Proteinsynthese Mindmap

Das Thema verstehen

Die Proteinsynthese ist der Prozess, bei dem Zellen aus der genetischen Information der DNA funktionsfähige Proteine herstellen. Sie verläuft bei allen Lebewesen in zwei Hauptschritten: Der Transkription, bei der ein mRNA-Molekül im Zellkern bzw. im Cytoplasma erzeugt wird, und der Translation, bei der Ribosomen die mRNA in eine Aminosäurekette übersetzen. Der genetische Code verknüpft Basentripel mit Aminosäuren und ist mit wenigen Ausnahmen universell. Regulation und Fehlerkontrolle bestimmen, welche Proteine wann entstehen.

Transkription: DNA wird zu mRNA
Bei der Transkription öffnet die RNA-Polymerase die DNA-Doppelhelix an einem Gen und synthetisiert eine komplementäre RNA. Sie nutzt einen der DNA-Stränge als Matrize und baut Ribonukleotide ein, wobei Uracil statt Thymin verwendet wird. Der Startpunkt wird durch den Promotor markiert, eine Sequenz vor dem Gen, an die bei Eukaryoten zusätzlich Transkriptionsfaktoren binden. Das Ende erkennen spezielle Terminatorsequenzen. Bei Prokaryoten liegt die fertige mRNA oft sofort vor und kann direkt translatiert werden, während bei Eukaryoten zunächst die Reifung im Zellkern folgt. Diese räumliche Trennung ist ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Organismengruppen.

Translation: Vom Codon zum Protein
Die Translation findet an Ribosomen statt, die die mRNA in Dreiergruppen, den Codons, ablesen. Transfer-RNAs tragen jeweils eine spezifische Aminosäure und besitzen ein komplementäres Anticodon, das zum Codon passt. Das Ribosom wandert in Schritten von einem Codon weiter und verknüpft die Aminosäuren zu einer wachsenden Polypeptidkette. Gestartet wird am Startcodon AUG, beendet wird an einem der drei Stoppcodons, woraufhin die Kette freigesetzt wird. Da mehrere Codons für dieselbe Aminosäure stehen können, spricht man von einem degenerierten Code. Energieverbrauch und Enzyme wie die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen sichern die korrekte Beladung der tRNAs.

Eukaryoten und Prokaryoten im Vergleich
Bei Prokaryoten liegen Transkription und Translation im selben Raum statt und können zeitlich überlappen, weil die mRNA nicht erst durch Kernhüllen wandern muss. Bei Eukaryoten wird die mRNA im Zellkern gebildet und erst nach der Reifung durch die Kernhülle ins Cytoplasma transportiert. Dazu gehören das Spleißen, bei dem Introns entfernt und Exons verbunden werden, sowie das Anfügen von Cap und Poly-A-Schwanz. Eukaryotische mRNAs sind meist monocistronisch, sie codieren ein Protein, während viele bakterielle mRNAs mehrere Gene umfassen. Diese Unterschiede erklären auch, warum manche Antibiotika gezielt bakterielle Ribosomen hemmen, ohne menschliche Zellen gleich stark zu beeinträchtigen.

Regulation und Bedeutung von Fehlern
Nicht jedes Gen wird in jeder Zelle abgelesen: Regulation entscheidet, welche Proteine in welchem Umfang entstehen. Dabei wirken Transkriptionsfaktoren, epigenetische Markierungen und RNA-Stabilität zusammen. Fehler können auf mehreren Ebenen auftreten, etwa durch Mutationen in der DNA, Lesefehler der Polymerase oder falsch geladene tRNAs. Zellen besitzen Korrektur- und Qualitätskontrollmechanismen, die viele, aber nicht alle Fehler abfangen. Ob eine Mutation Auswirkungen hat, hängt von ihrer Art und Position ab: Manche verändern die Aminosäurefolge, andere bleiben stumm. Fehlgefaltete Proteine können die Zellfunktion beeinträchtigen, weshalb Chaperone und Abbauwege wie das Proteasom wichtig sind.