Proteinbiosynthese
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Die Proteinbiosynthese oder Exprimierung, früher auch Eiweißsynthese genannt, ist die Herstellung eines Proteins oder Polypeptids in Lebewesen. Sowohl Proteine als auch Polypeptide sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden auf Grund der in der Desoxyribonukleinsäure (DNS) gegebenen Erbinformation an den Ribosomen lebender Zellen gebildet.
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[Bearbeiten] Schritte der Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese (griech. proteos = von äußerster Wichtigkeit) gliedert sich in folgende Schritte:
[Bearbeiten] Transkription
- Hauptartikel: Transkription (Biologie)
ist der erste Schritt der Proteinsynthese. Der Vorgang findet bei den Eukaryoten im Zellkern statt.
Er ähnelt stark der Replikation, nur mit dem Unterschied, daß nicht die gesamte DNA "abgeschrieben" wird, sondern nur ein kleiner Teil: ein Gen. Gene sind Abschnitte auf der DNA, also bestimmte Nukleotidsequenzen. Weiterhin werden für die Abschrift nicht DNA-Nukleotide sondern RNA-Nukleotide verwendet. Das Abschreiben des Gens wird durch das Enzym RNA-Polymerase (und mehrere andere Proteine) bewerkstelligt, das als Substrat DNA und die Triphosphate ATP, UTP, CTP und GTP benötigt. Daraus wird komplementär zu einem DNA-Strang eine fortlaufende RNA-Kette (= mRNA) unter Abspaltung der jeweiligen beiden Phosphatreste der Triphosphate gemacht. Das Startsignal für die Synthese wird wiederum durch eine bestimmte Nukleotidsequenz gegeben. Sie ist meist GTA. Diese wird als erstes abgeschrieben. Man nennt sie Starter-Codogen. Die Beendigung der mRNA-Synthese ist ebenfalls durch ein Terminator-Codogen gegeben, das ATT, ATC oder ACT als Nukleotidsequenz hat. Bei Eukaryoten enthält nur 10% der DNA Information für Proteine. Der Rest ist noch unbekannt oder enthält Nonsens-Information. Bei Bakterien und Viren wird ein größerer Teil der DNA für die Information der Proteine genutzt. Eukaryoten besitzen auch mehrere Typen an mRNA-Polymerasen.
[Bearbeiten] Translation
- Hauptartikel: Translation (Biologie)
Unter Translation versteht man die Übersetzung einer Basensequenz in eine Aminosäuresequenz. Die wichtigsten Komponenten der Proteinbiosynthese haben wir bereits kennengelernt: mRNS, tRNS, Aminosäuren, ATP, GTP, Magnesiumionen, Aminoacyl-tRNS-Synthetasen und "Faktoren" (s.u.). Ferner braucht man Ribosomen.
Es gibt keine strukturelle Verwandtschaft zwischen Codon und der dazugehörigen Aminosäure, und man benötigt daher einen Adaptor (die tRNS), der die Aminosäure bindet und das zugehörige Codon erkennt. Aus der Struktur der tRNS ist folgendes ablesbar:
- Das Anticodon liegt stets an der gleichen Stelle, am Ende einer der Schleifen.
- Die Basen des Anticodons sind "frei", d.h. nicht mit anderen Basen innerhalb des tRNS-Moleküls gepaart. (Sie sind nicht an der Stabilisierung seiner Sekundär- und Tertiärstruktur beteiligt.)
- Die Aminosäure hängt am entgegengesetzten Ende des tRNS-Moleküls an einem der freien Enden
Die genannten Eigenschaften bilden die Voraussetzungen für die Adaptorfunktion. Wegen der kompakten Form können an einem mRNS-Molekül nebeneinander mehrere tRNS-Moleküle gebunden werden, so daß Codon für Codon lückenlos besetzt wird. Aus Stabilitätsgründen können derartige Assoziationen in freier Lösung jedoch nicht existieren. Zur Ausbildung einer Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren müssen sie in räumliche Nähe zueinander gebracht werden. Da ein oder mehrere Enzyme alleine dazu nicht in der Lage sind, wird die Oberfläche einer großen supramolekularen Struktur benötigt. Diese Aufgabe erfüllen die Ribosomen.
[Bearbeiten] Genetischer Code
- Hauptartikel: Genetischer Code
Der verwendete genetische Code ist folgender: Die vier "Buchstaben", die Basen der DNA, Adenin A, Guanin G, Cytosin C und Thymin T bilden die "Schrift" der Gene. Die "Worte" sind je drei Buchstaben lang (ein so genanntes Triplett oder Codon), also zum Beispiel GAC.Zum Beispiel: Ein/Gen/ist/aus/DNS- Fällt nun zum Beispiel das G von Gen weg, ergibt es ein anderes Leseraster: Ein/ en i/st a/us D/NS. Immer in dreier Schritten! Jedes dieser Tripletts wird später auf die mRNA kopiert und schließlich von Ribosomen in eine bestimmte Aminosäure übersetzt. Hierbei muss beachtet werden, dass bei der RNA die Base Thymin durch Uracil ersetzt worden ist. Übertragen werden die Aminosäuren mit Transfer-RNAs (tRNAs), die das entsprechende Anticodon tragen, somit an die mRNA gebunden sind und die korrekte Aminosäure, die sie an einer anderen spezifischen Bindestelle tragen, mit der vorhergehenden verknüpft. So wächst die Kette der Aminosäuren bis zum Stoppcodon des Transkripts, das ein Signal für das Ribosom ist, an dieser Stelle aufzuhören. Die Aminosäurekette des Proteins ist damit fertig. Das Protein selber kann nun aber noch weiter modifiziert werden.
[Bearbeiten] Proteintargeting
Nicht alle Proteine sollen im Cytosol verbleiben, viele zählen zu den sekretorischen Proteinen oder zu den Membranproteinen. Alle diese Proteine, hierzu zählen auch solche, die in membranumhüllten Zellorganellen wie den Mitochondrien, dem endoplasmatischen Retikulum (ER) oder dem Golgi-Apparat vorhanden sind, enthalten eine typische N-terminale Signalsequenz, die von einem speziellen Protein-RNA-Komplex, dem signal recognition particle (SRP), erkannt wird. Diese Sequenz ist 16-30 Aminosäuren lang und enthält typischerweise eine oder mehrere positiv geladene Aminosäuren, gefolgt von mehreren hydrophoben Aminosäuren. Ragt diese Sequenz weit genug aus dem Ribosom, was nach der Kopplung der ersten ca. 70 Aminosäuren der Fall ist, lagert sich das SRP an die naszierende Polypeptidkette und das Ribosom an und stoppt so die Translation. An der Oberfläche des (rauen) ER befindet sich ein SRP-Rezeptor, der das Ribosom bindet und in Position an das Translocon bringt. Das SRP wird wiederum abgespalten und kann erneut zur Markierung dienen. Die Polypeptidkette wird nun durch das Translocon in das Lumen des ER weitersynthetisiert, wobei das Enzym Signalpeptidase die Signalsequenz entfernt. Im Translocon bildet sich während dieser Phase eine Schleife, wodurch der N-Terminus der Polypeptidkette zum Cytosol weist. Dies ist wichtig für die korrekte Positionierung von membranständigigen Proteinen. Ist die Translation abgeschlossen, wird im ER-Lumen das Protein korrekt gefaltet, Disulfidbrücken bauen sich auf und weitere Modifikationen werden durchgeführt. Entscheidend für die Sekretion ist die Glykosylierung vieler membranständiger und sekretorischer Proteine. Sie findet sowohl im rauen ER als auch im Golgi-Apparat statt und dient als Zielmarkierung für die Proteine.
