Copyright
Werbung
Inhaltsverzeichnis Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 1.2 1.3 Einführung: Schlüsselthemen der Biologie . . . . . . . Theorien und Konzepte verbinden die Disziplinen der Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheitlichkeit und Vielfalt der Organismen sind das Ergebnis der Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Naturwissenschaftler verwenden unterschiedliche Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii 4 4.1 1 4.2 2 4.3 4 7 5 5.1 5.2 TEIL I 5.3 Die chemischen Grundlagen des Lebens 5.4 5.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.2 Chemische Grundlagen der Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materie besteht aus chemischen Elementen, die in reiner Form und in Form chemischer Verbindungen vorkommen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Eigenschaften eines chemischen Elementes hängen vom Aufbau seiner Atome ab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bildung und Eigenschaften von Molekülen hängen von den chemischen Bindungen zwischen den Atomen ab . . . . . . . . . Chemische Reaktionen führen zur Bildung und Auflösung von chemischen Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser als Grundstoff für Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vier Eigenschaften des Wassers tragen dazu bei, dass die Erde für das Leben ein geeigneter Ort ist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Säure-/Base-Bedingungen beeinflussen lebende Organismen . . . . . . . . . . . . Kohlenstoff und die molekulare Vielfalt des Lebens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die organische Chemie befasst sich mit dem Studium von Verbindungen des Kohlenstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohlenstoffgerüste erlauben die Bildung vielgestaltiger Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eine kleine Anzahl funktioneller Gruppen bildet den Schlüssel zur Funktion von Biomolekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktur und Funktion biologischer Makromoleküle . . . . . . . . Makromoleküle sind aus Monomeren aufgebaute Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohlenhydrate dienen als Energiequelle und Baumaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lipide: Eine heterogene Gruppe hydrophober Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteine: Funktionsvielfalt durch Strukturvielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nucleinsäuren speichern und übertragen die Erbinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 27 28 32 33 34 35 38 40 45 11 TEIL II 12 12 15 18 Die Zelle 6 Die Struktur von Zellen . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Untersuchung von Zellen mittels Mikroskopie und Biochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eukaryotische Zellen sind kompartimentiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die genetischen Anweisungen einer eukaryotischen Zelle sind im Zellkern codiert und werden von den Ribosomen umgesetzt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Endomembransystem der Zelle: Regulation und Teil des Stoffwechsels . . . . . . . . Mitochondrien und Chloroplasten: Kraftwerke der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 6.3 19 6.4 20 6.5 23 47 48 49 53 55 59 iii 17 Vom Gen zum Protein 17.2 Transkription – die DNA-abhängige RNA-Synthese: Eine nähere Betrachtung 17.2.1 Die molekularen Komponenten des Transkriptionsapparates Die Boten-RNA (mRNA), die die in der DNA gespeicherte Information zu den proteinsynthetisierenden Ribosomen der Zelle überbringt, wird durch Transkription des Matrizenstranges eines Gens gebildet. Das Enzym RNA-Polymerase zieht die Stränge der DNA auseinander und verknüpft die durch komplementäre Basenpaarung mit dem Matrizenstrang festgelegten RNA-Nucleotide kovalent miteinander zu einer mRNA. Wie die DNA-Polymerasen der Replikation, können auch RNA-Polymerasen Polynucleotide nur in 5¿¡3¿-Richtung bilden. Anders als die DNA-Polymerasen sind RNA-Polymerasen dabei aber nicht auf einen Primer angewiesen (die Primase der Replikation ist ja selbst eine spezialisierte RNA-Polymerase). MERKE ! Der Teil des Gens, an den die RNA-Polymerase anfänglich bindet und der den Initiationsort der Transkription darstellt, heißt Promotor (lat. promotio, Beförderung, Emporhebung). Die Basenfolge, die das Ende der Transkription signalisiert, wird als Terminator bezeichnet. VERSTÄNDNISFRAGEN 1. Vergleichen Sie eine DNA-Polymerase und eine RNA-Polymerase im Hinblick auf ihre Funktion(en), die Notwendigkeit einer Matrize und eines Primers, der Syntheserichtung und der Art der verwendeten Nucleotide. 2. Was ist ein Promotor? Befindet er sich stromaufwärts oder stromabwärts von einer Transkriptionseinheit? 3. Was bewirkt, dass in einer Bakterienzelle eine RNA-Polymerase an der richtigen Stelle an der DNA mit der Transkription eines Gens beginnt? Was geschieht in einer Eukaryontenzelle? 4. Was wäre, wenn? Nehmen Sie an, dass eine Röntgenbestrahlung zu einer Mutation der TATABox-Sequenz eines bestimmten Promotors geführt hat. Wie würde sich dies vermutlich auf die Transkription des betreffenden Gens auswirken (Abbildung 17.4)? 216 Bestimmte Nucleotidfolgen entlang der DNA legen fest, wo die Transkription des Gens beginnt und wo sie endet. Der Teil des Gens, an den die RNA-Polymerase anfänglich bindet und der den Initiationsort der Transkription darstellt, heißt Promotor (lat. promotio, Beförderung, Emporhebung). Die Basenfolge, die das Ende der Transkription signalisiert, wird als Terminator bezeichnet. Der Terminationsmechanismus in Eukaryonten unterscheidet sich von dem in Prokaryonten, worauf wir später zurückkommen werden. In Nucleinsäuren werden die Richtungen mit zwei gängigen Begriffen bezeichnet: 5¿-wärts = „stromaufwärts“ (engl. „upstream“) und 3¿-wärts = „stromabwärts“ (engl. „downstream“). Die Promotoren liegen also stromaufwärts vom Terminator, der stromabwärts des codierenden Bereichs liegt. Der zu einer RNA transkribierte DNA-Bereich heißt Transkriptionseinheit. Bakterien enthalten nur einen einzigen Typ von RNA-Polymerase, der nicht nur die mRNAs herstellt, sondern auch andere RNA-Formen wie die ribosomalen RNAs und die Transfer-RNAs, die beide bei der Proteinbiosynthese eine Rolle spielen. Im Gegensatz dazu finden sich in eukaryotischen Zellen wenigstens drei verschiedene Typen von RNA-Polymerasen im Zellkern. Die mRNAs bildende Variante ist die RNA-Polymerase II. Die anderen RNA-Polymerasetypen (I und III) stellen RNA-Moleküle her, die nicht translatiert werden. In der nachfolgenden Erörterung der Transkription beginnen wir mit den Eigenschaften der mRNASynthese, die sowohl bei Bakterien als auch bei Eukaryonten anzutreffen sind, und beschreiben danach die wichtigsten Unterschiede. 17.2.2 Synthese eines RNA-Transkriptes Die drei Teilschritte der Transkription, die im Folgenden näher beschrieben werden, sind die Initiation (Einleitung), die Elongation (Verlängerung) und die Termination (Beendigung) der RNA-Synthese. Die Bindung der RNA-Polymerase und die Initiation der Transkription Zum Promotorbereich eines Gens gehört der Startpunkt der Transkription (das Nucleotid, an dem die RNA-Synthese tatsächlich einsetzt). Der Promotor als Ganzes erstreckt sich über Dutzende bis Hunderte von Nucleotiden stromaufwärts vom Startcodon und ist nur in wenigen Fällen hinreichend exakt charakterisiert. Neben seiner Funktion als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase und die Festlegung des Transkriptionsstarts bestimmt der Promotor auch, welcher der beiden Stränge des DNA-Moleküls als Matrize dient. Bestimmte Abschnitte der Promotorregion sind besonders wichtig für die Bindung der RNA-Polymerase. Bei Bakterien erkennt die RNA-Polymerase selbst in spezifischer Weise den Promotor und bindet an ihn. Bei Eukaryonten vermitteln Transkriptionsfaktoren, von denen es spezifische und allgemeine gibt, die 17.2 Transkription – die DNA-abhängige RNA-Synthese: Eine nähere Betrachtung Bindung der RNA-Polymerase und damit die Initiation der Transkription. Aus Kapitel 16 wissen wir, dass die DNA eines eukaryotischen Chromosoms mit Histonen und anderen Proteinen zu einem als Chromatin bezeichneten Komplex verbunden ist. Auf die Funktion der Chromatinproteine, die bei der Zugänglichkeit der chromosomalen DNA für die Transkriptionsfaktoren eine Rolle spielen, gehen wir in Kapitel 18 ein. Erst nachdem sich bestimmte Transkriptionsfaktoren an einen eukaryotischen Promotor eines Gens angelagert haben, kann auch die RNA-Polymerase II dort binden. Der Gesamtkomplex aus den Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II (die ihrerseits aus vielen Untereinheiten besteht) wird als Transkriptionsinitiationskomplex bezeichnet. Abbildung 17.4 verdeutlicht die Rolle der Transkriptionsfaktoren sowie eines wichtigen Sequenzbereichs des Promotors, der TATA-Box, bei der Ausbildung des Initiationskomplexes an einem eukaryotischen Promotor. Die Wechselwirkungen zwischen der eukaryotischen RNA-Polymerase II und verschiedenen Transkriptionsfaktoren ist ein Beispiel für die Bedeutung von Protein-Protein-Wechselwirkungen bei der Steuerung der Transkription. Nachdem die Polymerase fest am Promotorbereich verankert ist, werden die beiden DNA-Stränge in diesem Bereich entwunden und das Enzym beginnt mit der Transkription des Matrizenstranges. 1 Ein eukaryotischer Promotor enthält in aller Regel prä-mRNA eine TATA-Box. Diese liegt RNA-Prozessierung etwa 25 Basenpaare strommRNA aufwärts (in 5’-Richtung) vom Transkriptionsstart. (Nach einer allgemeinen Ribosom Translation Übereinkunft werden Nucleotidsequenzen so Polypeptid angegeben, wie sie auf dem Nichtmatrizenstrang erscheinen; dies entspricht dann der Nucleotidfolge Promotor der mRNA.) Transkription 5’ 3’ Ein einzelnes Gen kann gleichzeitig von mehreren, aufeinanderfolgenden RNAPolymerasen transkribiert werden. Die Polymerasemoleküle bilden dabei eine Art von Konvoi. Der wachsende RNA-Molekülstrang hängt dabei hinter dem Polymerasemolekül herab und seine Länge zeigt an, wie weit die Transkription bereits fortgeschritten ist. Das Zusammenfinden mehrerer Polymerasemoleküle zur gleichzeitigen Transkription eines Gens erhöht die gebildete RNA-Menge. Die Menge der hergestellten mRNA entspricht in erster Näherung der später gebildeten Proteinmenge. Termination der Transkription Der Terminationsmechanismus unterscheidet sich bei Bakterien und Eukaryonten voneinander. Bei Bakterien verläuft die Transkription bis zu einem Terminatorbereich (Terminationssequenz). Der Terminator als Teil der RNA fungiert als Terminationssignal, bewirkt die Ablösung der RNA-Polymerase von der DNA und er setzt damit das Transkript frei. Dies steht unmittelbar als mRNA zur Verfügung und wird, wie wir gesehen haben, häufig schon während seiner Bildung translatiert. In eukaryotischen Zellen transkribiert die RNA-Polymerase II hinter dem codierenden Bereich eine weitere Sequenz, das Polyadenylierungssignal, das als AAUAAA.....-Sequenz in der mRNA auftaucht. Zehn bis 35 Nucleotide stromabwärts dieses Poly-A-Signals schneiden mit dem wachsenden Transkript assoziierte Proteine dieses von der Polymerase ab. Dies führt zur Freisetzung der noch nicht prozessierten prä-mRNA. Die Polymerase setzt die Transkription auch nach der Abspaltung der prä-mRNA noch für einige hundert Nucleotide fort. Neuere Forschungen an Hefezellen haben gezeigt, dass die durch die fortgesetzte Transkription gebildete RNA von einem Enzym (einer Exonuclease) abgebaut wird, die an der RNA entlangläuft. Die vorliegenden molekularbiologischen Daten deuten darauf hin, dass die Polymerase sich schließlich von der DNA ablöst, wenn sie von der Nuclease eingeholt wird. In der Zwischenzeit wird die gebildete prä-mRNA weiter verarbeitet (prozessiert; siehe Abschnitt 17.3). 3’ 5’ T A T AAAA ATAT T T T TATA-Box Transkriptionsfaktoren Die Elongation Wenn sich die RNA-Polymerase an der DNA entlangbewegt, entwindet sie dabei weiter die Doppelhelix. Dabei wird jeweils ein nur kurzes Stück von 10 bis 20 Basenpaaren Länge freigelegt, an dem auf dem Matrizenstrang die Paarung der Ribonucleotide vor ihrem Einbau in die wachsende RNA erfolgt. Wie wir wissen, fügt das Enzym je ein neues Nucleotid an das 3¿-Ende der wachsenden RNA-Molekülkette an, wenn es von Nucleotid zu Nucleotid an der DNA entlangläuft. Hinter der fortlaufenden RNA-Synthese löst sich die neu gebildete RNA von der DNA-Matrize ab und die Doppelhelix der DNA bildet sich erneut aus. In eukaryotischen Zellen schreitet die Transkription mit einer Rate von etwa 40 Nucleotiden pro Sekunde fort. DNA Startpunkt Matrizenstrang der DNA 2 Mehrere Transkriptionsfaktoren, von denen einer an die TATA-Box bindet, müssen sich an der DNA zusammenlagern, bevor die RNA-Polymerase hinzutreten kann. 5’ 3’ 3’ 5’ RNA-Polymerase II 3 Zusätzliche Transkriptionsfaktoren (lila) binden zusammen mit der RNAPolymerase an die DNA und bilden im Verbund mit dieser den Transkriptionsinitiationskomplex. Die DNA wird entwunden und die RNA-Polymerase beginnt mit der Synthese am Transkriptionsstartpunkt auf dem Matrizenstrang. Transkriptionsfaktoren 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ RNA-Transkript Transkriptionsinitiationskomplex Abbildung 17.4: Die Initiation der Transkription an einem eukaryotischen Promotor. In eukaryotischen Zellen vermitteln Transkriptionsfaktoren – eine umfangreiche und heterogene Gruppe von Proteinen – die Initiation der Transkription durch die RNA-Polymerase II. Erläutern Sie, wie die Wechselwirkung der RNA-Polymerase mit dem Promotor sich von dem hier gezeigten Schema unterscheiden würde, wenn es sich um die Initiation an einem bakteriellen Gen handeln würde. 217 17 Vom Gen zum Protein 17.3 Eukaryotische Zellen modifizieren mRNA-Moleküle nach der Transkription Prä-mRNA-Moleküle werden durch Enzyme im Zellkern auf verschiedene Arten modifiziert, bevor sie ins Cytoplasma transportiert werden. Im Verlauf der RNAProzessierung werden beide Enden des Primärtranskripts verändert. In den meisten Fällen werden auch aus dem Inneren des Moleküls definierte Stücke gezielt herausgeschnitten und die benachbarten Enden der Spaltstücke miteinander verknüpft. Zusammen ergeben diese Modifikationen ein reifes, translationsbereites mRNA-Molekül. 17.3.1 Veränderung der Enden einer eukaryotischen mRNA Jedes Ende eines prä-mRNA-Moleküls wird in bestimmter Weise modifiziert ( Abbildung 17.5). Das zuerst synthetisierte 5¿-Ende erhält eine sogenannte 5¿-Cap-Struktur, ein umgebildetes Guanin-Nucleotid. Die Anbringung der 5¿-Cap-Struktur erfolgt kurz nachdem die ersten 20 bis 40 Nucleotide verknüpft wurden. Das 3¿-Ende der prä-mRNA wird ebenfalls modifiziert, bevor die mRNA den Zellkern verlässt. Die prä-mRNA wird freigesetzt, nachdem die Polymerase das Polyadenylierungssignal passiert hat. Am 3¿-Ende des Moleküls fügt ein Enzym 50 bis 200 Adeninnucleotide (A) an und es bildet sich ein sogenannter Poly-A-Schwanz. Die 5¿-Cap-Struktur und der Poly-A-Schwanz üben mehrere wichtige Funktionen aus. Zunächst sind sie Reifungssignale, die anzeigen, dass die mRNA zum Export ins Cytoplasma bereit ist. Zweitens schützen sie die mRNA vor einem vorzeitigen Abbau durch Ribonucleasen. Drittens sind diese Modifikationen notwendig, um die Bindung eines Ribosoms an das 5¿-Ende der reifen mRNA im Cytoplasma zu vermitteln. Abbildung 17.5 zeigt schematisch die untranslatierten Bereiche (UTRs; Un-Translatierte Regionen) am 5¿- und am 3¿-Ende einer mRNA (5¿-UTR und 3¿-UTR). Die UTRs sind Bereiche der mRNA, die nicht in eine Peptidsequenz übersetzt werden und stattdessen andere Funktionen ausüben, wie zum Beispiel die Vermittlung des Ribosomenkontaktes. Ein modifiziertes Guaninnucleotid wird an das 5’-Ende angefügt. DNA Transkription für Protein codierender Abschnitt prä-mRNA RNA-Prozessierung Polyadenylierungssignal 5’ 3’ G P P P mRNA Ribosom Translation An das 3’-Ende werden 50–250 Adeninnucleotide angehängt. Polypeptid 5’-Cap AAUAAA 5’-untranslatierter Bereich Startcodon Stopcodon 3’-untranslatierter Bereich AAA...AAA Poly-A-Schwanz Abbildung 17.5: RNA-Prozessierung: Anfügung der 5’-Cap-Struktur und des Poly-A-Schwanzes. DNA Transkription 5’ Exon Intron prä-mRNA 5’-Cap 1 30 31 prä-mRNA RNA-Prozessierung codierender Bereich mRNA Translation Ribosom Polypeptid mRNA 5’-Cap 1 5’-untranslatierter Bereich Abbildung 17.6: RNA-Prozessierung: Spleißen der RNA. 218 Exon Intron Exon 3’ Poly-A-Schwanz 104 105 146 Introns werden herausgeschnitten und die Exons zusammengespleißt. Poly-A-Schwanz 146 3’-untranslatierter Bereich 17.3 Eukaryotische Zellen modifizieren mRNA-Moleküle nach der Transkription 17.3.2 Mosaikgene und RNA-Spleißen Ein weiterer wichtiger Schritt bei der RNA-Prozessierung im Zellkern von Eukaryonten ist die gezielte Entfernung mehr oder weniger großer Teile aus dem Primärtranskript. Dieser Vorgang des Zusammenschneidens der genetischen Botschaft wird als Spleißen der RNA bezeichnet ( Abbildung 17.6). Die durchschnittliche Länge einer Transkriptionseinheit in einem chromosomalen DNA-Molekül des Menschen beträgt 27.000 Basenpaare. Man braucht aber nur etwa 1200 codierende Nucleotide, um die 400 Aminosäurereste eines durchschnittlichen Proteins zu codieren. Daraus folgt, dass die meisten Gene und ihre primären RNA-Transkripte große Bereiche nicht codierender (nicht translatierter) Nucleotidfolgen enthalten müssen. Noch überraschender war aber die Erkenntnis, dass diese nicht codierenden Basenfolgen sich zwischen codierenden Segmenten befinden! Die für ein Polypeptid codierende Sequenz eines offenen Leserasters in der DNA ist daher bei Eukaryonten für gewöhnlich keine durchgehende Basenfolge. Die zwischen den Exons eines offenen Leserasters liegenden nicht codierenden Abschnitte heißen Introns. Der Besitz von Introns ist bei Eukaryonten die Regel, nicht die Ausnahme. Die für Aminosäurefolgen codierenden Abschnitte eines offenen Leserasters heißen Exons. Man verwendet die Begriffe Intron und Exon sowohl bei der DNA als auch bei der RNA, weil sie gleiche Funktionseinheiten beschreiben. Bei der Transkription schreibt die RNA-Polymerase II Exons, Introns und andere untranslatierte Bereiche in ein Primärtranskript um. Das schließlich ins Cytoplasma übertretende reife mRNA-Molekül ist in aller Regel ein verkürztes Derivat dieses Primärtranskripts. Die Introns werden aus dem Primärtranskript entfernt und die Exons genau an den richtigen Nucleotiden wieder miteinander verknüpft. Dabei bildet sich ein reifes (maturiertes) mRNA-Molekül mit einem durchgehenden codierenden Bereich, der von einem Start- und einem Stopcodon flankiert und durch diese festgelegt wird. Das Heraustrennen der Introns und die Bildung der intronlosen mRNA werden als Spleißen bezeichnet ( Abbildung 17.7). Ribozyme Der Hinweis auf eine aktiv-katalytische Rolle der snRNA ergab sich aus den bereits vorher entdeckten Ribozymen. Hierbei handelt es sich um RNAMoleküle mit einer katalytischen Wirkung für bestimmte chemische Reaktionen. Bei einigen Organismen kann RNA ohne die Hilfe von Proteinen oder zusätzlichen RNA-Molekülen gespleißt werden. Das Intron selbst fungiert hier als Ribozym, das sein eigenes Herausschneiden (Exzision) aus dem Primärtranskript katalysiert. Die Entdeckung der Ribozyme war eine große Überraschung, da man bis zu diesem Zeitpunkt angenommen hatte, dass alle biologischen Katalysatoren Enzyme, also Proteine, wären. Drei Eigenschaften der RNA tragen zu ihren katalytischen Aktivitäten bei: Da RNA-Moleküle im Regelfall einzelsträngig sind, können sie beim Vorliegen geeigneter Sequenzbereiche Basenpaarungen mit sich selbst ausbilden, was zur Ausbildung einer definierten Raumstruktur (Konformation) führt. Diese ganz bestimmte Konformation ist ausschlaggebend für die katalytische Funktion eines Ribozyms – genauso, wie wir es von den Enzymen kennen. Zweitens besitzen die Basen eines RNA-Moleküls, wie viele der Aminosäurereste eines Enzyms, funktionelle Gruppen, die unmittelbar an der katalytischen Reaktion beteiligt sein können. Drittens trägt die Spezifität der komplementären Basenpaarung mit anderen Nucleinsäuren über Wasserstoffbrückenbindungen zur Spezifität des katalytischen Gesamtprozesses bei. Komplementäre Basenpaarungen zwischen der RNA des Spleißosoms und der prä-mRNA legen den genauen Bereich fest, in dem die katalytisch wirkende RNA das Spleißen durchführt. Später in diesem Kapitel werden Sie erfahren, wie diese Eigenschaften von RNAs ihnen außerdem erlauben, wichtige nicht katalytische Aufgaben in der Zelle durchzuführen (zum Beispiel die Erkennung der Basentripletts (Codons) einer mRNA). Die Funktion der Introns und ihre Bedeutung für die Evolution Worin könnte die biologische Funktion von Introns und des RNA-Spleißens bestehen? Diese RNA-Transkript (prä-mRNA) 5ʹ Exon 1 1 Intron Exon 2 Protein andere Proteine snRNA snRNPs Spleißosom 2 5ʹ herausgetrenntes Intron Spleißosomkomponenten 5ʹ 3 mRNA Exon 1 Exon 2 Abbildung 17.7: Die Rolle der snRNPs und der Spleißosomen beim Spleißen der prä-mRNA. Die Schemazeichnung zeigt einen Teil eines Primärtranskripts (prä-mRNA). Weitere Introns und Exons liegen stromabwärts (3’) von den hier dargestellten. 1 Kleine Zellkern-Ribonucleoproteine (snRNPs; engl. small nuclear ribonucleoproteins) und weitere Proteine bilden auf der prä-mRNA einen supramolekularen Verband, das Spleißosom (Spleißkörperchen). 2 Die RNA-Komponenten des snRNPs bilden Basenpaare mit bestimmten, an den Intron-/Exongrenzen liegenden Nucleotidsequenzen aus. 3 Das Spleißosom zerschneidet die prä-mRNA, setzt ein Intron frei und spleißt die angrenzenden Exons zusammen. Das Spleißosom zerfällt schließlich und setzt eine modifizierte RNA frei. Am Ende des Spleißvorgangs ist eine reife mRNA entstanden, die keine Introns mehr enthält, sondern nur noch Exons und die angrenzenden, untranslatierten Bereiche. MERKE ! Die für Aminosäurefolgen codierenden Abschnitte eines offenen Leserasters heißen Exons. Die zwischen den Exons eines offenen Leserasters liegenden nicht codierenden Abschnitte heißen Introns. 219 17 Vom Gen zum Protein Gen DNA Exon 1 Intron Exon 2 Intron Exon 3 Transkription RNA-Prozessierung Translation Domäne 3 Domäne 2 Domäne 1 Polypeptid Abbildung 17.8: Zusammenhang zwischen Exons und Proteindomänen. Frage beschäftigt die Forscher schon lange und ist noch nicht vollständig geklärt. Bei den meisten Introns kann man bis heute keine offensichtliche Funktion erkennen. Einige enthalten aber Sequenzen, die einen regulatorischen Einfluss auf die Genexpression ausüben. So ist beispielsweise das Spleißen intronhaltiger Gene eine Voraussetzung für den Export der mRNA aus dem Zellkern und damit die Bildung des Proteins im Cytoplasma. Eine Folge des Auftretens von Introns ist, dass ein einzelnes Gen mehr als eine Polypeptidkette codieren kann. Von vielen Genen hat man schon experimentell nachgewiesen, dass sie zwei oder mehr unterschiedliche Proteine hervorbringen können, je nachdem, welche Exons nach dem Spleißen in der reifen mRNA auftauchen. Man spricht in diesem Zusammenhang von alternativem Spleißen der prä-mRNA. So gehen beispielsweise die Geschlechtsunterschiede bei Taufliegen zum großen Teil auf die Unterschiede in der Prozessierung von Primärtranskripten bestimmter Gene bei Männchen und Weibchen zurück. Die Analysen des menschlichen Genoms (siehe Kapitel 21) deuten ebenfalls darauf hin, dass das alternative Spleißen ein Grund dafür ist, dass der Mensch mit einer verhältnismäßig geringen Zahl von Genen auskommt. Es sind nicht einmal doppelt so viele wie bei der Taufliege. Aufgrund der Möglichkeit des alternativen Spleißens von Genen kann die Anzahl der Proteine, die ein Organismus erzeugt, wesentlich höher sein als die Zahl seiner Gene. Wie man heute weiß, sind Proteine oft modular aus einzelnen Bau- und Funktionsbereichen aufgebaut, die Domänen genannt werden (strukturelle Domänen, funktionelle Domänen, Faltungsdomänen usw.). So kann etwa das aktive Zentrum eines Enzyms in einer katalytischen Domäne liegen, während eine andere Domäne seine Bindung an eine Membran vermittelt. Durch alternatives Spleißen desselben Primärtranskripts kann dann zum Beispiel eine Isoform des Enzyms entstehen, die im Cytoplasma vorkommt, weil die für die Membranverankerung verantwortliche Domäne fehlt. Relativ häufig codieren unterschiedliche Exons für verschiedene Domänen eines Proteins ( Abbildung 17.8). VERSTÄNDNISFRAGEN 1. Wie beeinflusst die Modifikation des 5¿- und des 3¿-Endes einer prä-mRNA deren Export aus dem Zellkern? 2. Inwiefern ähnelt das Spleißen der RNA dem Schnitt eines Kinofilms? 3. Was wäre, wenn? Bei Fadenwürmern (Nematoden) weist ein für eine ATPase codierendes Gen zwei Alternativen für Exon 4 und drei für Exon 7 auf. Wie viele unterschiedliche Proteine lassen sich damit herstellen? Die Existenz eines Introns in einem Gen kann die Evolution neuer und möglicherweise nutzbringender Proteine als Folge eines Exontauschs (exon shuffling) fördern. Introns erhöhen die Wahrscheinlichkeit für das Zustandekommen eines Crossing-over-Ereignisses, ohne dass es dadurch bei eventuell auftretenden Fehlern zu einem Funktionsverlust der von den Exons codierten Domänen kommt. Für die homologe Rekombination steht also einfach mehr Raum zur Verfügung, ohne dass codierende Sequenzen davon betroffen sind. Wir können uns also ein gelegentliches Vermischen und eine Neukombination von Exons unter verschiedenen (nicht allelischen) Genen vorstellen. Durch das Mischen verschiedener Exons, gleich welcher Art, könnte es zu neuen Proteinen mit neuartigen funktionellen Kombinationen kommen. Auf diese Weise können neue Varianten entstehen, die sich als nutzbringend für ein Lebewesen erweisen. Entscheidend ist das Verhältnis zwischen dem Nutzen und dem Schaden solcher Rekombinationsereignisse, welches ausgewogen bleiben muss. 17.4 Translation – die RNA-abhängige Polypeptidsynthese: Eine nähere Betrachtung 17.4.1 Die molekularen Komponenten des Translationsapparates Beim Vorgang der Translation übersetzt eine Zelle die genetische Information und baut entsprechend der Anweisung ein Polypeptidmolekül auf. Die Anweisung kommt aus der Codonfolge des offenen Leserasters einer mRNA. Die Vermittler dieser genetischen Nachrichten sind andere RNA-Arten, die TransferRibonucleinsäuren (Abk. tRNAs). Die Funktion der Transfer-Ribonucleinsäuren 220 17.4 Translation – die RNA-abhängige Polypeptidsynthese: Eine nähere Betrachtung Für jedes mögliche Codon und für jeden Typ von Aminosäure existiert ein eigenes tRNA-Molekül. Wenn eine mit einem Aminosäurerest beladene tRNA (eine Aminoacyl-tRNA; Abk. AA-tRNA) am Ribosom eintrifft, bringt sie den für sie typischen, an einem Molekülende kovalent gebundenen Aminosäurerest mit. In der Nucleotidfolge der tRNA befindet sich auf der dieser Bindestelle gegenüberliegenden Seite (der AA-tRNA) ein als Anticodon bezeichnetes Triplett. Das Anticodon bildet mit einem dazu passenden Codon der mRNA Basenpaare aus. Die passende Basenpaarung von Codon und Anticodon entscheidet darüber, ob der betreffende Aminoacylrest auf die Peptidkette übertragen wird oder nicht. Wir wissen, dass beispielsweise das Codon UUU in Phenylalanin übersetzt wird. Die tRNA, die über Wasserstoffbrücken an dieses Codon andockt, enthält entsprechend AAA als Anticodon und den dazu passenden Phenylalaninrest kovalent an ihrem 3¿-Ende gebunden (siehe mittleres Codon/Anticodon-Paar, Abbildung 17.9). Wenn sich das mRNA-Molekül durch das Ribosom bewegt, wird immer dann ein Phenylalanin auf das Carboxylende der wachsenden Peptidkette übertragen und kovalent mit dieser durch eine Peptidbindung verknüpft, wenn ein UUU-Codon erscheint. Codon für Codon wird die genetische Bauanweisung übersetzt, indem Aminoacyl-tRNAs Aminosäurereste heranschaffen und diese zu einer Molekülkette verknüpft werden. Die tRNA-Moleküle sind „Übersetzer“ (Translatoren), weil sie ein Wort aus der „Nucleinsäuresprache“ (ein Codon) lesen und in ein Wort der „Proteinsprache“ (einen Aminosäurerest) übersetzen. Die Translation ist zwar einfach nachzuvollziehen, in ihrem biochemischen Ablauf jedoch ein höchst komplexer Vorgang, insbesondere in eukaryotischen Zellen. Bei der Unterteilung der auch als Proteinbiosynthese bezeichneten Translation konzentrieren wir uns auf den etwas einfacheren Vorgang, wie er in Bakterien abläuft. Zunächst betrachten wir die wesentlichen Komponenten dieses universell verbreiteten Prozesses. Anschließend werden wir uns ansehen, wie die einzelnen Teilschritte zusammenwirken, um ein Polypeptid zu erzeugen. DNA Transkription mRNA Ribosom Translation Polypeptid Aminosäuren Polypeptid tRNA mit gebundener Aminosäure Ribosom Tr p besteht darin, Aminosäuren aus dem cytoplasmatischen Vorrat in spezifischer Weise zum Ribosom als dem Ort der Translation zu befördern. Im Cytoplasma liegen alle 20 im Organismus vorkommenden Aminosäuren in freier Form vor, weil sie entweder von der Zelle selbst synthetisiert oder aus dem sie umgebenden Medium aufgenommen wurden. Das Ribosom verknüpft passende Aminosäuren, die von mit ihnen beladenen tRNAs angeliefert werden, mit dem wachsenden Ende der Polypeptidkette ( Abbildung 17.9). Phe Gly tRNA C A C C C G Anticodon A A A U G G U U U G G C 5′ Codons 3′ mRNA Abbildung 17.9: Translation: das grundlegende Konzept. Während ein mRNA-Molekül durch ein Ribosom gleitet, werden die Codons in Aminosäuren translatiert. Die „Übersetzer“ sind tRNA-Moleküle, von denen jeder Typ an einem Ende mit einem spezifischen Anticodon und am anderen Ende mit einer bestimmten Aminosäure versehen ist. Eine solche, mit einem Aminosäurerest beladene Transfer-Ribonucleinsäure heißt Aminoacyl-Transfer-Ribonucleinsäure (AA-tRNA). Sie überträgt den Aminosäurerest auf die wachsende Polypeptidkette, wenn das Anticodon an das komplementäre Codon der mRNA bindet. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Einzelheiten der Translation in einer Bakterienzelle. Struktur und Funktion der Transfer-RNA Wie mRNAs und andere Formen zellulärer Ribonucleinsäuren werden auch tRNAs durch Transkription anhand von DNA-Matrizen (tRNA-Gene) gebildet. In eukaryotischen Zellen findet die tRNA-Synthese im Zellkern statt. Genauso wie die mRNA müssen auch die fertigen tRNA-Moleküle aus dem Zellkern in das Cytoplasma gelangen, weil dort die Translation stattfindet. Sowohl in eu- als auch in prokaryotischen Zellen werden tRNA-Moleküle mehrfach verwendet. Sie werden im Cytosol immer wieder neu mit einer passenden Aminosäure (Aminoacylrest) beladen, gelangen im beladenen Zustand als AA-tRNA zum Ribosom und liefern dort ihre Fracht ab. Danach dissoziieren sie vom Ribosom ab und der Zyklus wiederholt sich. tRNA-Moleküle bestehen aus einem einzelnen RNA-Strang von nur etwa 80 Nucleotiden Länge (im Vergleich zu Hunderten bis Tausenden Nucleotiden bei den mRNAs). Aufgrund des Vorliegens komplementärer Basenfolgen innerhalb des Moleküls, die Wasserstoffbrückenbindungen untereinander ausbilden können, faltet sich der Molekülstrang einer tRNA zu einem für diese Molekülklasse charakteristischen räumlichen Gebilde. In einer zweidimensionalen Darstellung geben die gepaarten und die ungepaarten Bereiche dem Molekül die Gestalt eines Kleeblatts ( Abbildung 17.10 a). Die dreidimensionale Konformation einer nativen tRNA ähnelt dagegen eher dem Großbuchstaben „L“. Eine sich zu einer Seite erstreckende Schlaufe des Moleküls (ein „Blättchen“ des Kleeblatts) enthält das Anticodon – also das spezielle Basentriplett, das den Kontakt 221 17 Vom Gen zum Protein zum Codon der mRNA herstellt. Am gegenüberliegenden Ende des L-förmigen Moleküls ragt das 3¿-Ende hervor, das die Anheftungsstelle für die entsprechende Aminosäure darstellt. 3‘ A C C A C G C U U A A U C * C A C AG G G U G U* C C * * U *GA G G U * * A * A Anknüpfungsstelle für die Aminosäure 5‘ G C G G A U U A G * U A* C U C * G C G A G A G G * C C A G A A Wasserstoffbrückenbindungen C U G Ribosomen Ribosomen vermitteln die spezifische Anlagerung der tRNA-Antico- Anticodon (a) Zweidimensionale Struktur. Die vier Bereiche, in denen Basenpaarung auftritt, und die drei Schlaufenbereiche sind charakteristisch für alle tRNA-Moleküle. Dies gilt auch für die Basensequenz an der Anknüpfungsstelle für die Aminosäure am 3’-Ende. Das Anticodon ist für jeden tRNA-Typ charakteristisch, ebenso die Sequenzen in den beiden anderen Schlaufenbereichen. (Die Sternchen symbolisieren chemisch modifizierte Basen, die in tRNAs vorkommen.) 5‘ 3‘ Anknüpfungsstelle für die Aminosäure Wasserstoffbrückenbindungen Anticodon (b) Dreidimensionale Struktur. A A G 3‘ 5‘ Anticodon (c) In diesem Buch verwendetes Symbol. Abbildung 17.10: Die Struktur von Transfer-Ribonucleinsäuren (tRNAs). Die Basensequenzen von Anticodons werden, im Gegensatz zu denen anderer Nucleinsäuren, in 3’¡5’-Richtung geschrieben, um die Komplementarität mit den in der üblichen 5’¡3’-Richtung geschriebenen Codons leichter zu erkennen (Abbildung 17.9). Für eine korrekte Basenpaarung müssen die RNA-Stränge antiparallel zueinander liegen (wie die DNA-Stränge in einer Doppelhelix). Das Anticodon 3’-AAG-5’ paart zum Beispiel mit dem Codon 5’-UUC-3’. MERKE ! Der Translationsvorgang – also die Synthese einer Polypeptidkette – kann in Analogie zur Transkription in drei, nahtlos ineinandergreifende Stadien unterteilt werden: die Initiation, die Elongation und die Termination. 222 Für die richtige Übersetzung einer genetischen Botschaft sind zwei molekulare Erkennungsvorgänge notwendig. Erstens müssen die tRNAs den richtigen, dem Anticodon entsprechenden Aminosäurerest tragen und keinen anderen. Die richtige Verknüpfung einer spezifischen tRNA mit der entsprechenden Aminosäure vermittelt eine Gruppe von Enzymen mit der allgemeinen Bezeichnung Aminoacyl-tRNA-Synthetase (AA-tRNA-Synthetase; Abbildung 17.11). Für jede Aminosäure gibt es eine eigene, spezifische AA-tRNA-Synthetase. Für die 20 proteinbildenden Aminosäuren verfügt die Zelle über 20 sich in der Substratspezifität unterscheidende AA-tRNA-Synthetasen, die neben ihrer spezifischen Aminosäure auch die zugehörigen tRNAs mit den passenden Anticodons erkennt. dons mit den entsprechenden mRNA-Codons während der Proteinbiosynthese. Ein Ribosom besteht aus zwei Teilen, einer sogenannten großen und einer kleinen Untereinheit ( Abbildung 17.12). Die ribosomalen Untereinheiten setzen sich aus Proteinen und ribosomalen Ribonucleinsäuren (rRNAs) zusammen. In eukaryotischen Zellen werden die Untereinheiten der Ribosomen im Bereich des Nucleolus im Zellkern zusammengebaut. Die Gene für die ribosomalen RNAs werden an ihren Genorten auf der chromosomalen DNA transkribiert. Die prozessierten Transkripte werden dann mit aus dem Cytoplasma importierten ribosomalen Proteinen zu einem geordneten Komplex zusammengefügt. Die fertigen ribosomalen Untereinheiten werden als Ganzes, aber unabhängig voneinander, durch die Kernporen in das Cytoplasma exportiert. Sowohl bei Pro- wie bei Eukaryonten lagert sich eine große ribosomale Untereinheit nur in Gegenwart einer mRNA für die Translation mit einer kleinen Untereinheit zu einem vollständigen Ribosom zusammen. Etwa zwei Drittel der Masse eines Ribosoms werden von seinen rRNA-Molekülen gestellt (drei verschiedene Moleküle pro Ribosom bei Bakterien, vier bei Eukaryonten). Da die meisten Zellen Tausende von Ribosomen enthalten, sind die ribosomalen RNAs die häufigsten Vertreter der Ribonucleinsäuren in einer Zelle. Im Aufbau eines Ribosoms spiegelt sich seine Aufgabe wider, mRNA mit den mit Aminosäuren beladenen tRNAs in Kontakt zu bringen. Zusätzlich zu einer Bindungsstelle für eine mRNA verfügt jedes Ribosom über drei Bindungsstellen für tRNA-Moleküle (Abbildung 17.12). Die P-Stelle (Peptidyl-tRNA-Stelle) hält die tRNA gebunden, an der die wachsende Polypeptidkette über den letzten angefügten Aminosäurerest befestigt ist. Die A-Stelle (Aminoacyl-tRNA-Stelle) bindet die beladene tRNA, die zu dem gerade zu translatierenden Codon der mRNA gehört. Entladene (von ihrem Aminoacylrest befreite) tRNA-Moleküle verlassen das Ribosom über die E-Stelle (Exit- oder Export-Stelle). Das Ribosom bringt die AA-tRNA und die mRNA in enge Nachbarschaft zueinander und richtet den neu eingetroffenen Aminosäurerest so aus, dass er auf die wachsende Peptidkette übertragen werden kann. Es katalysiert die Umlagerung des Aminoacylrests und die Bildung der neuen Peptidbindung. In dem Maß, in dem sich die Peptidkette durch die Anknüpfung immer neuer Reste verlängert, verlässt sie die große Untereinheit des Ribosoms durch einen Austrittstunnel. Wenn die Biosynthese abgeschlossen und das Polypeptid fertig gestellt ist, gelangt auch der Rest durch den Austrittstunnel ins Freie. 17.4.2 Die Biosynthese von Polypeptiden Der Translationsvorgang – also die Synthese einer Polypeptidkette – kann in Analogie zur Transkription in drei, nahtlos ineinandergreifende Stadien unterteilt werden: die Initiation, die Elongation und die Termination. Alle drei Stadien sind 17.4 Translation – die RNA-abhängige Polypeptidsynthese: Eine nähere Betrachtung Aminoacyl-tRNA-Synthetase (Enzym) DNA Transkription Aminosäuremolekül mRNA Ribosom Translation Polypeptid 1 Das aktive Zentrum bindet ein Aminosäuremolekül und ATP. P P P Adenosin ATP P P P P i P wachsendes Polypeptid Austrittstunnel tRNAMoleküle 2 Das ATP spaltet Pyrophosphat P – P ab, der verbleibende AMP-Rest kondensiert mit der Adenosin Aminosäure. große Untereinheit E P A kleine Untereinheit i i 5’ Aminoacyl-tRNAtRNA Synthetase 3’ mRNA tRNA (a) Computergrafik eines funktionellen Ribosoms. Modell eines bakteriellen Ribosoms (eukaryotische Ribosomen haben eine ähnliche Struktur). Eine ribosomale Untereinheit wird aus RNA- und Proteinmolekülen gebildet. P Adenosin P-Stelle (PeptidyltRNA-Bindungsstelle) AMP 3 In einer Umesterungsreaktion wird die für die betreffende Aminosäure spezifische tRNA kovalent mit der Aminosäure verknüpft; der AMP-Rest wird verdrängt. A-Stelle (AminoacyltRNA-Bindungsstelle) E-Stelle (Exit-Stelle) E P A Computermodell 4 Die mit der Aminosäure beladene tRNA wird vom Enzym freigesetzt. Aminoacyl-tRNA („beladene tRNA“) Abbildung 17.11: Eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase verknüpft eine bestimmte Aminosäure mit der zugehörigen tRNA. Die kovalente Verknüpfung des tRNA-Moleküls mit einem Aminosäuremolekül ist ein endergonischer Prozess, dessen Energie durch ATP-Hydrolyse geliefert wird. Vom ATP werden zwei Phosphatgruppen (Pyrophosphat) abgespalten, so dass Adenosinmonophosphat (AMP) entsteht. von Proteinfaktoren abhängig, die für den Fortschritt der Translation benötigt werden. Für bestimmte Teilschritte der Initiation und der Elongation muss Energie aufgewandt werden, die in diesem Fall aus der Hydrolyse von Guanosintriphosphat (GTP) stammt. GTP ist ein eng mit dem ATP verwandtes Molekül. Zusammenbau der ribosomalen Untereinheiten und Initiation der Translation Während des Initiationsschritts treten ein mRNA-Molekül, eine tRNA, die den ersten Aminosäurerest anliefert (einen Methioninrest), sowie die beiden Untereinheiten eines Ribosoms zusammen ( Abbildung 17.13). Zunächst binden die mRNA und eine spezielle, methioninspezifische Initiator-tRNAMet an eine kleine ribosomale Untereinheit. Bei Bakterien kann die kleine Untereinheit die beiden Moleküle in beliebiger Reihenfolge binden. Das mRNA-Molekül wird im Bereich einer speziellen Basenfolge (Shine/Dalgarno-Sequenz) 5¿ des Startcodons (AUG) gebunden. Bei Eukaryonten lagert die kleine ribosomale Unter- mRNABindungsstelle große Untereinheit kleine Untereinheit (b) Schematische Darstellung der Bindungsstellen. Ein Ribosom besitzt eine mRNA-Bindungsstelle und drei tRNA-Bindungsstellen, die als A-, P- und E-Stelle bezeichnet werden. Dieses schematisierte Ribosom wird in späteren Abbildungen weiterverwendet. wachsendes Polypeptid Aminoterminus nächste an das Polypeptid anzufügende Aminosäure E tRNA mRNA 5’ 3’ Codons (c) Schematische Darstellung mit mRNA und tRNA. Ein tRNA-Molekül passt genau in die Bindungsstelle, wenn das Anticodon erfolgreich mit einem Codon der mRNA hybridisiert. Die P-Stelle hält die tRNA gebunden, welche mit der wachsenden Polypeptidkette verbunden ist. Die A-Stelle enthält ein tRNA-Molekül, das den nächsten Aminosäurerest trägt, der in die Polypeptidkette eingebaut wird. Entladene tRNAs verlassen über die E-Stelle das Ribosom. Abbildung 17.12: Aufbau eines funktionstüchtigen Ribosoms. 223 17 Vom Gen zum Protein große ribosomale Untereinheit 3‘ U A C 5‘ Met 5‘ A U G 3‘ InitiatortRNA GTP GDP E mRNA 5‘ Startcodon mRNA-Bindungsstelle Abbildung 17.13: Initiation der Translation. Met P-Stelle 5‘ 3‘ kleine ribosomale Untereinheit 1 Die freie kleine Untereinheit eines Ribosoms verbindet sich mit einem mRNA-Molekül. In Bakterienzellen (Prokaryontenzellen) erkennt die mRNA-Bindungsstelle dieser Untereinheit eine bestimmte Nucleotidsequenz auf der mRNA, die unmittelbar stromaufwärts vom Startcodon liegt. Eine Initiator-tRNA mit dem Anticodon UAC paart sich mit dem Startcodon AUG. Diese tRNA trägt einen Methioninrest (Methionyl-tRNA). A 3‘ Translationsinitiationskomplex 2 Das Hinzutreten einer großen ribosomalen Untereinheit vervollständigt den Initiationskomplex. Als Initiationsfaktoren bezeichnete Proteine (hier nicht gezeigt) sind notwendig, um alle benötigten Komponenten für die Translation zusammenzubringen. GTP liefert die Energie für den Zusammenbau. Die Initiator-tRNA sitzt an der P-Stelle; die A-Stelle ist für die nächste passende Aminoacyl-tRNA frei. einheit zunächst die Initiator-tRNAMet an und erkennt dann die 5¿-Cap-Struktur der mRNA als Eintrittsstelle. Sie bewegt sich dann stromabwärts, bis das zum Anticodon der Initiator-tRNAMet komplementäre AUG-Startcodon erreicht ist. Die Initiator-tRNAMet bildet mit diesem wie üblich Basenpaare über Wasserstoffbrücken. In beiden Fällen ist die Assoziation des Startcodons mit dem Anticodon der Initiator-tRNAMet das Startsignal für die Translation. Der Abgleich von Startcodon und Startanticodon ist auch deshalb wichtig, weil damit das Leseraster für die folgende mRNA-Sequenz festgelegt wird. Der Vereinigung von mRNA, Initiator-tRNAMet und der kleinen ribosomalen Untereinheit folgt die Anlagerung der großen Untereinheit des Ribosoms. Damit ist der Translations-Initiations-Komplex vollständig. Spezielle Proteine, die Initiationsfaktoren, sind für die richtige Zusammenlagerung all dieser Komponenten verantwortlich. Die Zelle verbraucht außerdem Energie in Form von GTP, um den Initiationskomplex auszubilden. Nach Abschluss des Initiationsvorgangs liegt die Initiator-tRNAMet in der P-Stelle des fertigen Ribosoms; die A-Stelle ist noch unbesetzt und bereit für die Aufnahme ihrer ersten Aminoacyl-tRNA. Polypeptide besitzen, ebenso wie Nucleinsäuremoleküle, eine Orientierung und werden von Zellen immer in derselben Richtung synthetisiert. Der erste Methioninrest bildet immer das Aminoende (Aminoterminus, N-Terminus) der Peptidkette. Die Synthese schreitet danach bis zum Carboxylende fort (Carboxyterminus, C-Terminus). Verlängerung der Polypeptidkette Während der Elongationsphase (Verlängerungsphase) werden entsprechend der Information der mRNA neue Aminosäurereste an die Peptidkette angeknüpft. An jeder neuen Verknüpfung sind mehrere Proteine, die sogenannten Elongationsfaktoren, beteiligt. Der Prozess folgt dem in der Abbildung 17.14 dargestellten dreigliedrigen Ablauf. Die RNA bewegt sich mit dem 5¿-Ende voran durch das Ribosom, so dass die mRNA in 5¿¡3¿-Richtung abgelesen wird. Termination der Translation Der abschließende Schritt der Translation ist die Termination (Beendigung; Abbildung 17.15). Die Verlängerung der Peptidkette setzt sich fort, bis ein Stopcodon der mRNA in der A-Stelle des Ribosoms zu liegen kommt. Die Basentripletts UAG, UAA und UGA sind, da sie nicht für Aminosäuren codieren, Stopsignale der Translation. Sie heißen deshalb auch 224 17.4 Translation – die RNA-abhängige Polypeptidsynthese: Eine nähere Betrachtung Transkription 1 Codonerkennung. Das Anticodon einer eintretenden AminoacyltRNA bindet an ein komplementäres Codon in der A-Stelle. Die Genauigkeit des Prozesses wird durch eine GTP-Hydrolyse verbessert. Aminoterminus des Polypeptids DNA mRNA Ribosom Translation Polypeptid E 3‘ mRNA Das Ribosom ist bereit für die nächste Aminoacyl-tRNA. PAStelle Stelle 5‘ GTP GDP E E P A P 3 Translokation. Die beladene tRNA wird zusammen mit der gepaarten mRNA von der A- zur PStelle verlagert. Inzwischen wird die entladene tRNA aus der P-Stelle zur E-Stelle verschoben, wo sie freigesetzt wird. Die mRNA bewegt sich mit den gebundenen tRNAs weiter (man könnte auch sagen, dass sich das Ribosom an der mRNA entlang bewegt); dabei gelangt das nächste zu translatierende Codon an die A-Stelle. 2 Bildung der Peptidbindung. Ein rRNA-Molekül der großen Untereinheit des Ribosoms katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen dem neu hinzugetretenen Aminosäurerest in der A-Stelle und dem Carboxyterminus der wachsenden Polypeptidkette an der P-Stelle. Dieser Schritt führt zur Abspaltung des Polypeptidylrestes von der tRNA an der P-Stelle und zur kovalenten Bindung an die Aminoacyl-tRNA in der A-Stelle. GDP GTP E P A A Abbildung 17.14: Der Elongationszyklus der Translation. Die Hydrolyse von GTP spielt eine wichtige Rolle bei der Elongation (Kettenverlängerung). Die Elongationsfaktoren – eine Gruppe von Proteinen – sind hier nicht eingezeichnet. „Release factor” (Freisetzungsfaktor) freies Polypeptid 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 2 GDP Stopcodon (UAG, UGA oder UAA) 1 Wenn ein Ribosom das Stopcodon einer mRNA erreicht, tritt der „Release factor” in die A-Stelle des Ribosoms ein. Das ist ein Protein, dessen Struktur einem tRNA-Molekül ähnelt. 3’ 2 GTP 2 Der „Release factor” hydrolysiert die Bindung zwischen der tRNA an der P-Stelle und dem letzten Aminosäurerest der Polypeptidkette. Auf diese Weise wird das neue Polypeptid vom Ribosom abgelöst. 3 Die beiden ribosomalen Untereinheiten und die anderen Komponenten des Verbandes dissoziieren. Abbildung 17.15: Termination der Translation. Wie bei der Elongation geht die Termination mit der Hydrolyse von GTP einher. Außerdem werden hier nicht dargestellte Proteinfaktoren benötigt. 225 Copyright Daten, Texte, Design und Grafiken dieses eBooks, sowie die eventuell angebotenen eBook-Zusatzdaten sind urheberrechtlich geschützt. Dieses eBook stellen wir lediglich als persönliche Einzelplatz-Lizenz zur Verfügung! Jede andere Verwendung dieses eBooks oder zugehöriger Materialien und Informationen, einschließlich der Reproduktion, der Weitergabe, des Weitervertriebs, der Platzierung im Internet, in Intranets, in Extranets, der Veränderung, des Weiterverkaufs und der Veröffentlichung bedarf der schriftlichen Genehmigung des Verlags. Insbesondere ist die Entfernung oder Änderung des vom Verlag vergebenen Passwortschutzes ausdrücklich untersagt! Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an: [email protected] Zusatzdaten Möglicherweise liegt dem gedruckten Buch eine CD-ROM mit Zusatzdaten bei. Die Zurverfügungstellung dieser Daten auf unseren Websites ist eine freiwillige Leistung des Verlags. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Hinweis Dieses und viele weitere eBooks können Sie rund um die Uhr und legal auf unserer Website herunterladen: http://ebooks.pearson.de
