Fehlerhäufigkeit bei der Replikation und Expression der genetischen Information

Die biologische Evolution wird nur durch ständige Veränderungen in den Genomen der Zellen ermöglicht. Da trotzdem bei diesem Prozeß stabile Organismen entstehen, muß eine niedrige Fehlerhäufigkeit oder anders ausgedrückt eine hohe Genauigkeit bei der Weitergabe der genetischen Information und ihrer Umsetzung in Proteinsequenzen gewährleistet sein. Die Fehlerhäufigkeit dieses gesamten Vorgangs kann man messen und rechnerisch abschätzen: Sie ergibt sich aus den Fehlerhäufigkeiten der enzymatisch katalysierten Einzelschritte. In vielen Fällen, z.B. bei der Erkennung von Valin und Isoleucin während der Proteinbiosynthese, ist eine ausreichende Genauigkeit nicht allein aufgrund der unterschiedlichen Bindungsenergien des richtigen und des falschen Substrats zu erzielen (die beiden Aminosäuren unterscheiden sich nur durch eine CH 2 ‐Gruppe). Die erforderliche niedrige Fehlerhäufigkeit wird durch einen zusätzlichen Prüf‐ und gegebenenfalls Korrekturschritt erreicht, den die beteiligten Enzyme (nach Bildung des Enzym‐Substrat‐Komplexes während oder nach Ablauf des katalytischen Schrittes) ausführen; dabei wird eine als nicht richtig erkannte Zwischenstufe oder ein als nicht richtig erkanntes Produkt hydrolytisch gespalten. Die Energie zur Synthese des falschen Produkts, die durch Hydrolyse von Adenosin‐ oder Guanosintriphosphat aufgebracht wird, geht als Preis für die niedrige Fehlerhäufigkeit verloren. In diesem Beitrag sollen – hauptsächlich an den Beispielen der DNA‐Replikation und der Aminoacylierung der Transfer‐RNA – die Prüf‐ und Korrekturmechanismen von einigen Enzymen vorgestellt werden.