Übersetzung (Biologie): Definition, Schritte, Diagramm

DNA(Desoxyribonukleinsäure) ist das genetische Material allen bekannten Lebens, vom einfachsten einzelligen Bakterium bis zum prächtigsten fünf Tonnen schweren Elefanten in der afrikanischen Ebene. "Genmaterial" bezieht sich auf die Moleküle, die zwei wichtige Anweisungen enthalten: eine für Proteine ​​herstellen für den aktuellen Bedarf der Zelle und der andere für Kopien von sich selbst machen, oder replizieren, so dass der exakt gleiche genetische Code von zukünftigen Zellgenerationen verwendet werden kann.

Um die Zelle lange genug am Leben zu erhalten, um sich zu vermehren, sind sehr viele dieser Proteinprodukte erforderlich, die die DNA über die mRNA (Boten-Ribonukleinsäure) erzeugt es als Gesandter zu den Ribosomen, wo eigentlich Proteine ​​synthetisiert werden.

Die Kodierung genetischer Informationen durch DNA in Boten-RNA wird als. bezeichnet Transkription, während die Herstellung von Proteinen auf der Grundlage von Anweisungen von mRNA genannt wird Übersetzung.

Übersetzen beinhaltet das Zusammenschustern von

Die Proteinsynthese in der Translation beinhaltet unter anderem ein koordiniertes Zusammentreffen von mRNA, Aminoacyl-tRNA-Komplexen und einem Paar ribosomaler Untereinheiten.

Nukleinsäuren bestehen aus sich wiederholenden Untereinheiten oder Monomeren, genannt Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus drei eigenständigen Komponenten: a ribose (Fünf-Kohlenstoff-)Zucker, eins bis drei Phosphatgruppen und ein Stickstoffbase.

Jede Nukleinsäure hat eines von vier mögliche Basen in jedem Nukleotid, von denen zwei Purine und zwei Pyrimidine sind. Die Unterschiede in den Basen zwischen den Nukleotiden geben den verschiedenen Nukleotiden ihren wesentlichen Charakter.

Nukleotide können außerhalb von Nukleinsäuren existieren, und tatsächlich sind einige dieser Nukleotide für den gesamten Stoffwechsel von zentraler Bedeutung. Die Nukleotide Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP) sind das Herzstück der Gleichungen, in denen Energie für die zelluläre Nutzung aus den chemischen Bindungen von Nährstoffen gewonnen wird.

Die Nukleotide in Nukleinsäurenbesitzen jedoch nur ein Phosphat, das mit dem nächsten Nukleotid im Nukleinsäurestrang geteilt wird.

Auf molekularer Ebene unterscheidet sich DNA von RNA in zweierlei Hinsicht. Einer ist, dass der Zucker in der DNA ist Desoxyribose, während es in der RNA Ribose ist (daher ihre jeweiligen Namen). Desoxyribose unterscheidet sich von Ribose darin, dass sie anstelle einer Hydroxylgruppe (-OH) an der Kohlenstoffposition Nummer 2 ein Wasserstoffatom (-H) aufweist. Somit ist Desoxyribose ein Sauerstoffatom weniger als Ribose, daher "Desoxy".

Der zweite strukturelle Unterschied zwischen den Nukleinsäuren liegt in der Zusammensetzung ihrer stickstoffhaltige Basen. DNA und RNA enthalten beide die beiden Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) sowie die Pyrimidinbase Cytosin (C). Aber während die zweite Pyrimidinbase in der DNA Thymin (T) ist, ist diese Base in der RNA Uracil (U).

Tatsächlich bindet A in Nukleinsäuren an und nur an T (oder U, wenn das Molekül RNA ist) und C bindet an und nur an G. Dieses spezifische und einzigartige komplementäre Basenpaarung Anordnung ist erforderlich für die richtige Übertragung von DNA-Informationen zu mRNA-Informationen bei der Transkription und mRNA-Informationen zu tRNA-Informationen während der Translation.

Auf Makroebene ist DNA doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist. Konkret hat DNA die Form einer Doppelhelix, die wie eine Leiter ist, die an beiden Enden in verschiedene Richtungen verdreht ist.

Die Stränge sind an jedem Nukleotid durch ihre jeweiligen stickstoffhaltigen Basen gebunden. Dies bedeutet, dass ein "A"-tragendes Nukleotid nur ein "T"-tragendes Nukleotid an seinem "Partner"-Nukleotid haben kann. Dies bedeutet, dass die beiden DNA-Stränge in der Summe komplementär zueinander.

DNA-Moleküle können Tausende von Basen (oder besser gesagt, Basenpaare) lang. Tatsächlich ein Mensch Chromosom ist nichts anderes als ein einzelner sehr langer DNA-Strang, der mit einer großen Menge Protein gekoppelt ist. RNA-Moleküle aller Art sind dagegen eher vergleichsweise klein.

Außerdem findet sich DNA vor allem in den Kernen von Eukaryoten, aber auch in Mitochondrien und Chloroplasten. Die meiste RNA findet sich dagegen im Zellkern und im Zytoplasma. Außerdem gibt es, wie Sie bald sehen werden, verschiedene Arten von RNA.

RNA kommt in drei Haupttypen vor. Das erste ist mRNA, das während der Transkription im Zellkern aus einer DNA-Matrize hergestellt wird. Sobald der mRNA-Strang fertig ist, verlässt er den Kern über eine Pore in der Kernhülle und lenkt die Show auf das Ribosom, den Ort der Proteinübersetzung.

Die zweite Art von RNA ist Transfer-RNA (tRNA). Dies ist ein kleineres Nukleinsäuremolekül und kommt in 20 Subtypen vor, einen für jede Aminosäure. Sein Zweck besteht darin, seine "zugewiesene" Aminosäure zur Translationsstelle auf dem Ribosom zu transportieren, damit sie der wachsenden Polypeptidkette (kleines Protein, oft in Bearbeitung) hinzugefügt werden kann.

Die dritte Art von RNA ist ribosomale RNA (rRNA). Diese Art von RNA macht einen erheblichen Teil der Masse der Ribosomen aus, wobei für Ribosomen spezifische Proteine ​​den Rest der Masse ausmachen.

Das oft zitierte "zentrale Dogma" der Molekularbiologie ist DNA zu RNA zu Protein. Noch prägnanter formuliert, könnte man sagen Transkription zur Übersetzung. Transkription ist der erste definitive Schritt zur Proteinsynthese und gehört zu den fortwährenden Notwendigkeiten jeder Zelle.

Dieser Prozess beginnt damit, dass das DNA-Molekül in Einzelstränge aufgewickelt wird, damit die an der Transkription beteiligten Enzyme und Nukleotide Platz haben, um sich zu bewegen.

Dann wird entlang eines der DNA-Stränge mit Hilfe des Enzyms RNA-Polymerase ein mRNA-Strang aufgebaut. Dieser mRNA-Strang hat eine Basensequenz, die zu der des Matrizenstrangs komplementär ist, abgesehen von der Tatsache, dass U überall dort erscheint, wo T in der DNA erscheinen würde.

• Wenn beispielsweise die der Transkription unterzogene DNA-Sequenz ATTCGCGGTATGTC ist, würde der resultierende mRNA-Strang die Sequenz UAAGCGCCAUACAG aufweisen.

Wenn ein mRNA-Strang synthetisiert wird, werden schließlich bestimmte DNA-Längen, sogenannte Introns, aus der mRNA-Sequenz gespleißt, da sie für keine Proteinprodukte kodieren. Nur die Teile des DNA-Strangs, die tatsächlich für etwas kodieren, sogenannte Exons, tragen zum endgültigen mRNA-Molekül bei.

Für eine erfolgreiche Translation werden am Ort der Proteinsynthese verschiedene Strukturen benötigt.

Das Ribosom: Jedes Ribosom besteht aus einer kleinen ribosomalen Untereinheit und einer großen ribosomalen Untereinheit. Diese existieren erst als Paar, wenn die Übersetzung beginnt. Sie enthalten eine große Menge an rRNA sowie Protein. Dies ist einer der wenigen Zellbestandteile, die sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten vorkommen.

mRNA: Dieses Molekül trägt direkte Anweisungen aus der DNA der Zelle, um ein bestimmtes Protein herzustellen. Wenn man sich DNA als Bauplan des gesamten Organismus vorstellen kann, enthält ein mRNA-Strang gerade genug Informationen, um einen entscheidenden Bestandteil dieses Organismus zu bilden.

tRNA: Diese Nukleinsäure geht eins zu eins Bindungen mit Aminosäuren ein, um sogenannte Aminoacyl-tRNA-Komplexe zu bilden. Dies bedeutet nur, dass das Taxi (die tRNA) derzeit seine beabsichtigte und einzige Art von Passagier (die spezifische Aminosäure) unter den 20 "Typen" von Menschen in der Umgebung befördert.

Aminosäuren: Dies sind kleine Säuren mit einem Amino (-NH₂)-Gruppe, eine Carbonsäure (-COOH)-Gruppe und eine Seitenkette, die zusammen mit einem Wasserstoffatom an ein zentrales Kohlenstoffatom gebunden ist. Wichtig ist, dass die Codes für jede der 20 Aminosäuren in Gruppen von drei mRNA-Basen, genannt Triplett-Codons.

Übersetzung basiert auf einem relativ einfachen Triplett-Code. Bedenken Sie, dass jede Gruppe von drei aufeinanderfolgenden Basen eine von 64 möglichen Kombinationen enthalten kann (z. B. AAG, CGU usw.), da vier hoch drei 64 ist.

Dies bedeutet, dass es mehr als genug Kombinationen gibt, um 20 Aminosäuren zu erzeugen. Tatsächlich wäre es möglich, dass mehr als ein Codon für dieselbe Aminosäure kodiert.

Dies ist tatsächlich der Fall. Einige Aminosäuren werden aus mehr als einem Codon synthetisiert. Leucin ist beispielsweise mit sechs unterschiedlichen Codonsequenzen verbunden. Der Triplett-Code ist dieser "entartet".

Wichtig ist jedoch nicht redundant. Das heißt, die gleich mRNA-Codon kann nicht Code für mehr als eine Aminosäure.

Der physikalische Ort der Übersetzung in allen Organismen ist der Ribosom. Einige Teile des Ribosoms haben auch enzymatische Eigenschaften.

Die Übersetzung in Prokaryoten beginnt mit Einleitung über ein Initiationsfaktorsignal von einem Codon, das geeigneterweise als START-Codon bezeichnet wird. Dies fehlt in Eukaryoten, und stattdessen ist die erste ausgewählte Aminosäure Methionin, das von AUG kodiert wird, das als eine Art START-Codon fungiert.

Da jeder weitere mRNA-Streifen aus drei Segmenten auf der Oberfläche des Ribosoms freigelegt wird, wandert eine tRNA mit der gewünschten Aminosäure in die Szene und lässt ihren Passagier fallen. Diese Bindungsstelle wird als "A"-Stelle des Ribosoms bezeichnet.

Diese Wechselwirkung findet auf molekularer Ebene statt, da diese tRNA-Moleküle Basensequenzen haben, die zu der eingehenden mRNA komplementär sind und daher leicht an die mRNA binden.

In dem Verlängerung In der Translationsphase bewegt sich das Ribosom um drei Basen, ein Vorgang, der als Translation bezeichnet wird. Dies legt die "A"-Stelle erneut frei und führt dazu, dass das Polypeptid, unabhängig von seiner Länge in diesem Gedankenexperiment, zur "P"-Stelle verschoben wird.

Wenn ein neuer Aminoacyl-tRNA-Komplex an der "A"-Stelle ankommt, wird die gesamte Polypeptidkette aus. entfernt an der "P"-Stelle und an die Aminosäure, die gerade an der "A"-Stelle hinterlegt wurde, über ein Peptid angehängt Bindung. Wenn also die Translokation des Ribosoms entlang der "Spur" des mRNA-Moleküls erneut auftritt, ist ein Zyklus abgeschlossen und die wachsende Polypeptidkette ist jetzt um eine Aminosäure länger.

In dem Beendigung Phase trifft das Ribosom auf eines von drei Terminationscodons oder STOP-Codons, die in mRNA eingebaut werden (UAG, UGA und UAA). Dies führt dazu, dass nicht tRNA, sondern Substanzen, die als Freisetzungsfaktoren bezeichnet werden, an die Stelle strömen, und dies führt zur Freisetzung der Polypeptidkette. Die Ribosomen trennen sich in ihre konstituierenden Untereinheiten und die Translation ist abgeschlossen.

Der Translationsprozess erzeugt eine Polypeptidkette, die noch modifiziert werden muss, bevor sie als neues Protein richtig funktionieren kann. Die Primärstruktur von a Protein, seine Aminosäuresequenz, stellt nur einen kleinen Teil seiner letztendlichen Funktion dar.

Das Protein wird nach der Translation modifiziert, indem es in bestimmte Formen gefaltet wird, ein Prozess, der häufig auftritt spontan aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren an nicht benachbarten Stellen entlang der Polypeptidkette.

Ribosomen sind großartige Arbeiter, aber sie sind keine Ingenieure für die Qualitätskontrolle. Sie können nur Proteine ​​aus der ihnen gegebenen mRNA-Vorlage erzeugen. Fehler in dieser Vorlage können nicht erkannt werden. Daher wären Übersetzungsfehler selbst in einer Welt perfekt funktionierender Ribosomen unvermeidlich.

Mutationen die Veränderung einer einzelnen Aminosäure kann die Proteinfunktion stören, wie zum Beispiel die Mutation, die die Sichelzellenanämie verursacht. Mutationen, die ein Basenpaar hinzufügen oder löschen, können den gesamten Triplett-Code wegwerfen, sodass die meisten oder alle nachfolgenden Aminosäuren ebenfalls falsch sind.

Mutationen könnten ein frühes STOP-Codon erzeugen, was bedeutet, dass nur ein Teil des Proteins synthetisiert wird. All diese Bedingungen können in unterschiedlichem Maße schwächend sein, und der Versuch, angeborene Fehler wie diese zu überwinden, stellt eine ständige und komplexe Herausforderung für medizinische Forscher dar.