Prokaryontische mRNA |
Eukaryontische mRNA |
Aminosäuren |
Transfer-RNA | Die Wobble
Hypothese | Ribosomale RNA | Synthese und Zusammenbau der
Ribosomen /
Der genetische Code
Hinweis: Im Atelier finden Sie die CD "The Nature of Genes". Mittels Tutorials und Aufgaben werden die wichtigsten Themen der Molekularbiologie leicht verständlich vermittelt.
Die Translation, die Übersetzung der mRNA in eine Aminosäuresequenz, bildet nach der Transkription und Modifikation des Transkripts die letzte Stufe auf dem Weg der Expression eines Gens in ein Protein.
Wegen des Fehlens einer Kernmembran laufen bei Prokaryoten die Prozesse Transkription und Translation fast gleichzeitig ab: während ein Gen noch transkribiert wird, setzt an der dabei entstehenden mRNA schon die Translation ein.
Bei Eukaryoten laufen die Prozesse Transkription und Translation von einander getrennt ab: die Transkription findet im Kern, die Translation im Cytoplasma statt.
Während der Translation wird die Basensequenz einer mRNA nach den Regeln des genetischen Codes in eine Aminosäuresequenz übersetzt: jeweils drei aufeinanderfolgende Basen bestimmen, welche Aminosäure in die wachsende Polypeptidkette eingebaut wird. Dies geschieht unter Vermittlung von Transfer-RNAs, welche die nötigen Aminosäuren transportieren, und Ribosomen, den biochemischen Maschinen für die Translation.
Hinweis: Im Atelier können Sie sich ein Video zum Thema Translation ansehen.
Betrachten wir vorerst die für die Translation nötigen Komponenten (oder direkt zu Mechanismus der Translation):
Über die messenger RNA wurde bereits im Kapitel
"Transkription" berichtet. Hier
nochmals das Wichtigste in Kürze:
Prokaryotische Gene sind oft als Operons organisiert, was
bedeutet, dass mehrere Gene auf einmal transkribiert werden
können. Eine solche mRNA enthält deshalb auch mehr als eine
kodierte Aminosäuresequenz, sie ist polycistronisch:
Jeder Abschnitt besteht aus einer Ribosomenbindungsstelle (Shine-Dalgarno-Sequenz, S/D) und einem Start- und einem Stop-Codon (UAA, UAG oder UGA), welche den zu translatierenden Bereich begrenzen (ein Codon ist ein Basentriplett. Näheres dazu: siehe Kapitel "Der genetische Code").
Das primäre Transkript erhält durch Übertragung von GTP und Methylierung von Guanin in Position 7 eine Cap-Struktur am 5'-Ende und einen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende. Die so modifizierte RNA nennt man hnRNA (heterogene nukleäre RNA) oder auch "pre-messenger-RNA". Diese Vorläufer-RNA reift im Kern durch Splicing zur eigentlichen mRNA, bei welcher die nicht-kodierenden Abschnitte (Introns) entfernt sind:
Die mRNA passiert die Kernporen und gelangt so ins Cytoplasma. Dort erfüllt sie ihren eigentlichen Zweck, sie wird übersetzt ("transliert"). Die mRNA ist nämlich Uebermittler (Bote) der genetischen Information zwischen Kern und Cytoplasma: sie dient als Matrize für die Übersetzung von Nukleotidsequenzen in Aminosäurensequenzen. Transliert wird aber nur derjenige Abschnitt der mRNA, welcher vom Startcodon AUG bis zu einem Stopcodon (UAA, UAG oder UGA) reicht.
Aminosäuren (AS) sind die Bausteine von Proteinen. Da 20
verschiedene AS in Proteine eingebaut werden, ist die Formenvielfalt
und der Reichtum an funktionell unterschiedlichen Proteinen kaum zu
ermessen.
AS enthalten eine saure Carboxy- (COOH) und eine basische Aminogruppe
(NH2) am a -Kohlenstoff-Atom, welches
ausserdem mit einem Wasserstoffatom (H) und einem von AS zu AS
verschiedenen Rest (R) verknüpft ist. Das a -C-Atom ist also asymmetrisch substituiert.
Von den beiden enantiomeren Formen weisen alle in Proteinen
vorkommenden AS die gleiche Stereochemie auf. Sie weisen die
S-Konfiguration auf und gehören somit zur sogenannten
L-Reihe:
Die 20 AS unterscheiden sich einzig im Rest R, dessen Struktur, Grösse, elektrische Ladung und damit auch Wasserlöslichkeit variiert.
AS unterteilt man häufig nach den chemischen Eigenschaften der Seitenkette in fünf Hauptklassen: es gibt unpolare und aliphatische, aromatische, polar-ungeladene, polar-negativ geladene und polar-positiv geladene AS:
Die meisten Bakterien können ihren Bedarf an AS durch Biosynthese decken. Für den Menschen sind fast die Hälfte der AS essentiell - er muss sie also mit der Nahrung aufnehmen. Es sind dies Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Histidin und Arginin (Arg nur bei Kindern).
Die Aminosäuren, die bei der Translation gemäss dem
genetischen Code an die wachsende Polypeptidkette angehängt
werden, erkennen die Codons auf der mRNA nicht wie Enzyme ihre
Substrate nach dem "Schlüssel-Schloss-Prinzip". Für die
Vermittlung zwischen der mRNA mit ihren Codons und den dazu passenden
Aminosäuren ist ein besonderer Adapter notwendig - die
Transfer RNA oder tRNA.
Eine tRNA besteht aus einem linearen Strang aus 70 - 90 Nukleotiden
und zeichnet sich durch ihre besondere Faltung aus, welche für
ihre Aufgabe als Adapter von entscheidender Bedeutung ist: Vier
kleinere Abschnitte bilden durch intramolekulare Basenpaarung eine
Doppelhelixstruktur aus, so dass die tRNA eine Sekundärstruktur
erhält, die einem "Kleeblatt" gleicht. Eine geringe Anzahl
Basenwechselwirkungen formen die tRNA in ihre Tertiärstruktur.
Sie erinnert an einen Haken oder ein "L":
Sofort nach der Transkription wird die tRNA modifiziert: Sie erhält an ihrem 3'-Ende durch ein spezielles Enzym die Basenfolge CCA angehängt, und ungefähr 10% der Nukleotide werden chemisch verändert, zum Teil methyliert oder sulfatiert. (Aufstellung)
Das eine Ende des "L" bildet das Anticodon, ein Basentriplett, das mit dem komplementären Triplett (dem Codon) einer mRNA basenpaart. Das andere Ende trägt die Bindungsstelle für eine Aminosäure. Enzyme, die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, koppeln am 3'-Ende der CAA-Sequenz die Carboxygruppe derjenigen Aminosäure, welche zum entsprechenden Anticodon gehört.
Dieser Vorgang, bei welchem tRNAs mit entsprechenden Aminosäuren beladen werden, nennt man Aminoacylierung. Die Reaktion verbraucht ATP und verläuft in zwei getrennten Schritten. Der erste führt zu einer aktivierten Aminosäurezwischenstufe, bei der die Carboxylgruppe mit AMP verknüpft ist. Dieses Zwischenprodukt ist sehr reaktionsfreudig und bleibt am Enzym gebunden, bis das AMP durch den zweiten Reaktionsschritt durch das tRNA-Molekül ersetzt wird, so dass eine Aminoacyl-tRNA und freies AMP entstehen:(Schema)
(zu den Übungsaufgaben)
Eine Zelle enthält 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, für jede Aminosäure eine. Das bedeutet, dass diese Enzyme sowohl die korrekte Aminosäure als auch die dazu passende(n) tRNA(s) erkennen müssen. Aminosäuren werden aufgrund ihrer charakteristischen Seitengruppe identifiziert, bestimmte Nukleotid-Sequenzen des Kleeblattes erlauben die Unterscheidung einzelner tRNAs.
Wieviele verschiedene tRNAs gibt es?
61 der 64 Codons codieren für Aminosäuren. Es wäre
deshalb naheliegend, dass auch 61 Anticodons und damit 61
verschiedene tRNAs bei Translationen bereitstehen müssten. Dem
ist aber nicht so. Interessanterweise genügen ungefähr die
Hälfte tRNAs, um die 61 Codons zu entziffern! Der Grund ist
darin zu suchen, dass nur die ersten beiden Basen des Anticodons eine
genaue Basenpaarung verlangen, die dritte Base hingegen wegen ihrer
besonderen sterischen Anordnung auch alternative Paarungen
zulässt, also z.B. G mit U statt mit C, etc. Diese als
Wobble-Basenpaarung bezeichnete
Codon-Anticodon-Wechselwirkung erlaubt es, dass verschiedene Codons,
die für dieselbe Aminosäure codieren und sich nur in ihrem
dritten Nukleotid unterscheiden, oft durch dieselbe tRNA entziffert
werden. (Aufstellung)
(zu den Übungsaufgaben)
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Genaueres über diese Wobble-Hypothese, die 1966 erstmals von Francis Crick vorgeschlagen wurde. |
Wenn z.B. 31 tRNAs 20 Aminosäuren binden, muss es zwangsläufig Aminosäuren geben, welche an mehr als ein tRNA-Molekül binden können. Zwei tRNAs, die dieselbe Aminosäure transportieren, nennt man Isoakzeptoren.
Hinweis: Robert Holley gelang 1965 die Sequenzierung einer tRNA. Dafür erhielt er 1968 den Nobelpreis. Das entsprechende Dokument ("R. Holley, 1965") finden Sie am Geschichtsposten im Atelier.
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In den Mitochondrien des Menschen sind für die Proteinsynthese lediglich 22 verschiedene tRNAs erforderlich. Wie ist das möglich? |
Wie der Name vermuten lässt, sind ribosomale RNA-Moleküle Bestandteil der Ribosomen. Ribosomen sind Multienzymkomplexe aus RNA und vielen verschiedenen Proteinen. Jedes Ribosom besteht aus einer grossen und einer kleinen Untereinheit. Das Ribosom ermöglicht den engen Kontakt zwischen den Codons der mRNA und den Anticodons der tRNAs (für welche zwei Bindungsstellen am Ribosom existieren, eine P- und eine A-Bindungsstelle) und sorgt für die korrekte Position des Leserasters. Auf der grossen ribosomalen Untereinheit liegt das Peptidyltransferase-Zentrum, eine Stelle, welche die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Carboxygruppe am Ende einer wachsenden Polypeptidkette und der freien Aminogruppe einer Aminosäure katalysiert.
siehe Zeichnung (Modell
eines Bakterien-Ribosoms)
Früher glaubte man, dass nur Proteine die für katalytische Reaktionen notwendige komplexe räumliche Struktur ausbilden könnten. Seit der Entdeckung der selbst-spleissenden RNA weiss man aber, dass auch Nukleinsäuren katalytische Aktivitäten haben können. RNA-Moleküle, die katalytische Aktivität besitzen, nennt man Ribozyme. Heute wissen wir, dass das Peptidyltransferase-Zentrum aus katalytisch aktiver RNA besteht, d.h. die Bildung der Peptidbindung wird durch eine Base der 28S rRNA katalysiert.
Prokaryotische Ribosomen
Prokaryotische Ribosomen haben eine Molmasse von ungefähr 2
500 000 Dalton und eine Grösse von etwa 29 nm x 21 nm. Der
Sedimentationskoeffizient beträgt 70S
für das ganze Ribosom, 30S für die kleine und 50S für
die grosse Untereinheit.
Eukaryotische Ribosomen
Eukaryotische Ribosomen haben eine Molmasse von ungefähr 4 200
000 Dalton und sind grösser (32 nm x 22 nm) als prokaryotische
Ribosomen. Ihre grosse Untereinheit weist einen
Sedimentationskoeffizienten von 60S auf, die kleine Untereinheit
einen von 40S und das vollständige Ribosom einen von 80S.
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Die grosse Untereinheit prokaryotischer Ribosomen enthält 34 Proteine und 2 verschiedene rRNA-Moleküle: eine 5S-rRNA mit 120 Nukleotiden und eine 23S-rRNA (2904 Nukleotide lang). Die kleine Untereinheit birgt 21 Proteine und nur ein RNA-Molekül, die 16S-rRNA mit 1541 Nukleotiden (zum Vergleich: tRNA: 4S).
Die grosse Untereinheit eukaryotischer Ribosomen trägt gar 49 Proteine und 3 verschiedene rRNA-Moleküle: eine 5S-rRNA mit 120 Nukleotiden, eine 5,8S-rRNA (160 Nukleotide) und eine 28S-rRNA (4718 Nukleotide). Die kleine Untereinheit besteht aus 33 Proteinen und einer 18S-rRNA mit 1874 Nukleotiden.
Folgende Tabelle stellt die Zusammensetzung prokaryotischer Ribosomen derjenigen von Eukaryoten gegenüber:
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Prokaryoten |
Eukaryoten |
|---|---|---|
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Synthese und Zusammenbau der Ribosomen
Die verschieden grossen rRNA-Moleküle müssen in etwa gleicher Anzahl synthetisiert werden. Die Synthese gleicher Mengen aller rRNA-Moleküle lässt sich dadurch gewährleisten, dass ein vollständiger Satz rRNA-Moleküle zusammen in einer Einheit transcribiert wird. Das Primärtranskript ist deshalb eine lange RNA-Vorstufe, die Prä-rRNA, die, durch kurze Spacer getrennt, rRNAs enthält. Die Spacer der Prä-rRNA werden in einem nächsten Schritt entfernt, so dass die reifen rRNAs freigesetzt werden:
Ein schnell wachsender Prokaryot wie eine E. coli-Zelle,
die 20 000 Ribosomen enthält, teilt sich etwa alle 20 Minuten.
Deshalb muss sie alle 20 Minuten 20 000 neue Ribosomen herstellen,
nämlich den gesamten Bestand für eine der beiden
Tochterzellen. Das erfordert ein beträchtliches Ausmass an
rRNA-Transkription, und zwar in einem solchen Umfang, dass eine
einzige Transkriptionseinheit nicht in der Lage wäre, dem Bedarf
gerecht zu werden. Tatächlich verfügt das E. coli-Chromosom
über sieben Kopien der rRNA-Transkriptionseinheit.
Die Transkription der hintereinanderliegenden rRNA-Gene lässt
sich auch im Elektronenmikroskop darstellen: Eine
Transkriptionseinheit gleicht dabei einem Baum, dessen "Äste"
(die Vorläufer-RNAs) rechtwinklig vom "Stamm" (der DNA)
wegschauen:
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Können Sie entscheiden, in welche Richtung (von rechts nach links oder umgekehrt) sich die Polymerase auf der DNA bewegt? |
Bei Eukaryoten werden nur die 28S-, 18S- und die 5,8S-Gene
zusammen transkribiert. Sie liegen beim Menschen in den
Nucleolus-organisierenden Regionen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und
22.
Gene, die für die 5S-rRNA codieren, befinden sich auf anderen
Chromosomen.
Sofort nach der Transkription binden ribosomale Proteine (welche im Cytoplasma synthetisiert und dann via Kernporen importiert wurden) an die rRNAs. Die beiden Untereinheiten eines Ribosoms werden so noch im Nucleolus Stück für Stück zusammengesetzt. Der letzte Schritt der Ribosomenreifung findet aber erst statt, wenn die Untereinheiten ihren Arbeitsplatz, das Cytoplasma, erreicht haben. (Schema).
Eine höhere Eukaryotenzelle enthält bis zu 10 Millionen Ribosomen. Die Menge an rRNA, die für deren Synthese notwendig ist, stellen Eukaryoten durch zwei Strategien sicher: Erstens sind die rRNA-Transkriptionseinheiten in 50-5000-facher Ausführung als Gen-Kopien vorhanden. Zweitens wird jedes rRNA-Gen besonders intensiv transkribiert, indem auf eine Polymerase, welche den Promoter gerade verlassen hat, eine neue folgt und ein weiteres rRNA-Molekül synthetisiert wird.
Hinweis: 1966 konnte M. Bretcher zeigen, dass Ribosomen zwei Bindungsstellen für tRNAs aufweisen (A- und P-Stelle) und dass die Initiator-Methionyl-tRNA an die P-Stelle bindet. Sie finden dazu im Atelier am Geschichtsposten das Dokument "M. Bretcher, 1966".
In der Translation wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäurensequenz eines Proteins übersetzt: Immer drei aufeinanderfolgende Basen bilden ein Codewort. Der genetische Code ist also eine Schrift aus 4 "Buchstaben" (den vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), mit denen "Wörter" aus 3 Buchstaben Länge gebildet werden können. Es sind somit 4 hoch 3 = 64 verschiedene Basentripletts oder Codons möglich (Achtung: in der Abbildung fehlt UGG=Tryptophan):
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Erstellen Sie eine Liste der Codons, die in einem zufälligen Heteropolymer aus A- und G-Nukleotiden enthalten wären. Aus welchen Aminosäuren würde ein aus diesem Heteropolymer synthetisiertes Polypeptid bestehen? |
61 der 64 Basentripletts codieren für die 20 Aminosäuren. Die drei verbleibenden Codons UAA, UAG und UGA sind sogenannte Stop- oder Terminationscodons. Es handelt sich dabei um Steuersignale, welche die Translation beenden. Natürlich existiert auch ein Start-Codon, welches die Translation einleitet: die Basenfolge AUG ist der Startpunkt. AUG codiert für die Aminosäure Methionin. Daraus ergeben sich folgende Konsequenzen:
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Methionin ist die erste Aminosäure, welche bei der Translation eingebaut wird (trotzdem beginnt nicht jedes fertiggestellte Protein mit Methionin, weil einzelne Aminosäuren oder Peptidabschnitte nach der Translation wieder entfernt werden). |
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Es wird nicht die gesamte mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt, sondern nur derjenige Abschnitt, welcher zwischen einem Startcodon und einem Stopcodon liegt. |
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eine mRNA kann mehrere Codons der Basenfolge AUG enthalten, aber nicht alle sind Startpunkte für die Translation - die meisten codieren nämlich für internes Methionin. |
Der genetische Code hat folgende Eigenschaften:
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Er ist nicht überlappend, d.h. die aufeinanderfolgenden Basen 1, 2 und 3 entsprechen einer Aminosäure, die Basen 4, 5 und 6 der nächsten, usw. (überlappend wäre er, wenn die Basen 1, 2 und 3 die erste Aminosäure bestimmten und die Basen 3, 4 und 5 für die zweite Aminosäure codierten). Hinweis: Im Atelier (Geschichtsposten) finden Sie dazu das Dokument "Gamows Diamanten-Code". |
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Er ist interpunktionsfrei, die einzelnen Codons sind also nicht durch "Kommas" voneinander getrennt. Was heute absurd klingt, war früher Stoff für zahlreiche Theorien: Es wurde z.B diskutiert, ob eine bestimmte Base (z. B. Cytosin) eine Art "Leertaste" bilde. |
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Er ist degeneriert, weil häufig mehrere Codons für eine Aminosäure codieren oder anders gesagt, weil die meisten Aminosäuren von mehr als einem Codon repräsentiert werden. Ausnahmen sind nur Methionin und Tryptophan: für diese beiden Aminosäuren gibt es jeweils nur ein zugehöriges Codon. Interessanterweise sind diese Aminosäuren in Proteinen spärlich vertreten. |
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Er ist universell, d. h. für alle Lebewesen gleich. In Chloroplasten und Mitochondrien gibt es aber einige Abweichungen, wie folgende Tabelle zeigt: |
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Codon |
"universeller" Code |
mitochondriale Codes | ||
|---|---|---|---|---|
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Säuger |
Drosophila |
Hefen | ||
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UAG |
STOP |
Trp |
Trp |
Trp |
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AUA |
lle |
Met |
Met |
Met |
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CUA |
Leu |
Leu |
Leu |
Thr |
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AGA |
Arg |
STOP |
Ser |
Arg |
Bei der Translation gewisser mRNAs wird beim Codon UGA nicht terminiert, sondern die ungewöhnliche Aminosäure Selenocystein eingeführt. Selenocystein wir ausgehend von Serin an einer speziellen (mit Serin beladenen) tRNA synthetisiert und von einem speziellen Elongationsfaktor ans Ribosom gebracht. Selen-haltige Proteine sind selten aber für den Stoffwwechsel sehr wichtig.
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Der Nichtmatrizenstrang eines Gens hat folgende
Sequenz: |
Hinweis: Im Atelier finden Sie am Geschichtsposten viele interessante Berichte über die Entschlüsselung des genetischen Codes, so zum Beispiel:
- Grundberg-Manago entdeckt die Polynukleotid-Phosphorylase
- Nirenberg & Matthaei decken das Codewort für Phenylalanin auf
- Leder & Nirenberg entschlüsseln den genetischen Code weitgehend
- Marcker findet das Start-Codon mit einer Formyl-Methionin-tRNA
- Gobind Khorana entdeckt die Stop-Codons
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