Genexpression verstehen: Translation, RNA-Prozessierung und DNA

Einführung: Antibiotika und die Darmflora

Antibiotika töten nicht nur schädliche Bakterien ab, sondern auch nützliche oder „gute“ Bakterien, die in unserem Körper existieren. Dies kann zu Nebenwirkungen wie Magen-Darm-Problemen oder Pilzinfektionen führen.

Die Translation: Von RNA zum Protein

Die Translation ist der entscheidende Prozess, bei dem die genetische Information, die in der mRNA gespeichert ist, in Proteine umgewandelt wird. Dies geschieht mithilfe des genetischen Codes, der aus Basentripletts (Codons) besteht. Jedes Codon codiert für eine spezifische Aminosäure. Die Translation findet an den Ribosomen statt und gliedert sich in drei Hauptphasen: Initiation, Elongation und Termination.

Phasen der Proteinbiosynthese

Initiation

In dieser Phase bindet die kleine Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Das Initiations-tRNA-Molekül mit der Aminosäure Methionin bindet an das Startcodon AUG. Anschließend bindet die große Untereinheit des Ribosoms, und die Translation beginnt.

Elongation

Während der Elongation werden die Aminosäuren in der Reihenfolge der Codons auf der mRNA hinzugefügt. Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA, und neue tRNA-Moleküle tragen Aminosäuren heran, die sich entsprechend den Codons paaren. Die Aminosäuren werden miteinander verbunden, und die wachsende Polypeptidkette wird freigesetzt.

Termination

Wenn das Ribosom ein Stopcodon auf der mRNA erreicht, wird die Translation gestoppt. Ein spezielles tRNA-Molekül bindet an das Stopcodon (dieses trägt keine Aminosäure). Das Ribosom trennt dann die fertige Polypeptidkette von der letzten tRNA, und der Prozess ist abgeschlossen.

RNA-Prozessierung bei Eukaryoten

Bei Eukaryoten findet die Prozessierung der RNA in einem komplexen Prozess statt. Nach der Transkription der DNA entsteht die prä-mRNA, die noch Introns (nicht-codierende Abschnitte) und Exons (codierende Abschnitte) enthält. Die Introns werden entfernt und die Exons miteinander verbunden. Dadurch entsteht die reife mRNA, die für die Translation verwendet wird.

Wichtige Modifikationen der mRNA

• 5'-Cap-Struktur: Die mRNA wird an ihrem 5'-Ende mit einer sogenannten 5'-Cap-Struktur versehen.
• Poly-A-Schwanz: Am 3'-Ende wird die mRNA mit einer Poly-A-Schwanzsequenz modifiziert.

Diese Modifikationen schützen die mRNA vor dem Abbau und ermöglichen eine effiziente Translation. Die Prozessierung der RNA ist ein wichtiger Schritt, um die genetische Information in funktionelle Proteine umzusetzen.

Alternatives Spleißen: Erhöhung der Proteinvielfalt

Alternatives Spleißen ist ein Prozess der RNA-Prozessierung, bei dem verschiedene Kombinationen von Exons verwendet werden, um unterschiedliche reife mRNA-Moleküle zu erzeugen. Dadurch können aus einem einzelnen Gen mehrere Proteine entstehen. Dieser genetische Mechanismus erhöht die Vielfalt der produzierten Proteine und ermöglicht es den Zellen, verschiedene Funktionen zu erfüllen und sich an unterschiedliche Bedingungen anzupassen. Es ist faszinierend, wie die Natur die genetische Information nutzt.

tRNA-Aktivierung (Aminoacylierung)

Bei der tRNA-Aktivierung wird die tRNA mit der passenden Aminosäure verbunden. Dieser Prozess findet während der Translation statt. Die tRNA wird von einem Enzym, der Aminoacyl-tRNA-Synthetase, aktiviert. Dieses Enzym erkennt die spezifische Sequenz auf der tRNA und bindet die entsprechende Aminosäure daran. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die richtige Aminosäure während der Proteinbiosynthese verwendet wird.

Grundlegende Konzepte der Molekularbiologie

DNA-Struktur

Die DNA besteht aus zwei Strängen von Nukleotiden, die eine Doppelhelix bilden. Jeder Nukleotid besteht aus einem Zucker (Desoxyribose), einem Phosphatrest und einer stickstoffhaltigen Base (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin). Die Basen sind über Wasserstoffbrückenpaare verbunden (A mit T, G mit C).

Nukleotide

Nukleotide sind die Bausteine von Nukleinsäuren (DNA und RNA). Die stickstoffhaltigen Basen bestimmen die genetische Information.

Proteine und Aminosäuresequenz

Proteine bestehen aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Die spezifische Aminosäuresequenz bestimmt die Funktion des Proteins.

Der Genetische Code

Der genetische Code ist die Zuordnung von Nukleotidtripletts (Codons) zu bestimmten Aminosäuren. Dieser Code bestimmt die endgültige Proteinsequenz.

Der Promotor: Startpunkt der Genexpression

Der Promotor ist ein wichtiger Abschnitt in der DNA, der sich vor dem Startpunkt eines Gens befindet und eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Genexpression spielt. Der Promotor enthält spezifische DNA-Sequenzen, an die Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, binden können. Diese Transkriptionsfaktoren helfen, die RNA-Polymerase zu rekrutieren und den Transkriptionsprozess zu starten, bei dem die DNA in RNA umgeschrieben wird. Der Promotor fungiert somit als „Anschaltknopf“ für die Genexpression.