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Vom Gen zum Protein

Vokabeln Ribosom

Tab.1
Wichtige Begriffe zum Ribosom
VokabelErklärung
RibosomDas Ribosom ist der Ort der Proteinbiosynthese. Die Bezeichnung setzt sich zusammen aus Ribonucleinsäure und dem griechischen Wort σωμα für Körper. Tatsächlich besteht das prokaryontische Ribosom zu etwa 2/3 aus RNA und mehr als 50 einzelnen Proteinen. Man unterscheidet kleine und große Untereinheiten, die sich leicht durch Reduzierung der Mg2+ Konzentration zur Dissoziation bringen lassen. Die gesamte katalytische Aktivität geht von der RNA aus. Sie bindet die Messenger-RNA und die verschiedenen tRNAs. In den Jahren 1999 und 2001 gelang es, die 3D-Strukturen von Ribosomen aus mehreren Organismen durch Röntgenstrukturanalyse aufzuklären.
16S RNADie 16S RNA ist Bestandteil der kleinen Untereinheit. Ihre Aufgabe besteht u.a. darin, die Messenger-RNA in die richtige Position zu bringen. Die prinzipielle Struktur der 16S RNA ist über die gesamte Evolution vergleichsweise gut erhalten. Aus den Abweichungen lassen sich deshalb sehr gut Verwandschaftbeziehungen ableiten, die heute gern auch zur Klassifizierung vorallem von Bakterien genutzt werden.
23 S RNADie 23S RNA ist Bestandteil der großen Untereinheit. Ihre Aufgabe besteht in erster Linie darin, das CCA-Ende der tRNA zu binden und sich katalytisch an dem Peptidyl-Transferase-Zentrum zu beteiligen. Sie wirkt als Ribozym, wobei einem konserviertem Adenosin-Rest eine besondere Bedeutung bei der Bildung der Peptidbindung zukommt.
5S RNADie kleinste der ribosomalen RNAs ist die 5S RNA der großen Untereinheit. Man weiß, dass sie in der Nähe des Peptidyltransferase-Zentrums einerseits und der GTPase Aktivität des TU-Faktors andererseits plaziert ist. Eine eigenständige Funktion konnte aber noch nicht gezeigt werden.
ribsomale ProteineWir unterscheiden zwischen den Proteinen der kleine Unterheiten (S1 bis S21, bzw. S33) und der großen Untereinheit (L1 bis L36; bzw. L49). Die Proteine können reversibel von der RNA abgetrennt werden. Durch sukzessiven Aufbau gelangen erste Einsichten in die Struktur des Ribosoms. Die meisten Proteine kommen nur einmal pro Ribosom vor. Nur von einem ist bekannt, dass es sowohl an die kleine als auch an die große Untereinheit binden kann. Die wohl ausschließliche Funktion der Proteine besteht darin, die ribosomale RNA vor dem Angriff von Ribonucleasen zu schützen.
mRNADie Messenger-RNA (mRNA) ist wörtlich übersetzt ein Bote, der eine „Nachricht“ vom „Kontrollraum“ DNA zur Proteinfabrik Ribosom bringt. Dabei können wir die Nachricht auf der mRNA direkt auslesen; sie codiert also direkt für die Proteinsequenz. Neben der codierenden Sequenz enthält die mRNA aber auch noch regulatorische Funktionen (vgl. RNA). Sobald die mRNA die RNA-Polymerase auch nur teilweise verlässt, wird sie entweder modifiziert oder bei Bakterien direkt von Ribosom ausgelesen. Wenn sie nicht von Proteinen bedeckt ist, wird sie von Ribonucleasen abgebaut. Ihre Funktion ist also auch deutlich zeitlich, also kinetisch definiert.
tRNADie Transfer-RNA (tRNA) ist die Fähre zwischen den Nucleinsäuren und den Proteinen. Tatsächlich kann man sie als eine Chimäre aus Protein und RNA betrachten. Wir kennen für die 61 verschiedenen Codons des genetischen Codes allerdings deutlich weniger tRNAs, so dass zwangsläufig manche tRNA mehrere Codons erkennen können muss. Aufgrund der zentralen Rolle der tRNA gibt es ein besonderes Kapitel, dass sich mit ihrer Struktur und Funktion beschäftigt.
A-siteDas Ribosom kann bis zu drei tRNAs gleichzeitig binden. Über die A-site (A für "Aminoacyl-site", also für den Bindungsort der aminoacylierten tRNA) tritt die beladene tRNA in das Ribosom ein. Die beladene tRNA ist zunächst an einen Faktor gebunden, der die tRNA vor autokatalysierter Hydrolyse schützt. Erst wenn ein korrekter Codon-Anticodon-Kontakt zustandegekommen ist, bindet die tRNA an die "A-site" und übernimmt sofort die wachsende Peptidkette.
P-siteDas Ribosom kann bis zu drei tRNAs gleichzeitig binden. In die P-Position (P-Position für "Peptidyl-site", also für den Bindungsort der tRNA mit der wachsenden Peptidkette) wechselt die tRNA, nachdem sie von der vorlaufenden tRNA die Peptidkette durch Ausbildung der Peptidbindung übernommen hat. Sie bleibt über ihr zugehöriges Anticodon an die mRNA gebunden.
E-siteDas Ribosom kann bis zu drei tRNAs gleichzeitig binden. In die E-site (E für "Exit", also für den Ausgang) wechselt die tRNA kurz bevor sie das Ribosom verlässt. Sie hat zu diesem Zeitpunkt ihre Peptidkette bereits abgegeben, ist aber noch über das Anticodon an das Codon der mRNA gebunden. Sobald im nächsten Verlängerungsschritt das Ribosom vorrückt, wird die mRNA und damit auch die tRNA frei, weil die Bindung der tRNA ohne einen Proteinfaktor naturgemäß sehr schwach ist, so dass sich die tRNA von der mRNA trennt. Die tRNA steht nun für einen neuen Beladungscyclus zur Verfügung.
Shine-Dalgarno-SequenzBei Bakterien mit einer mRNA, die häufig für mehrere Proteine codiert, wird ein klares Unterscheidungsmerkmal zwischen Start-Codon und Methionin-Codon benötigt. Diese Aufgabe wird durch die so genannte Ribosomen-Bindungsstelle (RBS) wahrgenommen. Die RBS setzt sich zusammen aus dem Start-Codon und einer nicht vollkommen definierten Sequenz, die nach ihren Entdeckern Shine-Dalgarno-Sequenz genannt wird. Die Sequenz ist komplementär zum 5´-Ende der 16S-RNA und besteht aus Purin-Nucleotiden, die die Sequenz CCUCCU im Abstand von 6 bis 9 Nucleotiden zum Start-Codon binden können. Nur vier der sechs maximalen Basenpaarungen müssen gebildet werden, z.B. über GGAG. Je besser schließlich aber die Bindung ist, desto stärker wird das zugehörige Gen exprimiert.
Start-CodonVon den 64 Codons des genetischen Codes ist nur ein Codon für den Beginn der Translation zuständig, nämlich das ATG, bzw. auf der Ebene der mRNA das AUG. Wir kennen zwei Ausnahmen. GUG (eigentlich Valin) und UUG (eigentlich Leucin) können gleichfalls die N-Formylmethionin (fMet)-tRNA binden, so dass auch diese Codons zu einem N-terminalen fMet führen. Bei Prokaryonten ist ein AUG nur dann ein Start-Codon, wenn es Teil der Ribosomen-Bindungsstelle ist. Alle anderen AUG-Codons werden als kettenverlängerndes Methionin (Met) erkannt. Bei Eukaryonten ist nur das erste AUG nach dem 5´-cap das Start-Codon.
Stop-CodonVon den 64 Codons des genetischen Codes sind insgesamt drei Codons für die Beendigung der Translation zuständig, nämlich das TAG, das TAA und das TGA, bzw. auf der Ebene der mRNA das UAG, das UAA und das UGA. In der Genetik bezeichnet man das UAG als Amber-Codon (nach dem Entdecker Bernstein), entsprechend UGA als Opal und UAA als Ochre. Das alternative Überlesen eines Stop-Codons ist eine wichtige Regulationsmöglichkeit der Zelle. In verschiedenen Organismen wie auch im mitochondrialen Genom codiert UGA (eine) Aminosäure(n).
AnticodonDas Anticodon ist Bestandteil der tRNA und koppelt über Watson-Crick-Basenpaarung an die mRNA. Die Topologie des Anticodons erlaubt das direkte Ablesen zweier benachbarter Codons und eine gewollt ungenaue Erkennung ähnlicher Codons (Wobble-Position), so dass von der Zelle weniger als 61 verschiedene tRNAs bereitgestellt werden müssen.
EF-Tu-FaktorBei der Strukturanalyse des Ribosoms fand man zwei Elongationsfaktoren, die für die Verlängerung der Proteinkette benötigt werden. Der GTP-bindende Faktor erhielt den Namen EF-G, der tRNA-bindende den Namen EF-T. Später wurden aus EF-T zwei Proteine, die man als stabile (EF-Ts; engl. stable) und instabile (EF-Tu; engl. unstable) Fraktion bezeichnete. Heute weiß man, dass EF-Tu sehr wohl sehr stabil ist, gleichfalls eine GTP-Bindungsstelle besitzt und circa 5 % des gesamten Proteins der Zelle ausmacht. Dabei hat der Faktor Tu offenbar zwei völlig verschiedene Funktionen. Zuerst bindet er die beladene tRNA, schützt diese vor Autohydrolyse, und transportiert sie zur "A-site" des Ribosoms. Zum zweiten scheint der Faktor sehr schnell zu polymerisieren und bei Bakterien als Cytoskelett-Ersatz benutzt zu werden.
Formylmethionin-tRNADie Formyl-methionin(fMet)-tRNA wird auch als Initiator-tRNA bezeichnet. Obwohl sie sich in ihrer Sequenz von der Met-tRNA unterscheidet, wird sie durch dieselbe Aminoacyl-tRNA-Synthetase beladen. Erst nach der Beladung erfolgt die Formylierung. Die Formylierung ist dabei eine Blockierung der α-Amino-Gruppe, offenbar um eine intramolekulare Bildung einer Peptidbindung mit einem nachfolgenden Aminosäureester der Peptidyl-tRNA zu verhindern. Dies ist ab der dritten Aminosäure sterisch möglich.
tRNA BeladungFür die Beladung der tRNAs steht pro Aminosäure je eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase zur Verfügung. Dieses Enzym diskriminiert demnach nicht zwischen den einzelnen tRNAs einer Aminosäure (vgl. Abschnitt tRNA). Die Aktivierung der Aminosäure erfolgt stets über ATP. Das gemischte AMP-Aminosäure-Anhydrid überträgt die Aminosäure auf das cis-Diol der tRNA, das damit ebenfalls als aktivierte Aminosäure angesehen werden kann. Die Beladung, die auch Aminoacylierung genannt wird, unterliegt in einigen Fällen einer Qualitätskontrolle, wenn zwischen zwei ähnlichen Aminosäuren unterschieden werden muss.
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