Bei der Genexpression fließt die genetische Information von der DNA über die RNA zum Protein. Das bezeichnet man auch als das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Dabei nennt man die Übersetzung der DNA in RNA Transkription, die Proteinbiosynthese anhand der RNA-Matrize Translation. Details zur Genexpression und Transkription sind in dem Kapitel „Genexpression und Transkription“ zu finden. Show
Die Translation findet an den Ribosomen statt - großen Molekülkomplexen aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Die Ribosomen binden die RNA-Matrize, die auch als Messenger RNA (mRNA, Boten-RNA) bezeichnet wird, und katalysieren anhand dieser Vorlage die Bildung eines Polypeptids. Dabei knüpfen sie schrittweise eine Aminosäure an die nächste. Neben der mRNA und der rRNA sind die Transfer RNAs (tRNAs) wichtige RNAs der Translation. Sie bilden die Adaptermoleküle, die die eigentliche Übersetzung der mRNA-Sequenz in die Aminosäuresequenz der synthetisierten Proteine leisten: Sie erkennen die Basentripletts auf der mRNA und liefern die dazugehörigen Aminosäuren für den Einbau in die Peptidkette. Die Translation endet, wenn eine bestimmte Basensequenz auf der mRNA erreicht ist. Dann dissoziiert das Ribosom; die mRNA und das neu synthetisierte Protein werden freigesetzt. Schon während der Translation beginnen Proteine, sich in ihre korrekte dreidimensionale Struktur zu falten. Nur wenn sie richtig gefaltet sind, können sie ihre Funktion ausüben. Verschiedene spezialisierte Proteine helfen den entstehenden Proteinen bei der Ausbildung ihrer Struktur bzw. sorgen durch Modifikation bestimmter Aminosäureseitenketten dafür, dass ein Protein nach der Translation funktionsfähig ist. Dazu gehört auch, dass das Protein an den richtigen Ort innerhalb der Zelle gelangt, z.B. in die Zellmembran oder in die Mitochondrien. Die Translationsrate wird an die vorliegenden zellulären Bedingungen angepasst, z.B. kann die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Nährstoffe die Translationsrate beeinflussen. Prinzip der Proteinbiosynthese
Grundlagen: Genetischer Code, RNAs und RibosomenDer genetische Code
Das Stoppcodon UGA codiert unter bestimmten Bedingungen auch für die Aminosäure Selenocystein! Selenocystein wird am Ribosom in die wachsende Polypeptidkette eingebaut! Um sich die Stoppcodons UGA, UAG und UAA zu merken hilft: U Go Away, U Are Gone und U Are Away! Die Translation wird in drei Phasen eingeteilt: Die Initiation, die Elongation und die Termination . Initiation der Translation
Damit ein Protein seine Funktion innerhalb der Zelle oder im Organismus ausführen kann, muss es korrekt gefaltet sein. Das bedeutet, dass das Protein eine besondere dreidimensionale Struktur einnimmt. Die Faltung eines Proteins beginnt schon während der Translation. Die Raumstruktur ist in der Aminosäuresequenz des Proteins festgelegt (für Details zur Raumstruktur und Denaturierung von Proteinen siehe auch: Aminosäuren und Proteine). Proteinfaltung
Zur Funktionsfähigkeit vieler Proteine gehört nicht nur, dass sie korrekt gefaltet sind. Sie erhalten auch oft während oder nach der Translation spezifische chemische Veränderungen, sog. co- oder posttranslationale Modifikationen. So entstehen z.B. fertige Proteine nach Spaltung aus einem Vorläuferprotein oder durch Oxidation von Cysteinresten zu Disulfidbrücken. Es können aber auch spezifische Seitenketten modifiziert werden, z.B. durch Anhängen von Zuckerresten, hydrophoben Gruppen oder (reversibel) von verschiedenen funktionellen Gruppen. ProteinglykosylierungManche Proteine enthalten kovalent gebundene Kohlenhydratgruppen (Oligosaccharide). Dann bezeichnet man sie als Glykoproteine. Häufig handelt es sich dabei um Proteine der Zellmembran oder sekretorische Proteine, z.B. Serumproteine wie Erythropoetin.
N-GlykosylierungO-GlykosylierungOrt
Die N-Glykosylierung, also das Anhängen von Zuckern an Asparaginreste von Proteinen, beginnt im rauen ER! Der Zuckerrest N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) schützt Glykoproteine vor dem Abbau durch die Leber! Die enzymatische Glykosylierung sollte nicht mit der nicht-enzymatischen Glykierung verwechselt werden: Bei der Glykierung binden Aldosen wie Glucose mit ihrer Carbonylgruppe spontan in einer Schiff-Base-Reaktion an Aminogruppen von Proteinen und können so deren Funktion beeinträchtigen! Glykierte Proteine durchlaufen weitere chemische Umlagerungsprozesse und werden dann auch als AGEs (Advanced Glycation End Products) bezeichnet. Achte darauf, in welchem Kompartiment die Modifikation stattfindet. Die N-Glykosylierung findet hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum statt, während die O-Glykosylierung im Golgi-Apparat lokalisiert ist. HbA1c Nicht alle Proteine erfüllen ihre Aufgabe im Zytosol: Viele Proteine müssen in andere zelluläre Kompartimente transportiert werden, z.B. in die Mitochondrien, den Zellkern oder die Zellmembran, oder werden sezerniert.
Translokation von Ribosomen an das raue ERProteine, die die Zelle verlassen sollen (sekretorische Proteine, z.B. Fibronektin) sowie Membranproteine und lysosomale Proteine werden zuerst an freien Ribosomen des Zytosols synthetisiert. Ihre Synthese wird allerdings kurz nach Beginn angehalten und das Ribosom an die zytosolische Seite des rauen ERs gebracht. Hier wird die Proteinsynthese fortgesetzt und das Protein direkt in das Lumen des ERs hinein synthetisiert. Mechanismus
Die Regulation der Genexpression auf Ebene der Translation ermöglicht eine schnellere zelluläre Antwort auf äußere Faktoren als die transkriptionalen Regulationsmechanismen. Die entsprechenden Mengen von Proteinen in einer Zelle können über eine Anpassung der Translationsrate reguliert werden, z.B. bei veränderter Nährstoffzufuhr, zellulärem Stress oder auch während der Differenzierung und Entwicklung.
Rapamycin Wiederholungsfragen zum Kapitel Translation und ProteinbiosyntheseGrundlagen: Genetischer Code, RNAs und RibosomenWas bezeichnet man als genetischen Code und was bedeutet, dass er „degeneriert“ ist? Nenne ein Beispiel! Wofür stehen die Begriffe Codon und Anticodon und wie wechselwirken diese Nukleotidsequenzen miteinander? Welche Besonderheit gibt es bei der Codierung von Selenocystein? Wieso beginnt jedes Polypeptid mit Methionin und was passiert meist co-translational damit? Was ist das sog. Wobble-Phänomen und welche Base verbindest du mit diesem Begriff? Beschreibe den Reaktionsmechanismus bei der Beladung der tRNA! Wie sind Ribosomen grundsätzlich aufgebaut und welche wichtigen Positionen kennst du? Ablauf der Translation bei EukaryotenDie Translation läuft bekanntlich in drei Phasen ab: Initiation, Elongation und Termination. Wie funktioniert der eukaryotische Initiationsfaktor eIF-2? Beschreibe das Prinzip der Elongation! Wie werden die einzelnen Aminosäuren miteinander verbunden? Beschreibe den Ablauf der Translokation bei der Proteinsynthese! Wie wird die Translation beendet? Proteinfaltung und Fehlfaltung von ProteinenWozu dient das Hilfsprotein Protein-Disulfid-Isomerase im Rahmen der Proteinfaltung? Wozu dienen die Chaperone im Rahmen der Proteinfaltung? ProteinmodifikationManche Proteine werden modifiziert, indem Kohlenhydratgruppen (Oligosaccharide) kovalent an sie gebunden werden. Wie nennt man diese Proteine? Welche Typen der Proteinglykosylierung kennst du? Wo finden diese statt? Erkläre die Bedeutung der Proteinglykosylierung am Beispiel der N-Acetylneuraminsäure von Serumglykoproteinen! Wie unterscheiden sich Glykosylierung und Glykierung voneinander? Nenne ein Beispiel für letztere! Wozu dienen Lipidanker? Nenne ein exemplarisches Beispiel für die Anheftung eines Lipidankers! Was versteht man unter reversibler Proteinmodifikation und wozu dient sie? Nenne ein Beispiel! ProteinsortierungWarum findet die Proteinsynthese einerseits an freien Ribosomen, andererseits aber auch an Ribosomen des rauen ER statt? Beschreibe den Mechanismus der Translokation der Ribosomen an das raue ER bis zum Moment der Bindung des Ribosoms an das ER! Wodurch können lysosomale Proteine erkannt und zum Lysosom transportiert werden? Wodurch können lösliche Proteine, die im endoplasmatischen Retikulum ihren Zielort haben (und auch dort verbleiben sollen) erkannt werden? Regulation der TranslationDurch welchen Regulationsmechanismus kann die Translationsrate mittels Phosphorylierung reduziert werden? Nenne ein Beispiel! Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum. MeditricksIn Kooperation mit Meditricks bieten wir dir durchdachte Merkhilfen zum Einprägen relevanter Fakten, dies sind animierte Videos und Erkundungsbilder. Die Inhalte sind vielfach auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend. Viele Meditricks gibt es in Lang- und Kurzfassung, oder mit Basis- und Expertenwissen, Quiz und Kurzwiederholung. Eine Übersicht über alle Inhalte findest du in dem Kapitel Meditricks. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – welche, siehst du im Shop. TranslationInitiation der TranslationElongation & Termination der TranslationProteinfaltung, Proteinmodifikation und ProteinsortierungInhaltliches Feedback zu den Meditricks-Videos bitte über den zugehörigen Feedback-Button einreichen (dieser erscheint beim Öffnen der Meditricks). Wo findet die Translation statt?Die Translation läuft in unserem Zellplasma an den Ribosomen ab. Die mRNA und die Aminosäuren stehen über Adapter-moleküle (=tRNA) in Verbindung, die jeweils mit einer bestimmten Aminosäure beladen sind.
Wo finden die Transkription und die Translation bei Prokaryoten statt?Bei Prokaryoten finden Transkription und Translation im Cytoplasma statt, und die Translation beginnt bereits während der Transkription an der sich bildenden mRNA.
Wo findet die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten statt?Die Proteinbiosynthese beginnt mit der Transkription. Bei Eukaryoten findet diese im Zellkern statt. Hier wird die DNA abgelesen und eine Prä-mRNA gebildet.
Wann findet die Transkription bei Eukaryoten statt?Weiterhin erfolgt bei Prokaryoten die Transkription im Cytoplasma der Zelle, bei Eukaryoten im Zellkern (Karyoplasma). Bei Eukaryoten wird außerdem die prä-mRNA während beziehungsweise nach ihrer Synthese noch prozessiert, bevor sie aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert wird.
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Wo findet die Translation bei Eukaryoten statt?
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