Proteinbiosynthese
Proteine?
Der menschliche Körper weist eine große Bandbreite an Proteinprodukten auf: z.B. Muskulatur, Knochen, Haut, Enzyme und Hormone. Der Gesamtproteinanteil in deinem Körper kann bis zu 25 % betragen. Moderne Fett- und Muskelwaagen können dir einen guten Überblick verschaffen, wo und wie viel Fett und Muskeln am Körper hast. Der Gesamtanteil sagt wenig aus – auch sehr muskuläre Menschen können z.B. zu viel ungesundes Fett um die inneren Organe herum haben.
Proteine sind Bestandteil unserer Ernährung und sollten im besten Fall 10 % – 20 % der täglichen Gesamtkalorienzufuhr einnehmen, entsprechend der empfohlenen Proteinzufuhr von 0,8 g/kg Körpergewicht pro Tag für eine Erwachsene.
Die meisten Proteine nehmen wir über unsere Ernährung auf. Proteinshakes und -riegel sind voll im Trend, kosten richtig viel Geld und haben meist noch ganz viele andere Zusatzstoffe drin, damit das Zeug nach was schmeckt.
Es ist jedoch recht einfach, sich proteinreich zu ernähren. Ernährungsapps, die eine große Datenbank an Lebensmitteln haben, können dir ganz easy helfen gesunde und proteinreiche Lebensmittel zu identifizieren. Ein paar Beispiele hast Du in dem kleinen Spiel gerade gesehen- warst Du bei einigen Lebensmitteln überrascht, wie sie zusammengesetzt sind?
Aber was sind denn Proteine?
Proteine bestehen aus einer Abfolge von Aminosäuren (AS), die über verschiedene Bindungen in Verbindung stehen:
– kovalente Bindung: Perlenkette
– nicht kovalente Bindung: verschiedene Faltungstypen
Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den nicht kovalenten Bindungen werden die AS über verschiedene Falttechniken (die Du nicht kennen musst) dreidimensional geformt.
Also quasi, wie wenn die Zelle mit einzelnen Legosteinen coole 3D-Gebilde baut.
Aminosäuren (AS)
1. Nichtessenzielle Aminosäuren: können vom Organismus selbst produziert werden.
2. Essenzielle Aminosäuren: muss der Körper extern aufnehmen (also durch die Nahrung). Dieser Punkt ist sehr wichtig für Menschen, die sich ausschließlich vegan ernähren. Einzelne AS sind so gut wie nicht in pflanzlicher Kost enthalten und müssen daher extra zugeführt werden (meist in Form von Tabletten, die man in der Drogerie oder Apotheke kaufen kann).
Wenn wir nun eine proteinreiche Mahlzeit zu uns nehmen, werden diese Proteine im Darm zu Aminosäuren zersetzt. Diese werden über Transporter in die Zellen aufgenommen und zum Aufbau von Proteinen genutzt. Den Bauplan, also die exakte Abfolge an Aminosäuren, für das jeweilige Protein geben die Gene von.
Dieser Bauplan wird in der Proteinbiosynthese abgelesen, sodass nagelneue Proteine gebildet werden können.
Fertige Proteine können z.B. Enzyme, Hormone oder auch komplexe Membranrezeptoren sein.
Quizz mit 3-5 Abfragen Verständnis zum Text oben drüber
Frage 1
Welche Bindungen können Aminosäuren miteinander eingehen? (E)
A Peptidbindung
B Wasserstoffbrückenbindungen
C Van-der-Waals-Kräfte
D Disulfidbrücken
E Alle
F Nur A, B, D
Frage 2 (D)
Nichtessenzielle Aminosäuren…
A muss der Körper extern aufnehmen
B gibt es in Form von Tabletten in der Drogerie
C sehr wichtig für Veganer
D können vom Organismus selbst produziert werden
Frage 3 (B-D)
Wofür braucht der Körper Proteine?
A Um Fett aufzubauen.
B Für die Haut
C Für die Knochen
D Für Hormone
E Für B-D
Frage 4
Nahrungsmittel mit dem größten Anteil an Proteinen…. (richtig/falsch)
Banane
Gummibärchen
Kichererbsen
Steak
Mandeln (richtig)
Olivenöl
Frage 5
Wasserstoffbrückenbindungen… (richtig/falsch)
– sind kovalente Bindungen
– sind nicht-kovalente Bindungen (richtig)
– gehören zu den ionischen Bindungen
– entstehen durch Anziehung zwischen einem Wasserstoffatom, welches an ein Molekül gebunden ist, und einem freien Elektronenpaar eines anderen Moleküls. (richtig)
– entstehen in der Form einer S-S Bindung
– ist eine Art von Bindung, bei der sich Kationen und Anionen gegenseitig anziehen
Von der AS zum Protein
Quiz: Folgende Aussage zur Proteinbiosynthese ist wahr: (C)
A In der PBS werden alle möglichen Aminosäuren hergestellt, die der Körper so braucht.
B Ein Erwachsener mit 60 kg braucht am Tag mindestens 120g Protein.
C Den Bauplan für die Proteine geben die Gene vor.
D Bei der PBS geht es um das Recycling von Proteinen.
Quizz mit 5-10 Abfragen Verständnis zum Element 266
Frage 1
Die Aminogruppe einer Animosäure… (rightig/falsch)
– wird auch als -COOH geschrieben (falsch)
– kann eine Peptidbindung eingehen
– Die Aminogruppe trägt in vielen Verbindungen eine positive Ladung
– wird auch als -NH2 geschrieben
– hat was mit dem Proteinanteil des Nahrungsmittels zutun (falsch)
Frage 2
Welche Aussage zur Peptidbindung ist falsch? (D)
A Entsteht zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure
B Das Ergebnis ist ein Dipeptid
C Entsteht durch eine Kondensationsreaktion (nter Wasserabspaltung)
D Besteht aus einem Grundkörper Kohlenwasserstoff (CH) mit 3 Anhängseln dran
E wird diese Reaktion von den Ribosomen katalysiert.
Frage 3
Welche Aussage zu den Proteinstrukturen ist wahr? (C)
A Die Sekundärstruktur ist die Abfolge der Aminosäuren in der Peptidkette
B Die Form der Primärstruktur entsteht durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen der Peptidbindungen
C Die Tertiärstruktur zeichnet sich durch intramolekulare Wechselwirkungen aus
D Die Sekundärstruktur entsteht durch cotranslationale und posttranslationale Modifikationen
PBS in der Zelle
Nun hast Du gesehen, wie die biochemische Reaktion der Peptidbindung abläuft, damit AS aneinander geschweißt werden und fest verbunden sind.
Mit dieser Perlenkette wurde dann weiter gewerkelt, bis Tertiär- und sogar Quartärstrukturen erreicht wurden. Und damit war das Protein fertig.
Aber wie läuft das denn nun konkret in der Zelle ab?
Und zwar grundsätzlich fast gleich in jeder Zelle auf diesem Planeten – egal ob Prokaryoten oder Eukaryoten?
Dafür schauen wir uns nun auf molekularer Ebene die Proteinbiosynthese an.
Wichtig dabei ist:
die einzelnen Teilschritte musst Du auswendig und in jeder Genetik-Klausur aus dem Gedächtnis abrufen und hinschreiben können.
Definition Proteinbiosynthese (PBS):
Die Proteinbiosynthese ist die Neubildung von Proteinen in Zellen.
Und damit der für alle Lebewesen zentrale Prozess einer Genexpression, bei der nach Vorgabe genetischer Information Proteine aus Aminosäuren aufgebaut werden.
Die PBS kann in 2 Phasen unterteilt werden: Transkription und Translation.
Transkription: Die DNA wird in eine mRNA übersetzt.
Translation: Die mRNA wird abgelesen und die eigentliche Synthese eines Proteins aus den Aminosäuren findet statt.
Transkription und Translation weisen jeweils 3 Unterphasen auf:
– Inititaion (Start)
– Elongation (Verlängerung)
– Termination (Stopp)
Wo findet die PBS statt?
Bei Eukaryoten (z.B. Menschen): Im Zellkern (Transkription) und im Cytoplasma (Translation).
Bei Prokaryoten (z.B. Bakterien): Nur im Cytoplasma (-> weil ihre Zellen keine Kerne haben.).
Quiz: Folgende Aussage zur Proteinbiosynthese ist wahr: (B)
A Bei der Transkription wird mRNA wird abgelesen und eigentliche Synthese eines Proteins aus den Aminosäuren findet statt.
B Bei Bakterien findet die PBS im Cytoplasma statt
C Die Elongation (Verlängerung) kann in 2 Phasen unterteilt werden: Transkription und Translation
D Nach der Translation kommt die Transkription.
Detailablauf PBS
1. Transkription
Allgemein
Der 1. Schritt der Genexpression, bei dem die mRNA gebildet wird.
Im Unterschied zur DNA-Replikation wird bei der Transkription nur ein DNA-Strang/ Matrizen- strang/ codogener Strang/ Template in RNA umgeschrieben. Zudem wird auch nicht der gesamte Strang transkribiert, sondern nur ein spezifischer Genabschnitt.
Die RNA-Polymerase ist fu ̈r die Transkription verantwortlich. Sie startet immer am Promotor und endet am Terminator. Der gesamte, zu einer RNA transkribierte DNA-Bereich, heißt Transkriptionseinheit.
Initiation
Der Promoter umfasst Dutzende bis Hunderte Nucleotide, die von der RNA-Polymerase erkannt werden. Der Promotor liegt nur auf einem der beiden DNA-Stränge, der als Matrize dient und hat die Funktion als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase.
Die RNA-Polymerase bindet fest an den Promotorbereich, die DNA wird in diesem Bereich entwunden und das Enzym beginnt mit der Transkription des Matrizenstranges → Beginn der Transkriptionsblase.
Elongation
In dieser Phase bewegt sich die RNA-Polymerase in 5’-3’-Richtung an der DNA entlang, wobei es am Matrizenstrang (codogenen Strang) zur RNA-Synthese in 5’-3’-Richtung kommt. Die Transkriptionsblase wandert mit, da die Doppelhelix fortlaufend durch die RNA-Polymerase-II entwunden wird. Dabei werden immer 17 Basenpaaren der DNA entwunden und es kommt zu einer Verdrillung. Durch die wiederentstehende Doppelhelix wird die mRNA aus der zunächst entstandenen DNA-RNA-Helix verdrängt.
Es können mehrere RNA-Polymerasen hintereinander, wie ein Konvoi, die DNA transkribieren. Dadurch erhöht sich die mRNA-Menge und letztendlich die Menge an Proteinen.
Termination
Die Transkription erfolgt so lange, bis die RNA-Polymerase auf eine Terminatorsequenz stößt, an der es zum Anhalten der RNA-Synthese kommt und sich die mRNA und das Enzym vom Komplex lösen.
Quiz: Folgende Aussagen zur Transkription ist richtig: (A&D)
A Beide DNA Stränge werden in eine mRNA umgeschrieben.
B Sie startet immer am Promotor und endet am Terminator.
C Es kann immer nur eine RNA-Polymerase zurzeit arbeiten.
D Die RNA-Polymerase läuft in 5’-3’-Richtung an der DNA entlang.
2. Modifikation der mRNA-Moleküle nach der Transkription (NUR eukaryotische Zellen!!)
Die Enden des Primärtranskripts werden verändert:
- 5’-Cap-Struktur: Ein umgebildetes Guanin-Nucleotid wird als schützende Kappe angebracht.
- 3’-Ende PolyA-Schwanz: 50 bis 200 Adeninnucleotide werden enzymatisch angefügt.
Abbildung 5.15: Schema einer eukaryotischen mRNA
Nach Prozessierung der prä-mRNA trägt sie zusätzlich eine Kappe (cap) am 5’-Ende und einen Poly-A-Schwanz (tail) am 3’-Ende. Die codierende Sequenz (CDS – grün) wird translatiert; die flankierenden Regionen (5’-UTR – gelb; 3’-UTR – lila) bleiben untranslatiert. Quelle: [24
Funktionen von 5’-Cap-Struktur und PolyA-Schwanz:
– Reifungssignale: mRNA ist bereit zum Transport ins Cytoplasmas.
– Schutz der mRNA vor vorzeitigem Abbau durch Ribonucleasen.
– Helfen bei Bindung des 5’-Endes an das Ribosom.
Quiz: Welche Aussage zu post-transkriptionalen Modifikation ist falsch? (D)
A Die Modifikation der mRNA-Moleküle nach der Transkription findet nur in eukaryotischen Zellen statt.
B Die 5’-Cap-Struktur steht für ein umgebildetes Guanin-Nucleotid.
C Die 5’-Cap-Struktur und PolyA-Schwanz helfen bei der Bindung des 5’-Endes an das Ribosom.
D Der 3’-Ende PolyA-Schwanz besteht aus 1000 – 1200 Adeninnucleotide
3. Spleißen
Allgemein
Im zweiten Teil der Prozessierung werden die Introns (nicht codierende Sequenzen) herausgeschnitten und die Exons (codierende Sequenzen) miteinander verknüpft → Spleißen.
Ein reifes/ maturiertes, translationsbereites mRNA-Molekül mit Start- und Stopp-Codon entsteht.
Ablauf Spleißen
- Kleine Zellkern-Ribonucleoproteine snRNPs und andere Moleküle bilden auf der prä-mRNA
einen supramolekularen Verband → Spleißosom. - RNA-Komponenten des snRNPs bilden Basenpaare mit bestimmten,an den Intron-/Exon-grenzen
liegenden Nucleotidsequenzen aus. - Spleißosom zerschneidet die prä-mRNA, setzt ein Intron frei und spleißt die nun anliegenden Exons zusammen. Danach zerfällt es und setzt die modifizierte mRNA frei.
Beim Menschen benötigt man im Schnitt nur 1200 codierende Nucleotide für 400 AS, die prä-mRNA umfasst jedoch 27.000 Introns sind also vollkommen normal ?? Irgendetwas stimmt an dem Satz nicht. Der stand auch so im Skript - Alternatives Spleißen:
Bei gleichen Genabschnitten werden nicht immer alle Exons übernommen, manche werden, wie die Introns auch, herausgeschnitten. So kann ein Gen verschiedene Proteine erzeugen.
Quiz: Welche Aussage zum Spleißen ist richtig? (A)
A Das Spleißosom zerschneidet die prä-mRNA, setzt ein Intron frei und spleißt die anliegenden Exons zusammen.
B Das Spleißosom besteht aus DNA und anderen Molekülen, die auf der prä-mRNA einen supramolekularen Verband ausbilden.
C Beim Alternativen Spleißen werden immer alle Exons rausgeschnitten, um aus einem Gen verschiedene Proteine zu erzeugen.
D Ein reifes/ maturiertes, translationsbereites mRNA-Molekül mit Start- aber ohne Stop-Codon.
4. Translation
Allgemein
Im Cytoplasma liegen alle 20AS frei vor. Für jede AS und für jedes passende Codon gibt es eine Transfernucleinsäure tRNA. Die tRNA wird mittels eines spezifischen Enzyms (Synthase) unter ATP-Verbrauch mit der passenden Aminosäure kovalent verknüpft. Sie besitzt ein passendes Anti-codon zum spezifischen Code der mRNA.
Die Verknüpfung der AS → Peptidbindung übernimmt das → Ribosom.
Ribosomen bestehen aus einer kleinen und einer großen Untereinheit. Sie setzen sich aus ribosomalen Ribonucleinsäuren rRNAs zusammen. Sowohl bei Pro- wie bei Eukaryoten lagern sich die Einheiten nur in Gegenwart einer mRNA zum vollständigen Ribosom zusammen.
Ribosomen besitzen folgende Bindungsstellen:
– Bindungsstelle für die mRNA
– Bindungsstellen für die tRNA
– A-Stelle (Aminoacyl-tRNA)
– P-Stelle (Peptidyl-tRNA)
– E-Stelle (Exit)
Das Ribosom bringt die tRNA und mRNA sehr eng zusammen und richtet die neu eintreffende AS so aus, dass sie auf die wachsende Peptidkette übertragen werden kann. Die AS-Kette verlässt durch einen Austrittstunnel das Ribosom.
Beachte, dass sich an einem mRNA-Strang dicht an dicht Ribosomen anlagern. Daher ist die Proteinausbeute sehr hoch.
1. Initiation
Die freie kleine Untereinheit eines Ribosoms verbindet sich mit dem mRNA-Molekül. Danach vervollständigt eine große Untereinheit den Initiationskomplex. Die Initiator-tRNA mit der AS Methionin sitzt an der P-Stelle. Die A-Stelle ist für die nächste tRNA frei.
2. Elongation
Codonerkennung: Das Anticodon einer eintretenden tRNA bindet an ein komplementäres Codon an der A-Stelle.
Bildung der Peptidbindung: ein rRNA-Molekül katalysiert die Bildung einer Peptidkette, dabei wird die AS von der tRNA gelöst und die Peptidkette wächst.
3. Translokation: Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA. Dabei verlagert sich die tRNA, die an der P-Stelle saß, an die E-Stelle, die nächste tRNA springt von der A- zur P-Stelle weiter. Das nächste zu translatierende Codon gelangt nun an die frei gewordene A-Stelle.
4. Termination
Wenn ein Ribosom das Stoppcodon einer mRNA erreicht, tritt der release-Faktor (Freisetzungs- faktor) in die A-Stelle ein. Der release-Faktor ist ein Protein, dessen Struktur der tRNA ähnelt. Er hydrolysiert die Bindung zwischen der tRNA an der P-Stelle und der letzten AS der Polypeptidkette. So wird das Polypeptid von dem Ribosom abgelöst. Der Initiationskomplex löst sich anschließend wieder auf.
Mega-Quiz: Welche Aussagen zur Translation sind falsch? (A,C)
A Wenn ein Ribosom das Stoppcodon einer mRNA erreicht, bindet die letzte Aminosäure und die Polypeptidkette wird von dem Ribosom abgelöst.
B Bei der Translokation bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA. Dabei verlagert sich die tRNA, die an der P-Stelle saß, an die E-Stelle, die nächste tRNA springt von der A- zur P-Stelle weiter
C Ribosomen besitzen folgende Bindungsstellen (BS): BS für die mRNA, BS für die tRNA, A-Stelle (Aminoacyl-tRNA), F-Stelle (Peptidyl-tRNA), E-Stelle (Exit)
D Bei der Initiation sitzt die Initiator-tRNA mit der AS Methionin an der P-Stelle.
E Die Abfolge der Translation ist: Initiation, Elongation, Translokation, Termination.
F Zur Bildung der Peptidbindung katalysiert ein rRNA-Molekül die Bildung einer Peptidkette, dabei wird die AS von der tRNA gelöst und die Peptidkette wächst.
Hat das alles jetzt auch noch einen höheren medizinischen Sinn oder musst du einfach nur mega viel auswendig lernen?
Davon abgesehen, dass die richtige Übersetzung des genetischen Materials lebensnotwendig und entscheidend dafür ist, dass wir existieren, gibt es einige Erkrankungen und Therapien, die an den verschiedenen Stationen der Proteinbiosynthese ansetzen.
Doch wie sagt man so schön: Erst die Arbeit, dann das Vergnügen.
Bringe die folgenden Prozessabläufe der PBS in die richtige Reihenfolge.
—> hier folgen Begriffe die in die richtige Reihenfolge gebracht werden müssen. Wenn man dann auf die Begriffe raufklickt kommt eine kleine zusammenfassung. Vielleicht kann man die 5 Begriffe nehmen und dann drauf klicken wie eine Karteikarte? Auf der Rückseite kommt dann der beschreibende Satz.
1. Transkription: codogener Strang wird mittels RNA-Polymerase in 5’-3’-Richtung in mRNA umgeschrieben
2. Modifikation: 5’-Cap-Struktur und 3’-Ende PolyA-Schwanz werden an die mRNA angebracht
3. Spleißen: Introns werden herausgeschnitten und die Exons miteinander verknüpft –> Reife mRNA ensteht
4. Translation: An den Ribosomen wird der mRNA code in Aminosäuren und entsprechende Peptidbindungen übersetzt
5. Proteinfaltung: Ausbildung der dreidimensionalen Struktur eines Proteins. Beginnt schon während der Translation. Der Bauplan ist in den Genen festgeschrieben.
—> hier folgt Memorie Spiel oder Bilder Begriffen zuordnen bezüglich Krankheiten/Medikamente, die mit PBS Defekten assoziert sind.
Bild von Kind mit Diphterie – gestörte Translokation in der Translation durch Bakteriumtoxin
Bild von ALS Pateint – Spleißdefekt
Bild Knollenblätterpilz (a-Amantin) – Zellgift; hemmt Transkription
Bild Huntington’s – Proteinfehlfaltung
Bild Ehlers-Danlos(Hyperelastische Haut und Gelenke) – Spleißdefekt
5. Unterschiede der PBS bei Prokaryoten und Eukaryoten
—> Tablle aus dem Skript