Transkription und Translation

Die Transkription

Wird ein Protein in der Zelle benötigt, wird von dem entsprechenden Abschnitt des DNA-Moleküls zunächste eine Kopie erzeugt. Die genetische Information wird damit beweglich und kann aus dem Zellkern durch die Kernporen hinaustransportiert werden. Sie kann so zu den Ribosomen, den Orten der Proteinbiosynthese, transportiert werden. Das Transportmolekül für die genetische Information ist eine Ribonukleinsäure (RNA). Da sie die genetische Botschaft (engl. message) überträgt, nennt man sie messenger-RNA oder kurz mRNA. Der Beginn der Transkription erfolgt an einer spezifischen Startsequenz auf der DNA, die vor dem Gen liegt, welches abgeschrieben werden soll. An dieser Stelle bindet die RNA-Polymerase und bewegt sich schrittweise entlang der DNA.
Während dieses Vorgangs entwindet sie die DNA und öffnet den Doppelstrang auf einem begrenzten Abschnitt, wodurch die Nukleotide beider Stränge freigelegt werden.
Einer der beiden Stränge fungiert als Vorlage, an der sich die komplementären Basen der RNA anlagern. Dieser Strang wird als Matrizenstrang, codogener Strang oder codierender Strang bezeichnet. Die RNA-Nukleotide werden durch die RNA-Polymerase in Richtung 5'-3' zu einem einzelnen Strang verbunden. Dieser Prozess ermöglicht die Synthese einer RNA-Kopie der genetischen Information und bildet somit die Grundlage für die nachfolgende Proteinbiosynthese. Die Transkription wird beendet, sobald die RNA- Polymerase auf eine spezifische Abfolge von Basen stößt, die als Stoppsequenz bezeichnet wird. An diesem Punkt löst sich das Enzym von der DNA und gibt gleichzeitig die synthetisierte mRNA frei. Der DNA-Doppelstrang schließt sich wieder. Die freigesetzte mRNA wird daraufhin durch die Kernporen transportiert und verlässt den Zellkern.
Nach der Freisetzung aus dem Zellkern durchläuft die mRNA eine Prozessierung, die ihre Struktur und Funktion weiter verfeinert:

• Capping:
  Am 5'-Ende der mRNA wird ein Methylguanosin-Cap hinzugefügt. Dieser 5'-Cap dient dem Schutz vor Abbau und erleichtert den Transport aus dem Zellkern.
• Polyadenylierung:
  Am 3'-Ende der mRNA wird ein Poly-A-Schwanz aus Adenin-Nukleotiden angehängt. Dies fördert die Stabilität der mRNA und erleichtert deren Erkennung und Translation.
• RNA-Editing:
  In einigen Fällen kann die mRNA durch RNA-Editing zusätzlich modifiziert werden, indem Nukleotide verändert oder hinzugefügt werden, um die genetische Information anzupassen.
• RNA-Spleißen:
  Introns, nicht-kodierende Abschnitte der mRNA, werden entfernt, und die verbleibenden Exons werden verbunden. Dieser Vorgang, bekannt als Spleißen, erzeugt eine reife mRNA, die nur die kodierenden Abschnitte enthält.

Nach diesen Prozessen ist die reife und prozessierte mRNA bereit für den Transport zu den Ribosomen im Cytoplasma.

Die Translation

Bei der Translation erfolgt die Umwandlung der Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz. Der genetische Code gibt die Anweisungen dafür, wie die Abfolge der Basen in Aminosäuren übersetzt wird. Eine spezielle Nukleinsäure, die sogenannte transfer-RNA (tRNA), agiert als Verbindungsglied zwischen der Basen- und Aminosäuresequenz. Die tRNA transportiert Aminosäuren aus dem Vorrat im Cytoplasma zu den Ribosomen, wo passende Aminosäuren dann zur Bildung des Polypeptids verknüpft werden. Die tRNA weist eine spezielle räumliche Struktur auf, die für ihre Funktion in der Translation entscheidend ist. Jede t-RNA trägt ein spezifisches Basentriplett (das sogenannte Anticodon), das komplementär zu einem Codon der mRNA ist. Über diese Stelle interagieren t-RNA und mRNA. Eine t-RNA wird von speziellen Enzymen mit einer Aminosäure beladen. Es wird immer die Aminosäure gebunden, für die das Codon kodiert. An der P-Stelle bindet stets ein tRNA-Molekül, das die wachsende Peptidkette trägt. An der A-Stelle dockt eine weitere tRNA an, die die nächste Aminosäure trägt. Das Ribosom fungiert als Katalysator für die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Peptidkette und der neuen Aminosäure. Dabei erfolgt die Übertragung der Kette auf die tRNA an der A-Stelle. Infolgedessen verschieben sich die tRNA-Moleküle in den Positionen: Die nun freie tRNA verlässt das Ribosom an der E-Stelle, das tRNA-Molekül mit der Kette rückt auf die P-Stelle vor, und die A-Stelle wird frei für ein neues tRNA-Molekül mit einer frischen Aminosäure. Auf diese Weise wird das Peptid präzise um eine Aminosäure verlängert, entsprechend der in der Basenfolge festgelegten Reihenfolge.

Termination:

Sobald das Ribosom eine Stoppsequenz erreicht, trennt sich die Peptidkette von der tRNA, und das Ribosom zerfällt wieder in seine beiden Untereinheiten. Die freigesetzte Polypeptidkette im Cytoplasma faltet sich dann zu einem fertigen Protein.

Verwendung der Code-Sonne

Die mRNA stellt die komplementäre Basensequenz zum codogenen Strang der DNA dar. Allgemein betrachtet kann man die mRNA als einen „Boten“ der DNA verstehen. Durch die Basentripletts der mRNA können Aminosäuresequenzen direkt abgelesen werden. Die Code-Sonne fungiert als eine Art Übersetzungshilfe, die es ermöglicht, die entsprechende Aminosäure zu einem Basentriplett zu identifizieren oder Aminosäurensequenzen den Basentripletts der mRNA zuzuordnen.