Die Proteinbiosynthese

Als Gen bezeichnet man einen Abschnitt auf der DNA, der für ein bestimmtes Protein codiert ist. Im Zuge der Proteinbiosynthese wird die entsprechende Basensequenz auf der DNA in eine RNA-Sequenz und diese wiederum in eine Aminosäuresequenz übersetzt.

Themen zur Proteinbiosynthese auf dieser Seite:

Die Proteinbiosynthese lässt sich in zwei bzw. drei verschiedene Abschnitte unterteilen.

Bei Eukaryoten folgt nach der Transkription die mRNA-Prozessierung und dann die Translation; bei Prokaryoten findet hingegen keine Prozessierung statt.

Außerdem findet die Transkription bei Eukaryoten im Zellkern statt (zeitliche und örtliche Trennung der Prozesse); da dieser bei Prokaryoten nicht vorhanden ist, findet hier die gesamte Proteinbiosynthese im Cytoplasma der Zelle statt (nur zeitliche Trennung der Prozesse).

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Die Transkription von DNA

Bei der Transkription wird ein DNA-Abschnitt in einen Strang mRNA übersetzt. Dabei wird nur einer der beiden DNA-Stränge, der codogene Strang, abgelesen. Auf diesem Strang befindet sich eine bestimmte Basensequenz, der Promotor. An diese Startstelle heftet sich eine RNA-Polymerase, nachdem sie diese Startsequenz erkannt hat.

Der DNA-Doppelstrang wird dann entwunden und geöffnet. Von hier liest die RNAPolymerase den codogenen Strang von 3’- in 5’-Richtung ab und synthetisiert dabei, komplementär zum abgelesenen Strang, die messenger-RNA (mRNA). Dies geschieht durch das Aneinanderknüpfen von RNA-Nukleotiden. Statt der Base Thymin, welche komplementär zu Adenin ist, wird jedoch bei der mRNA die Base Uracil in den Strang eingebaut. An einer spezifischen Zielstelle der DNA, der Terminatorsequenz, löst sich die RNA-Polymerase wieder von der DNA.

Der codogene DNA-Strang wird von 3’- in 5’-Richtung abgelesen, der neue mRNA-Strang wird dazu komplementär von 5’- in 3’-Richtung synthetisiert!

mRNA-Prozessierung

Die mRNA-Prozessierung findet ausschließlich in eukaryotischen Zellen statt. Hier entsteht die sogenannte prä-mRNA bei der Transkription, die aus verschiedenen Abschnitten, den Exons und Introns, besteht. Die Exons codieren dabei für ein Protein und sind somit wichtig für die nächsten Schritte der Proteinbiosynthese, während die Introns keine Informationen enthalten. Eine bestimmte Enzymgruppe, die Spleißosome, schneiden daher die prä-mRNA auseinander, nehmen die Introns heraus und fügen die Exons wieder zu einer reifen mRNA zusammen. Zusätzlich werden an beide Enden des Stranges Kappen aus Proteinen angefügt, welchen den mRNA-Strang beim Austritt aus dem Zellkern schützen.

Neben dem einfachen Herausschneiden der Introns gibt es noch eine weitere Form des Spleißens. Dabei werden die Exons der prä-mRNA in einer alternativen Reihenfolge wieder zusammengesetzt. Ein DNA-Abschnitt kann also für mehrere Proteine codieren. Man spricht dann vom Alternativen Spleißen.

Die Translation

Bei der Translation wird die (reife) mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Dies geschieht durch Ribosomen im Cytoplasma, bei Eukaryoten also außerhalb
des Zellkerns.

Ribosomen und tRNA

Ribosomen gehören zu den Zellorganellen und bestehen aus einer kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit. Diese liegen im inaktiven Zustand getrennt vor und setzen sich erst zusammen, wenn eine mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Ribosomen besitzen drei nebeneinander liegende Bindungsstellen (A-, P- und E-Stelle) für die sogenannte transfer-RNA (tRNA). Die tRNA ist eine Nukleinsäure, die von dem Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit einer spezifischen Aminosäure beladen wird. Welche Aminosäure zu welchem tRNA-Komplex gehört, entscheidet sich durch eine wichtige Struktur der tRNA: Das Anticodon. Das Anticodon auf der tRNA ist ein Basentriplett, welches komplementär zu einem Triplett (Codon) auf der mRNA ist.

Treffen Ribosom Ober- und Untereinheit auf eine mRNA mit dem Startcodon AUG, so lagern sie sich aneinander und die Translation beginnt. Die tRNA mit dem passenden Anticodon zu AUG, also UAC, lagert sich dann an die Bindungsstelle P(also an die mittlere Bindungsstelle!) im Ribosom an. An die Bindungsstelle A im Ribosom lagert sich nun eine weitere tRNA an, welche ein Anticodon besitzt, das komplementär zu dem nächsten Codon auf der mRNA ist. Zwischen den beiden Aminosäuren, mit denen beide tRNAs beladen sind, entstehen Peptidbindungen, wodurch die Aminosäuren miteinander verknüpft werden.

Das Ribosom wandert nun immer ein Triplett an der mRNA weiter (von 5’ in 3’ Richtung), wodurch die erste tRNA auf die E-Bindungsstelle rutscht und wieder freigesetzt wird. Die zweite tRNA wandert von der A- auf die P-Bindungsstelle und an die A-Bindungsstelle lagert sich die nächste beladene tRNA an. Auch hier wird die neue Aminosäure durch Peptidbindungen verknüpft, sodass an der PBindungsstelle eine Polypeptidkette entsteht. Dies geschieht so lange, bis sich auf der mRNA ein Stoppcodon befindet (UAA, UAG oder UGA). Die Polypeptidkette wird dann abgespalten und das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten. Die abgelesene mRNA wird danach entweder abgebaut oder erneut translatiert.

Häufig kommt es vor, dass mehrere Ribosomen eine mRNA gleichzeitig ablesen. Das sorgt dafür, dass die benötigten Proteine schneller und effizienter synthetisiert werden. Dieses Gefüge aus vielen Ribosomen und einer mRNA wird als Polysom bezeichnet.

Polysom

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Die Raumstruktur von Proteinen

Proteine sind lange Polypeptidketten, die aus Aminosäuren besteht. Diese Kette bezeichnet man auch als Primärstruktur eines Proteins. Zwischen den Aminosäuren und Peptidbindungen können aber zusätzlich Wasserstoffbrückenbindungen entstehen, wodurch sich die Kette aufdreht oder faltet. Dies bezeichnet man dann als Sekundärstruktur, wobei man zwischen einer Helixstruktur und einer Faltblattstruktur unterscheidet. Innerhalb eines Proteinmoleküls kann es auch dazu kommen, dass sich einige Abschnitte der Kette aufdrehen und andere falten. Dazwischen können zusätzliche Abschnitte liegen, die keine Sekundärstruktur aufweisen. Auch hier können zwischen den einzelnen Primär- und Sekundärstrukturen neue Bindungen entstehen, wodurch das Protein eine spezifische Gestaltannimmt. Diese Raumstruktur aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Strukturen bezeichnet man als Tertiärstruktur. Große Proteine bestehen oft sogar aus mehreren Aminosäureketten, die zwar eigene Tertiärstrukturen besitzen, aber auch miteinander verbunden sind. Diese Komplexe bezeichnet man dann als Quartärstruktur.

Die Bindungen zwischen den einzelnen Aminosäuren und Strukturen sind für jedes Protein sehr spezifisch. Fehlt eine Aminosäure oder wird eine ersetzt, so ändern sich an der Stelle auch die Bindungseigenschaften für die Raumstruktur des Proteins, was mehr oder weniger schwere Folgen haben kann.

Der genetische Code

Zur Entzifferung des Genetischen Codes, also zur Übersetzung einer Basensequenz in die Aminosäuresequenz, benutzt man eine sogenannte Code-Sonne.

Die Codons entsprechen dabei denen auf der mRNA und werden von innen (5’) nach außen (3’) gelesen.
Der genetische Code

Wichtige Eigenschaften

  1. Überlappungsfrei: Eine Base gehört immer genau zu einem Triplett. Die Codons überlappen sich nicht.
  2. Kommafrei: Innerhalb einer Basensequenz gibt es keine bedeutungslosen Basen, sondern alle Codons werden lückenlos abgelesen.
  3. Eindeutig: Ein bestimmtes Triplett codiert immer für eine bestimmte Aminosäure.
  4. Degeneriert: Verschiedene Tripletts können für die gleiche Aminosäure codieren. So stehen zum Beispiel die Codons GGA und GGU beide für die Aminosäure Glycin. Man spricht hier auch von der Redundanz des genetischen Codes.
  5. Universell: Fast alle Lebewesen ist der genetische Code identisch.

Schau dir zusammenfassend das Lernvideo von Die Merkhilfe zum Thema Proteinbiosynthese an!

m RNA-Prozessierung – Genetisches System & Proteinbiosynthese bei Eukaryoten einfach erklärt

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