zum Directory-modus

Vom Gen zum Protein

tRNA

Die transfer RNA (tRNA, lat. transferre "hinübertragen") nimmt eine zentrale Funktion in allen Zellen ein. Sie ist die Schnittstelle zwischen den Nucleinsäuren und den Proteinen. Neben der tRNA gibt es nur noch ganz wenige Beispiele für kovalente Bindungen zwischen Proteinen und Nucleinsäuren. Man geht davon aus, dass die Vorläufer der heutigen tRNAs bereits zu den allerersten lebenden Zellen gehörten.

Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Zelle einerseits für jede Aminosäure mindestens eine tRNA hat; also mindestens 20, die sich entsprechend unterscheiden müssen. Diese tRNAs müssen andererseits am Ribosom an exakt der gleichen Stelle binden. Deshalb müssen sie also zahlreiche Strukturparameter gemeinsam haben. Mit 76 bis ca. 90 Nucleotide hat die tRNA eine "angenehme" Größe, so dass sie in den 1960er und 1970er Jahren zu einem Lieblingsobjekt der Biochemie wurde. Robert W. Holley gelang die erste tRNA-Sequenzierung, wofür er prompt mit dem Nobelpreis belohnt wurde. Es folgten weitere tRNA-Strukturen, so dass eine große Anzahl an alternativen Modellen über die dreidimensionale Struktur diskutiert wurden. Sun H. Kim und Alex Rich bestimmten schließlich 1973 die erste 3D-Kristallstruktur einer tRNA mittels Röntgenbeugung. Es ist das erste biologisch relevante Makromolekül, das es auf die Titelseite der New York Times schaffte. Die in (Abb. 1) wiedergegeben Struktur löste auf einen Schlag alle Rätsel. Bitte beachten Sie die kompakte L-Form. Kaum ein Nucleotid, das nicht in irgendein Basenpaar involviert ist. Während aber von der einen Seite eine L-Form zu erkennen ist, ergibt sich nach einer Vierteldrehung eine sehr schmale scheibenförmige Struktur.

Mouse
Abb.1
3D-Struktur einer tRNA

Sie können die Animation über das Kontextmenü (linke Maustaste) stoppen und die Struktur nach Ihren Wünschen drehen und variieren.

Der erste Schritt im Kreislauf der tRNA ist die so genannte Beladung. Dabei bindet eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase die korrekte tRNA mit intaktem 3´-CCA Ende. An das endständige Adenosin wird durch Umesterung die zugehörige Aminosäure gebunden. Ausgangspunkt ist das gemischte Anhydrid aus Aminosäure und Adenosin-mono-phosphat. Die Hydrolysierungsenergie des ATP wird auf das gemischte Anhydrid als aktivierte Aminosäure weitergegeben und bleibt auch noch nach Übertragung auf die tRNA erhalten.

Abb.2
Die Beladung der tRNA

Abbildung 3 zeigt eine tRNA im Komplex mit ihrer Aminoacyl-Synthetase. Man erkennt deutlich, dass nur der "innere" Teil der L-Struktur Kontakt zum Protein hat. Sowohl das die Aminosäure aufnehmende CCA-Ende (rot eingefärbt) als auch das Anticodon (violett eingefärbt) haben Kontakt zum Protein. Die Haupterkennung läuft dabei über den Bereich direkt neben dem CCA-Ende, dem CCA-Stamm.

Abb.3

Die beladene tRNA wird schließlich vom Tu-Faktor gebunden. Dieser Faktor erkennt alle beladenen tRNAs und bindet solange, bis diese tRNA am Ribosom gegenüber einem passenden Codon "einrastet".

Eine besondere Herausforderung an das stereochemische Verständnis stellt die Bindung der tRNA am Ribosom dar. Nach der Aufklärung des genetischen Codes war klar, das zwei Anticodons verschiedener tRNAs als direkte Nachbarn an die mRNA binden müssen. Es scheint unmöglich zu sein, aus zwei Anticodons eine durchgehende Kette zu bilden. Dennoch gelingt es der Natur durch die hohe Flexibilität der Nucleinsäuren genau diesen Komplex zu bilden. Er ist in (Abb. 4) dargestellt. In (Abb. 5) sieht man die Position der drei tRNA-Bindungsstellen am Ribosom. Die tRNAs liegen wie Scheiben mit ihrer Flachseite direkt nebeneinander.

Abb.4

Detail der Bindung zweier benachbarter Aniticodons an eine dazugehörige mRNA. Die Codons sind als Kalotten dargestellt.

Abb.5

Übersicht über die drei tRNA-Bindungsstellen am Ribosom. Nicht nur die Anticodons kommen in räumliche Nähe, sondern auch die CCA-Enden.

Zum besseren Verständnis zeigt (Abb. 6) noch einmal die liegende tRNA als Kalottenmodell und daneben als "Ball-and-Stick". Die Legende benennt die einzelnen hochkonservierten Bereiche der tRNA.

Abb.6

Die tRNA hat zwei Gesichter, zum einen ein breites Gesicht mit maximalem Abstand zwischen Anticodon und CCA-Ende und zum anderen eine schmale Scheibe. (Abb. 7) zeigt diese Strukturen als Kalottenmodell und als Drahtmodell.

Abb.7
Seite 27 von 35