Physiologie Mensch

Proteinbiosynthese in Zellen und DNA

Ein Protein (Eiweiß) ist ein biologisches Makromolekül, das aus Aminosäuren durch Peptidbindungen aufgebaut ist. die in ihrer Grundsubstanz aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel bestehen. Proteine sind die wichtigsten biochemischen Funktionsträger, sie befinden sich in jeder Zelle.

Proteinbiosynthese Eiweißsynthese Protein Eiweiß und DNA Transkription Translation
Proteinbiosynthese (Eiweißsynthese) Transkription (links) und Translation (rechts), ein biochemischer Prozess, bei dem aus einfachen Aminosäuren mittels DNA-Informationen Proteine synthetisiert werden.

Die Proteinbiosynthese (Proteinsynthese, Eiweißsynthese) ist ein biochemischer Prozess der Neubildung von Proteinen in Zellen, bei dem in mehreren Schritten aus einfachen Aminosäuren (AS, Aminocarbonsäure) mittels Informationen, die in der DNA gespeichert sind, unterschiedliche Proteine (Eiweiße, bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel) nach Vorlage der aufgearbeiteten Kopie (mRNA) eines bestimmten DNA-Abschnitts der Erbinformation (Gen) synthetisiert werden.
Sowohl Proteine als auch Polypeptide der Proteinbiosynthese sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden auf Grund der in der Desoxyribonukleinsäure (DNS) gegebenen Erbinformation an den Ribosomen der Zellen gebildet.

Transription, Übertragung genetische Information

Die Transkription ist ein biologischen Prozess der im Zellkern stattfindet, bei dem genetische Information von einer der beiden DNA-Stränge auf die RNA übertragen wird. Er ähnelt stark der Replikation, nur dass nicht die gesamte DNA, sondern nur ein Gen „abgeschrieben“ wird. Gene sind Abschnitte auf der DNA, also bestimmte Nukleotidsequenzen. Weiterhin werden für die Abschrift nicht DNA-Nukleotide sondern RNA-Nukleotide verwendet. Das Abschreiben des Gens erfolgt durch das Enzym RNA-Polymerase (und andere Proteine), das als Substrat DNA und die Triphosphate ATP, UTP, CTP und GTP benötigt. Daraus wird komplementär zu einem DNA-Strang eine fortlaufende RNA-Kette (mRNA) unter Abspaltung der beiden jeweiligen Phosphatreste der Triphosphate erstellt. Das Startsignal für die Synthese wird durch eine bestimmte Nukleotidsequenz gegeben – meist GTA. Diese wird als erstes abgeschrieben. Man nennt sie Starter-Codon. Die Beendigung der mRNA-Synthese ist ebenfalls durch ein Terminator-Codon gegeben, das ATT, ATC oder ACT als Nukleotidsequenz hat.

Zelle Zellkern, DNA Transkription mRNA
Transkription, ein biologischen Prozess im Zellkern: mRNA bildet sich an der DNA im Zellkern, dabei wird die in der Basenfolge der DNA enthaltene Information auf die mRNA übertragen.
Translation: Die von den t-RNA mitgebrachten Aminosäuren werden am Ribosom zu einem Polypeptid verknüpft, dabei wird die Basenfolge der mRNA in die Aminosäurefolge des Polypeptids übersetzt.

Translation, Synthese von Proteinen in Zellen

Unter Translation versteht man die Übersetzung einer Basensequenz in eine Aminosäuresequenz. Die wichtigsten Komponenten der Proteinbiosynthese sind mRNA, tRNA, Aminosäuren usw.. Weiterhin werden Ribosomen benötigt. Es gibt keine strukturelle Verwandtschaft zwischen Codon und der dazugehörigen Aminosäure, und man benötigt daher einen Adaptor, die tRNA, der die Aminosäure bindet und das zugehörige Codon erkennt. Aus der Struktur der tRNA ist folgendes ablesbar:
1. Das Anticodon liegt stets an der gleichen Stelle, am Ende einer der Schleifen.
2. Basen des Anticodons sind nicht mit anderen Basen innerhalb des tRNS-Moleküls gepaart.
3. Die Aminosäure hängt am entgegengesetzten Ende des tRNA-Moleküls an einem der freien Enden.
Diese Eigenschaften bilden die Voraussetzungen für die Adaptorfunktion. Wegen der kompakten Form können an einem mRNA-Molekül nebeneinander mehrere tRNA-Moleküle gebunden werden, so dass jedes Codon lückenlos besetzt wird. Um einer Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren zu ermöglichen, müssen diese in räumlicher Nähe zueinander gebracht werden. Da ein oder mehrere Enzyme dazu alleine nicht in der Lage sind, wird die Oberfläche einer großen supramolekularen Struktur (übergeordneter Molekülverband, Suprastruktur) benötigt. Diese Aufgabe erfüllen die Ribosomen.

Aufbau genetischer Code

Der genetische Code besteht aus vier Buchstaben, den Basen der DNA: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin bilden die „Schrift“ der Gene. Die „Worte“ bestehen nur aus je drei Buchstaben (Triplett, Codon), z.B. GAC. Jedes dieser Tripletts wird auf die mRNA kopiert und schließlich von Ribosomen in eine bestimmte Aminosäure übersetzt. Hierbei muss beachtet werden, dass bei der RNA die Base Thymin durch Uracil ersetzt worden ist. Übertragen werden die Aminosäuren mit Transfer-RNA (tRNA), die das entsprechende Anti-Codon tragen, somit an die mRNA gebunden sind und die korrekte Aminosäure mit der vorhergehenden verknüpft. So wächst die Kette der Aminosäuren bis zum Stopp-Codon des Transkripts. Das ist für das Ribosom ein Signal, an dieser Stelle aufzuhören. Die Aminosäurekette des Proteins ist somit fertig.

Die Ribosomen sind makromolekulare Komplexe in Zellen aus Proteinen und rRNA bestehende, zelluläre Partikel die die Proteinbiosynthese der Zellen katalysieren. Im Ribosom wird die Nukleotidsequenz eines Messenger-Ribonukleinsäure-Einzelstrangs in die Aminosäurensequenz der Polypeptidkette eines Proteins übersetzt.

Ribosom, Palade-Körnchen Palade Granulum mit tRNA
Ribosom (Palade-Körnchen, Palade-Granulum) mit tRNA, makromolekulare Komplexe aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (RNA); tRNA (rechts), ein Transfer-RNA im Cytoplasma, im Zellkern und in Plastiden vorkommend. Die Transfer-RNAs sind kurze Ribonukleinsäuren (RNA).

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