Proteinbiosynthese & Genregulation: Schlüsselprozesse der Zelle

22) Verlängerung der Polypeptidkette (Elongation)

Die Verlängerung der entstehenden Polypeptidkette erfolgt durch die kovalente Bindung aufeinanderfolgender Aminosäure-Einheiten. Diese werden jeweils korrekt am Ribosom und an der tRNA positioniert, wobei die tRNA mit einem entsprechenden Codon in der mRNA korrespondiert. Die Elongation erfordert zytosolische Proteine, sogenannte Elongationsfaktoren. Die für die Bindungen benötigte Energie wird durch die Hydrolyse von GTP bereitgestellt.

23) Termination und Freisetzung der Polypeptidkette

Die Termination der Polypeptidkette wird durch ein Stop-Codon in der mRNA signalisiert. Die fertige Polypeptidkette wird mithilfe von Proteinen, den sogenannten Freisetzungsfaktoren, vom Ribosom freigegeben.

24) Proteinfaltung und posttranslationale Modifikation

Um ihre biologisch aktive Form anzunehmen, muss sich das neu synthetisierte Polypeptid in seine korrekte dreidimensionale Konformation falten. Vor oder nach der Faltung kann das Polypeptid enzymatische Modifikationen erfahren. Dazu gehört die Entfernung einer oder mehrerer Aminosäuren, beispielsweise einer Signalsequenz, wobei zwischen 15 und 30 Aminosäurereste verloren gehen können. Diese Signalsequenzen sind oft an der Leitung des Proteins zu seinem endgültigen Bestimmungsort in der Zelle beteiligt.

Weitere Modifikationen umfassen die enzymatische Phosphorylierung spezifischer Hydroxylgruppen von Serin-, Threonin- und Tyrosinresten. Dabei werden unter ATP-Verbrauch negative Ladungen an diese Gruppen angefügt. Die Bildung von Disulfidbrücken trägt ebenfalls zum Schutz der Konformation bei und schützt das Protein vor Denaturierung in extrazellulären Medien, deren Bedingungen erheblich variieren können.

25) tRNA (Transfer-RNA)

tRNAs sind relativ kleine Moleküle, die aus einem einzelnen, gefalteten RNA-Strang bestehen. Zellen besitzen mindestens eine Art von tRNA für jede Aminosäure. Alle tRNAs bilden eine charakteristische Kleeblattstruktur mit vier Armen:

• Der Aminosäure-Arm trägt eine spezifische Aminosäure, die über ihre Carboxylgruppe verestert ist.
• Der Anticodon-Arm enthält das Anticodon (eine Sequenz von drei Basen, komplementär zu den Codons in der mRNA, die die Aminosäure codiert).
• Die beiden anderen Arme sind weitere Schleifen in der gefalteten tRNA-Struktur.

27) Inhibitoren der Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist eine zentrale Funktion in der Zellphysiologie und ein wichtiges Ziel vieler Antibiotika und natürlicher Gifte. Mit einigen Ausnahmen hemmen diese Antibiotika die bakterielle Proteinsynthese. Antibiotika sind wertvolle Werkzeuge für das Studium der Proteinsynthese, da alle Schritte spezifisch durch Antibiotika inhibiert werden können.

Ein bekanntes Antibiotikum ist Puromycin, das von einem Pilz produziert wird. Seine Endstruktur ähnelt stark einer Aminoacyl-tRNA am 3'-Ende, wodurch es an die Ribosomen-Bindungsstelle gelangt und die Synthese hemmt. Ein weiteres Beispiel ist Chloramphenicol, das die Proteinsynthese in Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten inhibieren kann.

28) Prinzip der Genregulation

Gene, die beispielsweise Enzyme von Stoffwechselwegen codieren, werden als Housekeeping-Gene in einem mehr oder weniger konstanten Niveau in fast allen Zellen exprimiert. Die zellulären Spiegel anderer Genprodukte schwanken jedoch als Reaktion auf molekulare Signale, die die Genexpression regulieren.

• Induzierbare Gene: Ihre Konzentration kann unter bestimmten molekularen Umständen erhöht werden. Der Prozess der Erhöhung der Expression wird als Induktion bezeichnet.
• Reprimierbare Gene: Ihre Genprodukte reduzieren ihre Konzentration als Reaktion auf ein molekulares Signal. Dieser Prozess wird als Repression bezeichnet.

29) Ausmaß der Genregulation: Positive und negative Kontrolle

Mindestens drei Arten von Proteinen regulieren den Beginn der Transkription:

• Spezifische Faktoren: Diese ändern die Spezifität der RNA-Polymerase.
• Repressoren: Sie verhindern den Zugang der RNA-Polymerase zum Promotor. Dies ist ein Mechanismus der negativen Regulation.
• Aktivatoren: Sie verbessern die Interaktion der RNA-Polymerase mit dem Promotor. Dies ist ein Mechanismus der positiven Regulation.