PROTEINSYNTHESE: STADIEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN - BIOLOGIE - 2024

Die Proteinsynthese ist ein biologisches Ereignis, das bei praktisch allen Lebewesen auftritt. Zellen nehmen ständig die Informationen auf, die in der DNA gespeichert sind, und wandeln sie dank hochkomplexer Spezialmaschinerie in Proteinmoleküle um.

Der in DNA verschlüsselte 4-Buchstaben-Code wird jedoch nicht direkt in Proteine ​​übersetzt. An dem Prozess ist ein RNA-Molekül beteiligt, das als Vermittler fungiert und als Messenger-RNA bezeichnet wird.

Proteinsynthese.
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Wenn Zellen ein bestimmtes Protein benötigen, wird die Nukleotidsequenz eines geeigneten Teils der DNA - in einem als Transkription bezeichneten Prozess - in RNA kopiert und dies wiederum in das betreffende Protein übersetzt.

Der beschriebene Informationsfluss (DNA zu Messenger-RNA und Nachrichten-RNA zu Proteinen) erfolgt von sehr einfachen Wesen wie Bakterien zu Menschen. Diese Reihe von Schritten wurde als zentrales "Dogma" der Biologie bezeichnet.

Die für die Proteinsynthese verantwortlichen Maschinen sind Ribosomen. Diese kleinen Zellstrukturen befinden sich weitgehend im Zytoplasma und sind im endoplasmatischen Retikulum verankert.

Was sind Proteine?

Proteine ​​sind Makromoleküle aus Aminosäuren. Diese machen fast 80% des Protoplasmas einer gesamten dehydrierten Zelle aus. Alle Proteine, aus denen ein Organismus besteht, werden als "Proteom" bezeichnet.

Seine Funktionen sind vielfältig und vielfältig, unter anderem von strukturellen Rollen (Kollagen) über Transport (Hämoglobin), Katalysatoren für biochemische Reaktionen (Enzyme) bis hin zur Abwehr von Krankheitserregern (Antikörpern).

Es gibt 20 Arten natürlicher Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Proteinen kombiniert werden. Jede Aminosäure zeichnet sich durch eine bestimmte Gruppe aus, die ihr bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften verleiht.

Stufen und Eigenschaften

Die Art und Weise, wie die Zelle es schafft, die DNA-Nachricht zu interpretieren, erfolgt durch zwei grundlegende Ereignisse: Transkription und Translation. Viele Kopien von RNA, die von demselben Gen kopiert wurden, können eine signifikante Anzahl identischer Proteinmoleküle synthetisieren.

Jedes Gen wird unterschiedlich transkribiert und translatiert, so dass die Zelle unterschiedliche Mengen einer Vielzahl von Proteinen produzieren kann. Dieser Prozess beinhaltet verschiedene zelluläre Regulationswege, die im Allgemeinen die Kontrolle der RNA-Produktion umfassen.

Der erste Schritt, den die Zelle tun muss, um mit der Proteinproduktion zu beginnen, besteht darin, die auf dem DNA-Molekül geschriebene Nachricht zu lesen. Dieses Molekül ist universell und enthält alle Informationen, die für den Aufbau und die Entwicklung organischer Wesen erforderlich sind.

Als nächstes werden wir beschreiben, wie die Proteinsynthese abläuft, wobei der Prozess des „Lesens“ des genetischen Materials beginnt und mit der Produktion von Proteinen an sich endet.

Transkription: von der DNA zur Messenger-RNA

Die Nachricht auf der DNA-Doppelhelix ist in einem aus vier Buchstaben bestehenden Code geschrieben, der den Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) entspricht.

Diese Sequenz von DNA-Buchstaben dient als Vorlage zum Aufbau eines äquivalenten RNA-Moleküls.

Sowohl DNA als auch RNA sind lineare Polymere aus Nukleotiden. Sie unterscheiden sich jedoch chemisch in zwei grundlegenden Punkten: Die Nukleotide in der RNA sind Ribonukleotide, und anstelle der Base Thymin weist die RNA Uracil (U) auf, das sich mit Adenin paart.

Der Transkriptionsprozess beginnt mit der Öffnung der Doppelhelix in einer bestimmten Region. Eine der beiden Ketten fungiert als "Matrize" oder Matrize für die RNA-Synthese. Die Nukleotide werden gemäß den Basenpaarungsregeln C mit G und A mit U hinzugefügt.

Das Hauptenzym, das an der Transkription beteiligt ist, ist die RNA-Polymerase. Es ist verantwortlich für die Katalyse der Bildung der Phosphodiesterbindungen, die die Nukleotide der Kette verbinden. Die Kette erstreckt sich in Richtung 5 'bis 3'.

Das Wachstum des Moleküls beinhaltet verschiedene Proteine, die als "Elongationsfaktoren" bekannt sind und für die Aufrechterhaltung der Bindung der Polymerase bis zum Ende des Prozesses verantwortlich sind.

Spleißen von Messenger-RNA

Quelle: Von BCSteve, aus Wikimedia Commons In Eukaryoten haben Gene eine spezifische Struktur. Die Sequenz wird durch Elemente unterbrochen, die nicht Teil des Proteins sind, sogenannte Introns. Der Begriff steht im Gegensatz zu Exon, das die Teile des Gens umfasst, die in Proteine ​​übersetzt werden.

Das Spleißen ist ein grundlegendes Ereignis, das darin besteht, die Introns des Botenmoleküls zu eliminieren, um ein Molekül zu entfernen, das ausschließlich von Exons aufgebaut wird. Das Endprodukt ist die reife Messenger-RNA. Physikalisch findet es im Spleißosom statt, einer komplexen und dynamischen Maschinerie.

Zusätzlich zum Spleißen wird die Messenger-RNA vor der Translation zusätzlichen Codierungen unterzogen. Es wird eine "Haube" hinzugefügt, deren chemische Natur ein modifiziertes Guaninnukleotid ist, und am 5'-Ende ein Schwanz aus mehreren Adeninen am anderen Ende.

RNA-Typen

In der Zelle werden verschiedene Arten von RNA produziert. Einige Gene in der Zelle produzieren ein Messenger-RNA-Molekül, das in Protein übersetzt wird - wie wir später sehen werden. Es gibt jedoch Gene, deren Endprodukt das RNA-Molekül selbst ist.

Beispielsweise haben im Hefegenom etwa 10% der Hefegene RNA-Moleküle als Endprodukt. Es ist wichtig, sie zu erwähnen, da diese Moleküle eine grundlegende Rolle bei der Proteinsynthese spielen.

- Ribosomale RNA: Ribosomale RNA ist Teil des Herzens von Ribosomen, Schlüsselstrukturen für die Synthese von Proteinen.

Quelle: Jane Richardson (Dcrjsr), aus Wikimedia Commons Die Verarbeitung ribosomaler RNAs und ihre anschließende Assemblierung zu Ribosomen erfolgt in einer sehr auffälligen Struktur des Kerns - obwohl er nicht durch eine Membran begrenzt ist -, die als Nucleolus bezeichnet wird.

- Transfer-RNA: Sie fungiert als Adapter, der eine bestimmte Aminosäure auswählt und zusammen mit dem Ribosom den Aminosäurerest in das Protein einbaut. Jede Aminosäure ist mit einem Transfer-RNA-Molekül verwandt.

In Eukaryoten gibt es drei Arten von Polymerasen, die, obwohl sie strukturell sehr ähnlich sind, unterschiedliche Rollen spielen.

Die RNA-Polymerasen I und III transkribieren die Gene, die für Transfer-RNA, ribosomale RNA und einige kleine RNAs kodieren. Die RNA-Polymerase II zielt auf die Translation von Genen ab, die für Proteine ​​kodieren.

- Kleine RNAs im Zusammenhang mit der Regulation: Andere RNAs kurzer Länge sind an der Regulation der Genexpression beteiligt. Dazu gehören microRNAs und kleine störende RNAs.

MicroRNAs regulieren die Expression, indem sie eine bestimmte Nachricht blockieren, und kleine störende blockieren die Expression durch direkten Abbau des Botenstoffs. In ähnlicher Weise gibt es kleine Kern-RNAs, die am Spleißprozess von Messenger-RNA beteiligt sind.

Übersetzung: von Messenger-RNA zu Proteinen

Sobald die Messenger-RNA durch den Spleißprozess reift und vom Zellkern zum Zellzytoplasma wandert, beginnt die Proteinsynthese. Dieser Export wird durch den Kernporenkomplex vermittelt - eine Reihe von wässrigen Kanälen in der Membran des Kerns, die das Zytoplasma und das Nucleoplasma direkt verbinden.

Im Alltag verwenden wir den Begriff "Übersetzung", um die Umwandlung von Wörtern von einer Sprache in eine andere zu bezeichnen.

Zum Beispiel können wir ein Buch vom Englischen ins Spanische übersetzen. Auf molekularer Ebene beinhaltet die Translation den Wechsel von Sprache zu RNA zu Protein. Genauer gesagt ist es der Wechsel von Nukleotiden zu Aminosäuren. Aber wie kommt es zu dieser Dialektänderung?

Der genetische Code

Die Nukleotidsequenz eines Gens kann nach den durch den genetischen Code festgelegten Regeln in Proteine ​​umgewandelt werden. Dies wurde in den frühen 1960er Jahren entschlüsselt.

Wie der Leser ableiten kann, kann die Translation nicht eins oder eins sein, da es nur 4 Nukleotide und 20 Aminosäuren gibt. Die Logik ist wie folgt: Die Vereinigung von drei Nukleotiden ist als "Tripletts" bekannt und sie sind mit einer bestimmten Aminosäure assoziiert.

Da es 64 mögliche Tripletts geben kann (4 x 4 x 4 = 64), ist der genetische Code redundant. Das heißt, dieselbe Aminosäure wird von mehr als einem Triplett codiert.

Das Vorhandensein des genetischen Codes ist universell und wird von allen lebenden Organismen genutzt, die heute auf der Erde leben. Diese enorme Verwendung ist eine der auffälligsten molekularen Homologien der Natur.

Kopplung von Aminosäuren an Transfer-RNA

Die im Messenger-RNA-Molekül gefundenen Codons oder Tripletts können Aminosäuren nicht direkt erkennen. Im Gegensatz dazu hängt die Translation von Messenger-RNA von einem Molekül ab, das das Codon und die Aminosäure erkennen und binden kann. Dieses Molekül ist die Transfer-RNA.

Transfer-RNA kann sich zu einer komplexen dreidimensionalen Struktur falten, die einem Klee ähnelt. In diesem Molekül gibt es eine Region namens "Anticodon", die aus drei aufeinanderfolgenden Nukleotiden besteht, die sich mit den aufeinanderfolgenden komplementären Nukleotiden der Messenger-RNA-Kette paaren.

Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, ist der genetische Code redundant, sodass einige Aminosäuren mehr als eine Transfer-RNA aufweisen.

Der Nachweis und die Fusion der richtigen Aminosäure mit der Transfer-RNA ist ein Prozess, der durch ein Enzym namens Aminoacyl-tRNA-Synthetase vermittelt wird. Dieses Enzym ist für die Kopplung beider Moleküle über eine kovalente Bindung verantwortlich.

Die RNA-Nachricht wird von Ribosomen dekodiert

Um ein Protein zu bilden, werden Aminosäuren durch Peptidbindungen miteinander verbunden. Der Prozess des Lesens von Messenger-RNA und der Bindung spezifischer Aminosäuren findet in Ribosomen statt.

Ribosomen

Ribosomen sind katalytische Komplexe, die aus mehr als 50 Proteinmolekülen und verschiedenen Arten von ribosomaler RNA bestehen. In eukaryotischen Organismen enthält eine durchschnittliche Zelle im Durchschnitt Millionen von Ribosomen in der zytoplasmatischen Umgebung.

Strukturell besteht ein Ribosom aus einer großen und einer kleinen Untereinheit. Die Rolle des kleinen Teils besteht darin, sicherzustellen, dass die Transfer-RNA korrekt mit der Messenger-RNA gepaart ist, während die große Untereinheit die Bildung der Peptidbindung zwischen Aminosäuren katalysiert.

Wenn der Synthesevorgang nicht aktiv ist, werden die beiden Untereinheiten, aus denen die Ribosomen bestehen, getrennt. Zu Beginn der Synthese verbindet die Messenger-RNA beide Untereinheiten, im Allgemeinen nahe dem 5'-Ende.

Bei diesem Verfahren erfolgt die Verlängerung der Polypeptidkette durch Zugabe eines neuen Aminosäurerests in den folgenden Schritten: Bindung der Transfer-RNA, Bildung der Peptidbindung, Translokation der Untereinheiten. Das Ergebnis dieses letzten Schritts ist die Bewegung des gesamten Ribosoms und ein neuer Zyklus beginnt.

Verlängerung der Polypeptidkette

In Ribosomen werden drei Stellen unterschieden: Stelle E, P und A (siehe Hauptbild). Der Elongationsprozess beginnt, wenn einige Aminosäuren bereits kovalent verknüpft sind und sich an der P-Stelle ein Transfer-RNA-Molekül befindet.

Transfer-RNA mit der nächsten einzubauenden Aminosäure bindet durch Basenpaarung mit Messenger-RNA an Stelle A. Der carboxylterminale Teil des Peptids wird dann an der P-Stelle aus der Transfer-RNA freigesetzt, indem eine hochenergetische Bindung zwischen der Transfer-RNA und der darin enthaltenen Aminosäure aufgebrochen wird.

Die freie Aminosäure wird an die Kette gebunden und eine neue Peptidbindung gebildet. Die zentrale Reaktion in diesem gesamten Prozess wird durch das Enzym Peptidyltransferase vermittelt, das sich in der großen Untereinheit der Ribosomen befindet. Somit wandert das Ribosom durch die Messenger-RNA und übersetzt den Dialekt von Aminosäuren in Proteine.

Wie bei der Transkription sind auch bei der Proteintranslation Elongationsfaktoren beteiligt. Diese Elemente erhöhen die Geschwindigkeit und Effizienz des Prozesses.

Fertigstellung der Übersetzung

Der Übersetzungsprozess endet, wenn das Ribosom auf die Stoppcodons trifft: UAA, UAG oder UGA. Diese werden von keiner Transfer-RNA erkannt und binden keine Aminosäuren.

Zu diesem Zeitpunkt binden Proteine, die als Freisetzungsfaktoren bekannt sind, an das Ribosom und verursachen die Katalyse eines Wassermoleküls und nicht einer Aminosäure. Diese Reaktion setzt das terminale Carboxylende frei. Schließlich wird die Peptidkette in das Zellzytoplasma freigesetzt.

Verweise

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biochemie. 5. Auflage. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H. & Schnek, A. (2006). Einladung zur Biologie. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF & Baltimore, D. (1990). Molekulare Zellbiologie. New York: Wissenschaftliche amerikanische Bücher.
4. Hall, JE (2015). Guyton und Hall Lehrbuch der medizinischen Physiologie E-Book. Elsevier Gesundheitswissenschaften.
5. Lewin, B. (1993). Gene Band 1. Reverte.
6. Lodish, H. (2005). Zell- und Molekularbiologie. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomenstruktur und Translationsmechanismus. Cell, 108 (4), 557 & ndash; 572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR & Case, CL (2007). Einführung in die Mikrobiologie. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN & Cate, JHD (2012). Die Struktur und Funktion des eukaryotischen Ribosoms. Cold Spring Harbor Perspektiven in der Biologie, 4 (5), a011536.