Proteine DNA

DNA und Proteine - beide Strukturen gehören zu den "Bausteinen des Lebens". Untrennbar verknüpft erfüllen diese Moleküle wichtige Aufgaben in Organismen, etwa die Codierung des Erbguts (DNA) oder die Katalyse von Reaktionen (Proteine).

Proteine und DNA sind unterschiedlich aufgebaut und haben verschiedene Funktionen. Trotzdem arbeiten sie eng zusammen und können sogar Protein-DNA-Wechselwirkungen eingehen. Außerdem werden Proteine und DNA in der Evolutionsforschung herangezogen, um Verwandtschaftsbeziehungen zu analysieren.

Sowohl DNA als auch Proteine sind Polymere. Das bedeutet, sie bestehen aus chemisch verbundenen Ketten mit ähnlichen, sich wiederholenden Untereinheiten. Diese Untereinheiten nennt man auch Monomere. Die spezifische Kombination ihrer Eigenschaften bestimmt später die Struktur, Funktion und räumliche Faltung des großen Polymers.

DNA – Aufbau und Funktion

Um die Ähnlichkeiten zwischen DNA und Proteinen besser zu verstehen, ist es hilfreich zu wissen, wie DNA aufgebaut ist und welche Rolle sie in einem Organismus spielt. DNA ist die Abkürzung für Desoxyribonukleinsäure. Woher dieser Name kommt, wird deutlich, sobald man die Zusammensetzung von DNA betrachtet hat.

Monomere der DNA

Wie du schon gelernt hast, ist DNA ein Polymer und besteht somit aus einzelnen Untereinheiten, den Monomeren. Bei DNA nennt man jedes Monomer Nukleotid, sodass man DNA auch als Polynukleotid bezeichnen könnte. Ein Nukleotid besteht aus:

• Phosphat
• Zucker (2-Desoxyribose)
• Nukleinbase

Die Verbindung von Nukleinbase und Zucker allein wird auch Nukleosid genannt.

Die Nukleinbase wird unter Wasserabspaltung (Kondensationsreaktion) an die 1'-Position von Ribose gehangen. Es handelt sich um eine N-glykosidische Bindung. Das Phosphat wiederum ist über eine Esterbindung mit der 5'-Position der Ribose verknüpft.

Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen DNA-Monomere, also Nukleotide, ist ihre spezifische Nukleinbase. In DNA gibt es vier verschiedene Nukleinbasen, die man je nach Anzahl der Ringe in ihrer chemischen Struktur den Gruppen der Purin- und Pyrimidinbasen zuteilen kann. Hier ein kurzer Überblick:

Über die Abfolge verschiedener Nukleinbasen wird schließlich unser Genom codiert. Wie die Nukleotide dazu miteinander verknüpft werden, erfährst du im Anschluss.

Verknüpfung von Nukleotiden

Ein Polymer aus Nukleotiden, also DNA, entsteht durch die Ausbildung von Phosphorsäurediesterbindungen zwischen dem Phosphat des einen Nukleotids und der Ribose des nächsten. So entsteht eine Verbindung der 5' und 3' C-Atome. Deshalb spricht man bei einem auch DNA-Strang von einem 5' und einem 3'-Ende.

Zwei DNA-Einzelstränge können sich zur bekannten DNA-Doppelhelix zusammenlagern. Dabei begegnen sich jeweils komplementäre Nukleinbasen (A und T, G und C) über Wasserstoffbrücken (Watson-Crick-Basenpaarung). Zusammen mit weiteren stabilisierenden Mechanismen bildet sich eine rechtsgängige β-Helix mit großen und kleinen Furchen. Diese können Proteine dabei unterstützen, die DNA-Sequenz sogar von außen zu erkennen.

Zusätzliche Krümmungen in der Doppelhelix ergeben sich durch bestimmte Abfolgen von Nukleinbasen und durch die Interaktion mit Proteinen.

DNA Funktion

Wie schon erwähnt, ermöglicht DNA die Speicherung der Erbinformation. Die Gesamtmenge der DNA ergibt das Genom. Ein Gen hingegen ist ein definierter DNA-Abschnitt, der zur Synthese von Proteinen oder verschiedenen RNA-Typen genutzt wird. RNA verfügt über eine noch größere strukturelle und funktionelle Vielfalt und dient u.a. als Informationsträger oder Katalysator.

Proteine – Aufbau und Funktion

Proteine werden manchmal auch Eiweiße genannt. Sie sind sehr variabel und haben, wie Bestandteile eines riesigen Werkzeugkastens, vielseitige Funktionen. Wie DNA sind auch Proteine Polymere.

Monomere von Proteinen

Proteine bestehen aus Aminosäuren, um genau zu sein aus sogenannten proteinogenen Aminosäuren. Davon gibt es 21, die nach den chemischen Eigenschaften ihrer Seitenketten in verschiedene Gruppen eingeteilt werden können (z. B. unpolar/polar, sauer/basisch). Manche notwendigen Aminosäuren kann der Körper nicht selbst aufbauen, sondern muss sie über die Nahrung aufnehmen. Sie werden als essenzielle Aminosäuren bezeichnet.

Abgesehen von den Seitenketten ist jede proteinogene Aminosäure gleich aufgebaut. Es handelt sich um Carbonsäuren - sie verfügen also über eine Carboxylgruppe (-COOH). Zusätzlich besitzen sie eine Aminogruppe (NH₂). Weil sich diese am ersten C-Atom befindet, spricht man auch von α-Aminosäuren.

Beispiele für Aminosäuren mit verschiedenen funktionellen Gruppen sind Alanin, Glutamin und Tyrosin.

Verknüpfung von Aminosäuren

Die Verbindung vieler Aminosäuren ergibt ein Protein. Dafür müssen sie untereinander Peptidbindungen eingehen. Unter Wasserabspaltung reagiert dabei die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten.

Die so entstehende Sequenz wird auch als Primärstruktur bezeichnet. Um ein funktionelles Protein zu bilden, müssen jedoch noch weitere Faltungen stattfinden. Die Sekundärstruktur aus α-Helices und β-Faltblättern wird mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen gebildet. In der Tertiärstruktur reagieren weiter entfernte funktionelle Gruppen von Aminosäuren miteinander und verändern die Struktur noch einmal. Mehrere nach diesem Prinzip geformte Untereinheiten bilden sich schließlich in der Quartärstruktur zu einem Molekülkomplex zusammen.

Proteine – Funktion

Die vielen verschiedenen Aminosäuren und die Vielzahl von Strukturen, die sie im zusammengesetzten Protein erzeugen können, machen auch ihre Funktionsvielfalt deutlich. Proteine dienen u.a. als:

• Enzyme
• Rezeptoren und Ionenkanäle
• Transportmoleküle (z. B. Hämoglobin im Blut zum Sauerstoff-Transport)
• Hormone
• Membranproteine, Bausteine des Zytoskeletts
• Energiequelle (durch Abbau zu Aminosäuren)
• Signalübertragung

Ohne Proteine wären grundlegende Funktionen in Organismen nicht durchführbar.

DNA und Proteine – Unterschiede und Ähnlichkeiten

Nachdem du DNA und Proteine nun in ihrer Struktur und Funktion kennengelernt hast, findest du hier noch einmal eine Gegenüberstellung der beiden Polymere:

Der wichtigste Zusammenhang zwischen DNA und Proteinen besteht darin, dass DNA für Proteine codiert.

Von DNA zum Protein

Ungefähr 2 % der DNA werden in Proteine umgesetzt. Diesen Teil der DNA nennt man deshalb auch codierende DNA. Nicht-codierende Abschnitte der DNA übernehmen andere wichtige Aufgaben, zum Beispiel im Bereich der Genregulation.

Den Prozess der Übersetzung eines DNA-Abschnitts in ein Protein wird mit dem Begriff Genexpression zusammengefasst. Sie beinhaltet folgende Prozesse:

1. Transkription
2. RNA-Prozessierung
3. Translation
4. Posttranslationale Modifikation

Welche Gene exprimiert werden, wird zell- und entwicklungsstadienabhängig reguliert.

Transkription und Translation unterscheiden sich leicht, je nachdem, ob man Prokaryonten oder Eukaryonten betrachtet. Die folgende Beschreibung dient als grober Überblick über die Abläufe in beiden Organismen.

Transkription

Die Transkription ist der erste Schritt der Genexpression, also der Überführung eines Gens in ein Protein.

Aufbau eines Gens

Bei einem Gen lassen sich grundsätzlich zwei Bereiche unterscheiden: Exons und Introns. In den Exons sind die Informationen für die Aminosäuresequenz gespeichert, sie sind also kodierend. Die Introns liegen zwischen den Exons und sind nicht kodierend.

Am Anfang eines Gens liegt der Promotor, der z. B. eine sogenannte TATA-Box (eine spezifische DNA-Sequenz aus Thymin und Adenin) enthält. Der Promotor ist Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren.

Zusätzlich gibt es Enhancer. Sie liegen weit vor dem Gen, können durch Schleifenbildung allerdings mit dem Promotor zusammengebracht werden und so die Transkription verstärkt ablaufen lassen. So wirken sie genau gegensätzlich zu den Silencern, die die Transkription hemmen.

Ablauf der Transkription

Zur Transkription eines Gens wird Folgendes benötigt:

• DNA-Strang als Matrizenstrang
• Transkriptionsfaktoren
• RNA-Polymerasen (Enzyme, die für die RNA-Synthese verantwortlich sind)

Die Transkription lässt sich in drei Phasen gliedern: Initiation, Elongation und Termination.

In der Initiation binden allgemeine Transkriptionsfaktoren an den Promotor, was die Bindung der RNA-Polymerase ermöglicht. Binden zusätzlich spezifische Transkriptionsfaktoren an einen Enhancer, kann dieser Vorgang gefördert werden. Der DNA-Doppelstrang wird getrennt, sodass der Matrizenstrang frei liegt.

Die Elongation besteht aus der Verknüpfung von Nukleotiden zu prä-mRNA, auch hnRNA genannt. Wichtig ist, dass die RNA-Polymerase den Matrizenstrang in 3'-5'-Richtung abliest. Die prä-mRNA wird also in 5'-3'-Richtung synthetisiert. Es wird immer das zur abgelesenen Nukleinbase komplementäre Nukleotid eingebaut.

In der Termination wird die Transkription beendet, indem die RNA-Polymerase II auf Terminationszonen trifft.

RNA-Prozessierung

Im Zuge der RNA-Prozessierung reift die prä-mRNA zur fertigen mRNA, die zur Proteinsynthese verwendet werden kann. Sämtliche Prozesse sowie Fehler dieses Vorgangs beeinflussen die Struktur des entstehenden Proteins.

Polyadenylierung und Capping

Sowohl der Anfang, als auch das Ende der mRNA werden bearbeitet. An das 5'-Ende wird Methylguanosin-triphosphat gebunden, was man als 5'-Capping bezeichnet. An das 3'-Ende werden außerdem ungefähr 200 Adenin-Nukleotide (Poly-A-Schwanz) angehängt. Beides dient u.a. dem Schutz der mRNA vor Degeneration.

Splicing

Splicing beschreibt das Herausschneiden von Introns aus der prä-mRNA. Sie müssen entfernt werden, da sie für keine funktionelle Aminosäuresequenz codieren und somit fehlerhafte Proteine entstehen könnten.

Von großer Relevanz ist auch das "Alternative Splicen", bei dem verschiedene Isoformen eines Proteins gebildet werden können, je nachdem, welche Exons am Ende zurückbleiben.

Nach der RNA-Prozessierung ist die mRNA bereit für die Translation.

Translation

In der Translation wird die Nukleotidsequenz der mRNA erneut abgelesen und als Vorlage für die Synthese eines Proteins verwendet.

Prinzip der Codierung für Aminosäuren

Abfolgen von Nukleinbasen codieren für Aminosäuren. Dazu werden jeweils Basen-Tripletts betrachtet - diese drei Nukleotide hintereinander nennt man Codon. Sie stehen für eine Aminosäure.

Insgesamt gibt es 64 Codons, 61 davon können in Aminosäuren übersetzt werden. Bei den restlichen drei handelt es sich um Stopp-Codons, die das Ende der Translation bedeuten.

Nach der Initiation liegt die Start-tRNA in der P-Stelle vor. Mithilfe von Elongationsfaktoren wird die mRNA von 5'- zu 3'-Ende abgelesen und währenddessen eine Kette aus Aminosäuren erzeugt (Polypeptidkette). Grob kannst du dir den Ablauf folgendermaßen vorstellen:

1. Aminoacyl-tRNA mit passendem Anticodon bindet in der A-Stelle des Ribosoms.
2. Durch enzymatische Aktivität von Ribosom-Bestandteilen werden die Aminosäuren der P-Stelle auf die freie Aminogruppe der neuen tRNA übergeben.
3. Das Ribosom wandert ein Basentriplett weiter, wodurch die tRNA von der P-Stelle in die E-Stelle und die tRNA von der A-Stelle in die P-Stelle rutscht (Translokation). Über die E-Stelle kann das Ribosom verlassen werden.
4. Zyklus beginnt von Neuem.

Der Zyklus läuft so lange ab, bis eine Polypeptidkette der gewünschten Länge entstanden ist. Dann befindet sich auf der mRNA eines der Stoppcodons (UGA, UAA, UAG). Statt wie zuvor eine beladene tRNA bindet nun ein Terminationsfaktor, durch den tRNA und Polypeptidkette getrennt werden. Die Einheiten des Ribosoms trennen sich ebenfalls und können an anderer Stelle erneut mit der Translation beginnen.

Posttranslationale Modifikation

Nach abgeschlossener Translation finden meist noch Modifikationen statt, die die Eigenschaften des Proteins beeinflussen. Beispiele für posttranslationale Modifikationen sind:

• Glykosylierung (Anhängen von Kohlenhydraten)
• Phosphorylierung (Anhängen von Phosphatgruppen)
• Acetylierung (Anhängen einer Acetylgruppe)
• Lipidierung (Anhängen von Fetten)

Die proteinspezifischen Strukturen bilden sich aus und das Protein kann seine Funktion übernehmen.

DNA-bindende Proteine

Proteine gehen nicht nur aus dem genetischen Code auf der DNA hervor, sie können auch an DNA binden. Diese Protein-DNA-Wechselwirkungen sind eine Möglichkeit, wie DNA und Proteine in Organismen zusammenarbeiten können.

Arten DNA-bindender Proteine

Viele DNA-bindende Proteine hast du sogar schon kennengelernt, als es um Transkription und Translation ging. Dabei spielen sie nämlich eine wichtige Rolle.

Die Proteine haben eine DNA-bindende Proteindomäne gemeinsam. Mögliche Bindungsstellen sind Phosphat- und Desoxyribose der DNA sowie die Nukleinbasen.

Sequenzunspezifische Bindung

Unspezifisch an DNA-bindende Proteine binden eher an das überall einheitliche Rückgrat aus Zucker und Phosphat. Dazu gehören zum Beispiel Polymerasen, die die DNA entlangwandern.

Sequenzspezifische Bindung

Für die Funktion anderer Proteine ist es hingegen notwendig, dass sie spezifische DNA-Abschnitte erkennen. Dazu gehören zum Beispiel Transkriptionsfaktoren. Sie orientieren sich an der Abfolge der Nukleinbasen.

Bindung an einzel- und doppelsträngige DNA

Manche Proteine binden je nach Funktion einzel- und andere doppelsträngige DNA. Für die Bindung an Doppelstränge eignen sich eher unspezifisch bindende Proteine, weil die Basensequenz schwieriger zu erkennen ist. Wichtige Beispiele sind z. B. Histone, die für die Verpackung der DNA im Zellkern verantwortlich sind. Aber auch Reparaturenzyme können Doppelstränge binden.

Im Einzelstrang liegt DNA meist nur temporär vor, beispielsweise während der Transkription und Translation. Die bei diesen Abläufen beteiligten Proteine binden entsprechend oft einzelsträngige DNA.

Charakteristische Strukturen

Bestimmte Strukturen DNA-bindender Proteindomänen lassen sich immer wieder finden. Dazu gehören:

Helix-Turn-Helix

Das Helix-Turn-Helix-Motiv vermittelt mithilfe von zwei über eine β-Schleife verbundene α-Helices die Bindung an spezifische DNA-Sequenzen. Unter anderem über Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen interagieren Nukleinbasen und Aminosäuren miteinander. Dadurch, dass zwei Helices vorhanden sind, die sich rechtwinklig zueinander anordnen können, wird größere Spezifität und Stabilität der Bindungen ermöglicht.

Zinkfinger

Wie der Name schon sagt, ist bei Zinkfingerproteinen ein an Cystein und Histidin gebundenes Zinkion von Bedeutung. Es sorgt für eine schleifenförmige Struktur der Polypeptidkette, die z. B. als Bestandteil von Transkriptionsfaktoren an DNA bindet.

Leucin-Zipper

"Zipper" bedeutet Reißverschluss und so ähnlich ist auch die Proteinstruktur aufgebaut: α-Helices aus zwei Proteinen, die in bestimmter Anordnung Leucin beinhalten, wickeln sich umeinander und bilden eine Super-Helix. Ihr Ende gabelt sich zu einer DNA-Bindungsstelle, die häufig positiv geladen ist.

DNA und Proteine in der vergleichenden Molekularbiologie

Vergleichende Molekularbiologie ist ein Teilgebiet der Evolutionsforschung, in dem verschiedene Moleküle von unterschiedlichen Organismen betrachtet und dabei Ähnlichkeiten, sowie Unterschiede herausgestellt werden. So kann man z. B. auf das Verwandtschaftsverhältnis verschiedener Spezies schließen.

Dafür gibt es verschiedene Methoden, die sowohl an DNA, als auch an Proteinen ansetzen können. Beide Moleküle sind geeignet, da DNA die Grundlage für die Aminosäuresequenz darstellt.

Unterscheidet sich die Abfolge von Nukleinbasen oder Aminosäuren in der gleichen Struktur bei verschiedenen Lebewesen kaum, so sind sie vermutlich nah miteinander verwandt.