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Die Proteinbiosynthese

Allgemeines:

In einem vorherigen Kapitel wurde der genetische Code bzw. die DNA als Träger der genetischen Information vorgestellt. Bereits hier in der Einleitung sollte erwähnt werden, dass in den genetischen Informationen der DNA keine Informationen über Merkmale eines Lebewesens vorhanden sind, sondern die DNA ist Träger von Informationen für die Bildung von Proteinen, die zur Ausbildung von Merkmalen wesentlich beitragen.

Die Proteinbiosynthese verläuft bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich (Unterschiede werden im letzten Absatz erläutert). Dabei verläuft die Proteinbiosynthese in zwei Phasen, der Transkription und Translation


Die Proteinbiosynthese

Wie bereits im letzten Absatz erwähnt, verläuft die Proteinbiosynthese in zwei Teilschritten, nämlich der Transkription und der Translation::
  • Transkription: Während des Prozesses der Transkription erfolgt ein "Transfer" von DNA in die m-RNA und der Transport der m-RNA zu den Ribosomen (bei Eukaryoten). 
  • Translation: In den Ribosomen erfolgt während der Translation die Übertragung der genetischen Information der m-RNA in die Aminosäuresequenz des Proteins.

Zur Erinnerung: Bei der DNA bzw. m-RNA gibt es eine sogenannte Leserichtung. So wird die m-RNA gebildet, indem jedem DNA-Strang komplementär von 3´ nach 5´ die RNA-Nukleotidbasen angelagert werden. Dieser Strang wird als sogenannter codogener Strang bezeichnet, da er die Basensequenz der m-RNA vorgibt.

Transkription:

Der codogene Strang enthält die Basen A, U, C und G in einer bestimmten Reihenfolge, die im Rahmen der Translation in eine Aminosäureabfolge in einem Protein übersetzt wird. Zusammengefasst ist der Vorgang der Transkription die "Synthese" der m-RNA. Dieser Vorgang lässt sich in der Phasen unterteilen, der Initiation, Elongation und Termination.

Wer sich die Phase der Transkription vorstellt, der merkt, dass dieser in einigen Punkten der DNA-Replikation ähnlich ist. Der Unterschied  (DNA-Einzelstrang und m-RNA) ist im wesentlichen, dass die m-RNA anstelle des Zuckers "Desoxyribose" den Zucker "Ribose" enthält und anstelle der Base Thymin (bei der DNA) die Base Uracil verwendet wird.

  • Initiation: Während dieser Phase wird die DNA-Helix entwunden und in Einzelstränge aufgetrennt. Dies erfolgt durch "das Lösen von Wasserstoffbrückenbindungen", die die Einzelstränge zusammenhalten. 
  • Elongation: Während dieser Phase lagern sich an dem DNA-Strang komplementäre RNA-Nukleotide an (gemäß der Basenpaarungsregel, siehe hierzu auch das Kapitel über die t-RNA). Durch ein Enzym, die RNA-Polymerase, werden die RNA-Nukleotide zu einem Strang verbunden. Dieser Strang entspricht der m-RNA. Die sogenannten Promotoren geben die Startstelle und die Transkriptionsrichtung vor (die RNA-Polymerasen können aufgrund ihrer chemischen Struktur die RNA nur von 5´ nach 3´ aufbauen). 
  • Termination: Die Elongation bzw. die Phase der Transkription endet, wenn die RNA-Polymerase auf den sogenannten Terminator stößt. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Basenabfolge auf der DNA, die das Ende der Transkription einleitet. Dabei löst die RNA-Polymerase sich von dem RNA-Strang und gibt so die m-RNA frei.


Translation

Im Rahmen der Transkription ist das "Gen" (die genetische Information der DNA) in die RNA umgeschrieben worden. Nun wird in der Phase der Translation an die Ribosomen aus einer bestimmten Abfolge von Aminosäuren ein Protein (= Polypeptid) aufgebaut. Bei der Translation (übersetzen) immer drei aufeinander folgende Basen (auch als Basentriplett oder Codon bezeichnet) eine Aminosäure. Dabei kann man sich den "Übersetzungscode" folgendermaßen vorstellen: Startcodon, Codons der einzelnen Aminosäuren, Stoppcodon. Der Beginn einer Aminosäuresequenz beginnt immer mit dem Startcodon AUG und endet mit einem der drei Stopcodons (UGA, UAA oder UAG).

Die Phase der Translation läuft in vier Unterphasen ab, die an den Ribosomen erfolgt. Das Ribosom besteht dabei aus zwei Untereinheiten, die im Rahmen der Translation benötigt werden.

Im ersten Schritt fügen sich die beiden Untereinheiten (P- und A-Stelle) des Ribosoms und die m-RNA zusammen. Dies passiert am Startcoden AUG der m-RNA, wodurch die m-RNA und Ribosom eine "Einheit" bilden. An dem Startcodon der m-RNA lagert sich nun noch das passende Anticodon der t-RNA an (UAC, komplementäre Basenpaarung). Dies passiert alles an der sogenannten P-Stelle des Ribosoms. An der A-Stelle des Ribosoms lagert sich nun eine weitere t-RNA an, deren "Anticodon" zum nächsten Codon der m-RNA passt (Codon nach dem Startcodon). Passen Codon und Anticodon zusammen, tritt eine Wechselwirkung ein, die beide "Moleküle" fest aneinander bindet (passen Codon und Anticodon nicht zusammen, wird das t-RNA-Molekül wieder "abgestossen"). Wenn Codon der m-RNA und Anticodon der t-RNA zusammenpassen, werden die beiden Aminosäuren der beiden t-RNA miteinander verknüpft (Bildung eines Peptids). Diese Verknüpfung zweier Aminosäuren erfolgt enzymatisch.

Anschließend "wandert" das Ribosom um ein Basentriplett die m-RNA entlang (in Translationsrichtung). Die zweite t-RNA, die sich an der P-Stelle des Ribosoms befunden hat, löst sich ab. Die t-RNA, die sich an der A-Stelle befunden hat, rückt dabei auf die P-Stelle vor. Damit liegt die diese t-RNA am zweiten Codon der m-RNA an. Auch hier kommt es wieder zu passenden Basenpaarbildung (Codon - Anticodon). Passen Codon und Anticodon zusammen, so kommt es zu einer Wechselwirkung, die Aminosäure der t-RNA wird mit dem im ersten Schritt synthetisierten Peptid verknüpft,

Dieser Zyklus läuft solange ab, bis das Ribosom auf ein Stoppcodon trifft, dass sich auf der m-RNA befindet. Da es zu den Stoppcodons keine passenden Anticodons (in Form einer t-RNA) gibt, lässt sich der Verbund aus Ribosom und m-RNA auf und das synthetisierte Polypeptid (Protein) wird freigegeben.




Unterschied bei Prokaryoten und Eukaryoten:

Im Prinzip verläuft die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich. Bei Prokaryoten kann die m-RNA sofort zu den Ribosomen transportiert werden (keine Zellwand). Daher hat die m-RNA bei Eukaryoten auch eine wesentlich längere Lebensdauer als bei Prokaryoten.



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