Copyright

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