Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese, früher auch Eiweißsynthese genannt, ist die Herstellung eines Proteins oder Polypeptids in Lebewesen. Sowohl Proteine als auch Polypeptide sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden auf Grund der in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) gegebenen Erbinformation an den Ribosomen lebender Zellen gebildet.
Schritte der Proteinsynthese
Die Proteinbiosynthese (griech. proteos = von äusserster Wichtigkeit) gliedert sich in folgende Schritte:
- Transkription: Transkription ist das Umschreiben von DNA in RNA. Durch Bindung einer RNA-Polymerase an einen Promotor wird der DNA-Strang entspiralisiert. Die Information der DNA wird durch die RNA-Polymerase in mRNA (vom englischen messenger-RNA, zu deutsch Boten-RNA genannt) umgeschrieben, indem ein komplementärer pre-mRNA- Strang zum genkodierenden DNA-Strang synthetisiert wird. Bei Eukaryonten wird die pre-mRNA durch posttranskriptionale Modifikationen (Capping, in den meisten Fällen (Splicing), Polyadenylierung, in manchen Fällen Editing) in die mRNA prozessiert. Die reife mRNA wird durch regulierten, aktiven Transport durch den "nuclear pore complex NPC" aus dem Zellkern ins Cytoplasma transportiert. Die einzelnen Schritte der mRNA-Synthese werden in Abhängigkeit voneinander reguliert.
- Translation: (wörtlich: Übertragung). Übersetzt wird die DNA-Information eines bestimmten DNA-Abschnittes (Gen) in eine Aminosäurekette (auch bezeichnet als Polypeptid). Dazu wird die Information auf der Boten-RNA (mRNA) zunächst "zwischengespeichert". Bei Eukaryonten verlässt diese mRNA den Zellkern (bei Bakterien bzw. Prokaryoten setzt sie sofort nach der Transkription ein) und wird im Cytoplasma, also außerhalb des Zellkerns, von Ribosomen (sog. Polysomen) schrittweise abgelesen und in eine Folge von Aminosäuren umgesetzt. Dies geschieht durch die tRNA, da für jede Aminosäure ein kompatibles tRNA-Molekül existiert, das über eine spezifische Bindungstelle für ebendiese Aminosäure verfügt. An dem tRNA-Molekül ist noch eine sog. "Anticodonschleife" vorhanden, deren Sequenz an Basen komplementär zu dem auf der mRNA vorhandenen Codon ist. Von daher wird diese Basensequenz als "Anticodon" bezeichnet.
Ein Ribosom besitzt drei Bindungsstellen für tRNA -die A-Stelle (Aminoacyl-tRNA-Bindungsstelle), die P-Stelle (Peptidyl-tRNA-Bindungsstelle) und die E-Stelle (Exit, Abgangsstelle). Die A-Stelle steht für das die Aminosäure anliefernde tRNA-Molekül zur Verfügung. An der P-Stelle wird die Aminosäure an die wachsende Proteinkette gebunden. Die dann entladene tRNA wandert weiter an die E-Stelle, verlässt hier das Ribosom und wird enzymatisch mit einer neuen Aminosäure beladen. Das Ribosom wandert so lange auf der mRNA entlang, bis das gesamte Protein entsprechend den Anweisungen der mRNA hergestellt (synthetisiert) wurde – bis es an ein Stoppcodon gelangt, für das es keine passende tRNA gibt. Der verwendete genetische Code ist folgender: 4 "Buchstaben" der DNA (A,G,C,T) bilden die "Schrift" der Gene. Dieses "Morsealphabet" wurde 1961 von Heinrich Matthaei und Marshall Nirenberg gefunden. Die "Worte" sind je 3 Buchstaben lang (ein so genanntes Triplett oder Codon), also zum Beispiel GAC. Jedes dieser Tripletts wird später auf die mRNA kopiert und schließlich von Ribosomen in eine bestimmte Aminosäure (insgesamt wurden bisher 22 Aminosäuren entdeckt, die bei der Synthese von Proteinen verwendet werden) übersetzt. Hierbei muss beachtet werden, dass bei der RNA die Base Uracil komplementär zu Adenin ist und nicht wie bei der DNA, Adenin komplementär zu Thymin. Übertragen werden die Aminosäuren mit sog. Transfer-RNAs (tRNAs), die das entsprechende Anticodon tragen, somit an die mRNA gebunden sind und die korrekte Aminosäure, die sie an einer anderen spezifischen Bindestelle tragen, mit der vorhergehenden verknüpft. So wächst die Kette der Aminosäuren bis zum Stoppcodon des Transkripts, das ein Signal für das Ribosom ist, an dieser Stelle aufzuhören. Die Aminosäurekette des Proteins ist damit fertig. Das Protein selber kann nun aber noch weiter modifiziert werden.
Proteintargeting
Nicht alle Proteine sollen im Cytosol verbleiben, viele zählen zu den sektretorischen Proteinen oder zu den Membranproteinen. Alle diese Proteine, hierzu zählen auch solche, die in membranumhüllten Zellorganellen wie den Mitochondrien, dem endoplasmatischen Retikulum (ER) oder dem Golgi-Apparat vorhanden sind, enthalten eine typische N-terminale Signalsequenz, die von einem speziellen Protein, dem signal recognition particle (SRP), erkannt wird. Diese Sequenz ist 16-30 Aminosäuren lang und enthält typischerweise eine oder mehrere positiv geladene Aminosäuren, gefolgt von mehreren hydrophoben Aminosäuren. Ragt diese Sequenz weit genug aus dem Ribosom, was nach der Kopplung der ersten ca. 70 Aminosäuren der Fall ist, lagert sich das SRP an die naszierende Polypeptidkette und das Ribosom an und stoppt so die Translation. An der Oberfläche des (rauen) ER befindet sich ein SRP-Rezeptor, der das Ribosom bindet und in Position an das Translocon bringt. Das SRP wird wiederum abgespalten und kann erneut zur Markierung dienen. Die Polypeptidkette wird nun durch das Translocon in das Lumen des ER weitersynthetisiert, wobei das Enzym Signalpeptidase die Signalsequenz entfernt. Im Translocon bildet sich während dieser Phase eine Schleife, wodurch der N-Terminus der Polypeptidkette zum Cytosol weist. Dies ist wichtig für die korrekte Positionierung von membranständigigen Proteinen. Ist die Translation abgeschlossen, wird im ER-Lumen das Protein korrekt gefaltet, Disulfidbrücken bauen sich auf und weitere Modifikationen werden durchgeführt. Entscheidend für die Sekretion ist die Glykosylierung vieler membranständiger und sekretorischer Proteine. Sie findet sowohl im rauen ER als auch im Golgi-Apparat statt und dient als Zielmarkierung für die Proteine.
Bedeutung
Aufbau von Proteinen.