Biologie Vorlesung, 20.11: Der Zellkern, Proteinbiosynthese I

Biologie Vorlesung, 20.11: Der Zellkern, Proteinbiosynthese I. Aufbau des Zellkerns,
Struktur der Chromosomen, Nucleolus. Transkription und Translation.
Auf dieser modellhaften Darstellung des Zellkerns sieht man sehr deutlich, dass die Kernhuelle eine Doppelmembran ist. Die aeussere Membran der Kernhuelle geht in das Endoplasmatische Retikulum ueber. Auf der Innenseite liegt der Kernhuelle die sog. Kernlamina auf (vergl. Abb. 16-7). Durchbrochen wird die Kernhuelle von zahlreichen Kernporen,
die Transportvorgaenge
zwischen Kern
und Cytoplasma ermoeglichen.
So oder aehnlich koennte vor mehr als 1,5 Milliarden Jahren der Zellkern entstanden sein.
Dass die Anheftung der DNA an einer Einstuelpung der Plasmamembran eine durchaus
realistische Vorstellung ist, zeigen uns zahlreiche Bakterien: Bei diesen ist die DNA mit
genau so einer, als Mesosom bezeichneten, Struktur assoziiert.
Auf dieser DarstelKernhuelle kann
Kernporen sehr gut
nen.
Die Kernlamina spielt eine
wichtige Rolle bei der Aufloesung der Kernhuelle zu Beginn
der Mitose. Durch die Phosphorylierung der Lamine loest
sich zunaechst die Kernlamina
auf, was zu einer Destabilisierung der Kernhuelle fuehrt.
Letztere zerfaellt dann in kleine
Fragmente und die Chromosomen werden ins Cytoplasma
freigesetzt. In einer spaeteren
lung der
man die
erken-
Phase der Mitose werden die Lamine wieder dephosphoryliert, so dass sich die Kernlamina und
die Kernhuelle neu bilden koennen.
Nucleosomen sorgen dafuer, dass die DNA im
Zellkern dichter gepackt wird. Ein Nucleosom
besteht aus einer kaeseradaehnlichen Struktur
aus 8 Histonmolekuelen und der ca. zweimal darum gewickelten DNA. Die regelmaessige Anordnung der Nucleosomen entlang der DNA-Molekuele erinnert bei elektronenmikroskopischer
Darstellung an eine Perlenkette.
Die Packungsdichte der DNA im Zellkern wird durch eine Zusammenlagerung der Nucleosomen zur sog. 30nm-Faser weiter erhoeht.
Um die extrem dichte Packung eines "Metaphase-Chromosoms" zu
erreichen, muessen auch die 30nmFasern noch weiter kondensiert
werden. Nur auf diese Weise koennen die Chromosomen den bei der
Mitose auftretenden Scherkraeften
standhalten.
Schematische Darstellung der Synthese der ribosomalen Untereinheiten im Nucleolus. Nucleus und Nucleolus sind nicht masstabsgetreu dargestellt.
Die Proteinbiosynthese verlaeuft bei
Eukaryoten in mehreren Schritten. Zunaechst wird an einem DNA-Abschnitt,
der ein Gen umfasst, eine komplementaere RNA synthetisiert. Diesen Prozess bezeichnet man als Transkription,
die dabei entstehende RNA als praemRNA. Diese prae-mRNA enthaelt codierende (Exons) und nicht-codierende
Abschnitte (Introns). Die Introns werden
durch sog. "Splicing" herausgeschnitten. Gleichzeitig erfolgen weitere Modifikationen an der RNA. Die dabei gebildete mRNA wird dann durch Kernporen
ins Cytoplasma transportiert. Hier wird
die in ihr enthaltene Information bei der
Translation an Ribosomen in die Aminosaeuresequenz eines Proteins uebersetzt.
Vor jedem eukaryotischen Gen befindet sich ein als Promotor bezeichneter DNA-Abschnitt. Bevor die Transkription eines Gens beginnen kann, muessen am Promotor zahlreiche Proteine - sog.
Transkriptionsfaktoren und die fuer die Synthese der prae-mRNA
zustaendige RNA-Polymerase II binden.
Bei der Transkription faehrt die hellblau dargestellte RNA-Polymerase II an der DNA entlang
und synthetisiert dabei die prae-mRNA. Hierbei wird immer mit dem 5'-Ende der RNA begonnen. Die DNA-Doppelhelix wird bei der
Transkription kurzzeitig aufgespalten, so dass
sich komplementaere Ribonucleotide am Matrizenstrang (vergl. Abb. 7-10) anlagern koennen. Bei Erreichen der sog. Terminationsregion wird die Transkription abgebrochen und die
prae-mRNA loest sich von der DNA und der
RNA-Polymerase II.
Eukaryotische Gene (unten) bestehen aus codierenden DNA-Abschnitten - sog. Exons und DNA-Abschnitten, die keine Information fuer die Proteinbiosynthese enthalten - sog.
Introns. Bei der Synthese der prae-mRNA werden die Introns zunaechst mit transkribiert,
anschliessend (beim Splicing) aber durch spezifische Enzyme herausgeschnitten (vergl.
Abb. 6-21).
Ein Gen liegt normalerweise nur auf einem DNA-Strang. Dieser Strang wird als Matrizenstrang bezeichnet (vergl. Abb. 6-8). Die Transkription des zum Matrizenstrang komplementaeren Strangs wuerde zu einer voellig anderen Basen-/Aminosaeuresequenz
fuehren und damit zur Synthese eines unbrauchbaren Proteins. Wie man hier sehen kann,
liegen aber auf beiden DNA-Straengen zahlreiche Gene, so dass fuer manche Gene der
eine und fuer manche Gene der andere DNA-Strang der Matrizenstrang ist. Welcher
Strang jeweils transkribiert wird, ist durch die Lage des Promotors festgelegt.
Hier ist ein tRNA-Molekuel in verschiedenen Ansichten dargestellt. In (A)
sieht man, dass am 3'-Ende (oben)
immer eine bestimmte Aminosaeure
angehaengt ist. Am unteren Ende erkennt man ein als Anticodon bezeichnetes Basentriplett. Dieses Anticodon
ist komplementaer zu dem Codon auf
der mRNA, das fuer die an die tRNA
gebundene Aminosaeure codiert.
Ein Ribosom hat drei Bindungsstellen
fuer tRNA (D): Die A-Stelle (fuer Aminoacyl-tRNA), die P-Stelle (fuer Peptidyl-tRNA) und die E-Stelle (Exit). Fuer
die Bedeutung dieser Bindungsstellen
bei der Translation s. Abb. 6-65
Schematische Darstellung der Translation. Die
entstehende Polypeptidkette besteht aus bisher
3 Aminosaeuren, die an eine sog. Peptidyl-tRNA
gebunden sind. Diese Peptidyl-tRNA befindet
sich an der P-Stelle des Ribosoms. Eine neue
tRNA (4) bindet durch komplementaere Basenpaarung zwischen ihrem Anticodon und dem entsprechenden Codon der mRNA an die A-Stelle.
Dann wird eine Peptidbindung zwischen den Aminosaeuren 3 und 4 geknuepft und die tRNA
(4), an der jetzt die gesamte Polypeptidkette haengt, rutscht durch Verschiebung der kleinen ribosomalen Untereinheit (mitsamt der daran gebundenen mRNA) an die P-Stelle. Gleichzeitig
wird die unmittelbar davor angekommene tRNA
(3) an die E-Stelle verschoben, von der aus sie
das Ribosom verlaesst.
Mit dem Hinzukommen einer neuen tRNA (5)
wiederholen sich die in Abb. 6-65 1 beschriebenen Schritte.
Schematische Darstellung
des Beginns der Translation.
Sogenannte Initiator-tRNAs
tragen die Aminosaeure Methionin und sind jeweils an
eine kleine ribosomale Untereinheit gebunden. Wenn
ein solcher Komplex aus Initiator-tRNA und kleiner ribosomaler Untereinheit auf eine mRNA trifft, dann bindet
er diese am 5'-Ende. Es
folgt eine Wanderung entlang der mRNA von 5' nach
3' bis zum ersten AUG
(Start-Codon). Die InitiatortRNA bindet mit ihrem Anticodon an das Start-Codon.
Nun wird das Ribosom
durch Anlagerung einer
grossen Untereinheit vervollstaendigt. Dabei bindet
die Initiator-tRNA an die P-Stelle. Jetzt beginnt mit der Bindung der naechsten tRNA an die
benachbarte A-Stelle der in Abbildung 6-65 beschriebene Prozess.
Bei Erreichen eines Stop-Codons auf der mRNA wird die Translation beendet. Sobald das
Stop-Codon an der A-Stelle angekommen ist, bindet dort ein sog. Release-Faktor namens
eRF (eukaryotic release factor). Hierbei handelt es sich um ein Protein und nicht um eine
tRNA. Dies fuehrt zum Abloesen der neusynthetisierten Polypeptidkette von der tRNA an
der P-Stelle. Anschliessend loesen sich tRNA, mRNA und die beiden ribosomalen Untereinheiten voneinander.
In der lebenden Zelle koennen
mehrere Ribosomen gleichzeitig
eine mRNA translatieren. Eine
solche Struktur nennt man Polyribosom oder kurz Polysom.