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Proteinbiosynthese in Eukaryoten

Der Vergleich der Proteinbiosynthese in Eukaryoten mit der in Prokaryoten zeigt Unterschiede in Ablauf und Lokalisation.

Merke

Prozesse der eukaryotischen Proteinbiosynthese sind räumlich und zeitlich getrennt.

Alle bisherigen Betrachtungen im vorliegenden Skript entsprechen dem Ablauf der prokaryotischen Proteinbiosynthese. Eukaryoten folgen den gleichen Prinzipien, zeigen jedoch komplexere Strukturen und Arbeitsweisen.

Ebenso wie Prokaryoten folgen auch Eukaryoten dem Schema:

DNA → mRNA → Protein (bzw. Genprodukt).

Merke

DNA → mRNA → Protein (bzw. Genprodukt)

Die Besonderheiten der DNA-Struktur (Exon – Intron) und ihre Lokalisation im Zellkern erfordern komplexere Prozesse.

RNA ist im Vergleich zu DNA kurzlebiger. Die Tatsache jedoch, dass die Proteinbiosynthese in Eukaryoten nicht nur komplexer, sondern in der Folge auch langwieriger ist, verlangt an einigen Stellen eine Stabilisierung der mRNA.

Spleißen

Warum ist dieser Schritt notwendig?

Eukaryotische DNA besteht aus unterschiedlich genutzten Nukleotidabschnitten, sogenannten Exons und Introns.

Exons enthalten Information, die im später erzeugten Protein oder Genprodukt genutzt wird. Die Introns hingegen zeigen keine solche „codierende Information“, vielmehr werden sie im Verlauf der Proteinbiosynthese entfernt.

So ist die entstehende erste Abschrift des Gens länger als das codierende Gen bzw. das daraus entstehende Protein. Eine Vorläufer-mRNA oder prä-mRNA wird gebildet. Diese enthält die Informationen aus Exons und Introns.

Durch Herausschneiden der Introns wird daraus die reife mRNA, welche als Vorlage in der Proteinbiosynthese verwendet wird. Das Herausschneiden wird Spleißen genannt. Diesen komplexen Vorgang übernehmen die im Zellkern lokalisierten Spleißosomen. Erst nach Herausschneiden der Intronsequenzen wird die mRNA aus dem Zellkern in das Zytosol transportiert.

Spleißen ist also kurz gesagt „das Entfernen der Intronregionen aus der prä-mRNA“.

Die prä-mRNA ist auch unter anderen Namen wie z. B. hnRNA für heterogeneous nuclear RNA zu finden.

Beispiel

Fehler beim Herausschneiden der Intronsequenzen sind bei einigen Krankheitsbildern Ursache der Fehlproduktion von Proteinen, die dann in letzter Konsequenz die Symptome der Krankheit hervorrufen. Beispiele sind die Erbkrankheiten zystische Fibrose und Chorea Huntington.

Merke

Spleißen =  „das Entfernen der Intronregionen aus der prä-mRNA“.

Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten

Eukaryoten müssen ihre mRNA erst spleißen, bevor diese als Vorlage für die Proteinbiosynthese eingesetzt werden kann. Aus der prä-m-RNA oder hnRNA wird die „endgültige“, reife mRNA durch Herausschneiden der Introns erzeugt. Dieser Vorgang erfolgt im Zellkern. Die reife mRNA wird über Kernporen aus dem Zellkern transportiert. Im Zytoplasma erfolgt die Translation.

Eukaryoten müssen ihre mRNA erst spleissen, bevor diese als Vorlage für die Proteinbiosynthese eingesetzt werden kann. Aus der prä-m-RNA oder hnRNA wird die "endgültige" mRNA durch Heraussschneiden der Introns erzeugt. Dieser Vorgang erfolgt im Zellkern. Die "fertige" mRNA wird über Kernporen aus dem Zellkern transportiert. Im Cytoplasma erfolgt die Translation.

Video: Proteinbiosynthese in Eukaryoten

Vergleicht man die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten mit der von Prokaryoten finden sich Unterschiede in Ablauf und Lokalisation! Alles was bisher in den Lernkapiteln besprochen wurde entspricht dem Ablauf der Proteinbiosynthese bei Prokaryoten. Eukaryoten folgen den gleichen Prinzipien, zeigen jedoch komplexere Strukturen und Arbeitsweisen.

Poly-A-Schwanz

Das Anhängen von 150–200 Adenin-Nukleotiden erfolgt zur Stabilisierung des mRNA-Stranges. Die angehängten Nukleotide verringern den enzymatischen Abbau und verlängern auf diese Weise die Lebensdauer der mRNA.

Durch Anfügen des Poly-A-Schwanzes ist die Lebensdauer eukaryotischer mRNA wesentlich länger als die prokaryotischer mRNA-Moleküle. So kann die reife mRNA problemlos aus dem Kern in das Zytosol oder zum rauen endoplasmatischen Retikulum (rER) transportiert werden.

5’-Cap

Am 5’-Ende der mRNA-Sequenz wird eine Kappe aus methyliertem Guanin aufgesetzt. Dieses 5'-Cap sorgt für eine korrekte Einpassung der mRNA in der kleinen ribosomalen Untereinheit.

Nach Abschluss der Translation faltet sich die Aminosäurekette (in der Regel) spontan zu einem dreidimensionalen und damit funktionellen Protein. In Eukaryoten können danach nochmals Veränderungen des Proteins erfolgen.

Posttranslationale Modifikation

Veränderungen, die erst nach der Translation erfolgen, z. B. das Abspalten von Peptiden oder die Glykosylierungen von Aminosäureresten, heißen posttranslationale Modifikationen (PTM).

 

Beispiel

  • Biosynthese des Peptidhormons Insulin: Insulin besteht aus drei Peptidketten, die mit den Buchstaben A-B-C gekennzeichnet werden. Die C-Kette wird aus dem Prä-Pro-Insulin herausgeschnitten, nur das Konstrukt aus A- und B-Kette ergibt das funktionelle Hormon.
  • Krankheitsbild Skorbut: Vitamin C-Mangel erzeugt Skorbut. Dieses aus alten Seefahrer-Geschichten bekannte Krankheitsbild beruht auf einer unzureichenden Oxidation des Bindegewebsproteins Kollagen. Kollagen ist sehr komplex und nur in einer auf ganz bestimmte Weise geordneten Tripelhelixstruktur wirklich funktionell. Diese wird durch die Oxidation einzelner Aminosäurereste nach Abschluss der Translation erzeugt. Erfolgt die Oxidation nicht korrekt oder nur unzureichend, weil Vitamin C bzw. Ascorbinsäure als Oxidationshelfer fehlt, so kommt es zu Zerfallserscheinungen (Zahnfleischbluten usw.) und schließlich zum Tod des Patienten.

Merke

Wichtig für die Abiturprüfung!
Bitte bereiten Sie sich so vor, dass Sie die weniger komplexe Variante der Proteinbiosynthese reproduzieren können; die komplexen Varianten werden in der Regel in Form von Material (Abbildungen, Texten) zum Vergleich angeboten.

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Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Proteinbiosynthese in Eukaryoten ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Molekularbiologie / Genetik.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
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