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Proteinbiosynthese bei Eukaryonten und Prokaryonten

Benötigt eine Zelle ein bestimmtes Protein, wird die entsprechende Instruktion auf der DNA abgerufen und anschließend in ein Protein übersetzt. Dieser Prozess (Proteinbiosynthese) umfasst zwei Teilschritte: die Transkription und die Translation. Der Ablauf dieser Proteinbiosynthese unterscheidet sich bei Prokaryonten leicht von dem der Eukaryonten. Wie bei der Replikation wird zunächst eine Kopie des Gens erstellt (Transkription).

Transkription
Bei der Transkription wird die Information der DNA in das Botenmolekül mRNA übertragen. Der Vorgang der Transkription verläuft bei Eukaryonten und Prokaryonten grundsätzlich gleich, allerdings gibt es bei den Eukaryonten (Lebewesen mit Zellkern) einige Besonderheiten und die Transkription ist etwas komplexer.
Bei Prokaryonten erfolgt die Transkription im Cytoplasma der Zelle, bei Eukaryonten im Zellkern. Bei Eukaryonten wird die mRNA nach ihrer Synthese modifiziert, bevor sie durch die Kernmembran in das Cytoplasma transportiert wird.
Ablauf der Transkription

Synthese der mRNA
Da die DANN den Zellkern, bedingt durch ihre Größe, nicht verlassen kann, ist ein Botenstoff erforderlich. Dieser Botenstoff, die mRNA, ist eine Ribonukleinsäure, die der DANN ähnelt, jedoch kürzer Ketten aufweist und einsträngig vorliegt. Anstelle des Zuckers Desoxyribose enthält sie ein Ribose und die Pyimidinbase Thymin ist durch Uracil ersetzt.
Das Enzym RNA-Polymerase - bei Eukaryonten die RNA-Polymerase II - setzt sich an eine Promoter genannte DNA-Sequenz. Dann trennt ein Enzym, genannt DNA-Helicase, die DNA-Doppelhelix durch Lösen der Wasserstoffbrücken in einem kurzen Bereich in zwei DNA-Einzelstränge auf. Am codogenen Strang der DNA lagern sich durch Basenpaarung komplementäre RNA-Nucleotide an. Sie werden miteinander verknüpft. Die Ableserichtung der DNA verläuft vom 5'-Ende zum 3'-Ende. Die Öffnung der DNA-Doppelhelix erfolgt nur in einem kurzen Bereich, so dass der bereits synthetisierte Teil der mRNA aus dieser Öffnung „heraushängt“. Die Synthese der mRNA wird am Stopp-Codon beendet. Dicht dahinter wird das mRNA-Transkript entlassen und die Polymerase löst sich von der DNA.
Weitere Verarbeitung der mRNA
Bei Prokaryonten gelangt die mRNA nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen.
Bei Eukaryonten verlässt die Erbinformation selbst noch nicht den Zellkern. Die im ersten Teil der Transkription entstandene mRNA wird als unreife RNA oder prä-mRNA bezeichnet. Die prä-mRNA enthält noch Introns und Exons. Nur die Exons tragen die Information für das zu bildende Polypeptid.

Der Splice-Vorgang erfolgt in mehreren Schritten:
Am 5'-Ende der prä-mRNA wird eine cap-Sequenz (Kappe) aufgesetzt. Dadurch wird die spätere Anlagerung der mRNA an die Ribosomen im Verlauf der Translation erleichtert.
Am 3'-Ende wird eine Kette aus etwa 100-200 Adenin-Nukleotiden (poly-A-Schwanz) angesetzt. Dieser poly-A-Schwanz verhindert den vorzeitigen Abbau der mRNA.
In speziellen Protein-RNA Komplexen den so genannten Spliceosomen werden die Introns aus der prä-mRNA herausgeschnitten. Neben der Spliceosom vermittelten Prozessierung findet man bei bestimmten Intron-Sequenzen auch autokatalytisches splicen. Wenn aus ein und derselben prä-mRNA mehrere unterschiedliche mRNA-Moleküle entstehen können, spricht man von alternativem Splicing.
Die mRNA wird durch den Vorgang des Spleißens also modifiziert und verlässt dann als so genannte reife mRNA den Zellkern durch eine Kernpore und gelangt zu dem rauen endoplasmatischen Retikulum.
In der Abbildung links ist die mRNA- Reifung am Beispiel der Transcription des Ovalbumin-Gens zu sehen. (Quelle: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13-4.htm)
Synthese der tRNA und der rRNA
Die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA) werden nach dem gleichen Prinzip wie die mRNA an der DNA synthetisiert. Bei Prokaryonten ist dieselbe RNA-Polymerase als Katalysators tätig. Bei Eukaryonten erfolgt die Synthese der tRNA durch die RNA-Polymerase III, die Synthese der rRNA durch die RNA-Polymerase I.

Translation
Unter Translation versteht man den Vorgang, bei dem in der lebenden Zelle aus einer in einer Abfolge von Nukleotiden codierten Information ein Protein hergestellt wird. Die Translation findet an den Ribosomen im Cytoplasma der Zelle statt. Nach der Transkription liegt die Information in Form einer Abfolge von Nukleotiden in einem mRNA-Molekül vor. Bei der Translation wird die Reihenfolge der Nukleotide der mRNA in eine Reihenfolge von Aminosäuren "abgeschrieben".
Je drei aneinanderfolgende Nukleotide (Codons) entsprechen einer bestimmten Aminosäure Es existieren nun bestimmte Transporter-Moleküle, die tRNA-Moleküle. Diese können an ihrem einen Ende eine bestimmte Aminosäure tragen, mit ihrem anderen Ende (dem sog. Anticodon) an jeweils eines der 61 verwendeten Codons andocken. Die tRNA-Moleküle docken, wenn sie das passende Anticodon tragen, am Ribosom, welches auf der m-RNA entlangläuft, an die mRNA an.
Ablauf der Translation

Der Vorgang der Translation gliedert sich in drei Stufen:
Initiation: Ein Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten. Zuerst lagert sich die kleinere von ihnen an eine spezifische Stelle am 5' Ende der mRNA an. Die Start-tRNA (Methionin) wird an ihr Gegenstück der mRNA angelagert. Nun tritt die große Untereinheit des Ribosom hinzu.
Elongation: Das Ribosom bringt die mRNA und ein frei herumschwimmendes tRNA-Molekül, das eine Aminosäure aufgenommen hat, so zusammen, dass sich an ein bestimmtes Codon auf der mRNA - quasi als passendes Gegenstück - ein komplementäres Anti-Codon der tRNA anlagert. Eine zweite tRNA, die ebenfalls eine Aminosäure trägt, setzt sich neben der ersten tRNA an die mRNA. Die beiden an den tRNA-Molekülen hängenden Aminosäuren werden miteinander verknüpft, und die erste tRNA verlässt ohne Aminosäure das Ribosom. Die auf das nächste Codon passende tRNA lagert sich nun an die mRNA an. Ihre Aminosäure wird an die bereits bestehende Aminosäurekette geknüpft und erweitert so diese um ein neues Glied. Dieser Prozess setzt sich fort, so dass sich hinter diesem Punkt eine immer längere werdende Kette aus Aminosäuren bildet.
Termination: Das Ribosom, das diesen Prozess katalysiert, wandert dabei immer um ein Codon auf der mRNA weiter, und zwar so lange, bis die Information der mRNA vollständig abgearbeitet ist. An dieser Stelle ist ein so genanntes Stopp-Coson in der mRNA eingearbeitet. An dieses kann keine der vorhandenen tRNA-Molekülarten andocken. Hinter der Stelle, an der die Verkettung stattfindet, ist nun, wie gesagt, eine lange Kette aus Aminosäuren - eine Polypeptidkette - entstanden.
Dieses neugebildete Eiweiß löst sich nun endgültig vom Ribosom und faltet sich dann meistens zusammen. Meistens sind mehrere Ribosome an der Ablesung eines mRNA Stranges beteiligt, es entstehen so genannte Polysomen. Bei Eukaryonten sind Polysomen an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden.
Bildquelle: www.webmic.de/ ueberblick_protynth.htm

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