Lernziele

Hauptziel

  • Erklären Sie den Prozess, mit dem eine Zelle Proteine unter Verwendung des DNA-Codes aufbaut

Am Ende dieses Abschnitts können Sie:

  • Erklären Sie, wie der genetische Code innerhalb der DNA die gebildeten Proteine bestimmt
  • Beschreiben Sie den Prozess der Transkription
  • Erklären Sie den Prozess der Translation
  • Diskutieren Sie die Funktion von Ribosomen

Es wurde bereits erwähnt, dass DNA eine „Blaupause“ für die Zellstruktur und Physiologie darstellt. Dies bezieht sich auf die Tatsache, dass DNA die Informationen enthält, die die Zelle benötigt, um einen sehr wichtigen Molekültyp aufzubauen: das Protein. Die meisten strukturellen Komponenten der Zelle bestehen zumindest teilweise aus Proteinen, und praktisch alle Funktionen, die eine Zelle ausführt, werden mit Hilfe von Proteinen vervollständigt. Eine der wichtigsten Proteinklassen sind Enzyme, die dazu beitragen, die notwendigen biochemischen Reaktionen in der Zelle zu beschleunigen. Einige dieser kritischen biochemischen Reaktionen umfassen den Aufbau größerer Moleküle aus kleineren Komponenten (z. B. bei der DNA-Replikation oder Synthese von Mikrotubuli) und den Abbau größerer Moleküle in kleinere Komponenten (z. B. bei der Gewinnung chemischer Energie aus Nährstoffmolekülen). Was auch immer der zelluläre Prozess sein mag, es ist fast sicher, dass Proteine beteiligt sind. So wie das Genom der Zelle ihr vollständiges DNA-Komplement beschreibt, ist das Proteom einer Zelle ihr vollständiges Protein-Komplement. Die Proteinsynthese beginnt mit Genen. Ein Gen ist ein funktionelles Segment der DNA, das die genetische Information liefert, die zum Aufbau eines Proteins erforderlich ist. Jedes einzelne Gen liefert den Code, der notwendig ist, um ein bestimmtes Protein zu konstruieren. Die Genexpression, die die in einem Gen codierte Information in ein endgültiges Genprodukt umwandelt, bestimmt letztendlich die Struktur und Funktion einer Zelle, indem sie bestimmt, welche Proteine hergestellt werden.

Die Interpretation von Genen funktioniert folgendermaßen. Denken Sie daran, dass Proteine Polymere oder Ketten vieler Aminosäurebausteine sind. Die Sequenz von Basen in einem Gen (dh seine Sequenz von A-, T-, C-, G-Nukleotiden) wird in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Ein Triplett ist ein Abschnitt von drei DNA-Basen in einer Reihe, der für eine bestimmte Aminosäure kodiert. Beispielsweise spezifiziert das DNA-Triplett CAC (Cytosin, Adenin und Cytosin) die Aminosäure Valin. Daher liefert ein Gen, das aus mehreren Tripletts in einer eindeutigen Sequenz besteht, den Code zum Aufbau eines gesamten Proteins mit mehreren Aminosäuren in der richtigen Sequenz (Abbildung 3.4.1). Der Mechanismus, durch den Zellen den DNA-Code in ein Proteinprodukt umwandeln, ist ein zweistufiger Prozess mit einem RNA-Molekül als Zwischenprodukt.

Dieses Diagramm zeigt die Translation von RNA in Proteine. Es wird gezeigt, dass ein DNA-Template-Strang durch Transkription zu einem RNA-Strang wird. Dann erfährt der RNA-Strang eine Translation und wird zu Proteinen.
Abbildung 3.4.1 – Der genetische Code: Die DNA enthält alle genetischen Informationen, die zum Aufbau der Proteine einer Zelle erforderlich sind. Die Nukleotidsequenz eines Gens wird schließlich in eine Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins des Gens übersetzt.

Von DNA zu RNA: Transkription

DNA ist im Zellkern untergebracht, und die Proteinsynthese findet im Zytoplasma statt, daher muss es eine Art Zwischenboten geben, der den Zellkern verlässt und die Proteinsynthese verwaltet. Dieser Zwischenbote ist Boten-RNA (mRNA), (Abbildung 3.29), eine einzelsträngige Nukleinsäure, die eine Kopie des genetischen Codes für ein einzelnes Gen aus dem Zellkern in das Zytoplasma trägt, wo sie zur Herstellung von Proteinen verwendet wird.

Es gibt verschiedene Arten von RNA, die jeweils unterschiedliche Funktionen in der Zelle haben. Die Struktur der RNA ähnelt der DNA mit wenigen kleinen Ausnahmen. Zum einen sind die meisten Arten von RNA, einschließlich mRNA, im Gegensatz zu DNA einzelsträngig und enthalten keinen komplementären Strang. Zweitens enthält der Ribosezucker in RNA im Vergleich zur DNA ein zusätzliches Sauerstoffatom. Schließlich enthält RNA anstelle der Base Thymin die Base Uracil. Dies bedeutet, dass sich Adenin während des Proteinsyntheseprozesses immer mit Uracil verbindet.Die Genexpression beginnt mit dem als Transkription bezeichneten Prozess, bei dem es sich um die Synthese eines mRNA-Strangs handelt, der zu dem interessierenden Gen komplementär ist. Dieser Prozess wird Transkription genannt, weil die mRNA wie ein Transkript oder eine Kopie des DNA-Codes des Gens ist. Die Transkription beginnt ähnlich wie die DNA-Replikation, indem sich ein Bereich der DNA abwickelt und die beiden Stränge sich trennen, jedoch wird nur dieser kleine Teil der DNA auseinandergespalten. Die Tripletts innerhalb des Gens auf diesem Abschnitt des DNA-Moleküls werden als Vorlage verwendet, um den komplementären RNA-Strang zu transkribieren (Abbildung 3.4.2). Ein Codon ist eine Drei-Basen-Sequenz von mRNA, so genannt, weil sie Aminosäuren direkt codieren. Wie bei der DNA-Replikation gibt es bei der Transkription drei Stufen: Initiation, Elongation und Termination.

In diesem Diagramm wird gezeigt, wie RNA-Polymerase einen DNA-Template-Strang in sein entsprechendes RNA-Transkript transkribiert.
Abbildung 3.4.2 – Transkription: von DNA zu mRNA: In der ersten der beiden Stufen der Proteinherstellung aus DNA wird ein Gen auf dem DNA-Molekül in ein komplementäres mRNA-Molekül transkribiert.

In der ersten der beiden Stufen der Proteinherstellung aus DNA wird ein Gen auf dem DNA-Molekül in ein komplementäres mRNA-Molekül transkribiert.

Stufe 1: Initiation. Eine Region am Anfang des Gens, die als Promotor bezeichnet wird — eine bestimmte Sequenz von Nukleotiden — löst den Beginn der Transkription aus.

Stufe 2: Dehnung. Die Transkription beginnt, wenn die RNA-Polymerase das DNA-Segment abwickelt. Ein Strang, der als Codierstrang bezeichnet wird, wird zur Vorlage mit den zu codierenden Genen. Die Polymerase richtet dann die richtige Nukleinsäure (A, C, G oder U) mit ihrer komplementären Base auf dem kodierenden DNA-Strang aus. RNA-Polymerase ist ein Enzym, das einem wachsenden RNA-Strang neue Nukleotide hinzufügt. Dieser Prozess baut einen Strang von mRNA auf.

Stufe 3: Beendigung. Wenn die Polymerase das Ende des Gens erreicht hat, kodiert eines von drei spezifischen Tripletts (UAA, UAG oder UGA) ein „Stop“ -Signal, das die Enzyme auslöst, die Transkription zu beenden und das mRNA-Transkript freizusetzen.

Der Transkriptionsprozess wird durch eine Klasse von Proteinen reguliert, die Transkriptionsfaktoren genannt werden, die an die Gensequenz binden und ihre Transkription entweder fördern oder hemmen. (siehe Abbildung 3.35).

Bevor das mRNA-Molekül den Kern verlässt und zur Proteinsynthese übergeht, wird es auf verschiedene Arten modifiziert. Aus diesem Grund wird es in diesem Stadium oft als Prä-mRNA bezeichnet. Zum Beispiel enthält Ihre DNA und damit komplementäre mRNA lange Regionen, die als nicht kodierende Regionen bezeichnet werden und nicht für Aminosäuren kodieren. Ihre Funktion ist immer noch ein Rätsel, aber der Prozess namens Spleißen entfernt diese nicht-kodierenden Regionen aus dem Prä-mRNA-Transkript (Abbildung 3.4.3). Ein Spleißosom — eine Struktur, die aus verschiedenen Proteinen und anderen Molekülen besteht – bindet an die mRNA und „spleißt“ oder schneidet die nicht kodierenden Regionen aus. Das entfernte Segment des Transkripts wird als Intron bezeichnet. Die restlichen Exons werden zusammengefügt. Ein Exon ist ein Segment der RNA, das nach dem Spleißen verbleibt. Interessanterweise sind einige Introns, die aus mRNA entfernt werden, nicht immer nicht kodierend. Wenn verschiedene kodierende Regionen der mRNA herausgespleißt werden, ergeben sich schließlich verschiedene Variationen des Proteins mit Unterschieden in Struktur und Funktion. Dieser Prozess führt zu einer viel größeren Vielfalt möglicher Proteine und Proteinfunktionen. Wenn das mRNA-Transkript fertig ist, wandert es aus dem Zellkern in das Zytoplasma.

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Dieses Video zeigt Ihnen die wichtigen Enzyme und Biomoleküle, die am Transkriptionsprozess beteiligt sind, dem Prozess der Herstellung eines mRNA-Moleküls aus DNA.

In diesem Diagramm wird ein Prä-mRNA-Transkript oben in einem Flussdiagramm angezeigt. Dieses Prä-mRNA-Transkript enthält Introns und Exons. Im nächsten Schritt befindet sich das Intron in einer Struktur, die als Spliceosom bezeichnet wird. Im letzten Schritt wird das Intron von der gespleißten RNA getrennt dargestellt.
Abbildung 3.4.3 – Spleißen von DNA: Im Zellkern schneidet eine Struktur namens Spliceosom Introns (nichtkodierende Regionen) innerhalb eines Prä-mRNA-Transkripts aus und verbindet die Exons wieder.

Von RNA zu Protein: Übersetzung

Wie bei der Übersetzung eines Buches von einer Sprache in eine andere müssen die Codons auf einem mRNA-Strang in das Aminosäure-Alphabet von Proteinen übersetzt werden. Translation ist der Prozess der Synthese einer Kette von Aminosäuren, die als Polypeptid bezeichnet wird. Übersetzung erfordert zwei wichtige Hilfsmittel: erstens ein „Übersetzer“, das Molekül, das die Translation durchführt, und zweitens ein Substrat, auf dem der mRNA-Strang in ein neues Protein übersetzt wird, wie der „Schreibtisch“ des Übersetzers.“ Beide Anforderungen werden von anderen RNA-Typen erfüllt. Das Substrat, auf dem die Translation stattfindet, ist das Ribosom.

Denken Sie daran, dass viele der Ribosomen einer Zelle mit dem groben ER assoziiert sind und die Synthese von Proteinen durchführen, die für den Golgi-Apparat bestimmt sind. Ribosomale RNA (rRNA) ist eine Art von RNA, die zusammen mit Proteinen die Struktur des Ribosoms bildet. Ribosomen existieren im Zytoplasma als zwei verschiedene Komponenten, eine kleine und eine große Untereinheit. Wenn ein mRNA-Molekül zur Translation bereit ist, kommen die beiden Untereinheiten zusammen und binden sich an die mRNA. Das Ribosom stellt ein Substrat für die Translation bereit, indem es das mRNA-Molekül mit den molekularen „Übersetzern“ zusammenbringt und ausrichtet, die seinen Code entschlüsseln müssen.

Die andere wichtige Voraussetzung für die Proteinsynthese sind die Translatormoleküle, die die mRNA-Codons physikalisch „lesen“. Transfer-RNA (tRNA) ist eine Art von RNA, die die entsprechenden Aminosäuren an das Ribosom fertigt und jede neue Aminosäure an die letzte bindet, wodurch die Polypeptidkette nacheinander aufgebaut wird. So überträgt tRNA spezifische Aminosäuren vom Zytoplasma zu einem wachsenden Polypeptid. Die tRNA-Moleküle müssen in der Lage sein, die Codons auf mRNA zu erkennen und mit der richtigen Aminosäure abzugleichen. Die tRNA wird für diese Funktion modifiziert. An einem Ende seiner Struktur befindet sich eine Bindungsstelle für eine bestimmte Aminosäure. Am anderen Ende befindet sich eine Basensequenz, die mit dem Codon übereinstimmt, das seine bestimmte Aminosäure angibt. Diese Sequenz von drei Basen auf dem tRNA-Molekül wird als Anticodon bezeichnet. Beispielsweise enthält eine tRNA, die für das Pendeln der Aminosäure Glycin verantwortlich ist, an einem Ende eine Bindungsstelle für Glycin. Am anderen Ende enthält es ein Anticodon, das das Glycin-Codon ergänzt (GGA ist ein Codon für Glycin, und so würde das tRNAs-Anticodon CCU lesen). Ausgestattet mit seiner speziellen Ladung und dem passenden Anticodon kann ein tRNA-Molekül sein erkanntes mRNA-Codon lesen und die entsprechende Aminosäure in die wachsende Kette bringen (Abbildung 3.4.4).

Der obere Teil dieser Abbildung zeigt eine große ribosomale Untereinheit, die mit der mRNA in Kontakt kommt, an die bereits die kleine ribosomale Untereinheit gebunden ist. Eine tRNA und ein Anticodon sind in der Nähe. Im zweiten Panel bindet die tRNA auch an dieselbe Stelle wie die ribosomalen Untereinheiten. In der unteren Platte ist eine Polypeptidkette dargestellt, die aus dem Komplex austritt.
Abbildung 3.4.4 – Translation von RNA zu Protein: Während der Translation wird das mRNA-Transkript von einem funktionellen Komplex aus Ribosom- und tRNA-Molekülen „gelesen“. tRNAs bringen die entsprechenden Aminosäuren nacheinander in die wachsende Polypeptidkette, indem sie ihre Anti-Codons mit Codons auf dem mRNA-Strang abgleichen.

Ähnlich wie die Prozesse der DNA-Replikation und -Transkription besteht die Translation aus drei Hauptstadien: Initiation, Elongation und Termination. Die Initiation erfolgt mit der Bindung eines Ribosoms an ein mRNA-Transkript. Die Elongationsstufe beinhaltet die Erkennung eines tRNA-Anticodons mit dem nächsten mRNA-Codon in der Sequenz. Sobald die Anticodon- und Codonsequenzen gebunden sind (denken Sie daran, sie sind komplementäre Basenpaare), präsentiert die tRNA ihre Aminosäurefracht und der wachsende Polypeptidstrang wird an diese nächste Aminosäure gebunden. Diese Bindung erfolgt mit Hilfe verschiedener Enzyme und benötigt Energie. Das tRNA-Molekül gibt dann den mRNA-Strang frei, der mRNA-Strang verschiebt ein Codon im Ribosom und die nächste geeignete tRNA kommt mit ihrem passenden Anticodon an. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis das endgültige Codon auf der mRNA erreicht ist, das eine „Stop“ -Nachricht liefert, die den Abbruch der Translation signalisiert und die Freisetzung des vollständigen, neu synthetisierten Proteins auslöst. So wird ein Gen innerhalb des DNA-Moleküls in mRNA transkribiert, die dann in ein Proteinprodukt übersetzt wird (Abbildung 3.4.5).

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Dieses Video zeigt Ihnen die wichtigen Enzyme und Biomoleküle, die am Translationsprozess beteiligt sind, bei dem mRNA zur Kodierung eines Proteins verwendet wird.

Diese Abbildung zeigt eine schematische Darstellung einer Zelle, in der die Transkription von DNA zu mRNA im Zellkern und die Translation von mRNA zu Protein im Zytoplasma stattfindet.
Abbildung 3.4.5 – Von der DNA zum Protein: Transkription durch Translation: Die Transkription innerhalb des Zellkerns erzeugt ein mRNA-Molekül, das modifiziert und dann zur Translation in das Zytoplasma geschickt wird. Das Transkript wird mit Hilfe eines Ribosoms und tRNA-Molekülen in ein Protein entschlüsselt.

Üblicherweise wird eine mRNA-Transkription gleichzeitig von mehreren benachbarten Ribosomen übersetzt. Dies erhöht die Effizienz der Proteinsynthese. Ein einzelnes Ribosom könnte ein mRNA-Molekül in etwa einer Minute übersetzen; so könnten mehrere Ribosomen in einem einzigen Transkript in derselben Minute ein Vielfaches desselben Proteins produzieren. Ein Polyribosom ist eine Kette von Ribosomen, die einen einzelnen mRNA-Strang übersetzen.

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QR-Code, der eine URL darstellt

Sehen Sie sich dieses Video an, um mehr über Ribosomen zu erfahren. Das Ribosom bindet an das mRNA-Molekül, um die Übersetzung seines Codes in ein Protein zu starten. Was passiert mit den kleinen und großen ribosomalen Untereinheiten am Ende der Translation?

Kapitelübersicht

DNA speichert die Informationen, die notwendig sind, um die Zelle anzuweisen, alle ihre Funktionen auszuführen. Zellen verwenden den in der DNA gespeicherten genetischen Code, um Proteine aufzubauen, die letztendlich die Struktur und Funktion der Zelle bestimmen. Dieser genetische Code liegt in der bestimmten Sequenz von Nukleotiden, aus denen jedes Gen entlang des DNA-Moleküls besteht. Um diesen Code zu „lesen“, muss die Zelle zwei aufeinanderfolgende Schritte ausführen. Im ersten Schritt, der Transkription, wird der DNA-Code in einen RNA-Code umgewandelt. Ein Molekül der Boten-RNA, das zu einem spezifischen Gen komplementär ist, wird in einem Prozess synthetisiert, der der DNA-Replikation ähnelt. Das Molekül der mRNA liefert den Code zur Synthese eines Proteins. Bei der Translation bindet die mRNA an ein Ribosom. Als nächstes transportieren tRNA-Moleküle die entsprechenden Aminosäuren nacheinander zum Ribosom, codiert durch sequentielle Triplett-Codons auf der mRNA, bis das Protein vollständig synthetisiert ist. Nach Abschluss löst sich die mRNA vom Ribosom und das Protein wird freigesetzt. Typischerweise binden sich mehrere Ribosomen gleichzeitig an ein einzelnes mRNA-Molekül, so dass mehrere Proteine gleichzeitig aus der mRNA hergestellt werden können.

Überprüfungsfragen

Fragen zum kritischen Denken

Erklären Sie kurz die Ähnlichkeiten zwischen Transkription und DNA-Replikation.

Transkription und DNA-Replikation beinhalten beide die Synthese von Nukleinsäuren. Diese Prozesse haben viele Gemeinsamkeiten – insbesondere die ähnlichen Prozesse der Initiierung, Dehnung und Beendigung. In beiden Fällen muss das DNA-Molekül aufgedreht und getrennt werden, und der kodierende (d. H. Sense-) Strang wird als Vorlage verwendet. Polymerasen dienen auch dazu, dem wachsenden DNA- oder mRNA-Strang Nukleotide hinzuzufügen. Beiden Prozessen wird signalisiert, dass sie beendet werden, wenn sie abgeschlossen sind.

Kontrast Transkription und Übersetzung. Nennen Sie mindestens drei Unterschiede zwischen den beiden Prozessen.Die Transkription ist wirklich ein „Kopier“ -Prozess und die Translation ist wirklich ein „Interpretations“ -Prozess, weil die Transkription das Kopieren der DNA-Nachricht in eine sehr ähnliche RNA-Nachricht beinhaltet, während die Translation die Umwandlung der RNA-Nachricht in die sehr unterschiedliche Aminosäure-Nachricht beinhaltet. Die beiden Prozesse unterscheiden sich auch in ihrer Lokalisation: Die Transkription erfolgt im Zellkern und die Translation im Zytoplasma. Die Mechanismen, mit denen die beiden Prozesse ausgeführt werden, sind ebenfalls völlig unterschiedlich: die Transkription verwendet Polymeraseenzyme zum Aufbau von mRNA, während die Translation verschiedene Arten von RNA zum Aufbau von Protein verwendet.

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