Die Transkription ist das Abschreiben der DNA zu einer mRNA (Ribonukleinsäure) und die Translation die Übersetzung zu einem Protein oder Merkmal (Proteinbiosynthese).
Transkription
Die DNA liegt im Zellkern, die eigentliche Herstellung der Proteine findet aber in den Ribosomen statt. Die DNA darf und kann den Zellkern nicht verlassen. Deshalb wird die benötigte Information von der DNA auf ein Messenger-RNA (mRNA) abgeschrieben. Die Herstellung dieser mRNA wird in drei Phasen aufgeteilt:
- Initiation
- Der wichtigste Bestandteil des Prozesses ist die RNA-Polymerase. Sie sucht die DNA nach bestimmten Basenpaaren ab. Findet sie eine passende Stelle, stoppt sie an dieser. An dieser Stelle beginnt die Initiation.
- Die Polymerase bindet sich an diese Sequenz und setzt sich fest. Diese Basensequenz wird Promotor genannt.
- Damit die RNA-Polymerase den Promotor erkennt, muss dieser bestimmte Motive besitzen, bei Eukaryoten ist das eine Region, die man als TATA-Box bezeichnet (Basensequenz, mit viel Thymin und Adenin)
- Die RNA-Polymerase alleine kann den Promotor nicht erkennen noch an ihn binden. Weitere Proteine = Transkriptionsfaktoren helfen bei ihrer Suche.
- Innerhalb der Polymerase wird die DNA entwunden (etwa 10 Basenpaare) und in ihre Einzelstränge aufgeteilt, vor und hinter der Polymerase bleibt die DNA gewunden und geschlossen
- Elongation
- Die RNA-Polymerase kann nur von 3′ in 5′ Richtung lesen.
- Der abgelesene Strang wird Codogener Strang genannt
- Der Codogene Strang wird von der Polymerase komplementär (=entsprechend) erweitert. D. h. Cytosin → Guanin; Thymin → Adenin; Adenin → Uracil
- Die Transkription verläuft mit einer Geschwindigkeit von 60 Nukleotiden pro Sekunde
- Ein einzelnes Gen kann von mehreren RNA-Polymerasen gleichzeitig abgelesen werden
- Termination
- Die Polymerase trifft auf einen Terminator (=bestimmte Basensequenz) z. B. AATAAA, wird diese gelesen, stoppt die Polymerase.
- Die DNA wird verschlossen und windet sich wieder.
- Die Polymerase löst sich und die mRNA wird freigegeben
Translation
Die Zelle übersetzt die genetische Information und baut aus ihrer Anweisung ein Polypeptid auf. Die genetische Botschaft besteht in einer Folge von Codons. Auf den mRNA-Molekülen und der Adapter zwischen Aminosäure (=As) und RNA-Codon ist eine andere RNA-Spezies, die Transfer-RNA (=tRNA)
- Sie transportieren Aminosäuren aus dem Cytoplasmatischen Aminosäuren-Reservoir zum Ribosom
Prozesse im Ribosom
Ein Ribosom besitzt 3 Stellen, wo es die mRNA lesen kann (A, P, E). Eine Stelle wird immer von 3 Basen (Codon(=Triplet)) besetzt.
Das Ribosom bindet passende AS, die von tRNA’s geliefert werden, an das wachsende Ende der Polypeptidkette. Die tRNA-Moleküle sind nicht alle gleich. Der Schlüssel zur Translation der genetischen Botschaft in eine bestimmte AS-Sequenz liegt in der Tatsache, dass jeder Typ von tRNA die Verbindung zwischen einem bestimmten Codon auf der mRNA und einer passenden Aminosäure herstellt.
- Kommt ein tRNA Molekül zum Ribosom, so trägt es an einem Ende eine AS. Am anderen Ende besitzt die tRNA ein Triplet, das man als Anti-Codon bezeichnet.
- Mit diesem bindet die tRNA entsprechend den Regeln der Basenpaarung an ein komplementäres Codon auf der mRNA. Bsp. mRNA-Codon: UUU → Phenylalanin
Die tRNA
Die tRNA wird an einer DNA-Vorlage im Kern synthetisiert. Jedes tRNA-Molekül kann wiederholt verwendet werden. Sie besteht aus einem einzelnen RNA-Strang von ca. 80 Nukleotiden. Gäbe es für jedes der mRNA Codons, die eine As spezifizieren, eine eigene tRNA, würden 61 verschiedene tRNA’s existieren.
- tatsächlich gibt es aber weniger tRNA’s, je nach Organismus 31-45.
- dies reicht aus, weil einige tRNA Anticodons, die 2 oder mehr Codons erkennen.
- dies ist möglich, weil die Basenpaarung zwischen der 3. Base eines Codons und der entsprechenden Base des tRNA-Anticodons nicht so exakt erfolgt, wie die Paaring von DNA – DNA oder DNA – RNA.
- =Idee der wackeligen Basenpaarung = Wobble Hypothese
Die vielseitigen tRNA-Moleküle enthalten Inosin, ein modifiziertes Nukleotid in der Wobble Position ihres Antocodons (Inosin entsteht durch enzymatische Veränderungen von Adenosin)
Der Ablauf der Translation
3 Abschnitte: Initiation / Elongation / Termination
⇨ Alle 3 Einzelschritte benötigen Proteinfaktoren (Enzyme), welche den Translationsvorgang unterstützen, und Energie in Form von GTP.
- Initiation: Eine kleine ribosomale Untereinheit bindet sich an die mRNA. Die Bindungsstelle dieser Untereinheit erkennt eine spezifische AS-Sequenz. Die Initiator tRNA mit dem Codon UAC paart mit dem Startcodon AUG. Die tRNA trägt die AS Methionin. Zusammen mit der großen ribosomalen Untereinheit vervollständigt sich der Initiationskomplex. Initiationsfaktoren (Proteine) fügen die Komponenten der Translation mithilfe von GTP zusammen. Die Initiator tRNA sitzt an der P-Stelle, die A-Stelle danach ist für die nächste Aminoacyl-tRNA frei.
- Elongation: Das Ribosom wandert von 5′ zu 3′ Ende an der mRNA entlang. Eine ankommende Aminoacyl tRNA bindet an das Codon der A-Stelle. Das Ribosom katalysiert die Bindung einer Peptidbindung zwischen der neuen Aminosäure und dem wachsenden Carboxylende der wachsenden Polypeptidkette. Die tRNA von der A-Stelle wird in die P-Stelle verlagert. Diese wird wiederum vom Ribosom freigesetzt. Das Ribosom bewegt sich um ein Triplet weiter.
- Termination: Erreicht das Ribosom auf der mRNA ein Stopcodon (UAG, UAA, UGA) nimmt die A-Stelle keine tRNA mehr auf, sondern einen Release Faktor (Protein). Dieser hydrosiert die Bindung zwischen tRNA in der P-Stelle und der letzten As der Polypeptidkette. Die Kette wird freigesetzt und die Untereinheiten, sowie Komponenten zerfallen.
Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten
- Ribosomen
Die Ribosomen von Eukaryoten sind deutlich größer - mRNA Processing
In eukaryotischen Zellen wird ein beträchtlicher Teil des ursprünglichen Transkripts entfernt = RNA-Spleißen (ein Schneide- und Klebevorgang).
Die Länge einer Transkriptionseinheit beträgt durchschnittlich ca. 8000 Nukleotide
⇨ Die RNA ist erst genauso lang zur Codierung eines durchschnittlich großen Polypeptids. Von 400 AS werden nur 1200 Nukleotide benötigt.
⇨ die meisten eukaryotischen Gene und RNA Transkripte besitzen lange nicht codierende (nicht translatierte) Nukleotidfolgen.
⇨ Diese nicht codierenden Sequenzen sind zwischen die codierenden Sequenzen eines Gens eingestreut und liegen daher zwischen den codierenden Abschnitten des betreffenden mRNA-Transkripts.
⇨ die Nukleotidfolge, die ein eukaryotisches Protein codiert, ist nicht kontinuierlich, sondern „mosaikartig“ = Mosaikgene.
Nicht codierende Sequenzen werden Intron genannt.
Codierende Sequenzen werden Extron genannt.
Die mRNA enthält also zuerst Introns und Exons = Prä-mRNA (oder heterogene nucleäre RNA = hnRNA) → sie verlässt nie den Zellkern
Enzyme schneiden die Introns aus dem Molekül; verbinden die Exons zu einer transkribierbaren mRNA mit einer kontinuierlichen codierenden Basenfolge.
Signale für das Spleißen, sind Folgen von wenigen Nukleotiden, die an beiden Enden des Introns zu finden sind.
Typisch für diese kurze Erkennungssequenz sind GT am Beginn und AG am Ende = GT-AG-Regel.
Eine wichtige Rolle spielen Partikel, die als „kleine nukleäre Ribonukleoproteine“ oder snRNP’s (sprich: Snurps) bezeichnet werden.- sind im Zellkern, aus RNA und aus min. 7 Proteinen zusammengesetzt
- Die RNA im snRNP wird snRNA genannt (ca. 150 Nukleotide mit ungewöhnlich viel Uracil)
- einige snRNP’s vereinigen sich zu einem größeren Komplex = Spleißosom
- dieses interagiert mit den Enden von RNA-Introns
- Schneidet an spezifischen Stellen, um das Intron zu lösen und verbindet dann die beiden Seiten gelegenen Enden der Exons
Bei Eukaryoten: Veränderung an den Enden der mRNA
- Das 5′ Ende enthält eine CAP-Struktur (besteht aus einer modifizierten Form des Guanosins)
2 wichtige Funktionen:- schützt die mRNA von hydrolysierenden Enzymen
- sie wirkt nach dem Transport ins Cytoplasma als Signal für die kleine ribosomale UE, sich an die mRNA anzulagern (Vor der Translation)
- Das 3′ Ende erfährt eine Polyadenylierung, d. h. ein Enzym hängt einen Poly-A-Schwanz aus 30–200 Adeninmolekülen an. Auch er schützt die mRNA vor Enzymatischen Abbau. Er spielt zusätzlich noch eine regulatorische Rolle, indem er auf noch ungeklärte Weise den Export der mRNA aus dem Zellkern erleichtert.
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