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Proteinsynthese

Die Information zur Herstellung eines Proteins (Eiweisses) ist in der Nukleinsäuresequenz als Abfolge von sogenannten Triplettcodes (Codons) der mRNAs gespeichert und wird vom Ribosom entschlüsselt. Die mRNA ist also im Grunde genommen ein kodierter Text, den das Ribosom entschlüsseln kann, um das entsprechende Protein herzustellen.

Der genetische Code besteht aus "Drei-Buchstaben-Wörtern"

Ein Protein besteht aus einer langen Kette miteinander verbundener Aminosäuren. Die Information, welche Aminosäure in welcher Reihenfolge aneinandergehängt werden müssen, ist in einer Abfolge von sogenannten Triplettcodes (Codons) auf der mRNA gespeichert. Der Verschlüsselungsmechanismus wird als "genetischer Code" bezeichnet. Ein Codon besteht immer aus der Abfolge von drei Nukleobasen und kodiert für eine der 20 vorkommenden Aminosäuren. Da an jeder der drei Codonpositionen eine der vier verschiedenen Nukleobasen (A, G, C, U) stehen kann, ergeben sich somit 4 x 4 x 4 = 64 verschiedenen Codons. Beispiele solcher Codons sind "GCA" (kodiert für die Aminosäure Alanin), "CCC" (kodiert für Prolin), oder "AGU" (kodiert für Serin). 61 dieser Codons kodieren für die 20 Aminosäuren - es gibt also mehrere Codons, die für die gleiche Aminosäure kodieren (z.B. "CGU", "CGC", "CGA" und "CGG" kodieren alle für Arginin). Man bezeichnet den genetischen Code daher auch als "redundant". Eine weitere Eigenschaft ist, dass der genetische Code "universell" ist - das heisst, die Zuordnung eines Codons zu einer bestimmten Aminosäure ist bei allen bekannten Arten von Lebewesen in den Grundzügen gleich.

"AUG" ist ein spezielles Codon - es dient als Startsignal für die Proteinsynthese. Drei Codons ("UAA", "UAG" und "UGA") sind sogenannte Stoppcodons. Wenn das Ribosom auf eines der Stoppcodons trifft, wird die Synthese des Proteinmoleküls beendet. Welcher Dreier-Codon für welche Aminosäure steht, kannst du aus der untenstehenden «Codon-Sonne» lesen: Beginn in der Mitte mit der ersten Nukleobase (z.B. "U"), reihe die weiteren zwei Nukleobasen von innen nach aussen gelesen aneinander (z.B. "GG") und du erfährst im äussersten Kranz, für welche Aminosäure das Codon steht ("UGG" = Trp (Tryptophan)).

Das Ribosom verwandelt die genetische Information in funktionelle Moleküle

Für den Prozess der Translation sind vier verschiedene Komponenten wichtig: die mRNAs (die "Boten"), die Ribosomen (die "Proteinfabriken"), die tRNAs (transfer RNAs, die "Dolmetscher") und die Aminosäuren (die "Bausteine"). Der Prozess der Translation besteht aus drei Phasen: man spricht von der Einleitung (Initiation), der Verlängerung (Elongation) und der Beendigung (Termination) der Aminosäurekette. Im folgenden Abschnitt schauen wir uns diese Prozesse etwas genauer an:

Die mRNA wird von einem Ribosom abgelesen. Normalerweise beginnt die Proteinsynthese an einem AUG Codon. Die entsprechende Aminosäure, Methionin, wird über eine tRNA an das Ribosom gebracht. Anschliessend wird das Protein Aminosäure für Aminosäure als lange Kette aufgebaut. Dabei gleitet das Ribosom in 3-Nukleotid-Schritten über die mRNA.

Einleitung/Initiation: Das Ribosom, eine riesige Maschinerie in der Zelle, erkennt die mRNA, die aus dem Zellkern ins Zytoplasma transportiert wurde. Das Ribosom dockt an eines der Enden der mRNA an (dem sogenannten 5’-Ende) und sucht die darauffolgende Sequenz nach dem Startcodon "AUG" ab. Hat das Ribosom eine "AUG"-Sequenz in der mRNA gefunden, beginnt die Proteinsynthese mit der passenden, AUG-erkennenden tRNA. tRNAs überbringen die jeweilige Aminosäure gemäss dem Triplettcode. Auf der einen Seite der tRNA befindet sich die sogenannte “Anticodon”-Sequenz, welche das Codon auf der mRNA erkennt und daran bindet. Auf der anderen Seite ist die zugehörige Aminosäure gekoppelt, welche vom Ribosom auf die wachsende Polypeptidkette übertragen wird. Ist die Nukleotidsequenz des Anticodons der tRNA komplementär zur Codonsequenz in der mRNA, kann die tRNA nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip binden – zwischen dem "AUG" Startcodon und der Initiator-tRNA entsteht ein sogenannter Initiationskomplex. Da "AUG" für die Aminosäure Methionin kodiert, ist die Initiator-tRNA immer mit einem Methionin beladen und jedes neu hergestellte Protein beginnt mit dieser Aminosäure.

Verlängerung/Elongation: Hat sich ein Initiationskomplex gebildet, wird die Sequenz des folgenden Codons untersucht. Bindet die nach dem Anticodon-Codon-Prinzip passende tRNA, wird die vorherige Aminosäure (in unserem Beispiel das Methionin von der Initiation) auf die Aminosäure der neuen tRNA übertragen und man erhält eine Kette von zwei Aminosäuren auf der neuen tRNA - es hat also eine “Elongation” (Verlängerung) stattgefunden. In folgenden Elongationsschritten wird jetzt ein Codon nach dem anderen abgelesen, von der richtigen tRNA erkannt, und die Aminosäurekette schrittweise auf die jeweils neu eintreffende tRNA übertragen und so verlängert. Dabei liest das Ribosom die gesamte mRNA im Drei-Nukleotid-Raster Schritt für Schritt ab.  Die Aminosäuren werden so nach und nach verknüpft und eine Aminosäurenkette entsteht.

Termination: Der Prozess der Elongation geht so lange weiter, bis das Ribosom auf ein Stoppcodon mit der Sequenz "UAA", "UAG" oder "UGA" trifft. In diesem Fall wird die Codonerkennung nicht durch eine tRNA durchgeführt, sondern es gibt spezielle Proteine, die dem Ribosom übermitteln, dass die Proteinherstellung beendet werden soll. Die Aminosäurekette – d.h. das nun fertiggestellte Protein – wird von seiner letzten tRNA-Verankerung abgelöst und vom Ribosom freigelassen. Es kann nun seiner Funktion in der Zelle nachgehen.

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