t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

An der Translation sind eine Unzahl an Enzymen, Proteinen,
die Ribosomen,
viele mit Aminosäuren beladene
t-RNA
-Moleküle und die mRNA beteiligt. Meist
sind gleichzeitig mehrere Ribosomen aktiv.t-RNAt-RNA haben wird schon bei der Besprechung der
RNA
kennengelernt.tRNAac1 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

trna9 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationSie fungieren als eine Art Übersetzermoleküle,
da sie am einen Ende eine spezifische Aminosäure und am anderen
ein Anticodon besitzen,
das auf ein bestimmtes Codon passt.In der Zelle zirkulieren t-RNA-Moleküle für jede der
20 biologisch wichtigen Aminosäuren.Die Anticodon-Schleife
dient zum Abtasten der mRNA. Die beiden anderen Schleifen besitzen
Funktion bei der Anheftung im Ribosom.Sie werden im Cytoplasma durch die Aminoacyl-t-RNA-Synthase
mit Aminosäuren beladen. (siehe oben)


Ribosomen

Eine Zelle besitzt tausende von Ribosomen (E.Coli ca. 15000).
Sie kommen in Eukaryonten frei oder gebunden an das ER oder die Kernmembran
vor. Auch in Mitochondrien und Chloroplasten findet man sie, allerdings
sind sie dort so klein, wie die Ribosomen der Bakterien. Sie bestehen
aus 2/3 rRNA und 1/3 Protein (53 verschiedene bei Bakterien). Bei E.Coli
machen die Ribosomen 25% der Masse der Zelle aus.

cellp44a - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationDer typische Aufbau eines eukaryontischen Ribosoms ist links dargestellt.

Dabei erkennt man eine große und eine kleine Untereinheit.

In Bakterien sind die Ribosomen kleiner und leichter als in Eukaronten.
Die Zusammensetzung der Ribosomen ist unten dargestellt.

Prokaryonten70S mit einer 50S und 30S Untereinheit 53 Proteine
Eukaryonten80S mit einer 60S und 40S Untereinheit 83 Proteine

 

70s - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationLinks ist ein 3D-Modell eines E.Coli-Ribosoms abgebildet mit
der kleinen (gelb) und der großen (blau) Untereinheit. Die
m-RNA ist braun, die beiden t-RNA-Moleküle sind magenta und
grün.

Die große Untereinheit besitzt einen Tunnel für die
Polypeptidkette.

 

Die Ribosomen sind die “Maschinen”, in denen die Proteine
anhand der genetischen Information hergestellt werden. Die m-RNA liefert
als eine Art “Lochstreifen” oder Programm die genetische Information
dazu.

rer4 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationIn der elektronenmikros-kopischen Abbildung links sind Ribosomen
an einem mRNA-Molekül aufgereiht.Im unteren Teil des Bildes sind die wachsenden Polypeptidketten
zu sehen.

Der Genetische Code

Mit Hilfe der Ribosomen wird die “Sprache der Gene” in die
“Sprache der Proteine” umgesetzt. Sprachen oder Schriften besitzen
als Elemente Zeichen, Buchstaben und Sonderzeichen. Die deutsche
Sprache besteht aus 26 Buchstaben, Umlaute nicht mitgerechnet. Die Maschinensprache
der Computer besteht aus 2 Zeichen: 0 und 1. Bei beiden werden in Kombinationen
der Zeichen, also Wörtern und Sätzen Information gespeichert.

Die Proteinsprache besteht aus 22 Buchstaben, den Aminoäuren.
In der Sequenz ist die Information zur spezifischen räumlichen Struktur
enthalten, die dem Protein eine spezifische Funktion verleiht.
Ursprünglich kannteman 20 Aminosäuren seit einigen Jahren kamen
Selenocystein als 21. und Pyrrolysin als 22. Aminosäure dazu. Diese
benutzen aber jeweils ein Stopcodon und einen besonderen Mechanismus für
den Einbau in Proteine. Dazu später mehr.

Die genetische Sprache besitzt 4 Buchstaben: Adenin, Guanin,
Cytosin und Thymin
. Was liegt also näher, als ebenfalls in der
Kombination der Basen die genetische Information zu vermuten. Die Frage
war in den 50er Jahren nur:

Wie lange ist ein genetisches Wort und welche
Basenkombination entspricht einer Aminosäure?

Mit einer Base könnte man maximal 4 Aminosäuren verschlüsseln,
zu wenig. Die Kombination von 2 Basen ergibt 42 Möglichkeiten
d.h. 16 Varianten, also immer noch zu wenig. Bei mindestens 3 Basen in
Kombination hätte man die Möglichkeit, alle 20 Aminosäuren
zu verschlüsseln, maximal 43 = 64 Kombinationsmöglichkeiten.
polyphen - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationDies wurde zu Beginn der 60er Jahre von Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei (Nobelpreis 1968) getestet. Sie gaben in 20 Teströhrchen mit E.Coli-Zellfragmenten mit jeweils einer bestimmten Aminosäure eine Poly-U- RNA. In einem Reaktionsansatz entstand ein Polypeptid, das nur aus Phenylalanin bestand. Dabei fanden Sie, daß eine Kombination von 3 Basen, ein Triplett die Information für eine Aminosäure enthielt. Da an den Ribosomen die zur DNA komplementäre mRNA verwendet wird, ist das entsprechende Codogen in der DNA für Phe AAA, das Codon der mRNA UUU.
Durch Testen mit verschiedensten RNA-Sequenzen wurden alle Codogene geklärt.

Man fand 61 für Aminosäuren codierende Tripletts und 3 Terminator oder Stop-Codogene für die es keine Aminosäure gibt. Deshalb bricht hier die Proteinsynthese ab, man spricht auch von Nonsens-Codonen. Die mRNA-Sequenz ist: UAA, UAG und UGA.

Da an den Ribosomen der genetische Code in Form der mRNA übersetzt
wird, gibt man den genetischen Code als mRNA-Code
in Form der Codone an
. Eine tabellarische Zusammenstellung
findet man unten. Z.B. bedeutet Isoleucin AUU, AUC oder AUA. Da für
eine Aminosäure mehrere Codone zutreffen, nennt man den genetischen
Code degeneriert.

Diese Zuordnung der Aminosäuren hat man bei allen Lebewesen gefunden, deshalb bezeichnet man den genetischen Code als universell. Nur in den Mitochondrien und Chloroplasten bzw. den Archäbakterien trifft man auf teilweise andere Codierungen. Der Code ist auch überlappungsfrei, d.h. die Sequenz eines Gens wird nicht teilweise von einem anderen benützt.

code - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

Neben
der tabellarischen Form ist auch die “Codesonne
nach Bresch und Hausmann weit verbreitet. Klicken Sie rechts um dies
zu sehen. Die Codone werden von innen nach außen gelesen.
codes2 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

Ein Ausschnitt aus einem Gen könnte so aussehen:


DNA, Codogener Strang

TAC CTT AAG AGC
GAG

(3′ <- 5′)

DNA, komplementärer Strang:

ATG GAA TTC TCG
CTC

(5′ -> 3′)

mRNA

AUG GAA UUC UCG CUC

(5′ -> 3′)

Protein

Met – Glu – Phe – Ser – Leu

COOH

Wie sieht nun die tatsächliche Nukleotidsequenz eines Gens aus? Betrachten wir einmal das Gen für Oxytocin (9 Aminosäuren) beim Menschen. Doch welche Codone gelten nun? Für Glycin finden wir gleich 4 verschiedene.

Das Oxytocin-Gen befindet sich auf Chromosom 20. Es umfasst 1338 Basenpaare und besitzt mehrere Introns und Exons. Aus der Gendatenbank entnehmen wir die nachfolgene Übersichtsdarstellung:

oxyt - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

123456789

Cys

Tyr

Ile

Gln

Asn

Cys

Pro

Leu

Gly

Proteinsequenz

UGC

UAC

AUC

CAG

AAC

UGC

CCC

CUG

GGA

mRNA

TGC

TAC

ATC

CAG

AAC

TGC

CCC

CTG

GGA

DNA Gencode
(
komplementär)

Nachfolgend das vollständige Gen in komplementärer Sequenz:
GGATCCTGCC AGAGCCTCCT CCCACCTGGA GGGGTCCCAG CGTCCACCTT CCCTGCCCCA 60

GCCCCCCTCC TCGAGGTACT GGGAGGCTGG ATAAAGTCTT CGGCTGGGCC ACACCCCACC 120


CCAAATTCTC CCTGTCCCAC CCTAGTGCCC AGGCCACCCC GGCCTGCTCC CTTCCGCAAG 180


GCACCTCACC TTCTGTGCCC AGACCATTAG CCAACGCGGT GACCTTGACC CCGGCCCAGG 240


CCCTGCTAAT GAAGAGGAAA GCCCGTACGC ACTCGGCCTG ACCCACGGCG ACCCTCTGTG 300


ACCAATCATA CTACCAACCT CTTAAACAGA GCTCCACCGA CGCAATGCCC AGGCATAAAA 360


AGGCCAGGCC GAGAGACCGC CA
CCAGTCAC GGACCCTGGA CCCAGCGCAC CCGCACCATG 420

GCCGGCCCCA GCCTCGCTTG CTGTCTGCTC GGCCTCCTGG CGCTGACCTC CGCC
TGCTAC 480

ATCCAGAACT GCCCCCTGGG A
GGCAAGAGG GCCGCGCCGG ACCTCGACGT GCGCAAGGTG 540

AGTCCCCAGC CCTGGTCCCG CGGCGCTCCG GGGAGGGAGG GACCCGCAGC CACAGGGGCG 600


CGCCCCGCTC CGGCCTCGCC TGAGAACTCC AGGAGCTGAG CGGATTTTGA CGCCCCGCCC 660


TTGACCGCGG TCGAGGCCCC CACGGCGCCC CAGCGTCTCA GCCCCGCTGT CCCCGCCCGA 720


ACTCCGAACC CCGGACCCCA GCATCCTTGC CCGGCGCACC CCGGCCGGCC TCGCAGGGTC 780


CTCCGAGCGA GTCCCCAGCG CCGCCCCGCG TCCCGCTCAC CCCGCCCGTC CCCCGAGT
GC 840

CTCCCCTGCG GCCCCGGGGG CAAAGGCCGC TGCTTCGGGC CCAATATCTG CTGCGCGGAA 900


GAGCTGGGCT GCTTCGTGGG CACCGCCGAA GCGCTGCGCT GCCAGGAGGA GAACTACCTG 960


CCGTCGCCCT GCCAGTCCGG CCAGAAGGCG TGCGGGAGCG GGGGCCGCTG CGCCTTGGGC 1020


CTCTGCTGCA GCCCGG
GTGA GCGGGGCAAG GCGCTCCGGG GCCAGGGGGA GGCGGGCGGG 1080

GGTGCGGCCG GGATTCCCCT GACTCCACCT CTTCCTCCAG
ACGGCTGCCA CGCCGACCCT 1140

GCCTGCGACG CGGAAGCCAC CTTCTCCCAG
CGCTGAAACT TGATGGCTCC GAACACCCTC 1200

GAAGCGCGCC ACTCGCTTCC CCCATAGCCA CCCCAGAAAT GGTGAAAATA AAATAAAGCA 1260


GGTTTTTCTC CTCTACCT
TG ACTCGTGTCT AAGTGCCAGA AATGGGACGG GGAGGGGGCA 1320

TTGTGGGACT GGAAG
ATC 1338

Das
Oxytocin-Gen ist fett-blau gekennzeichnet. EXONs sind magenta, INTRONs sind rot. Das Oxytocin-Bindungsprotein-Gen Neurophysin ist dunkelgrün. Andere Sequenzen sind schwarz gekennzeichnet.

Offensichtlich ist bei Eukaryonten das genetische “Layout” weit komplexer als vermutet!

Schon die Gene in verschiedenen Organen eines Individuums für den gleichen Stoff sind nicht identisch. (siehe unten am Beispiel der mRNA)

gene1 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

Die Proteinsequenzen variieren in den verschiedenen Arten gemäß ihrer unterschiedlichen DNA-Sequenz. Dies soll am Beispiel der a-Kette des Hämoglobin-Gens gezeigt werden. Unten sind die ersten 15 Aminosäuren der a-Kette des Hämoglobins verschiedener Tierarten aufgelistet.

Unterschiede in der a-Kette des Hämoglobins (Position 1-15; As=Kettenlänge)
Unterschiede
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
As
Karpfen
9
Ser
Leu
Ser
Asp
 Lys
Asp
Lys
 Ala
Ala
Val
Lys
Gly
Leu
Trp
 Ala
142
Viper
8
Val
Leu
 Ser
Glu
Asp
Asp
Lys
Asn
Arg
Val
Arg
 Thr
Ser
 Val
 Gly
141
Flamingo
6
Val
Leu
Ser
 Ser
 His
Asp
 Lys
 Ser
Asn
 Val
 Lys
 Gly
Leu
Phe
Gly
141
Pferd

2
Val
Leu
 Ser
Ala
Ala
Asp
 Lys
 Thr
Asn
Val
 Lys
Ala
 Ala
 Trp
 Ser
141
Gorilla
0
Val
Leu
Ser
Pro
Ala
Asp
Lys
 Thr
Asn
 Val
 Lys
Ala
Ala
Trp
Gly
141
Mensch, Schimpanse
0
Val
Leu
Ser
Pro
Ala
Asp
 Lys
 Thr
Asn
Val
Lys
Ala
 Ala
Trp
Gly
141

Die Unterschiede gehen auf ein anderes Codogen in der DNA zurück. Die Tabelle spiegelt auch die Verwandschaft der Arten wieder. Je näher sie verwandt sind, desto geringer die Unterschiede.


Ablauf der Translation

Die Translation ist der Prozess, bei dem die mRNA-Codonsequenz in Aminosäuresequenz übersetzt wird. Die mRNA enthält am Genanfang ein sogenanntes Starter-Codon und am Ende ein Stop-Codon.

transl2 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationBeide sind für den Beginn der Translation am Ribosom und die Beendigung notwendig.

Grundsätzlich läuft die Translation so ab, daß die mRNA sich in das Ribosom einfädelt und mit Aminosäuren beladene t-RNAs mit ihrem Anticodon die mRNA Stück für Stück abtasten (siehe links).

Dabei werden Peptidbindungen gebildet. Dies geht solange, bis das Protein fertig ist.

Dieser Vorgang beginnt mit dem Starter-Codon und endet mit dem Terminator-Codon.

Der gesamte Ablauf geschieht in 3 Phasen:

Für die Translation werden außerdem eine große Menge an Proteinen als Initiation- Elongations und Terminierungsfaktoren und GTP bzw. ATP benötigt.

_ribosom - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationInitiation

Zu Beginn der Translation bindet die kleine Untereinheit des Ribosoms an die mRNA. Nun bindet eine Initiator-t-RNA, die F-Met-tRNA ebenfalls an diese Stelle, an der sich das Starter-Codon (AUG) befindet. Zwischen dem Anticodon der t-RNA und dem Starter-Codon entsteht durch Wasserstoffbrücken Basenpaarung.

Die Initiator-t-RNA besitzt als Aminosäure ein am Amninoende formyliertes Methionin. Dies sorgt dafür, daß die zu knüpfende Peptidbindung nur an der Carboxylgruppe geschehen kann.

Danach vervollständigt die große ribosomale Untereinheit den Iniatorkomplex, indem sie sich an die kleine Einheit anlagert. Die große Untereinheit besitzt 2 Bindungsstellen für t-RNAs:

    • den

A-Ort

    • (A-Site = Eingang) und
    • den

P-Ort

    (P-Site = Ausgang).
_riboso0 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, TranslationElongation

Nun wandert der Initiator-t-RNA-Komplex ein Codon weiter in den P-Ort. Der A-Ort wird frei für die nächste passende t-RNA, in diesem Fall die Pro-t-RNA mit dem entsprechenden Anticodon. Nach der Bindung an die m-RNA wird zwischen den Aminosäuren der beiden t-RNAs Methionin und Prolin eine Peptidbindung geknüpft.

Die unbeladene FMet-t-RNA verläßt das Ribosom und die verbliebene t-RNA wandert in den P-Ort. Das Ribosom “rutscht” ein Codon weiter.

Dieser Vorgang geht in 5´- 3´-Richtung weiter. Immer neue passende, beladene t-RNAs binden an den A-Ort, die Peptidbindung wird geknüpft, rutschen ein Codon weiter in den P-Ort usw. bis zum Stop-Codon.

Die Basenpaarung des Anticodons der t-RNA mit dem Codon der mRNA und die Peptidbindung ist in der Abbildung rechts vergrößert zu sehen.

bp11 - t-RNA, Ribosomen, Genetischer Code, Translation

Terminierung

Am Terminator-Codon (UAA, UAG, oder UGA) bricht die Synthese wegen des Fehlens einer passenden t-RNA ab, die beiden Ribosomen-Untereinheiten fallen von der mRNA ab.

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