Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten

Proteinbiosynthese (Eiweißsynthese) – Definition

Der Begriff Proteinbiosynthese (Eiweißsynthese) bezeichnet den Vorgang der Herstellung von Proteinen (Eiweißen) in einer Zelle. Dieser Vorgang läuft bei Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich ab.

Aufgaben von Proteinen – Beispiele

Proteine (Eiweiße) haben in jedem Organismus vielfältige Funktionen. Sie dienen zum Beispiel als:

• Membranrezeptoren
• Ionenkanäle
• Enzyme
• Hormone
• Antikörper
• Strukturproteine für Haut, Haare, Knochen und Muskeln

Die Proteinbiosynthese dient der Herstellung vieler verschiedener Proteine, um all diese unterschiedlichen Funktionen erfüllen zu können.

Proteinbiosynthese – Ablauf

Die Proteinbiosynthese gliedert sich im Wesentlichen in die folgenden zwei Teilschritte:

• Transkription
• Translation

Diese Teilschritte sehen wir uns nun im Einzelnen an. Wir unterscheiden anschließend nach der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten. In der folgenden Abbildung siehst du eine Übersicht über den groben Ablauf der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten.

Proteinbiosynthese – Transkription

Im Verlauf der Transkription (lateinisch transcribere: abschreiben, umschreiben, übertragen) werden Gene, also DNA‑Abschnitte, für die Synthese der Ribonukleinsäure (RNA) umgeschrieben. Das heißt: Die Nukleinbasen der DNA (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin: A‑T‑G‑C) werden in die Nukleinbasen der RNA umgeschrieben (A‑U‑C‑G), wobei Thymin durch Uracil ersetzt wird. Außerdem kommt in der RNA anstelle des Zuckers Desoxyribose die Ribose im Grundgerüst der RNA vor.

Bei der Transkription dient eine bestimmte DNA‑Sequenz als Bindestelle für das Enzym RNA‑Polymerase. Diese DNA‑Sequenz wird als Promotor bezeichnet.
Eine RNA‑Polymerase setzt sich an die Region des Promotors und entspiralisiert den DNA‑Doppelstrang, der als Doppelhelix vorliegt, sodass etwa zehn bis zwanzig Basen der DNA zur Paarung freiliegen. Dieser codogene Strang der DNA wird in der Richtung $3' \longrightarrow 5'$ abgelesen und die komplementären Ribonukleotide lagern sich in der Richtung $5' \longrightarrow 3'$ an. So entsteht entweder mRNA (messenger RNA), tRNA (transfer RNA) oder rRNA (ribosomale RNA).
In der folgenden Abbildung ist der Vorgang der Transkription vereinfach dargestellt.

Proteinbiosynthese – Translation

Im Verlauf der Translation erfolgt die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins mithilfe der Ribosomen.

Je drei aufeinanderfolgende Basen auf der mRNA stellen ein Basentriplett dar, das als Codon bezeichnet wird und für je eine Aminosäure codiert. Diese Codone werden an den Ribosomen übersetzt und die Aminosäuren werden entsprechend ihrer Reihenfolge zu Proteinen verknüpft. Das Ribosom hat drei Bindungsstellen: die A-Stelle, die P-Stelle und die E-Stelle. Die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle) bindet das tRNA-Molekül mit der nächsten Aminosäure, die zur wachsenden Peptidkette hinzugefügt werden soll. Die P-Stelle (Peptidyl-Stelle) hält die tRNA mit der bereits vorhandenen Peptidkette. Die E-Stelle (Exit-Stelle) ist der Ausgangspunkt für die freigesetzte tRNA nach der Übertragung ihrer Aminosäure zur wachsenden Peptidkette.

Dieser Ablauf der Proteinbiosynthese findet sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten in ähnlicher Form statt. Im Einzelnen ergeben sich jedoch Unterschiede bei den verschiedenen Lebensformen, die vorrangig durch die unterschiedliche Lebensdauer bedingt sind.
Die folgende Abbildung zeigt den Vorgang der Translation in vereinfachter Form.

Gehen wir nun auf die Unterschiede in der Proteinbiosynthese der Prokaryoten und Eukaryoten ein.

Proteinbiosynthese bei Prokaryoten

Unter idealen Bedingungen besitzen Prokaryoten eine Generationszeit von nur $30$ Minuten, das heißt: Sofern die Lebensbedingungen optimal sind, kann sich die Anzahl der Einzeller jede halbe Stunde verdoppeln. Um sich in dieser kurzen Zeit an wechselnde Umweltbedingungen oder Entwicklungsschritte anpassen zu können, verläuft die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten wesentlich schneller als bei Eukaryoten:

• Da die DNA von Prokaryoten frei im Zytoplasma vorliegt, finden dort auch beide Schritte der Proteinbiosynthese statt.
• Die mRNA gelangt nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen. Oft lagern sich Ribosomen an die gerade entstehende Kette an und beginnen mit der Translation, schon bevor die Transkription beendet ist. Somit wird die mRNA von mehreren Ribosomen gleichzeitig abgelesen. Ein Komplex aus mehreren Ribosomen an einer mRNA wird als Polysom (oder Polyribosomkomplex) bezeichnet. Bei Eukaryoten sind Polysomen hingegen an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden.
• Pro Minute werden bis zu $2\,500$ Nukleotide angelagert.
• Bereits nach wenigen Minuten wird die synthetisierte mRNA wieder abgebaut und deren Nukleotide werden für die Synthese von neuer mRNA verwendet.

Proteinbiosynthese bei Eukaryoten

Die Proteinbiosynthese verläuft bei Eukaryoten wesentlich langsamer als bei Prokaryoten:

• Die mRNA von Eukaryoten ist wesentlich länger als die mRNA von Prokaryoten.
• Eine Gruppe aus $150$ bis $200$ Adenin‑Nukleotiden, ein Poly‑A‑Schwanz, schützt das $3'$‑Ende der mRNA vor dem Abbau durch Enzyme.
• Am $5'$‑Ende schützt eine Kappe aus methyliertem Guanin die mRNA.
• Transkription und Translation verlaufen – anders als bei den Prokaryoten – räumlich getrennt voneinander.
• Im ersten Teil der Transkription entsteht eine prä‑mRNA, eine Art unfertige Skizze. Diese wird am $3'$‑Ende durch das Anhaften der Adenin‑Nukleotide (Poly‑A‑Schwanz‑Polyadenylierung) und durch sogenanntes Spleißen (Splicing) noch verändert. Die prä‑mRNA enthält nämlich auch Informationen über Proteine, die gerade nicht benötigt werden. Codierende Abschnitte auf dieser mRNA werden als Exons bezeichnet. Abschnitte auf der mRNA ohne codierende Informationen werden als Introns bezeichnet.
  Schneideenzyme legen die Introns an bestimmten Stellen so zu Schleifen zusammen, dass sie ausgeschnitten werden und dass nur die Exons abgelesen und verknüpft werden. Dieser Vorgang wird als Spleißen (Splicing) bezeichnet.
• Die sogenannte reife mRNA verlässt den Zellkern und gelangt ins Zytoplasma, wo an den Ribosomen die Translation erfolgt.
• Die Translation verläuft im Zytoplasma am rauen endoplasmatischen Retikulum (raues ER, also ER, das mit Ribosomen besetzt ist).
• Die Proteinbiosynthese läuft auch in den Chloroplasten und in den Mitochondrien von Eukaryoten eigenständig ab. Beide Zellkompartimente besitzen eigene DNA und eigene Ribosomen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Proteinbiosynthese