Vom Gen zum Protein
Die Länge eines DNA-Abschnitts kann 75 bis über 2 300 kb betragen. Der Informationsgehalt eines genetischen Abschnitts wird in Kilobasen (kb) angegeben.
Die Informationskapazität eines Gens ist praktisch unbegrenzt, denn schon ein extrem kurzes Gen mit einer Länge von 75 kb kann in verschiedenen Nucleotidsequenzen vorliegen.
FRANCIS CRICK (1916–2004)
Die genetische Information wird nur auf einem der beiden Polynucleotidstränge der DNA gespeichert, dieses codierende Polynucleotid wird häufig auch als Matrizenstrang (Template Strang) bezeichnet. Im Falle des menschlichen Genoms sind nur 20 bis 30 % der gesamten DNA aktive Gene. Das heißt, der größte Teil der Erbsubstanz umfasst intergene DNA (Spacer), also DNA-Bereiche zwischen den einzelnen Genen.
Die genetisch codierenden Abschnitte der DNA (Genotyp) bestimmen die Ausbildung spezifischer Merkmale (Phänotyp), indem sie die Synthese von Proteinen in der Zelle bedingen. Als Mittler zwischen diesen beiden Ebenen kommt der RNA eine besondere Rolle zu.
Bei der Genexpression wird die in einem Gen enthaltene Information in der Zelle verwirklicht. Dazu muss die genetische Information der DNA zuerst in RNA überführt und anschließend als Protein realisiert werden. Dieses zentrale Dogma der Molekulargenetik postulierte FRANCIS H. C. CRICK (Bild 1) schon 1958.
Daraus resultiert für die Synthese eines spezifischen Proteins ein zweistufiger Prozess: Transkription und Translation.
Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten
Prinzipiell stimmen die beiden Mechanismen Transkription und Translation bei allen Organismen überein. Bedingt durch den unterschiedlichen Grad der Kompartimentierung bei Pro- und Eucyt gibt es aber auch Unterschiede.
Bei dem bakteriellen Procyt befinden sich DNA und Ribosomen im Cytoplasma, d. h., es existiert keine räumliche Trennung der Prozessebenen Transkription (an der DNA) und Translation (an den Ribosomen). Ein fließender Übergang zwischen den Reaktionsgefügen ist dadurch gewahrt. Noch während die RNA an der DNA transkribiert wird, können Ribosomen das sich bildende RNA-Molekül translatieren.
Beim Eucyt sind Transkription und Translation räumlich und zeitlich voneinander getrennt. Die Transkription findet im Zellkern statt, die Translation im Cytoplasma. Das bedeutet, dass das Transkript (RNA) erst über die Kernporen zu den Ribosomen transferiert werden muss. Im Vorfeld wird die transkribierte RNA einem Processing unterzogen, d. h., die primäre RNA-Nucleotidsequenz wird in vielfältiger Weise modifiziert.
Durch die Transkription werden die Nucleotidsequenzen der Gene auf einzelne RNA-Ketten kopiert. Dabei wird der Matrizenstrang der DNA durch die katalytische Wirkung des Enzyms RNA-Polymerase komplementär durch aktivierte RNA-Nucleotide ergänzt, sodass eine Abschrift des zu exprimierenden Gens entsteht. Die gebildete mRNA (messenger-RNA, Boten-RNA) verschlüsselt somit in Form ihrer spezifischen Nucleotidsequenz die Syntheseanweisung für die Aminosäuresequenz eines zu bildenden Proteins.
Ablauf der Transkription:
| 1. | Bindung der RNA-Polymerase an die DNA |
| 2. | Initiation: Bildung eines Promotorbereichs zwischen Polymerase und DNA – Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen: Entstehung eines offenen Promotorkomplexes – RNA-Polymerase liest nur den Matrizenstrang (codogener Strang) |
| 3. | Elongation: Start der RNA-Synthese – komplementäre Anlagerung der ersten Nucleosidtriphosphate und Verknüpfung unter Freisetzung von Pyrophosphat – Wanderung der RNA-Polymerase entlang des codogenen Strangs in 3'- 5'-Richtung |
| 4. | Termination: Stopp der Transkription durch Terminatorsequenzen – Ablösen des Transkripts von der DNA – Lösen der RNA-Polymerase – Bindung der DNA-Einzelstränge zur Doppelhelix. |
Produkte der Transkription sind einzelsträngige RNA-Moleküle, die zum codogenen Strang der DNA-Matrize komplementär sind. Alle RNAs werden nach dem Matrizenmuster der DNA synthetisiert. Neben der messenger-RNA sind dies die tRNAs und rRNAs, die für den Ablauf des Translationsprozesses von ausschlaggebender Bedeutung sind.
Prozessierung der mRNA bei Eukaryoten
Die gebildeten Primärtranskripte durchlaufen im Zellkern des Eucyten einen Reifungsprozess zu funktionsfähigen, d. h. translationsfähigen mRNA-Molekülen. Kurz nach, zum Teil aber bereits während der Transkription wird die mRNA durch mehrere parallel verlaufende, gekoppelte Reaktionen prozessiert. Unabdingbar ist dabei der Prozess des „Spleißens“ – das Herausschneiden intervenierender Sequenzen (Introns) sowie die Verknüpfung der translationsfähigen Sequenzen (Exons). Das Capping sowie die Polyadenylierung erhöhen zwar die Effizienz der Translation, sind aber nicht zwingend erforderlich. Dabei werden sowohl das 5'-Ende (Capping) als auch das 3'-Ende der mRNA (Polyadenylierung) chemisch verändert.
Das Beispiel des Ovalbumingens verdeutlicht den Mosaikcharakter eukaryotischer Gene. Die grün markierten Introns werden durch Spleißen in mehreren Schritten entfernt. Das zur Translation fähige Transkript besteht nur noch aus 1 872 der ursprünglich 7 700 Nucleotide.
Während der Translation werden die proteinogenen Aminosäuren durch Peptidbindung zu unverzweigten Polypeptidketten verknüpft. Die Nucleotidsequenz des mRNA-Moleküls bestimmt die Aminosäuresequenz des Polypeptids. Die Übersetzung der Nucleinsäure-„Sprache“ in die Protein-„Sprache“ wird durch Translater, die Ribosomen, sowie durch spezielle Adapter, die Transfer-RNAs, garantiert.
Jede aminosäurespezifische Transfer-RNA wird im Cytoplasma mit der jeweiligen Aminosäure beladen. Die Kopplung der Aminosäuren an ihre tRNA erfolgt unter katalytischer Wirkung von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Diese Enzyme besitzen eine außerordentlich hohe Substratspezifität. Das Ribosom sichert mit seiner kleinen Untereinheit das Einfädeln und Binden der mRNA, während über die große Untereinheit die katalytische Aktivität für die Ausbildung der Peptidbindungen gesichert wird. Die eindeutige Zuordnung der tRNAs ist durch das komplementäre Verhältnis von Anticodon und Codon gewahrt.
Die folgende Schilderung des Verlaufs orientiert sich an der bakteriellen Proteinbiosynthese. Die Einzelschritte verlaufen bei Eukaryoten nach einem ähnlichen Modus, sind aber komplexer.
Initiation: Bildung des Initiationskomplexes durch Vereinigung von der ersten tRNA (Met) und mRNA, kleiner ribosomaler Untereinheit und abschließend der großen Untereinheit. Die Met-tRNA ist dabei in der P-Stelle lokalisiert.
Elongation: In der Kettenwachstumsphase kommt es zur zyklischen Wiederholung von drei Reaktionsschritten.
| 1. | Aminoacyl-tRNA-Bindung in der A-Stelle durch Codon-Anticodon-Paarung zwischen mRNA und Aminoacyl-tRNA. |
| 2. | Peptidyltransfer, d. h. unter Aufbau einer Peptidbindung wird die Aminosäure bzw. bei folgenden Zyklen der Peptidyl-Rest auf den Aminosäurerest in der A-Stelle übertragen. |
| 3. | Translokation, die Peptidyl-tRNA rückt mit der mRNA um ein Triplett in die P-Stelle weiter. Die entladene tRNA rückt in die E-Stelle und wird dort abgegeben. Die frei gewordene A-Stelle kann erneut besetzt werden und ein weiterer Elongationszyklus beginnt. |
Termination: Wenn nach erfolgter Translokation eines der drei Terminationscodone (UAA, UAG, UGA) in der A-Stelle auftritt, wird die Proteinbiosynthese abgebrochen. Nach Freisetzung des Polypeptids kommt es auch zur Dissoziation des Translationskomplexes (Ribosoms).
An einem mRNA-Molekül werden gleichzeitig mehrere Polypeptide synthetisiert, da nach Verlassen der Initiationsregion sofort weitere Ribosomen binden. Die Ribosomengruppen werden als Polysomen bezeichnet.
Schon vor Beendigung der Peptidsynthese beginnen sich die Ketten zur Sekundär- und Tertiärstruktur zu falten. So entstehen Proteinmoleküle mit spezifischer biologischer Funktion.
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