Genexpression: Transkription, Translation und RNA-Typen

Genexpression: Grundlagen der Proteinsynthese

Die Expression der genetischen Information ist der fundamentale Prozess, der zur Synthese spezifischer Proteine führt. Diese Proteine, einschließlich der Enzyme, sind verantwortlich für die strukturellen und funktionellen Eigenschaften eines Organismus.

Jedes Codon (ein Triplett von Nukleotiden) codiert für eine Aminosäure. Das AUG-Codon ist das Initiator-Triplett, das für Methionin steht – alle Proteine beginnen damit. Die Codons UAA, UAG und UGA sind Stopp-Codons, die das Ende der Proteinsynthese signalisieren.

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie

Das zentrale Dogma der Molekularbiologie beschreibt den Informationsfluss in biologischen Systemen:

1. DNA dient als Vorlage für die Synthese eines Messenger-RNA-Moleküls (Transkription).
2. Diese genetische Information wird dann von den Ribosomen zur Synthese eines Proteins verwendet (Translation).

Die Übertragung der genetischen Information erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Stufen, wobei RNA ein unverzichtbarer Vermittler ist.

Typen von RNA

Es gibt verschiedene Typen von RNA, die jeweils spezifische Funktionen bei der Genexpression erfüllen:

• Boten-RNA (mRNA)

  Die Boten-RNA (mRNA) ist eine Kopie eines Teils der DNA. Sie enthält die genetische Information, die von den Ribosomen genutzt wird, um Aminosäuren (AA) in der richtigen Reihenfolge zu einem spezifischen Protein zu verknüpfen. mRNA hat eine sehr kurze Lebensdauer und ist in der Regel monocistronisch (d.h., sie codiert nur für ein Protein). Sie macht etwa 3-5% der zellulären RNA aus.

• Ribosomale RNA (rRNA)

  Die ribosomale RNA (rRNA) ist ein struktureller Bestandteil der Ribosomen. Sie ist maßgeblich am Prozess der Verknüpfung von Aminosäuren zur Proteinsynthese beteiligt. rRNA macht 80-85% der gesamten zellulären RNA aus.

• Transfer-RNA (tRNA)

  Die Transfer-RNA (tRNA) transportiert spezifische Aminosäuren zu den Ribosomen. Jedes tRNA-Molekül bindet eine spezifische Aminosäure. tRNA macht etwa 10% der zellulären RNA aus. Ihre Struktur ähnelt einem Kleeblatt mit vier Armen, von denen drei Schleifen an den Enden bilden, sowie den 3'- und 5'-Enden.

Transkription: RNA-Synthese

Die Transkription ist der Prozess der RNA-Synthese, der im Zellkern stattfindet. Dafür werden benötigt:

• Ein DNA-Strang, der als Matrize (Vorlage) fungiert.
• Das Enzym RNA-Polymerase.
• Ribonukleotid-Triphosphate (ATP, GTP, CTP, UTP) als Bausteine.

Der Transkriptionsprozess umfasst drei Hauptphasen:

• Initiation der Transkription

  Die Initiation beginnt, wenn die RNA-Polymerase ein spezifisches DNA-Signal erkennt, das den Start des Transkriptionsprozesses anzeigt: den Promotor. Promotoren sind kurze Sequenzen von stickstoffhaltigen Basen. Eine Helikase öffnet die DNA-Doppelhelix, um die DNA-Basensequenz für die Bindung der Ribonukleotide freizulegen.

• Elongation der Transkription

  Während der Elongation fügt die RNA-Polymerase aufeinanderfolgend Ribonukleotide hinzu, um den RNA-Strang zu bilden. Die Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang in 3'->5'-Richtung und synthetisiert die RNA in 5'->3'-Richtung. Der synthetisierte RNA-Strang ist komplementär zum DNA-Matrizenstrang. Die Basenpaarung erfolgt nach den Regeln: Guanin (G) paart mit Cytosin (C), und Adenin (A) paart mit Uracil (U) (anstelle von Thymin (T) in der DNA).

• Termination der Transkription

  Bei der Termination erkennt die RNA-Polymerase ein Terminationssignal in der DNA, das das Ende der Transkription anzeigt. Dies beinhaltet das Schließen der gebildeten DNA-Blase und die Trennung des RNA-Transkripts von der DNA und der Polymerase. Am 3'-Ende des RNA-Transkripts wird oft ein Poly-A-Schwanz (eine Sequenz von Adenin-Ribonukleotiden) angefügt, und am 5'-Ende wird eine Kappe (Cap) hinzugefügt. Diese Modifikationen sind wichtig für die Stabilität und die spätere Erkennung bei der Translation.

Translation: Proteinsynthese

Die Translation, auch Proteinsynthese genannt, ist der Prozess, bei dem die genetische Information der mRNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Für diesen Prozess werden benötigt:

• Ribosomen
• Boten-RNA (mRNA)
• Aminosäuren
• Transfer-RNA (tRNA)
• Spezifische Enzyme
• Energie (z.B. in Form von ATP und GTP)

• Ribosomen und ihre Funktion

  Ribosomen sind zytoplasmatische Organellen, die aus zwei Untereinheiten bestehen: einer kleinen Untereinheit, die an die mRNA bindet, und einer großen Untereinheit. Diese Untereinheiten verbinden sich, wenn die Proteinsynthese beginnt. Vor Beginn der Synthese müssen die Aminosäuren im Zytoplasma aktiviert und an spezifische tRNA-Moleküle gebunden werden.

• Initiation der Translation

  Die Initiation der Translation beginnt, wenn das Initiator-Codon der mRNA (AUG) an die kleine ribosomale Untereinheit bindet. Die erste Aminoacyl-tRNA mit dem komplementären Anticodon UAC bindet an das AUG-Codon. Anschließend verbindet sich die große ribosomale Untereinheit. Das Ribosom bedeckt dabei einen Bereich der mRNA, der etwa 6 Nukleotide umfasst. Es gibt zwei Hauptbindungsstellen für tRNA am Ribosom:

  • Die P-Stelle (Peptidyl-Stelle)
  • Die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle)

  Die Elongation und Termination der Translation folgen diesen Schritten, um die vollständige Proteinkette zu synthetisieren.