Wie läuft die Proteinbiosynthese ab?

Wahrscheinlich hast du keine Lust dich mit der Proteinherstellung bzw. der Synthese zu beschäftigen, aber ohne Proteine könntest du dich z.B. nicht einmal bewegen. Grund dafür ist die Steuerung der Muskelkontraktion.

Die Proteinbiosynthese wird von DNA-Abschnitten, sogenannten Genen bestimmt, welche die komplette Erbinformation enthalten und z.B. entscheiden wie du aussiehst. Also wenn du mit deinem Aussehen zufrieden bist, kannst du dich ruhig bei deinen Genen bedanken.

 

Der Prozess aus dem ein Gen zu einem funktionstüchtigen Protein wird, nennt sich Proteinbiosynthese und ist in zwei  Hauptprozesse aufgeteilt, der Transkription und der Translation. In der Transkription wird ein Genabschnitt mithilfe eines Enzyms (der RNA-Polymerase) abgelesen und eine zum codogenen Strang komplementäre mRNA Sequenz synthetisiert. Die Transkription kann dabei in die drei wesentlichen Schritte Initiation, Elongation und Termination unterteilt werden:

1. Initiation: Der Prozess beginnt damit, dass sich die RNA-Polymerase an einer spezifischen Basenabfolge am codogenen DNA-Strang, der sogenannten Promoterregion, festsetzt. Die Promotorregion dient als Startsequenz für die RNA-Polymerase.

2. Elongation: Das Enzym läuft nun am codogenen Strang entlang, löst die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Basenpaaren, scannt ihn und synthetisiert gleichzeitig einen komplementären RNA-Strang aus RNA-Nucleotiden (Basen die sich im Zellplasma befinden). Dabei enthält die m-RNA statt Thymin die Base Uracil.

3. Termination: An einer weiteren Basenabfolge, der Terminatorregion, endet der Transkriptionsvorgang, sodass sich die RNA-Polymerase und die hergestellte mRNA von der DNA lösen.

Abb. 1: Transkription - RNA-Polymerase öffnet DNA-Strang
Abb. 1: Transkription - RNA-Polymerase öffnet DNA-Strang
Abb. 2: Transkription - Entstehung der prä-mRNA
Abb. 2: Transkription - Entstehung der prä-mRNA

Nun wäre der Punkt erreicht, an dem die hergestellte mRNA zum Ribosom gelangt und der Prozess der Translation in die Wege geleitet wird. Bei Prokaryoten ist dies der Fall, aber nicht bei Eukaryoten! Da die DNA der Eukaryoten (d.h. viellebige Lebewesen die einen Zellkern besitzen) über bestimmte Abschnitte verfügen die keine Wichtigkeit für das entstehende Protein darstellen, müssen diese Abschnitte, auch Introns genannt, zuvor entfernt werden. Daher nennt man die mRNA vor dieser Entfernung auch prä-mRNA (lat.: prä = vorher).

Diesen Vorgang nennt man RNA-Prozessierung und er lässt sich in drei Schritte aufteilen:                                               

1. Im ersten Schritt werden die Introns mithilfe der katalytischen Wirkung von Spleißosomen aus der prä-mRNA entfernt und die Exons (Abschnitte, die für das Protein relevante Informationen enthalten) dann zu einer mRNA zusammengefügt.              

2. Im zweiten Schritt wird eine spezielle Base, ein mythelisiertes Guanin, am 5`-Ende aufgesetzt. Diese Cap-Struktur dient als eine Art Kappe, welche die mRNA auf dem Weg zum Ribosom vor enzymatischen Abbau schützt.

3. Im dritten und letzten Schritt der RNA-Prozessierung wird an dem 3‘-Ende eine Abfolge von über 200 Adenin Basen gebildet. Dieser Abfolge wird Poly-A-Schwanz genannt und erleichtert den Transport durch den Zellkern in das Cytoplasma.

Abb. 3: Ablauf der RNA-Prozessierung
Abb. 3: Ablauf der RNA-Prozessierung

 

Nachdem nun eine funktionsfähige m-RNA synthetisiert wurde, kann der zweite Hauptprozess der Proteinbiosynthese, die Translation, beginnen.

Abseits der eigentlichen Translation binden im Vorfeld unbeladene tRNAs (transfer-RNA) an eine spezifische Aminosäure die dieser zugeordnet ist. Der Vorgang spielt sich an dem Enzym t-RNA Synthetase ab.

Zunächst ordnet sich eine tRNA und die dafür zugeordnete Aminosäure im aktiven Zentrum des Enzyms an. Diese gehen dann eine kovalente Bindung ein, wodurch sie als, mit der passenden Aminosäure beladene tRNA hervorgeht.       

Die Translation findet im Cytoplasma statt, genauer gesagt am Ribosomen (Zellbestand mit zwei Untereinheiten).

Zu Beginn der Translation ordnet sich die sythetisierte mRNA an der kleineren Untereinheit des Ribosoms, auch 30S Untereinheit genannt, an. Nachdem sich die 30S Untereinheit an der m-RNA angelagert hat, bewegt diese sich Richtung 3‘-Ende, also von 5‘ zu 3‘, bis diese auf das Startcodon trifft. Das Startcodon gibt den Beginn der Basensequenz vor, hat die Basenabfolge 5‘ AUG 3‘ und synthetisiert für die Aminosäure Methionin. Mit diesem Startcodon beginnt die Übersetzungsarbeit an der mRNA.

An der tRNA ist ein Anticodon, welches von 3‘ zu 5‘ Richtung gelesen wird, sodass die erste Base des Codons (der synthetisierten mRNA) komplementär zur dritten Base des Anticodons ist. Also ist beispielsweise das Anticodon des Startcodons AUG UAC.

Am Startcodon angekommen bindet sich die Start-tRNA mit der spezifischen Aminosäure an die mittlere P-Stelle des Ribosoms. Das Anticodon der tRNA und das Codon der mRNA liegen parallel zueinander. Nun bindet sich an an der rechts nebenliegenden A-Stelle eine weitere tRNA mit zum Codon komplementärem Anticodon. Das Methionin des Startcodons geht mit der Aminosäure der zweiten tRNA eine Peptidbindung ein und wird zu einem Dipeptid (Verbindung von zwei Aminosäuren). Das Ribosom wandert nun (in 3‘ Richtung) um ein Basentriplett weiter, woraufhin sich die tRNA zusammen mit dem Dipeptid aus der A-Stelle in die P-Stelle verlagert. Die Start tRNA verlagert sich gleichzeitig aus der P-Stelle in die links nebenstehende E-stelle, wo diese das Ribosom verlässt. Nach diesem Prinzip wird das Dipeptid nach jedem Vorgang um eine Aminosäure verlängert. Die Reihenfolge der Aminsosäuren bestimmen die einzelnen Basentripletts der mRNA.

Die Translation stoppt, wenn eines der drei Stoppcodons (UAA, UGA und UAG) erreicht wird. Das Ribosom zerfällt dann in seine Untereinheiten und die synthetisierte Polypeptidkette übernimmt als Protein verschiedene Funktionen im Organismus.

  © Kamil Frih & Yessin Ben Chihi