Proteinsynthese (Translation)

• 
• Eine Zusammenfassung von Transkription und Translation einer eukaryotischen Zelle. Dieses Diagramm zeigt den Weg vom Gen zum Polypeptid. Wie Sie dabei beachten sollten, wird jedes Gen in der DNA vielfach in RNA-Moleküle transkribiert, und jede mRNA wird viele Male in das betreffende Protein translatiert. (Die Endprodukte mancher Gene sind wie besprochen keine Polypeptide, sondern RNA-Moleküle wie tRNA und rRNA.) Im Grossen und Ganzen sind die Schritte der Transkription und der Translation bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich. Der Hauptunterschied ist die mRNA-Prozessierung im eukaryotischen Zellkern. Andere signifikante Unterschiede finden sich bei der Initiation von Transkription und Translation und bei der Termination der Transkription

• 
• 

Translation: Übersetzung des genetischen Codes im mRNA-Molekül in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids

Ribosomen: sind die Orte der Translation. Diese bewerkstelligen die geordnete Verknüpfung von Aminosäuren zu Polypeptiden

Primärtranskript: vorläufiges RNA-Transkript (pre-mRNA) nur bei Eukaryoten vorhanden

Die grundlegenden Mechanismen der Transkription und Translation sind bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich, der entscheidende Unterschied ist der Ort der Proteinsynthese.

• 4^n Möglichkeiten (n= Nummer von Nukleotidbasen einer Sequenz)
• 4= A, T, C, G
• 4^1=4, 4^2=16, 4^3= 64 Möglichkeiten mit 4 Nukleotiden
• Der genetische Code wird in Tripletts abgelesen (4^3) = Codon

• Codon:
•            Basentriplett der mRNA,
•            Codiert für eine der 20 Aminosäuren (mehrerer Codone codieren für identische Aminosäuren).
•            Davon gibt es immer einen Startcodon (Initiationscodon) und einen Stoppcodon (Chain determination codon)-> Stoppcodon bildet keine As, zeigt nur den Stopp an
•             Werden immer in 5'->3' Richtung von der RNA abgelesen und in AS-Sequenz übersetzt. Damit wird eine Polypeptidkette gebildet

• Der Triplett-Code: eine Serie von drei-Nucleotid-Wörtern in der DNA, diese ist die genetische Anweisung für die Synthese eines Polypeptids (z.B:GCC-> Alanin)
• Kodierender Strang: DNA Strang der die kodierenden Sequenzinformation beinhaltet
• Matrizestrang (template) DNA: Strang, dient als Vorlage für die Anordnung der Basen im RNA-Transkript
• mRNA-Molekül: ist komplementär zur DNA-Vorlage, aber nicht identisch zum kodierenden Strang (U statt T in der RNA)

• Die Basentripletts müssen in der richtigen Reihenfolge und Gruppierung gelesen werden. Dieses Ordnungsprinzip wird als Leseraster (reading frame) bezeichnet.
• Der Proteinsynthese-Apparat der Zelle liest die Sequenz im richtigen Leseraster als eine Folge von nicht-überlappenden dreibuchstabigen Codewörtern.
• Die genetische Information ist in der Folge nicht-überlappender Basentripletts (Codon) verschlüsselt. Codons werden bei der Proteinsynthese in eine bestimmte As übersetzt

• Die Transfer-RNA (tRNA) ist der Adapter zwischen As und RNA-Codon
• Die Aufgabe der tRNA ist es, As zum Ribosom zu transportieren
• Das Ribosom bindet passende As an das wachsende Ende der Polypeptidkette
• Jeder Typ von tRNA trägt an einem Ende eine Aminosäure
• Ein Triplett am Anticodonarm bildet das Anticodon (Gegenstück des Codons)
• Das Anticodon der tRNA bindet über Wasserstoffbrücken das komplementäre Codon auf der mRNA (z.B. Anticodon AAA mit Anticodon UUU)

• tRNA Moleküle werden im Kern der eukaryotischen Zelle synthetisiert und ins Cytoplasma transportiert
• jedes tRNA Molekül kann wiederholt verwendet werden
• tRNA-Moleküle bestehen aus einem einzelnen RNA-Strang von +80 Nucleotiden
• In gewissen Regionen paaren sich die Basen über H-Brücken-> 2D (Kleeblatt), 3D (L-Shape)
• Das Anticodon bindet sich im anticodon stem loop
• Am gegenüberliegenden Ende der tRNA ist die Bindungsstelle für die As (3'-Ende)
• Anticodons werden normalerweise von 3'->5' geschrieben (die gepaarten RNA-Abschnitte müssen antiparallel sein (Codon 5'-UUC-3', Anticodon 3'-AAG-5')
• 

• Gäbe es für jedes mRNA-Codon eine eigene tRNA. Müssten 61 verschiedene tRNAs existieren
• Es gibt jedoch nur 45 verschiedene tRNAs
• Einige der tRNAs besitzen Anticodons die zwei oder mehrere Codons erkennen
• Die dritte Basenpaarung ist zwischen Codon und Anticodon erfolgt nicht exakt
• Wobble Hypothese-> wacklige Basenpaarung
• Manche tRNA Moleküle enthalten Inosin (I) in der dritten Stelle des Anticodons
• Inosin entsteht durch enzymatische Veränderungen eines Adenosins an der fertigen tRNA 
• Inosin kann mit U,C und A paaren
• 

• Notwendig: für genaue Translation sind korrekte Bindungen zwischen 
•         1. einer tRNA mit ihrer spezifischen As
•         2. Codon und Anticodon
• Eine tRNA, die spezifisch an ein Codon für eine As bindet, darf nur diese As zum Ribosom bringen
• Aminoacyl-tRNA-Synthetase bewerkstelligt das Zusammenführen der richtigen As mit der zugehörigen tRNA
• Die Synthetase katalysiert die kovalente Bindung der As an ihre tRNA

• Besteht aus einer grossen und einer kleinen Untereinheit, die aus Proteinen und rRNA-Moleküle aufgebaut sind
• Bei Eukaryoten werden die Untereinheiten im Nucleolus synthetisiert
•    1. Die ribosomale RNA-Gene (in der DNA codiert) werden transkribiert
•    2. RNA wird Prozessiert
•    3. und mit den aus dem Cytoplasma in den Kern importieren ribosomale Proteinen assoziiert
• Die gebildeten ribosomalen Untereinheiten werden über die Kernporen in das Cytoplasma transportiert.
• Die kleine und grosse Untereinheit vereinigt sich erst dann, wenn sie an die mRNA binden
• Ribosom hält die tRNA und die mRNA-Moleküle eng beieinander und katalysiert die Anheftung einer As an die freie Carboxygruppe der Polypeptidkette

• Ribosom hat 4 Bindungsstellen 
• 1. mRNA Bindungsstelle
• 2. A-Stelle: nimmt die tRNA auf welche die neu anzuknüpfenden As anliefert (A = Aminoacyl)
• 3. P-Stelle: bindet tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette (P = Peptyl))
• 4 E-Stelle: Stelle wo die ungebundene tRNA das Ribosom verlässt (E = Exit)

• Die Translation hat drei Abschnitte
• Initiation
• Elongation
• Termination
• Alle drei einzelschritten benötigen Proteinfaktoren
• Initiations- und Elongationsschritt benötigt Energie, die durch GTP geliefert wird

• Bei der Initiation der Translation werden mRNA, eine tRNA mit der ersten As und den beiden ribosomalen Untereinheiten zusammengebracht.
• Die kleine ribosomale Untereinheit bindet an einer spezifischen Basensequenz am 5'-Ende einer mRNA
• Die Initiator-tRNA trägt immer die As Methionin-> bindet am Initiationscodon (AUG)
• Als nächstes kommt die grosse ribosomale Untereinheit hinzu-> Translation-Initiationskomplex
• Die Zelle benötigt Energie (GTP) + Initiationsfaktoren, um den Komplex zu bilden

• Die Synthese eines Polypeptids beginnt am Aminoende (N-Terminal)
• Eine neue As wird durch eine Peptidbindung an die freie Carboxylgruppe der wachsenden Polypeptidkette geknüpft (unter Abspaltung von H2O)

• Bei der Elongation wird eine As nach der anderen angehängt
• Die Anheftung erfolgt in 3 Schritten
• 1 Codonerkennung
• 2 Bildung einer Peptidbindung
• 3. Translokation
• Elongationsschritte benötigen Energie (GTP) und Elongationsfaktoren (weiter Proteine)
• Ribosom wandert an der mRNA entlang von 5'->3'
• Der Elongationszyklus wiederholt sich, bis das Polypeptid vollständig ist

• Die Elongation setzt sich solange fort, bis ein Terminationscodon zur A-Stelle des Ribosoms kommt.
• Ein Release-Faktor besetzt direkt das Terminationscodon an der A-Stelle und das fertige Polypeptid spaltet sich unter Addition eines H2O-Moleküls von der letzten tRNA ab.
• Das Ribosom setzt die Polypeptidkette und die mRNA frei.

• Mutation: Änderungen der genetischen Information einer Zelle
• Genmutation: Veränderung einzelner oder mehrerer Basenpaare in einem Gen
• Verändert As-Sequenz-> Struktur und Funktion von Proteine
• Falls sich eine Mutation in den Gameten befindet, wird sie an die Zygote weitergegeben (z.B. Erbkrankheit-> Sichelzellanämie)

• 

• A) Substitution eines Basenpaars 
• -> Basenpaar-Substitution (Punktmutation): der Austausch eines Nucleotids im DNA-Strang durch ein anderes Nucleotid
• -> "Stumme Mutation": kann im nichtkodierenden Bereich eines Gens liegen (Intron). Kann auch im Exon erfolgen, wo ein geändertes Codon in dieselbe As übersetzt wird (z.B. Mutation in der Wobble-Position)-> keine Auswirkungen auf die As-Sequenz
• -> Missense-Mutation: 1. konservativ ( neue As entsteht mit ähnlichen chemischen Eigenschaften wie früher
• 2. Nicht-konservativ: das veränderte Triplett codiert nicht im richtigen Sinne
• -> Nonsense-Mutation: Mutationen, die ein As-Codon in ein Stoppcodon umwandeln-> Polypeptid ist verkürzt

• B) Insertion, Deletion, Inversion
• Insertion oder Deletion: entstehen durch Einführung oder Verlust eines oder mehreren Nucleotidpaaren
• -> Frameshift-Mutation: Insertionen/Deletionen von Nucleotiden, welche das Leseraster ändern -> Nonsense-Triplett, führt zu einer frühzeitigen Termination oder Translation
• -> Inversion: Teil der Doppelhelix wird herausgeschnitten und an derselben Stelle verkehrt herum wiedereingesetzt

• 

• Proteinvorstufen haben eine zusätzliche Sequenz von 10-30 As am aminoterminalen Ende-> Leaderpeptid
• Leaderpeptid beinhaltet oft die Signalsequenz für den Proteintransport (wohin das Protein muss)
• Processing: Die enzymatischen Abspaltung von dieser aminoterminalen Sequenz aus den Proteinvorstufen
• Dieses Processing kann aus einer inaktiven Vorstufen ein funktionstüchtiges Protein machen
• Posttranslationale Modifikationen: eine enzymatische Anlagerung spezieller chemischer Gruppen an das Protein

• Enzymatische Reaktion, bei der Zuckergruppen an Proteine oder Lipide gebunden werden (Glykoproteine, z.B. Rezeptoren, Oberflächenproteine, Membranproteine)
• Die Proteinglykosylierung hat mehrere Funktionen, erhöht die Stabilität von Proteinen schützt vor proteolytischem Abbau-> hilft beim intrazellulären Transport von Proteinen + ist ein Erkennungsmerkmal an die Membranoberfläche
• 

• Methylierung oder Acetylierung -> Transfer von Methylgruppen (-CH3) oder Acetylgruppen (COCH3) innerhalb einer chemischen Reaktion von einem Molekül auf ein anderes
• Proteine werden an Lysin oder Arginin methyliert/acetyliert
• Histon-Acetylierung-> führt zur Öffnung der Chromatinstruktur-> erlaubt erst das binden von Transkriptionsfaktoren-> begünstigt die Transkription
• Histon-Methylierung-> Kann Transkription positiv und negativ beeinflussen
• 

• Phosphorylierung -> reversible = umkehrbare anhängen einer Phosphatgruppe an Proteine (Serin, Threonin, Tyrosin). Donor: ATP
• Eine Phosphatgruppe besitzt eine polare Ladung
• Eine Phosphorylierung hat oft Konformationsänderungen des Proteins zur Folge-> es gibt zwei möglicherweise verschiedene Formen des Proteins-> aktivierte und inaktivierte Form

• Kinase: Enzym, der die Anheftung der Phosphorgruppe an die As katalysiert
• Phosphatase: Enzym, der die Abspaltung der Phosphorgruppe von der As katalysiert

Hydroxylierung: Reaktion zur Einführung einer oder mehrerer Hydroxygruppen

• 
• Carboxylierung: Reaktion zur Einführung einer Carboxygruppe in eine organische Verbindung

• 
• Isopeptidische Verbindung: Verknüpfung zweier Proteine durch eine Peptidbindung (Bsp. Ubiquitin)

• 
• Poly(ADP)-Ribosylierung: Anhängen von langen Polymeren, die aus NAD+ hergestellt wurden

• Processing und posttranslationelle Modifikation werden durch spezielle Enzyme ausgeführt
• Preproinsulin: Vorstufe der Insulin-Vorstufe
• Proinsulin: aminoterminale As werden abgespaltet, Disulfidbrücken entstehen
• Insulin: Mittelteil enzymatisch entfernt-> 2 Ketten, die durch zwei Disulfidbrücken verbunden sind
•