Proteinsynthese

Definition

Die Proteinsynthese ist ein Prozess, bei dem Polypeptidketten aus kodierten Kombinationen einzelner Aminosäuren in der Zelle gebildet werden. Die Synthese neuer Polypeptide erfordert eine kodierte Sequenz, Enzyme und Boten-, ribosomale und Transfer-Ribonukleinsäuren (RNAs). Die Proteinsynthese findet im Zellkern und in den Ribosomen einer Zelle statt und wird durch DNA und RNA reguliert.

Schritte der Proteinsynthese

Die Proteinsynthese erfolgt in zwei Schritten. Zunächst muss der Code für ein Protein (eine Kette von Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge) aus der in der DNA einer Zelle enthaltenen genetischen Information kopiert werden. Dieser erste Schritt der Proteinsynthese wird als Transkription bezeichnet.

Die Transkription erzeugt eine exakte Kopie eines DNA-Abschnitts. Diese Kopie wird als Boten-RNA (mRNA) bezeichnet, die dann aus dem Zellkern transportiert werden muss, bevor der nächste Schritt der Proteinsynthese beginnen kann.

Der zweite Schritt der Proteinsynthese ist die Translation. Die Übersetzung erfolgt in einer Zellorganelle, dem Ribosom. Die Boten-RNA gelangt unter dem Einfluss der ribosomalen RNA und von Enzymen zum Ribosom und verbindet sich mit diesem. Die Transfer-RNA (tRNA) ist ein Molekül, das eine einzelne Aminosäure und eine codierte Sequenz trägt, die wie ein Schlüssel wirkt. Dieser Schlüssel passt in eine bestimmte Sequenz von drei Codes auf der mRNA und bringt die richtige Aminosäure an ihren Platz. Jeder Satz von drei stickstoffhaltigen Basen in der mRNA wird als Codon bezeichnet.

Übersetzung und Transkription werden im weiteren Verlauf noch ausführlicher erläutert. Um die Proteinsynthese einfach zu halten, müssen wir zunächst die Grundlagen kennen.

Polypeptide und Proteine

Das Ergebnis der Proteinsynthese ist eine Kette von Aminosäuren, die Glied für Glied in einer bestimmten Reihenfolge angehängt wurden. Diese Kette wird als Polymer oder Polypeptid bezeichnet und ist nach einem DNA-basierten Code aufgebaut. Sie können sich eine Polypeptidkette als eine Kette von Perlen vorstellen, wobei jede Perle die Rolle einer Aminosäure spielt. Die Reihenfolge, in der die Perlen aufgereiht sind, wird von Anweisungen in unserer DNA kopiert.

Wenn man von Proteinsynthese spricht, ist es wichtig, zwischen Polypeptidketten und Proteinen zu unterscheiden. Alle Proteine sind Polypeptide, aber nicht alle Polypeptide sind Proteine; allerdings sind sowohl Proteine als auch Polypeptide aus Aminosäuremonomeren aufgebaut.

Der Unterschied zwischen einem Protein und einem Polypeptid ist die Form. Kleinere Ketten von Aminosäuren – meist weniger als vierzig – bleiben als einkettige Stränge erhalten und werden als Polypeptide bezeichnet. Größere Ketten müssen sich enger verpacken; sie falten sich zu festen Strukturen – sekundär, tertiär und quaternär. Wenn sich eine Polypeptidkette faltet, nennt man sie ein Protein.

Polypeptidketten werden während des Übersetzungsprozesses der Proteinsynthese gebildet. Diese Polypeptide können sich zu einem späteren Zeitpunkt zu Proteinen falten oder auch nicht. Der Begriff „Proteinsynthese“ wird jedoch auch in der Wissenschaft verwendet und ist nicht falsch.

Das Verständnis der Proteinsynthese ist einfach, wenn wir uns unsere DNA als ein Rezeptbuch vorstellen. In diesem Buch sind die Anweisungen aufgelistet, die einer Zelle zeigen, wie sie jedes winzige Teil eines jeden Systems, Organs und Gewebes in unserem Körper herstellen kann. Alle diese Einzelteile sind Polypeptide. Vom Keratin in Ihren Haaren und Fingernägeln bis hin zu den Hormonen, die durch Ihren Blutkreislauf fließen – Polypeptide und Proteine sind die Grundsteine jeder Struktur. Unsere DNA kodiert nicht für Lipide oder Kohlenhydrate – sie kodiert nur für Polypeptide.

Das Enzym RNA-Polymerase öffnet das DNA-Rezeptbuch, das sich im Zellkern befindet. Es benutzt bestimmte Codestücke als Lesezeichen, um die richtige Seite zu finden. Dieses Rezeptbuch ist in einer fremden Sprache geschrieben – die mRNA kopiert, was geschrieben steht, ohne es zu verstehen. Die Rezepte werden in eine Sprache übersetzt, die andere Moleküle zu einem späteren Zeitpunkt entziffern können. Die Übersetzer sind Ribosomen und tRNA. Sie lesen das Rezept und können die richtigen Zutaten sammeln und in der richtigen Reihenfolge das fertige Polypeptidprodukt herstellen.

DNA-Sequenzen

Im Zellkern werden zwei DNA-Stränge durch stickstoffhaltige Basen (auch Nukleobasen oder Basen genannt) zusammengehalten. Vier Basen – Cytosin, Guanin, Adenin und Thymin – bilden die Buchstaben der Wörter im DNA-Rezeptbuch.

Ein Strang der DNA enthält den ursprünglichen Code. Wenn die Anweisungen dieses Codes sorgfältig befolgt werden, kann ein bestimmtes korrektes Polypeptid außerhalb des Zellkerns zusammengebaut werden. Der zweite DNA-Strang – der Vorlagenstrang – ist ein Spiegelbild des ursprünglichen Strangs. Es muss ein Spiegelbild sein, da sich Nukleobasen nur an komplementäre Partner anlagern können. Cytosin kann sich zum Beispiel nur mit Guanin und Thymin nur mit Adenin paaren.

Sie werden wahrscheinlich Codes wie CTA, ATA, TAA und CCC in verschiedenen Biologie-Lehrbüchern gesehen. Wenn es sich dabei um die Codons (Sätze von drei Basen) des ursprünglichen DNA-Strangs handelt, wird der Vorlagenstrang an diese Codons mit Hilfe ihrer Partner angehängt. In den genannten Beispielen wird die Template-DNA also mit GAT, TAT, ATT und GGG an den Original-DNA-Strang angehängt.

Die Messenger-RNA kopiert dann den Template-Strang. Das bedeutet, dass sie am Ende eine exakte Kopie des ursprünglichen Strangs erstellt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die mRNA das Thymin durch eine Base namens Uracil ersetzt. Die mRNA-Kopie des Vorlagenstrangs würde in den genannten Beispielen CUA, AUA, UAA und CCC lauten.

Diese Codes können von Transfer-RNA außerhalb des Zellkerns gelesen werden; Das Rezept kann von einem Molekül verstanden werden, das die im Original verwendete Sprache nicht vollständig versteht (es versteht kein Thymin, sondern nur Uracil). Die Transfer-RNA hilft, die richtigen Teile an das Fließband des Ribosoms zu bringen. Dort wird eine Proteinkette konstruiert, die mit den Anweisungen des ursprünglichen DNA-Strangs übereinstimmt.

Beteiligte an der Proteinsynthese

Um den kopierten Abschnitt des Codes zu erstellen (Transkription), benötigen wir Enzyme, die RNA-Polymerasen. Diese Enzyme sammeln frei schwimmende Boten-RNA-Moleküle (mRNA) im Zellkern und fügen sie zu den Buchstaben des Codes zusammen. Jeder Buchstabe des DNA-Codes hat seinen eigenen Schlüssel, und jeder neue Buchstabe, der von der mRNA gebildet wird, trägt ein Schloss, das zu diesem Schlüssel passt, ähnlich wie die tRNA.

Beachte, dass wir von Buchstaben sprechen. Das ist wichtig. Im Zellkern wird der DNA-Code nicht verstanden, sondern nur abgeschrieben – transkribiert. Das Verstehen des Codes durch das Buchstabieren der aus diesen Buchstaben gebildeten Wörter – das Übersetzen – geschieht in einem späteren Stadium.

Die RNA-Polymerase muss für jede stickstoffhaltige Base auf dem Vorlagenstrang das passende mRNA-Molekül finden und herüberbringen. Die ausgewählten mRNA-Moleküle verbinden sich zu einer Buchstabenkette. Letztendlich ergeben diese Buchstaben eine Phrase. Jede Phrase steht für ein bestimmtes (Polypeptid-)Produkt. Wenn das Rezept nicht genau befolgt wird, kann das Endprodukt völlig anders aussehen oder nicht so gut funktionieren, wie es sollte.

Die Messenger-RNA ist nun zum Code geworden. Er wandert zur nächsten Gruppe von wichtigen Mitwirkenden, die als Produktionsstätten fungieren. Ribosomen befinden sich außerhalb des Zellkerns, entweder im Zytoplasma der Zelle oder am rauen endoplasmatischen Retikulum; es sind die Ribosomen, die das endoplasmatische Retikulum „rau“ machen.

Ein Ribosom ist in zwei Teile geteilt, und der Strang der mRNA läuft durch es hindurch wie ein Farbband durch eine altmodische Schreibmaschine. Das Ribosom erkennt und verbindet sich mit einem speziellen Code am Anfang des übersetzten Satzes – dem Startcodon. Die Transfer-RNA-Moleküle treten in das Ribosom ein und bringen die einzelnen Bestandteile mit. Wie bei all diesen Prozessen werden Enzyme benötigt, um die Verbindungen herzustellen.

Wenn jedes mRNA-Codon ein Schloss hat, besitzt die tRNA die Schlüssel. Der tRNA-Schlüssel für ein mRNA-Codon wird als Anticodon bezeichnet. Wenn ein tRNA-Molekül den zu einem Drei-Nukleobasen-Code passenden Schlüssel besitzt, kann es die Tür öffnen, seine Ladung (eine Aminosäure) abwerfen und die Ribosomenfabrik verlassen, um eine andere Aminosäureladung abzuholen. Dabei handelt es sich immer um die gleiche Art von Aminosäure wie das Anticodon.

Die Messenger-RNA bewegt sich wie auf einem Fließband entlang des Ribosoms. Am nächsten Codon bringt ein weiteres tRNA-Molekül (mit dem richtigen Schlüssel) die nächste Aminosäure. Diese Aminosäure verbindet sich mit der vorherigen. Es entsteht eine Kette von gebundenen Aminosäuren – eine Polypeptidkette. Wenn sie fertig ist, ist diese Polypeptidkette ein genaues Endprodukt, das nach den Anweisungen im DNA-Rezeptbuch hergestellt wurde. Kein Kuchen oder eine Torte, sondern eine Polypeptidkette.

Das Ende des mRNA-Code-Übersetzungsprozesses wird durch ein Stoppcodon signalisiert. Start- und Stoppcodons codieren nicht für Aminosäuren, sondern teilen der tRNA und dem Ribosom mit, wo eine Polypeptidkette beginnen und enden soll.

Das fertige Produkt – das neu synthetisierte Polypeptid – wird in das Zytoplasma freigesetzt. Von dort aus kann es dorthin gelangen, wo es benötigt wird.

Ort der Proteinsynthese

Der Ort der Proteinsynthese ist zweifach. Die Transkription (das Kopieren des Codes) findet im Zellkern statt, wo sich die DNA befindet. Sobald die mRNA-Kopie eines kleinen Abschnitts der DNA erstellt wurde, wandert sie durch die Kernporen in das Zytoplasma der Zelle. Im Zytoplasma bewegt sich der mRNA-Strang zu einem freien oder an das raue endoplasmatische Retikulum gebundenen Ribosom. Dann kann der nächste Schritt der Proteinsynthese – die Translation – beginnen.

Neue Rollen für Ribosomen

Die durchschnittliche Säugetierzelle enthält mehr als zehn Millionen Ribosomen. Krebszellen können bis zu 7.500 ribosomale Untereinheiten (kleine und große) pro Minute produzieren. Als polypeptidproduzierende Fabrik hängt die Existenz, Entwicklung und Funktion jedes lebenden Organismus vom Ribosom ab.

Früher dachte man, dass eukaryotische Ribosomen bei der Proteinsynthese nur eine Effektor-Rolle spielen (eine Wirkung hervorrufen – ein neues Protein). Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass Ribosomen auch den Übersetzungsprozess regulieren. Sie entscheiden mit darüber, welche Proteine in welchen Mengen hergestellt werden. Der Erfolg und die Ergebnisse der Translation hängen nicht nur von der Verfügbarkeit freier Aminosäuren und Enzyme ab, sondern auch von der Qualität der Ribosomen.

Transkription in der Proteinsynthese

Der Transkriptionsprozess ist der erste Schritt der Proteinsynthese. In diesem Schritt wird die genetische Information von der DNA auf die Ribosomen des Zytoplasmas oder des rauen endoplasmatischen Retikulums übertragen. Die Transkription gliedert sich in drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination.

Initiation

Zur Initiation werden zwei spezielle Proteingruppen benötigt. Die erste Gruppe sind die Transkriptionsfaktoren – diese erkennen Promotorsequenzen in der DNA. Eine Promotorsequenz ist ein Codeabschnitt am Anfang eines einzelnen Gens, der angibt, wo der Kopiervorgang beginnen soll und in welche Richtung dieser Code abgelesen werden soll. Ein Promotor funktioniert ähnlich wie das Startcodon auf mRNA.

Die zweite Proteingruppe, die für den Beginn der Transkription notwendig ist, besteht aus DNA-abhängigen RNA-Polymerasen (RNAPs). Ein RNA-Polymerase-Molekül bindet an den Promotor. Sobald diese Verbindung hergestellt ist, wird die doppelsträngige DNA abgewickelt und geöffnet (unzips).

Verbundene Basen halten die beiden Stränge der DNA in einer Doppelhelixform. Wenn sich die beiden Stränge voneinander lösen, bleiben die einzelnen Basen, die nun nicht mehr miteinander verbunden sind, frei. Der Entpackungsvorgang wird entlang des DNA-Strangs von RNAPs wiederholt, bis der Transkriptionsstopppunkt oder Terminator erreicht ist. Bei der Initiation wird also eine Promotorsequenz erkannt und ein DNA-Abschnitt unter dem Einfluss von Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerasen aufgeschnürt.

Elongation

Die nächste Phase im Transkriptionsprozess ist die Elongation. Wenn die codierte Sequenz freigelegt ist, können die RNAPs jede einzelne Adenin-, Guanin-, Cytosin- oder Thyminbase auf dem Vorlagenstrang lesen und die richtige Partnerbase damit verbinden. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die RNA nicht in der Lage ist, Thymin zu replizieren, und dieses durch die Nukleobase Uracil ersetzt.

Wenn beispielsweise eine kurze DNA-Sequenz auf dem Vorlagenstrang durch C-A-G-T-T-A oder Cytosin-Adenin-Guanin-Thymin-Thymin-Adenin dargestellt wird, verbindet die RNAP die korrekten Partnerbasen, die aus den Populationen frei schwimmender Basen innerhalb des Zellkerns stammen. In diesem Beispiel bindet die RNA-Polymerase eine Guaninbase an Cytosin, Uracil an Adenin, Cytosin an Guanin und Adenin an Thymin, um einen Strang der Boten-RNA mit der codierten stickstoffhaltigen Basensequenz G-U-C-A-A-U zu bilden. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das RNAP-Enzym eine Sequenz des genetischen Codes entdeckt, die ihn beendet – den Terminator.

Terminierung

Wenn die RNAPs eine Terminatorsequenz erkennen, findet die letzte Phase der Transkription – die Terminierung – statt. Der Strang der RNAPs löst sich von der DNA und es entsteht ein Strang Boten-RNA. Diese mRNA trägt den Code, der schließlich die tRNA anweist, welche Aminosäuren zu einem Ribosom gebracht werden sollen.

Die Boten-RNA verlässt den Zellkern über die Kernporen in erster Linie durch Diffusion, benötigt aber manchmal die Hilfe von Transporterenzymen und ATP, um ihren Bestimmungsort zu erreichen.

Translationsprozess bei der Proteinsynthese

Während des Translationsprozesses schließen sich die kleinen und großen Untereinheiten eines Ribosoms über einem Strang der mRNA und fangen ihn locker ein. Ribosomen ordnen den Strang in Codons oder Sätze von drei stickstoffhaltigen Basenbuchstaben an. Der Grund dafür ist, dass der Code für eine einzelne Aminosäure – die grundlegendste Form eines Proteins – aus drei Nukleobasen besteht.

Da Ribosomen Teile des Codes erkennen, können wir sagen, dass sie ihn verstehen. Das Durcheinander von kopierten Buchstaben, das während der Transkriptionsphase entsteht, kann in der Übersetzungsphase gelesen und verstanden werden.

Zum Beispiel codieren GGU, GGC, GGA und GGG für die Aminosäure Glycin. Die meisten Aminosäuren haben mehrere Codes, da dies die Wahrscheinlichkeit von Fehlern verringert – wenn die RNA-Polymerase versehentlich Adenin statt Cytosin mit GG verbindet, spielt das keine Rolle. GGC und GGA kodieren beide für dieselbe Aminosäure. Eine Liste der mRNA-Codons für die zwanzig nicht-essentiellen Aminosäuren finden Sie hier.

Es gibt nur einen Startcodon-Code – AUG. Drei Codons – TAA, TAG und TGA – stellen Stoppcodons dar. Weder Start- noch Stoppcodons entsprechen dem Code für eine Aminosäure; sie sind nicht codierend. Die einzelnen Start- und drei Stoppcodons sind auf diesem Codonrad deutlich markiert.

Wenn ein Codon sichtbar wird – wenn das vorherige Codon mit einer Aminosäure verknüpft wurde – passt ein Abschnitt eines Transfer-RNA-Moleküls in das mRNA-Codon. Dieser „Schlüssel“ wird als Anticodon bezeichnet. Die Transfer-RNA hat zwei Aufgaben – sich an eine Aminosäure außerhalb des Ribosoms zu binden und diese Aminosäure zur richtigen Zeit und an der richtigen Stelle auf einem mRNA-Strang innerhalb des Ribosoms einzusetzen.

Zehntausende von Transfer-RNA-Molekülen bilden eine Polypeptidkette. Titin oder Connectin ist das größte Proteinmolekül und enthält rund 33.000 Aminosäuren. Das kleinste funktionelle Polypeptid ist Glutathion – nur drei Aminosäuren. Um Glutathion herzustellen, müssen das Ribosom und die tRNA zunächst das Startcodon (drei Basen) lesen, dann das erste Protein-codierende Codon (drei Basen), das zweite (drei Basen), das dritte (drei Basen) und das Stoppcodon (drei Basen). Die kodierenden DNA- und mRNA-Rezepte (Sequenzen) für Glutathion enthalten neun Basen. Innerhalb dieses Rezepts kann es zusätzliche Abschnitte nichtcodierender DNA geben, muss es aber nicht. Nichtcodierende Sequenzen produzieren keine Aminosäuren.

Wie der Prozess der Transkription ist auch die Translation innerhalb des Ribosoms in die drei Phasen Initiation, Elongation und Termination unterteilt.

Die Initiation beinhaltet die Erkennung des mRNA-Startcodons durch das Ribosom. Die Elongation bezieht sich auf den Prozess, bei dem sich das Ribosom entlang des mRNA-Transkripts bewegt und einzelne Codons erkennt und freilegt, damit die tRNA die richtigen Aminosäuren liefern kann. Der Anticodon-Arm der tRNA heftet sich unter dem Einfluss ribosomaler Enzyme an das entsprechende mRNA-Codon.

Schließlich kommt es zur Terminierung, wenn das Ribosom das mRNA-Stopcodon erkennt; die fertige Polypeptidkette wird dann ins Zytoplasma abgegeben. Die fertige Polypeptidkette wird dann ins Zytoplasma freigesetzt. Sie wird dorthin geschickt, wo sie gebraucht wird – innerhalb der Zelle oder zu anderen Geweben, indem sie die Zellmembran durch Exozytose verlässt.

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