Eine der wichtigsten Funktionen lebender Zellen besteht darin, die für das Überleben eines Organismus notwendigen Proteine zu produzieren. Proteine geben einem Organismus Form und Struktur und regulieren als Enzyme die biologische Aktivität. Um Proteine herzustellen, muss eine Zelle die genetische Information, die in ihrer Desoxyribonukleinsäure oder DNA gespeichert ist, lesen und interpretieren. Die Stellen der zellulären Proteinsynthese sind die Ribosomen, die frei oder gebunden sein können. Die Bedeutung des freien Ribosoms besteht darin, dass dort die Proteinsynthese beginnt.
DNA und RNA
DNA ist eine lange Molekülkette, die aus abwechselnden Zucker- und Phosphatgruppen besteht. An jedem Zucker hängt eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Nukleotidbasen – A, C, T und G. Die Abfolge der Basen entlang des DNA-Strangs bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren, die Proteine bilden. Ribonukleinsäure oder RNA überträgt eine komplementäre Kopie eines Teils eines DNA-Moleküls – eines Gens – an Ribosomen, die winzige Körnchen aus RNA und Protein sind. RNA ähnelt DNA, außer dass ihre Zuckergruppen ein zusätzliches Sauerstoffatom enthalten und die U-Nukleotidbase für die T-Base der DNA ersetzt. Die Ribosomen erzeugen Proteine gemäß den Informationen, die in der Boten-RNA oder mRNA gespeichert sind.
Komplementäre Codierung
Die Regeln für die Transkription von DNA in RNA spezifizieren eine Entsprechung zwischen Basen auf dem Gen und Basen auf der mRNA. Beispielsweise spezifiziert eine A-Base in einem Gen eine U-Base im mRNA-Strang. In ähnlicher Weise spezifizieren die T-, C- und G-Basen eines Gens die A-, G- bzw. C-Basen in der mRNA. Die in der mRNA enthaltene genetische Information liegt in Form von Tripletts von Nukleotidbasen vor, die als Codons bezeichnet werden. Zum Beispiel erzeugt das DNA-Triplett TAA das RNA-Triplett UTT. Die DNA- und RNA-Stränge enthalten daher komplementäre, jedoch einzigartige Informationen, die in der Sequenz von Nukleotidbasen kodiert sind. Fast jedes Triplett kodiert für eine bestimmte Aminosäure, obwohl einige Tripletts das Ende eines Gens angeben. Mehrere verschiedene Tripletts können für dieselbe Aminosäure kodieren.
Ribosomen
Die Zelle stellt Ribosomen direkt aus ribosomaler RNA oder rRNA her, die von spezifischen DNA-Genen kodiert wird. Die rRNA verbindet sich mit Proteinen zu großen und kleinen Untereinheiten. Die beiden Untereinheiten verbinden sich erst während der Proteinsynthese. In einer prokaryotischen Zelle – das heißt einer Zelle ohne organisierten Kern – schwimmen die Ribosomen-Untereinheiten frei in der Zellflüssigkeit oder dem Zytosol. In Eukaryoten bilden Enzyme im Zellkern Ribosomen-Untereinheiten. Der Zellkern exportiert dann die Untereinheiten in das Zytosol. Einige der Ribosomen können beim Aufbau von Proteinen vorübergehend an eine Zellorganelle namens endoplasmatisches Retikulum oder ER binden, während andere Ribosomen bei der Proteinsynthese frei bleiben.
Übersetzung
Die kleinere Untereinheit eines freien Ribosoms greift nach einem mRNA-Strang, um mit der Proteinsynthese zu beginnen. Die größere Untereinheit hängt sich dann an und beginnt mit der Translation jedes mRNA-Codons. Dies beinhaltet das Freilegen und Positionieren jedes mRNA-Codons, damit Enzyme die dem aktuellen Codon entsprechende Aminosäure identifizieren und anbinden können. Ein Transfer-RNA- oder tRNA-Molekül mit einem komplementären Anti-Codon verriegelt sich in der größeren Untereinheit, deren bezeichnete Aminosäure im Schlepptau. Enzyme übertragen dann die Aminosäure auf die wachsende Proteinkette, vertreiben die verbrauchte tRNA zur Wiederverwendung und legen das nächste mRNA-Codon frei. Am Ende setzt das Ribosom das neue Protein frei und die beiden Untereinheiten dissoziieren.