Die Neusynthese von Proteinen in Organismen wird als Proteinbiosynthese bezeichnet. Proteine gehören neben Fetten und Kohlenhydraten zu den Grundbausteinen von Zellen in allen Lebewesen. Neben strukturellen Funktionen übernehmen verschiedene Proteine eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben in unserem Körper.
Als Basiswissen für diesen Artikel ist es wichtig, die grundlegende Struktur und der Aufbau der DNA zu kennen. Falls dir die DNA noch kein Begriff ist, kannst du das entsprechende Wissen in unserem StudySmarter Artikel zu diesem Thema auffrischen.
Proteinbiosynthese einfach erklärt
Die Proteinbiosynthese ist die Neusynthese von Proteinen in unseren Zellen. Aber worum handelt es sich bei den Proteinen überhaupt? Und warum spielen sie eine so essenzielle Rolle in unseren Körpern und Zellen?
Proteine
Proteine (auch Eiweiße) sind biologische Makromoleküle, welche aus sogenannten Aminosäuren aufgebaut sind. Die entsprechenden Aminosäuren sind über spezifische Peptidbindungen miteinander verknüpft. Aminosäureketten werden auch Polypeptide genannt. Ein Protein kann aus einem oder mehreren Polypeptiden bestehen.
Tiefere Einblicke in die Struktur und Funktionen von Proteinen erhältst du in den StudySmarter Artikeln zur Proteinstruktur und zu den biologischen Funktionen von Proteinen. Schau mal vorbei!
Proteine übernehmen wichtige strukturelle Funktionen im Zellaufbau, sowie eine Vielzahl an unterschiedlichen Aufgaben in unseren Zellen. Proteine sind als sogenannte Biokatalysatoren an einem Großteil der in unseren Körper ablaufenden Stoffwechselvorgänge beteiligt. Proteine, welche also Biokatalysatoren fungieren, werden Enzyme genannt.
Biokatalysatoren sind Moleküle, welche biochemische Reaktionen beschleunigen oder verlangsamen, indem sie die Energiemenge verringern oder erhöhen, die zum Ablaufen einer Reaktion benötigt wird (Aktivierungsenergie). Einige biochemische Reaktionen benötigen Biokatalysatoren, damit sie ablaufen können.
Proteinsynthese
Unsere Zellen synthetisieren Proteine nach einem bestimmten Bauplan, welcher in unserem Genom (DNA) enthalten ist. Die Proteinbiosynthese kann in zwei Teilschritte aufgeteilt werden.
Die Proteinbiosynthese ist die Neusynthese von Proteinen in lebenden Zellen. Es handelt sich um ein für alle Lebewesen zentralen und essenziellen intrazellulären Prozess. Bei der Proteinbiosynthese werden nach Vorgabe von genetischer Information (DNA) neue Proteine aus Aminosäuren aufgebaut.
In einem ersten Schritt wird die Information für das entsprechende Protein im Zellkern ausgelesen und in eine sogenannte messenger-RNA (mRNA) umgeschrieben. Dieser Teilschritt wird Transkription genannt.
Messenger-RNA (mRNA) ist, wie die DNA, eine Nukleinsäure. Im Gegensatz zur DNA kann RNA den Zellkern verlassen. Die mRNA dient im Zuge der Proteinbiosynthese als Transportmolekül für den Bauplan der Proteine.
Im zweiten Schritt der Proteinbiosynthese wird die mRNA in ein entsprechendes Polypeptid (Protein) übersetzt. Dieser Teilschritt wird Translation genannt. Jedes Gen wird beim Prozess der Proteinbiosynthese in ein Polypeptid übersetzt. Man spricht von der sogenannten "Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese".
Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der Proteinbiosynthese
Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten
Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) besitzen keinen Zellkern. Bei Prokaryoten findet die gesamte Proteinbiosynthese im Cytoplasma der Zellen statt. In Eukaryoten dagegen sind die einzelnen Teilschritte der Proteinbiosynthese räumlich voneinander getrennt.
Proteinbiosynthese – Ablauf
Der Ablauf der Proteinbiosynthese ist in Teilabschnitte gegliedert:
Proteinbiosynthese – Transkription
Die Transkription ist die Umschreibung eines Gens in eine mRNA. Ein Gen enthält die Information für den Bau eines Polypeptides.
Transkription ist die Synthese von RNA, wobei die DNA als Vorlage dient und die Basensequenz der DNA in die Basensequenz der RNA umgeschrieben wird.
Damit ein Gen abgelesen und umgeschrieben werden kann, muss die spiralförmige DNA für die Transkription an dem entsprechenden Abschnitt entspiralisiert und in zwei Einzelstränge aufgetrennt werden.
Durch einen entsprechenden Proteinkomplex wird dann der sogenannte codogene Einzelstrang des Gens abgelesen und in eine mRNA umgeschrieben. Das entscheidende Enzym für den Aufbau des mRNA-Einzelstranges (Transkript) ist die sogenannte RNA-Polymerase.
Der codogene Strang ist der Einzelstrang des proteincodierenden Gens, welcher von der RNA-Polymerase als Vorlage zur Bildung der mRNA genutzt wird.
Bei der Transkription entsteht ein zum codogenen Strang komplementärer RNA Strang. Während DNA aus den Basenpaarungen Adenin-Thymin (A-T) und Guanin-Cytosin (G-C) aufgebaut ist, bestehen RNA-Moleküle aus den Basenpaarungen Adenin-Uracil (A-U) und Guanin-Cytosin (G-C). Entsprechende Thymin Basen sind in der RNA also durch Uracil Basen vertauscht.
Der codierende Strang ist der DNA-Strang des Gens, welcher nicht von der RNA-Polymerase genutzt wird. Er entspricht der Basenfolge des entstehenden mRNA-Einzelstrangs (Transkript).
RNA-Prozessierung
Nachdem das Gen in ein mRNA-Transkript umgeschrieben wurde, müssen bestimmte Prozesse stattfinden, damit die entsprechende mRNA als Transportmolekül fungieren kann. Bei diesen Prozessen spricht man von der sogenannten RNA-Prozessierung oder auch vom Reifungsprozess der mRNA. Die RNA-Prozessierung sorgt dafür, dass die richtigen Abschnitte der mRNA in ein Polypeptid übersetzt werden und schützt die mRNA vor dem enzymatischen Abbau.
Die RNA-Prozessierung ist ein Prozess in eukaryotischen Zellen. Aufgrund der Genstruktur ist bei Prokaryoten kein Reifungsprozess der mRNA notwendig.
Tiefere Einblicke zum Ablauf der Transkription und zu den wichtigsten beteiligten Enzymen erhältst du in einem gesonderten StudySmarter Artikel.
Proteinbiosynthese – Translation
Die Translation ist der zweite Teilschritt der Proteinbiosynthese.
Translation ist die Synthese von Proteinen, wobei die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt wird.
Die Translation findet an den sogenannten Ribosomen statt. Ribosomen bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit. Die mRNAs lagern sich an einem Ribosom an und werden mithilfe von sogenannten transfer RNAs (tRNAs) in Polypeptide übersetzt.
Ribosom
Ribosome bestehen aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA). Die kleine Untereinheit erkennt und bindet die entsprechende mRNA. Die große Untereinheit hat drei Bindungsstellen für tRNAs und ist für die Bildung der Polypeptidkette verantwortlich.
Die drei tRNA Bindungsstellen des Ribosoms werden A-(Aminoacyl-), P- (Peptidyl) und E-(Exit) Bindungsstelle genannt. Jede Bindungsstelle hat Platz für ein tRNA Molekül. Die Bindungsstellen werden gleich wichtig, wenn es um den Ablauf der Translation geht.
tRNA
Transfer RNAs (tRNAs) sind wie mRNAs Nukleinsäuren und bestehen aus einer Basensequenz. Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Basen haben tRNAs eine sogenannte Kleeblattstruktur. Auf einer Seite besitzen tRNAs eine Bindestelle für eine spezifische Aminosäure. Auf der anderen Seite liegt eine Erkennungssequenz für die mRNA.
Die Erkennungssequenz für die mRNA besteht aus drei Basen und wird Anticodon genannt. Die tRNAs transportieren spezifische Aminosäuren, passend zu ihren Anticodons. Die tRNAs können also an entsprechenden mRNA-Abschnitten binden, die komplementär zu ihrer Erkennungssequenz (Anticodon) sind.
Ein Anticodon ist eine Dreiergruppe von Basen (Nukleotiden) auf der tRNA, die zu einem Codon auf der mRNA komplementär sind.
Somit entsprechen drei Basen auf der mRNA immer einer Aminosäure. Nach diesem Schema kann die mRNA in ein Polypeptid übersetzt werden. Dieses Prinzip der Übersetzung wird als Genetischer Code bezeichnet.
Genetischer Code
Menschliche Proteine bestehen aus 21 verschiedenen Aminosäuren. Bestimmte Codons des genetischen Codes entsprechen spezifischen Aminosäuren. Sogenannte Basentripletts oder Codons (Basensequenz bestehend aus 3 Basen) entsprechen dabei den verschiedenen Aminosäuren. Neben Tripletts, welche Aminosäuren codieren, gibt es sogenannte Start- und Stopp-Codons.
Ein Codon ist eine Dreierfolge (Triplett) auf der mRNA, die die Position einer Aminosäure in einem Protein bestimmt, beziehungsweise den Translationsstop codiert.
Start-Codons leiten den Beginn der Synthese einer Polypeptidkette ein, während Stopp-Codons zum Abbruch der Synthese und zur Freigabe der Polypeptidkette führen.
Der genetische Code ist degeneriert. Das bedeutet, es gibt eine höhere Anzahl an möglichen Basentripletts als die Gesamtzahl möglicher Aminosäuren. Daher codieren mehrere Codons für die gleiche Aminosäure. So codieren beispielsweise die Codons CGG, CGA, CGC, CGU, AGG und AGA für die Aminosäure Arginin (Arg).
Die sogenannte Code-Sonne zeigt dir, welche Codons der RNA welchen Aminosäuren entsprechen.
Abbildung 4: Code-Sonne zur Übersetzung des genetischen Codes
Mithilfe des StudySmarter Artikels zum genetischen Code kannst Du Dein Wissen zu dieser Thematik noch weiter vertiefen.
Ablauf Translation
Die Information für die Aminosäurekette befindet sich auf dem Gen und wurde im Zuge der Transkription auf eine mRNA umgeschrieben. Anschließend wird die mRNA am Ribosom in eine Aminosäurekette (Polypeptidkette) übersetzt. Jeweils drei Basenpaare (Basentripletts oder Codon) auf der mRNA entsprechen hierbei einer Aminosäure.
- Zu Beginn der Translation bindet das Ribosom an der mRNA und wandert an ihr entlang, bis ein Startcodon (AUG) vorliegt.
- An jeder der drei Bindestellen des Ribosoms befindet sich ein Basentriplett der mRNA. Zu Beginn der Translation befindet sich das Startcodon an der A-Bindungsstelle des Ribosoms. Nun kann eine tRNA mit einem passenden Anticodon an der A-Stelle und an dem Start-Codon binden.
- Jetzt wandert das Ribosom ein Basentriplett an der mRNA weiter. Nun befindet sich das Start-Codon mit der gebunden tRNA in der P-Bindungsstelle. Ein neues ungebundenes Basentriplett befindet sich an der A-Bindungsstelle. Eine passende tRNA kann nun an ihr binden. Es befinden sich demnach zwei tRNA in der P- und A-Bindungsstelle nebeneinander. Beide tRNAs transportieren eine Aminosäure.
- Die Aminosäure der tRNA in der P-Bindungsstelle wird nun auf die Aminosäure der tRNA in der A-Bindungsstelle übertragen. Im Anschluss wandert das Ribosom wieder ein Basentriplett weiter. Die tRNA ohne Aminosäure befindet sich jetzt an der E-Bindungsstelle (Exit-Bindugsstelle) und wird im Anschluss das Ribosom verlassen. An der P-Bindungsstelle befindet sich die tRNA mit der entstandenen Aminosäurekette. Die A-Bindungsstelle ist leer und kann eine neue tRNA aufnehmen
- Die Teilschritte 3 und 4 werden jetzt mit dem immer weiter wandernden Ribosom wiederholt und es entsteht eine immer länger werdende Aminosäurekette.
- An einem bestimmten Punkt gelangt das Ribosom an ein Stopp-Codon. Für die entsprechenden Stopp-Codons gibt es keine tRNAs mit passenden Anticodon. Das führt dazu, dass die Translation abgebrochen wird und die entstandene Aminosäurekette sich von dem Ribosom und der tRNA löst. So kann die mRNA in ein Polypeptid übersetzt werden.
Mit der Übersetzung der mRNA in eine Polypeptidkette ist die Translation abgeschlossen. Teilweise sind Polypeptide schon nach der Translation funktionsfähig. In den meisten Fällen jedoch müssen noch Modifikationen an den entstandenen Polypeptiden vorgenommen werden, damit ein funktionierendes Protein entsteht.
Tiefere Einblicke zum Ablauf der Translation erhältst du in dem entsprechenden StudySmarter Artikel.
Proteinbiosynthese Ablauf einfach erklärt
In der folgenden Abbildung ist der Ablauf der Proteinbiosynthese als Flussdiagramm dargestellt. Dieses soll dir helfen, einen finalen Überblick über die Proteinbiosynthese zu erhalten.
Abbildung 6: Flussdiagramm der Proteinbiosynthese.
Proteinbiosynthese - Das Wichtigste auf einem Blick
- Proteine übernehmen wichtige strukturelle Funktionen im Zellaufbau sowie eine Vielzahl an unterschiedlichen Aufgaben in unseren Zellen.
- Die Proteinbiosynthese ist die Neusynthese von Proteinen in lebenden Zellen. Es handelt sich um ein für alle Lebewesen zentralen und essentiellen intrazellulären Prozess. Bei der Proteinbiosynthese werden nach Vorgabe von genetischer Information neue Proteine aus Aminosäuren aufgebaut.
- Die Proteinbiosynthese wird in Transkription und Translation unterteilt.
- Die Transkription ist die Umschreibung eines Gens in eine mRNA. Ein Gen enthält die Information für den Bau eines Polypeptides beziehungsweise für ein Protein.
- Die Translation ist die Synthese von Proteinen, wobei die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt wird.
- Die durch die Transkription entstehenden mRNAs dienen als Transportmolekül für den genetischen Bauplan von entsprechenden Proteinen.
- Die mRNAs werden im Zuge der Translation an Ribosomen mithilfe von tRNAs in Aminosäuresequenzen übersetzt.
- Die Übersetzung der mRNAs erfolgt nach dem genetischen Code. Hierbei stehen immer eine Dreierfolge von Basen (Basentriplett oder Codon) für eine spezifische Aminosäure in der entstehenden Aminosäuresequenz.
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