Grundlagen der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten

Die Proteinbiosynthese ist die Herstellung von Proteinen auf Grundlage der genetischen Information in der DNA. Sie ist der Vorgang, bei dem ein Gen tatsächlich exprimiert wird. Eine interessante Besonderheit ist, dass dieselbe mRNA mehrfach und gleichzeitig von verschiedenen Ribosomen abgelesen werden kann. Diese Anordnung nennt man Polysom, wodurch viele Proteine eines Typs gleichzeitig entstehen.

Der Prozess findet an verschiedenen Orten der Zelle statt: Die Umschreibung der DNA (Transkription) geschieht im Zellkern, während die eigentliche Proteinsynthese an den Ribosomen stattfindet. Diese Ribosomen bestehen zu 35% aus Protein und zu 65% aus ribosomaler RNA (rRNA).

Die Proteinbiosynthese läuft in drei Hauptschritten ab:

1. Transkription: Umschreibung der DNA in eine einsträngige prä-mRNA im Zellkern
2. Prozessierung: Nur bei Eukaryoten, Bearbeitung der prä-mRNA
3. Translation: Übersetzung der mRNA-Basensequenz in eine Aminosäuresequenz

💡 Wusstest du? Bei der Transkription entstehen durch unterschiedliche RNA-Polymerasen verschiedene RNA-Typen: RNA-Polymerase I produziert rRNA, RNA-Polymerase II erzeugt mRNA, und RNA-Polymerase III stellt tRNA her.

Unterschiede zwischen Eukaryoten und Prokaryoten

Die Transkription unterscheidet sich deutlich zwischen Eukaryoten und Prokaryoten. Bei der Initiation binden in Prokaryoten RNA-Polymerase-Holoenzyme direkt an die Promotorregion durch die Sigma-Untereinheit. Das gleiche Enzym stellt alle RNA-Typen her. Die Promotorregionen umfassen die -35, -10 und +1 Region.

Bei Eukaryoten ist der Prozess komplexer: Transkriptionsfaktoren (z.B. Transkriptionsfaktor IID) müssen zuerst an den Promotor binden, bevor die RNA-Polymerase andocken kann. Zudem gibt es spezialisierte RNA-Polymerasen für verschiedene RNA-Typen: RNA-Polymerase I für rRNA, RNA-Polymerase II für mRNA und RNA-Polymerase III für tRNA. Die Promotorregionen heißen hier TATA-Box, CAAT-Box und GC-Box.

Auch die Termination verläuft unterschiedlich. In Prokaryoten gibt es zwei Wege: Entweder führt ein Rho-Protein dazu, dass sich die RNA-Polymerase entfernt $Rho-abhängig$, oder inverse Wiederholungen auf der RNA bilden Haarnadelstrukturen, die bestimmte Enzyme aktivieren $Rho-unabhängig$. Bei Eukaryoten hingegen entsteht beim Ablesen die RNA-Sequenz AAUAAA (Polyadenylierungssignal), die spezielle Enzyme aktiviert.

Der größte Unterschied ist jedoch, dass in Prokaryoten keine Prozessierung stattfindet, während sie bei Eukaryoten ein essentieller Schritt ist.

💡 Wichtig für die Klausur: Während Prokaryoten mit einem einzigen RNA-Polymerase-Typ auskommen, haben Eukaryoten drei spezialisierte RNA-Polymerasen mit unterschiedlichen Funktionen!

Prozessierung der mRNA in Eukaryoten

Die Prozessierung ist ein wichtiger Schritt bei Eukaryoten, denn unbearbeitete prä-mRNA würde im Zytoplasma durch das Enzym Exosom zerlegt werden. Außerdem codieren nicht alle Abschnitte der prä-mRNA für das Protein, weshalb diese bearbeitet werden muss.

Der Prozess beginnt mit dem Capping und Tailing. Beim Capping versieht das mRNA-Capping-Enzym die prä-mRNA am 5'-Ende mit einer G-Cap-Struktur $ein modifiziertes Guanin-Nukleotid$. Dies schützt die mRNA vor Abbau durch Ribonucleasen und unterstützt die Bindung an Ribosomen. Beim Tailing erhält die prä-mRNA am 3'-Ende durch die Polyadenylierungssequenz einen Poly-A-Schwanz aus 100-300 Adeninnukleotiden. Dieser schützt ebenfalls vor Abbau und hilft beim Transport der mRNA.

Ein weiterer Schritt ist das Editing, bei dem einige Nukleotide ausgetauscht werden, was die Proteinvielfalt erhöht. Am wichtigsten ist jedoch das Splicing: Hierbei werden nicht-codierende Bereiche (Introns) entfernt, während die codierenden Bereiche (Exons) erhalten bleiben. An die Konsensussequenzen zwischen Intron und Exon binden kleine nukleäre Ribonukleoproteinpartikel (snRNPs). Diese bilden zusammen ein Spleißosom, das die prä-mRNA zwischen Exon und Intron schneidet. Die Exons werden verknüpft, und es entsteht die reife mRNA, die durch die Kernporen zu den Ribosomen transportiert wird.

💡 Merke dir: Das Spleißosom ist wie eine molekulare Schere, die die "unwichtigen" Teile (Introns) aus der mRNA herausschneidet und die "wichtigen" Teile (Exons) wieder zusammenfügt!

Alternatives Spleißen und Translation

Alternatives Spleißen ist ein wichtiger Prozess der Genregulation. Dabei können neben Introns auch bestimmte Exons herausgeschnitten werden, die für ein spezifisches Protein nicht benötigt werden. So können aus einer einzigen DNA-Sequenz verschiedene reife mRNA-Stränge und folglich unterschiedliche Proteinvarianten entstehen. Dies erklärt, warum Menschen nur etwa 24.000 Gene besitzen, aber 80.000-150.000 verschiedene Proteine bilden können.

Beispiele für alternatives Spleißen sind die Dopaminrezeptoren I und II sowie Antikörper von Plasmazellen, die entweder auf der Zellmembran sitzen oder abgesondert werden.

Die Translation findet an den Ribosomen statt, die aus einer kleinen und einer großen ribosomalen Untereinheit bestehen. Bei der Initiation bindet die kleine Untereinheit an die Erkennungssequenz der mRNA und bildet einen Initiationskomplex. Sie wandert zum Startcodon (AUG), wo die Translation beginnt. Hierbei wird tRNA $Transfer-RNA$ benötigt, die ein Anticodon trägt – ein Basentriplett, das komplementär zum Codon auf der mRNA ist. Jede tRNA trägt auch eine spezifische Aminosäure.

Nach Bindung der tRNA tritt die große ribosomale Untereinheit hinzu, sodass die tRNA die P-Stelle besetzt. Die besondere Palindromstruktur der tRNA verhindert, dass sie sich mit anderen tRNAs verbindet und sorgt für den richtigen Abstand.

💡 Tipp für die Prüfung: Die Translation beginnt immer mit dem Startcodon AUG, das für die Aminosäure Methionin codiert. Denke daran, dass jedes Protein zunächst mit Methionin beginnt, auch wenn dieses später oft abgespalten wird!

Elongation, Termination und genetischer Code

Bei der Elongation der Translation bindet eine komplementäre tRNA an das mRNA-Codon und gelangt in die A-Stelle des Ribosoms. Die große ribosomale Untereinheit katalysiert dann die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Aminosäure in der P-Stelle und der in der A-Stelle. Das Ribosom bewegt sich in 3'-Richtung, wobei die tRNA von der P-Stelle zur E-Stelle wandert und die tRNA der A-Stelle zur P-Stelle. Die tRNA an der E-Stelle löst sich vom Ribosom und wird im Cytoplasma mit einer neuen Aminosäure beladen. Dieser Zyklus wiederholt sich, wodurch die Peptidkette immer länger wird.

Die Termination wird eingeleitet, wenn eines der drei Stopp-Codons (UAA, UAG oder UGA) an die A-Stelle des Ribosoms gelangt. Diese codieren für keine Aminosäure, sodass keine tRNA binden kann. Stattdessen bindet ein Release-Faktor, der die tRNA aus der P-Stelle freisetzt und das Polypeptid abtrennt. Das Ribosom zerfällt in seine Untereinheiten und löst sich von der mRNA. Die fertige Polypeptidkette faltet sich zur Tertiärstruktur und wird zum funktionsfähigen Protein.

Jede mRNA kann mehrmals in Proteine übersetzt werden, bevor sie durch Nucleasen abgebaut wird. Die Gesamtheit aller genetischen Codons wird in der Codesonne dargestellt, die zeigt, welches Codon für welche Aminosäure codiert.

💡 Gut zu wissen: Bei der Translation entstehen immer zwei charakteristische Enden: Der N-Terminus mit einer freien Aminogruppe (NH₂) und der C-Terminus mit einer freien Carboxylgruppe (COOH). Diese Ausrichtung ist wichtig für die Proteinfunktion!