Genetische Expression: Transkription und Translation

Genetische Expression: Transkription und Translation

Transkription: Die RNA-Synthese ausgehend von der DNA. Ein RNA-Strang besteht aus einer Folge von Basen, die komplementär zum Original sind.
Translation (Übersetzung): Die Weitergabe der in der RNA enthaltenen Informationen zur Bildung von Proteinen.
Diese Prozesse treten immer in der Zelle auf.
Zweck: Kontrolle des Zellbetriebs (Koordination aller zellulären Prozesse).

• Matrizenstrang (Mold string): Der DNA-Strang, der transkribiert wird.
• Informationsstrang (Coding string): Der zusätzliche DNA-Strang. Er ähnelt der mRNA, hat aber Uracil (U) anstelle von Thymin (T).

Das Start-Signal zeigt dem Enzym an, wann die Kette beginnt.

1. Transkription in prokaryontischen Organismen

Initiationsphase:
Die RNA-Polymerase erkennt den Promotor (Start-Signal).

Elongationsphase:
Die RNA-Polymerase öffnet die Doppelhelix und beginnt mit dem Einsetzen komplementärer Nukleotide (erstellt eine Kopie). Während die Kopie erstellt wird, spiralisiert sich die DNA-Doppelhelix hinter der fortschreitenden RNA-Polymerase wieder, und die mRNA gelangt in das Zytoplasma. Da die Zelle keine Kernmembran besitzt, ist keine Reifung der mRNA erforderlich. Transkription und Translation finden gleichzeitig statt; die mRNA lagert sich an die Ribosomen an, wo sie den Aminosäuren zur Bildung von Proteinen entspricht. Das Ribosom beginnt, das 5'-Ende der mRNA zu übersetzen.

Der transkribierte Strang (Matrizenstrang) ist nicht für alle Gene derselbe. Die Leserichtung des Enzyms RNA-Polymerase ist 3' → 5'. Da die zwei Ketten antiparallel verlaufen, bewegen sich die RNA-Polymerasen unter Berücksichtigung der räumlichen Orientierung in entgegengesetzte Richtungen.

Terminationsphase:
Wenn die RNA-Polymerase das Signal für den Terminator liest, endet das Kopieren des Gens, während die Ribosomen weiterhin die mRNA lesen und Proteine bilden.

2. Transkription in eukaryotischen Organismen

Initiationsphase:
Vor dem Promotor gibt es Sequenzen (Enhancer), die eine Reaktion auslösen, um den Prozess korrekt zu steuern, sowie Silencer-Sequenzen, die als Unterdrücker wirken. Aktivatoren und Repressoren binden an diese Sequenzen. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle des Gens und seiner Aktivität. Damit diese Sequenzen auf die RNA-Polymerase wirken können, muss die DNA gebogen sein.

Elongationsphase:
Unterschiede zu Prokaryoten:

• Am 5'-Ende wird eine „Kappe“ hinzugefügt: Methyl-GTP.
• Transkription und Translation finden nicht gleichzeitig statt: Ribosomen befinden sich im Zytoplasma (außerhalb des Kerns). Die Translation erfolgt erst nach der Reifung der Prä-mRNA im Zytoplasma.

Terminationsphase:
Sobald das Transkript fertig ist, wird am 3'-Ende ein Poly-A-Schwanz hinzugefügt, der es der Prä-mRNA ermöglicht, den Kern zu verlassen. Die Kernporen sind Proteine, die den Ein- oder Austritt aus dem Kern gestatten, wenn ein Signal (Poly-A) vorliegt. Das Methyl-GTP dient dem Ribosom als Signal, wenn die mRNA im Zytoplasma ankommt.

Reifephase (Splicing):
Die Reifung besteht aus dem Entfernen von Stücken, die keine nützlichen Informationen enthalten (Introns). Exons sind die Teile mit nützlichen Informationen. Dieser Prozess findet im Zellkern statt.

3. Die Translation der genetischen Information

Translation: Synthese eines Proteins (in der Regel ein Enzym) basierend auf den in der mRNA enthaltenen Informationen.

0. Bindung spezifischer tRNAs an die entsprechenden Aminosäuren:
Dies ist eine Vorstufe. Die Enzyme (Aminoacyl-tRNA-Synthetasen) verbinden die Aminosäuren mit der jeweils entsprechenden tRNA.

1. Initiation:
Kopplung zwischen den zwei Untereinheiten des Ribosoms, der mRNA und der Start-tRNA (Met) am Start-Signal. Der Prozess beginnt am 5'-Ende der mRNA. Das Codon für das Start-Signal ist AUG. Vorhergehende Nukleotide werden ignoriert. In der zentralen Zone besetzt das Ribosom zwei Tripletts: die P-Stelle (Peptidyl-Stelle) und die A-Stelle (Akzeptor-Stelle).

2. Elongation:
An der Akzeptor-Stelle trifft die nächste tRNA ein. Es bildet sich eine Peptidbindung zwischen den Aminosäuren. Die erste tRNA (Met) wird freigesetzt und das Ribosom rückt ein Triplett weiter (ribosomale Translokation). Dieser Schritt wird wiederholt: Die Akzeptor-Stelle wird frei, die nächste passende tRNA rückt nach...

3. Termination:
Wenn das Ribosom auf ein Stopp-Triplett trifft, trennen sich die zwei Untereinheiten des Ribosoms und das Protein wird freigesetzt.

Zu berücksichtigen:

• Der Prozess beginnt immer am 5'-Ende, sobald das Start-Signal (AUG) erscheint.
• Sobald das erste Ribosom ein Stück vorgerückt ist, kann sich ein weiteres Ribosom anlagern. So können von einer mRNA gleichzeitig durch mehrere Ribosomen identische Proteine synthetisiert werden (Polysom).
• Die Lebensdauer einer mRNA beträgt etwa 20–30 Minuten. Dies ermöglicht die Produktion tausender Proteinkopien, bevor sie abgebaut wird, um die Proteinproduktion zu steuern.

4. Merkmale des genetischen Codes

• Universell: Das Verhältnis zwischen Codons und Aminosäuren ist bei fast allen Lebewesen gleich.
• Eindeutig: Jedes Codon ist nur einer Aminosäure zugeordnet.
• Kontinuierlich und gerichtet: Er wird immer von 5' nach 3' gelesen (unidirektional).
• Nicht überlappend: Die Codons liegen hintereinander; ein Nukleotid gehört niemals zu zwei Codons gleichzeitig.
• Start- und Stopp-Signale: Das AUG-Codon (Met) ist das Start-Signal. Es gibt drei Codons, die das Ende der Translation anzeigen: UAA (Ocker), UAG (Bernstein) und UGA (Opal).
• Methionin und Tryptophan sind die einzigen Aminosäuren, die durch nur ein einziges Codon codiert werden.