Genetik
Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese unterteilt sich in zwei Hauptprozesse:
Transkription und Translation
Die Transkription (lat. transcribere = umschreiben): Umschreibung der DNA in die mRNA (messenger RNA = Boten-mRNA).
Die Translation (engl. translate = übersetzen): Übersetzung des genetischen Codes in Proteine.
Die DNA befindet sich im Zellkern der Zelle und muss für die Translation aus dem Zellkern heraus zu den Ribosomen ins Cytoplasma. Um das zu ermöglichen, muss die DNA mobiler sein, was über das Umschreiben zur mRNA geschieht. Die DNA wird kopiert und seine Information kann somit unbeschädigt aus dem Zellkern gelangen.
Als erstes findet die Transkription statt, welche sich weiterhin in drei wichtige Schritte unterteilen lässt:
1. Initiation: Die RNA-Polymerase setzt sich an einer spezifischen Basenabfolge am codogenen DNA-Strang, der sogenannten Promoterregion, fest. Diese dient als Startsequenz für die RNA-Polymerase. Die RNA-Polymerase hat die Helicase-Aktivität und kann somit alleine die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Strängen aufbrechen. Bevor die genetische Information nämlich abgelesen wird, muss die Doppelhelix entschraubt werden. Das passiert durch Auflösung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren mithilfe des Enzyms RNA-Polymerase.
2. Elongation: Die RNA-Polymerase wandert nun von 3' nach 5' den DNA Strang ( = codogenen Strang oder auch Matrizenstrang genannt) entlang, scannt ihn und synthetisiert von 5' nach 3' durch das Anlagern komplementärer Basen die mRNA. Statt Thymin ist in der mRNA nun Uracil vorhanden.
3. Termination: Im Verlauf der Transkription trifft die RNA-Polymerase beim Ablesen der DNA auf eine Terminatorsequenz. Terminatoren stoppen die RNA-Polymerase und es kommt zur Ablösung des mRNA Teilstrangs sowie der RNA Polymerase von der DNA.
Der weitere Vorgang unterscheidet sich jetzt bei Prokaryoten und Eukaryoten (Spleißen):
Bei Prokaryoten: Die mRNA wird sofort zu den Ribosomen transportiert. Translation beginnt sogar schon bevor die Transkription abgeschlossen ist. Dies ist möglich, weil mRNA und Ribosomen durch keine Zellmembran voneinander getrennt sind.
Bei Eukaryoten: Translation kann erst beginnen, wenn die mRNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen gelangt ist. Bevor das jedoch passiert, wird die unreife mRNA (prä-mRNA) noch gesplissen. Die unreife mRNA besteht aus Exons und Introns, aber nur die Exons enthalten wichtige Genabschnitte für die Proteinbiosynthese. Das bedeutet es kommt zum Prozess des Spleißens mithilfe von Spleißosomen, die die Introns entfernen und die übrig gebliebenen Exons miteinander verbinden. Außerdem erhält die reife mRNA am 5' Ende eine Kappe aus Guanin, die vor enzymatischem Abbau schützen soll sowie ein Signal für die Ribosomen darstellt, dass es sich hierbei um die reife mRNA handelt. Am 3' Ende erhält sie einen Poly-Adenin-Schwanz, der den Transport aus dem Zellkern ins Cytoplasma erleichtert.
Nun kommt es zur Translation:
Die Translation findet an den Ribosomen im Cytoplasma statt. Die mRNA lagert sich zwischen die beiden Untereinheiten des Ribosoms an.
Drei aufeinander folgende Basen (= Basentripletts oder auch Codons genannt) codieren immer eine spezielle Aminosäure (welche Tripletts welche Aminosäure codieren kann man an einer Codesonne ablesen).
Die Translation beginnt immer an dem Startcodon AUG (Methionin) und endet an einem der drei Stopcodons (UGA, UAA oder UAG). Beginnt dann jede Aminosäure mit Methionin? Nein, denn nach der Translation finden sogenannte posttranslationale Modifikationen statt, wobei einzelne Aminosäuren oder sogar ganze Nukleotidsequenzen entfernt werden.
Die tRNA (= transfer-RNA) transportiert nun die einzelnen Aminosäuren zum Ribosom und durch Peptidbindungen werden die Aminosäuren verbunden. Die tRNA hat eine Kleeblattstruktur und zwei Seiten. Auf der einen Seite wird sie von der Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit einer Aminosäure beladen. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Anticodon, das zum entsprechenden Basencodon der mRNA passt. Jede der Aminosäuren benötigt eine spezifische tRNA, um zum entsprechenden Codon auf der mRNA vermittelt zu werden. Denn jede tRNA ist immer nur für eine Aminosäure zuständig, entsprechend ihres Anticodons.
Am Startcodon lagert sich also die erste tRNA an der mRNA an (sogenannte A-Stelle). Es folgt eine zweite tRNA mit einer anderen Aminosäure, die sich neben die erste tRNA anlagert (P-Stelle). Daraufhin verlässt die erste tRNA das Ribosomen ohne Aminosäure, die sich nämlich jetzt mit der anderen Aminosäure bindet.. Die dritte tRNA kommt mit spezifischer Aminosäure heran und lagert sich wieder an die mRNA an (E-Stelle). Der Prozess wiederholt sich solange, bis in der mRNA ein Basentriplett auftaucht, das ein Stopcodon codiert. Das Ribosom zerfällt dann in seine Untereinheiten und die entstandene Peptidkette wird ins Cytoplasma abgegeben, die nun von diversen Zellorganellen benutzt werden kann. Der Mensch besitzt über 21 proteinogene Aminosäuren und es sind 64 Kombinationsmöglichkeiten bei der Code-Sonne möglich.
Eigenschaften des genetischen Codes:
universell: Egal, ob Pflanze, Mensch oder Bakterie → Die Zuordnung von Aminosäuren zu Basentripletts ist die gleiche
degeneriert: Eine Aminosäure ist durch mehrere Tripletts codiert.
lückenlos und kommafrei: Die Codons schließen aneinander an, ohne Lücken zu bilden.
Codesonne (liest man von innen nach außen)
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