmin, 2013). Dieses Protein wandert durch das Zytoplasma und wird in das Zellnetz eingebaut, das das Innere der Zelle von der Außenwelt trennt. Sobald es in das Netz eingebaut ist, kann das Protein beginnen, verschiedene Funktionen auszuführen.

3. Replikation:

Der Akt der Replikation der DNA ist notwendig, wenn die Zelle eine bestimmte Größe erreicht. Die DNA wird repliziert, um einer neuen Zelle die Informationen zu geben, die sie braucht, um Proteine zu produzieren und richtig zu funktionieren. Zunächst wird die DNA-Doppelhelix aufgetrennt, und die geteilten komplementären Nukleobasen werden wieder mit ihren Gegenstücken zusammengebracht, um die gleiche Sequenz und damit die genetische Information, die durch die ursprüngliche Zell-DNA gegeben ist, aufrechtzuerhalten.

4. Speicherkapazität der DNA

Eine Aminosäure basiert auf einem Codon, das drei Nukleobasen enthält. Wenn wir berücksichtigen, dass es vier verschiedene Möglichkeiten gibt, diese drei Taschen eines Codons zu füllen, dann können wir die Komplexität eines Codons bestimmen. Die Konfigurationen für ein Triplett-Codon sind, was 64 verschiedene Codons ergibt. Wenn wir einen DNA-Strang nehmen, der aus 100 Codons besteht, dann haben wir Alternativen in den Sequenzen. Die durchschnittliche Anzahl der Nukleotide in der DNA eines einfachen Lebewesens, z. B. Escherichia coli, beträgt N=, d. h. wenn wir das für das Alternieren von Sequenzen berechnen, bedeutet das (Lyre, 2002, S. 94). Diese Speicherkapazität übersteigt unsere Vorstellungskraft. Selbst für die einfachsten Lebensformen hier auf der Erde sind die gespeicherten Informationen über Prozesse und Stoffe zu komplex, um sie zu erfassen.

5. Semantik der Proteinproduktion und Funktionsweise der DNA

Die Definition für Semantik ist „das Studium von Bedeutungen in der Sprache“ (Cambridge, 2014), die auf Zellen als die Sprache der DNA-Codierung und des Informationsflusses in der zellulären Interaktion angewendet werden kann. Wie bereits erwähnt, wird die genetische Information in der DNA einer Zelle durch die Kodierung von Nukleotiden und Codons gespeichert. Die Bedeutung der Information für die Zelle liegt in der Entschlüsselung dieser festgelegten Nukleotidsequenz, um Aminosäuren zu erzeugen und Proteine herzustellen, die für das Überleben der Zelle selbst lebenswichtig sind. Diese Proteine haben eine klar festgelegte Funktion im Zellgeflecht zum Austausch von Nährstoffen oder zur Aufrechterhaltung der Zellstruktur. Die Semantik einer Zelle selbst basiert auf der Funktionalität der Entschlüsselung der Nukleotidsequenz. Ein Code ist nur dann sinnvoll, wenn die festgelegte Funktionalität des Proteins nach der Synthese gegeben ist und das Protein in der Weise funktioniert, für die es konzipiert wurde. Lara stellt in seinem Artikel fest, dass es externe Regulatoren gibt, die „die Aktivierung oder Nicht-Aktivierung spezifischer Teile vermitteln, die auch durch Mittel außerhalb des Proteins reguliert werden können“ (Lara, S. 3). Das Problem bei dieser These ist die Komplexität der Beziehungen zwischen der in der DNA gespeicherten Information und ihrer Wirkung auf die Proteine. Die bereits existierenden Proteine ermöglichen es der DNA, die benötigte Information zu übersetzen und die Proteine später im Prozess zu bilden.

Der Informationsfluss muss daher als zweiseitig beschrieben werden und daher können weder die DNA noch die Proteine als Übermittler des anfänglichen Signals der Übersetzung von DNA-Stücken betrachtet werden (Lyre, 2002).

6. Signale für DNA-Transkription und Informationsfluss

Ein Einflussfaktor für die Verarbeitung und Speicherung biologischer Information ist die Nukleoidsequenz. Daneben können aber auch andere strukturelle Eigenschaften der DNS als Speichercodierung gewertet werden. Die elektronische Konfiguration in Teilen der DNA-Moleküle oder die topologische, Topologie steht für die „Lehre von den Eigenschaften geometrischer Formen, die unter bestimmten Transformationen, wie Biegen oder Dehnen, invariant bleiben“ (dictionary.com, 2017), Eigenschaften der DNA in ihrer dreidimensionalen Struktur (Lyre, 2002, S. 99). Diese funktionellen Eigenschaften der DNA-Struktur können die Speicherkapazität und die Art der Informationscodierung in der DNA verschiedener Lebensformen beeinflussen. Ein Phänomen, das als „Junk-DNA“ bezeichnet wird, kann durch seine Wiederholbarkeit in der allgemeinen DNA ebenfalls eine Erweiterung dieser Eigenschaften sein.Auch innerhalb der Zelle selbst gibt es Faktoren. Regulatorische Moleküle, Enzyme und Strukturproteine, die die biologische Zellinformation in einer bestimmten Weise beeinflussen. Bestimmte Gene werden auf eine bestimmte Art und Weise exprimiert, um die Struktur der kultivierten Proteine zu bestimmen. Bei der Transkription können die oben genannten Strukturproteine bestimmte Arten der Genexpression aktivieren oder deaktivieren, um die Gesamtzusammensetzung der Proteine zu verändern.Die Proteinstruktur wird verändert, indem derselbe Teil der DNA durch die Transkription verwendet wird, aber die Genexpression verändert wird.

Neben den intrazellulären Faktoren bestimmen auch extrazelluläre Faktoren die Informationsverarbeitung. Diese können in zwei Bereiche unterschieden werden. Auf der einen Seite gibt es Moleküle, die aufgrund ihrer kleinen Struktur die Zellmembran durchwandern können und sich an spezielle Kernrezeptoren anlagern und den Prozess der DNA-Translation und der RNA-Synthese für den späteren Übersetzungsprozess verändern. Auf der anderen Seite steht der Einflussfaktor der Ladung, der durch externe Moleküle hinzugefügt wird und der die dreidimensionale Struktur des Proteinmoleküls und damit seine Funktionsfähigkeit für die Zelle verändern kann (Lyre, 2002, S. 100). Eine isolierte Zelle kann als selbstregulierter Informationsfluss und somit als unabhängige Verarbeitungsmaschine für die von der Zelle selbst gesendeten Informationen bezeichnet werden (Lara, S. 9).

7. Einflussfaktoren für die Informationskodierung

Nach Lyres Erklärung hat sich die Funktion der Informationsverarbeitung durch das Konzept der Evolution über mehrere Milliarden Jahre entwickelt. Andernfalls, so Lyre, gäbe es für die Zellen keinen Grund, eine Zellstruktur zu entwickeln, wenn sie nicht die Informationen in der DNA verändern und Informationen in Form ihrer Zell-DNA für die Proteinsynthese kodieren (Lyre, 2002, S. 103). Das Konzept der Evolution kann als die Hauptkraft hinter dem DNA-System beschrieben werden, auf dem alle komplexen Lebewesen beruhen. Die Umwelt und die Faktoren, die in diesem komplexen System koexistierender Lebensformen und Interaktionen eine Rolle spielen, sind die treibende Kraft hinter der Evolution der biologischen Information in einer lebenden Zelle. Sie bestimmt, „dass eine neue Zelle diachron die Strukturen rekonstruiert, die den Phänotyp des einzelnen Lebewesens tragen“ (Díaz, 2017, S. 6). Wie Herr Díaz beschreibt, wird die Evolution der genetischen Information durch die Umwelt bestimmt, in der ein Lebewesen interagiert, und verändert daher die biologische Information über einen langen Zeitraum, um den Phänotyp des individuellen Lebewesens anzupassen. Er beschreibt sie als das „Substrat, auf dem epigenetisch neue Festlegungen im Morphogeneseprozess stattfinden“ (Díaz, 2017, S. 6). Auch die neuronale Kapazität von Lebensformen kann für die Verarbeitung bestimmter Informationen unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann ein Mensch mehr und schwierigere Informationen oder Prozesse verarbeiten als eine andere Lebensform, die durch ihre biologischen Informationen mehr neuronale Kapazität haben könnte, aber die Struktur des Gehirns und die neuronalen Verbindungen können nicht die volle Kapazität des komplexen Denkens ermöglichen.

Die Lebensentwicklung wird durch die Anweisungen, die in den Genomen liegen, und durch externe Faktoren, die auf der Umwelt basieren, bestimmt. Aufgrund dieser Aussage ist es nicht verwunderlich, dass das Leben auf der Erde, so wie es heute ist, durch die kontinuierliche Veränderung der biologischen Information geprägt ist, die in Bakterien ihren Ursprung hat und sich über den Zeitraum von Milliarden von Jahren zu den Phänotypen aller verschiedenen Arten von Lebewesen entwickelt hat.

Signalempfänger der äußeren Einflussfaktoren sind das Nervensystem und die Muskeln/Organe. Die Muskeln/Organe können als Funktionseinheiten bestimmt werden, die mit der Umwelt interagieren und sich durch die Anpassung an die durch unterschiedliche Klimazonen und Lebensräume bedingten Umweltherausforderungen verändern. Das Nervensystem auf der anderen Seite sichert die ordnungsgemäße Funktion und Koordination der operativen Einheiten und kann als eine Art Metasystem bestimmt werden, das Informationen verarbeitet und Antworten auf externe Signale durch die operativen Einheiten gibt (Díaz, 2017, S. 6-9).

8. DNA-Evolution, die Darwin und die Evolutionswissenschaft aufzeichnet

Charles Darwin steht für das ursprüngliche Konzept der Evolution, das das Konzept des „survival of the fittest“ anwendet. Es besagt, dass nur die stärksten und am besten angepassten Individuen einer Spezies die Umwelt, in der sie leben, überleben und ihren genetischen Pool oder ihre biologischen Informationen in die nächste Generation weitergeben können, während die anderen Individuen aufgrund ihrer mangelnden Anpassung an die Umwelt sterben. Heutige Biologiewissenschaftler definieren die Evolution als „Gesamtheit der Individuen, die in der Lage sind, Gene zu erzeugen, die sich selbst reproduzieren können“ (Lyre, 2002, S. 108). In einer Spezies gibt es jedoch „keine zwei Individuen“ mit der gleichen genetischen Information aufgrund von zufälligen Mutationen im Genpool und Rekombinationen im Reproduktionsprozess. Durch diese Art der Variation der genetischen Information in Individuen einer Art wird in einem chaotischen System variiert und nicht durch einen Plan oder ein festes Muster bestimmt. Allein das Zusammentreffen von Zufallsmutationen in der Abfolge der Nukleobasen, also der Codons, kann als treibender Faktor für die Veränderung der biologischen Information bezeichnet werden. Die fittesten und anpassungsfähigsten Individuen können durch die Mutation über mehrere Generationen hinweg besser überleben als diejenigen ohne diese besondere Eigenschaft. (Leier, 2002, S. 109-115)

9. Evolution der biologischen Information

Die Entstehung einer Zellstruktur kann als Zufall beschrieben werden. Stränge von Aminosäuren und Nukleotiden schwammen vor Milliarden von Jahren in der Ursuppe herum. Dann begannen sich diese Stränge durch eine Art Zufall zu organisieren und bildeten Netzwerke, die gegebene Informationen, zum Beispiel aus der Umwelt oder von anderen Zellen, verarbeiten und entsprechend reagieren konnten. Diese Netzwerke sind kreisförmig, um die gesamte Verarbeitung von Informationen aus externen Quellen zu gewährleisten. Das bedeutet, dass sich alle biologischen Lebensformen aus einem bestimmten Satz biologischer Informationen entwickelt haben und somit von einem Archetyp abstammen, der sich zufällig entwickelt hat. Dies lässt sich auch an den Entwicklungsstadien der Embryonen verschiedener Arten nach der Befruchtung erkennen. Die Embryonen ähneln sich in den frühen Stadien, entwickeln aber im Laufe der Zeit die besonderen Eigenschaften ihrer Spezies, bis sie sich in ihrer Form und ihren Fähigkeiten völlig unterscheiden.