Protkoll Proteinbiosynthese

18.Dezember 2011 Biologie GK -‐ OHG

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Protokoll zur Proteinbiosynthese anhand der Haarbalgzelle

Joseph Choi


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A. Einleitung: Die Proteinbiosynthese ist neben der Energiegewinnung einer der wichtigsten Prozesse im menschlichen Körper überhaupt.. Bisher haben wir gelernt, wie eine DNA aufgebaut ist, wie sie repliziert wird und was für eine wichtige Funktion im Menschen und bei anderen Lebewesen hat. Anhand des Protokolls werde ich untersuchen, wie der Bauplan, also das Gen (Genotyp), sich phänotypisch zeigt. Sprich wie kann die genetische Information, entschlüsselt werden werden und Teile des menschlichen Körpers ausbilden? Und wo genau laufen die Vorgänge ab? Am Beispiel der Haarbalgzelle wird erklärt, wie sich schwarze Haare bilden können und somit lässt sich die Proteinbiosynthese veranschaulichen.

B. Erklärung

1. Das Melaninsynthetase-‐Gen im Erbgut des Zellkerns Die Erbinformation, in Form von DNA befindet sich in dem Zellkern einer Haarbalgzelle, die sich unter der Kopfhaut befindet, also dort wo das Haar gebildet wird. Relevant für die Ausbildung des Melaninsynthetase-‐Gens ist jedoch nur dessen Gen, also nicht die komplette Dann, sondern lediglich ein Abschnitt, das die „Bauanleitung“ für das Enzym ist. Da dieser Abschnitt erst kopiert wird, muss man den Aufbau des Gens genauer unter die Lupe nehmen. Zuerst beginnt das Gen mit einer Folge von Basen, die „regulative Sequenz“ genannt wird. Die RNA-‐Polymerase, welches ein Enzym ist, das die Synthese der RNA bei der Transkription der DNA katalysiert (in Punkt 2. folgt genaueres), orientiert sich an diese Sequenz am codogenen Strang, also des 3’ – 5’ Einzelstrangs. Dort binden sich Proteine (Enhancer, deu: Transkriptionsverstärker), de RNA-‐Polymerase die den Vorgang der Transkription beschleunigt, sodass sie schneller arbeiten kann. Danach folgen 20 Basen ohne Information, deren Funktion man noch nicht bewusst ist. Aber angesichts dessen, dass die Natur nicht verschwenderisch ist, sondern möglichst effizient, kann man die Vermutung aufstellen, dass diese Basensequenz eine bestimmte Rolle übernimmt und Wissenschaftler versuchen diese Rolle herauszufinden. Nun folgt die sogenannte „TATA-‐Box“, die ihren Namen ihrer Basenabfolge verdankt, da sie nur aus abwechselnd Thymin und Adenin besteht. Somit formt sie eine markante Struktur und dient ebenfalls als Bindungsstelle, so wie die regulative Sequenz. Diese beiden Sequenzen werden „Promotor“ genannt, da sie zum einen die „Andockstelle“ für die RNA-‐Polymerase ist (Pro (lat.) : vor der eigentlichen Bauanleitung) und zum anderen wie ein „Motor“, die RNA-‐Polymerase antreibt und beschleunigt. Es folgt der eigentliche „codierende Bereich“, denn durch das Basentriplet „TAC“, das das sogenannte „Start-‐Codon“ bildet, wird signalisiert, dass die RNA-‐


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Polymerase die DNA in RNA umschreiben soll, dabei ist es essentiell, dass das Start-‐Codon mit übersetzt wird. Daraufhin kommt eine Abfolge von Basen, das die eigentliche Bauanleitung für das Protein ist (codierende Bereich). Am Ende des Bereiches hängt immer ein Stopp Codon (Nonsens Codon), das das Ende der Transkription bewirkt, denn für die drei möglichen Triplets (ATT,ACT und ATC), gibt es keine komplementäre t-‐RNA, also auch keine Aminosäure. Die RNA-‐Polymerase löst sich ab und das Gen wurde vollkommen in m-‐RNA synthetisiert. Zuletzt folgt erneut die Basensequenz ohne Information. Wird jedoch zu viel oder genug vom Endprodukt, in diesem Fall Melanin, produziert, dann setzt sich das Melanin an die regulative Sequenz für den Repressor und bildet eine Schleife zur TATA Box. Dann ist das Gen nicht mehr aktiv, denn die RNA-‐Polymerase ist nicht mehr fähig den Strang zu synthetisieren und somit entsteht auch kein Melanin mehr. Diese „hausgemachte“ Regulation nennt man Endprodukthemmung. 2. Transkription Die Transkription (lat. umschreiben) läuft im Zellkern ab und ist der Vorgang der Synthese der RNA anhand der DNA. Produkte sind jeweils die mRNA, tRNA und rRNA, wir betrachten aber zuerst die mRNA. Sie ist die exakte Kopie des DNA-‐Einzelstrangs auf dem sich das Gen befindet. Der Katalysator RNA-‐Polymerase „klammert“ sich mithilfe von Proteinen (zusammen: Initiationskomplex) um den codogenen Strang und die Promotoren dienen als Bindestellen. Beim Start-‐Codon löst die RNA-‐Polymerase zunächst die Wasserstoffbrücken auf und entwindet die DNA, sodass sie sich blasenartig öffnet (Initiation). Nun kann die Basenfolge des Gens komplementär ergänzt werden (Elongation). Dabei ist zu beachten, dass mRNA als synthetisierter Strang produziert wird. Sie ist im Gegensatz zur DNA meistens einsträngig, statt Thymin, die es in der RNA nicht gibt, wird Uridin eingebaut (komplementär zu Adenin), das Zuckermolekül ist Ribose anstatt der Desoxyribose, außerdem ist sie auch viel kürzer, da sie keine komplette Kopie ist. Die Basen für die RNA heißen Adenosin, Uridin, Cytidin und Guanosin. Trifft die RNA-‐Polymerase auf das Stopp-‐Codon in der Terminator-‐Region löst sie sich von der DNA (Termination). Ergebnis ist ein komplettes mRNA Trankskript des Gens. Diese prä-‐mRNA muss erst modifiziert werden und an ihrem 5’Ende bildet sich eine Kappe, am 3’Ende ein Poly A-‐Stück, sodass sie vor enzymatischem Abbau geschützt ist. Dann erfolgt das „Splicing“ der mRNA, da das Gen grundsätzlich nicht in einem Stück vorliegt, da zwischen der codierenden DNA-‐Passagen (Extrons) nicht codierende und irrelevante Passagen vorhanden sind (Introns). Die mRNA besteht aus beiden Sequenzen, sodass durch Enzyme die Introns „ausgeschnitten“ werden. Diesen letztendlich nicht vollständig erforschten Vorgang nennt man Prozessierung. Die mRNA beinhaltet nun den Produktionsplan der DNA für die Melaninsynthetase. Am Beispiel auf dem Blatt hat man die Basenfolge von: TAC GCT TAA GGC ATA ATT.


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Umgeschrieben in RNA würde es heißen: AUG (Start) CGA AUU CCG UAU UAA (Stopp) Natürlich ist diese Abfolge nur exemplarisch und nicht das gesamte Gen für die Melaninsynthetase. 3. Translation Die Translation (lat. translatio) beschreibt den Vorgang, in der die Erbinformation in ein fertiges Protein übersetzt wird. Die transportable mRNA verlässt den Zellkern durch Transportproteine, die die mRNA durch die Kernporen schleust. Dort trifft sie auf das raue Endoplasmatische Retikulum, das sich am Zellkern befindet. Die mRNA gelangt in ein Ribosom, aus dem Nucleolus, das aus 50% rRNA besteht (ribosomaler RNA) und zu 50% aus Proteinen. Man nennt sie auch die „Proteinfabrik“ der Zelle ist und sie besteht das aus 2 Untereinheiten: Die große und kleine Untereinheit. Die Untereinheiten verfügen über drei Regionen, an denen die tRNAs (transfer RNA) gebunden und Aminosäuren zu Proteinen verknüpft werden. Sie heißen E (Ex: Ausgangspunkt), P (Proteinbildung) und A (Aminosäure). Diese EPA-‐Stelle ist die Bindungsstelle für die tRNA. Wenn sich die Untereinheiten um die mRNA zusammenklappen, so ist auch die EPA-‐Stelle zusammengefügt. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, die ein Protein bilden können. Würde jedoch 1 Base auch nur für 1 Aminosäure stehen, gäbe es nur 4 Aminosäuren. Wenn 2 Basen 1 Aminosäure bildet gäbe es immer noch nicht genug, nämlich nur 16 Möglichkeiten. Bildet sich jedoch ein Triplet aus 3 Basen, das für eine Aminosäure steht dann kann es 4 hoch 3 Aminosäuren geben, also 64 Aminosäuren, was genug ist um ein Protein zu bilden. Der genetische Code liegt also in der Abfolge unterschiedlicher Basentriplets und jedes Triplet steht für eine Aminosäure. Um die Aminosäure den Triplets zuzuordnen ist die tRNA notwendig, was ähnlich wie ein Transportmolekül arbeitet. Ihre Sekundärform ähnelt einer Kleeblattform und in der Tertiärstruktur, liegt sie als Hakenform dar und besteht meistens aus 73 Nukleotiden. Die Form entsteht daraus, dass sich Wasserstoffbrücken innerhalb des Stranges bilden aufgrund der konjugierenden Basen. Am unteren Ende ist die Anticodon-‐Schleife an der die komplementären Basen zur mRNA vorhanden sind (Anticodon). Am oberen Bereich ist der Aminosäuren-‐Stamm an der die korrespondierende Aminosäure (es gibt insgesamt 20 wichtige) gebunden wird, wobei die beiden anderen Schleifen D und T nur dazu da sind, um sich an das Ribosom anzuheften. Die Aminosäure gerät in ein Enzym namens Aminoacyl-‐tRNA-‐Synthetase und wird unter ATP Verbrauch gebunden. Die tRNA lagert sich auch an das Enzym an und ist nun beladen. Danach dockt das Anti-‐Codon nach dem Schlüssel-‐Schloss-‐Prinzip an das komplementäre Triplet an, wobei die Anticodon-‐Schleife zum Abtasten der mRNA dient. Sie ist also Dolmetscher und Transporteur, denn sie übersetzen die Sprache der Basensequenz in die Sprache der Proteine. Während der bindet die sogenannte „Initiator-‐t-‐RNA“, mit dem f-‐Met Aminosäure an das Start-‐Codon AUG. Das f ist insofern wichtig, da Ende der Aminosäure formyliertes Methionin steht, welches vorgibt, dass die Peptidbindung nur an die


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Carboxylgruppe binden kann. Somit ist die Anordnung für dich späteren Aminosäuren festgelegt. Die Carboxylgruppe steht immer vorne. Dieser Vorgang lief in der A-‐Site ab. Nun folg die Elongation, bei der das Ribosom, entlang der mRNA, eine Stelle nach rechts wandert. Die nächste, mit Aminosäure, beladene tRNA dockt mit dem Anti-‐Codon an das passende Codon, der mRNA, an der A-‐Site an. In der P-‐Site wird die Aminosäure von der tRNA getrennt und an die nächste angelieferte Aminosäure geknüpft. An der E-‐Site verlässt die unbeladene tRNA das Ribosom um sich neu zu beladen. Diese Kette wird immer länger und hört auf zu wachsen wenn das Ribosom das Stopp Codon erreicht (Termination). Hier dockt keine tRNA mehr an, sondern der „Release-‐Faktor“. Der ganze Translationskomplex zerfällt und die Translation ist beendet und das Produkt in Form von einer langen Aminosäurensequenz ist nun die Melaninsynthetase in ihrer Primärstruktur. Um effizient Proteine herzustellen können sogar mehrere Ribosomen hintereinander, die mRNA in das Protein transkribieren (Polysomen). Nach der Transkription wird die mRNA von der Exo-‐Nuclease abgebaut, sodass sie nicht mehr brauchbar ist. Zuletzt wird das Protein noch modifiziert und das f-‐Methionin meistens entfernt. Da meistens die letzte Base nicht immer ausschlaggebend für die Aminosäure ist, wurde das Risiko vermindert, dass eine Fehltranslation der letzten Base auch eine falsche Aminosäure und somit ein falsches Protein zur Folge hat. Die mRNA, des Beispiels: AUG (Start) CGA AUU CCG UAU UAA (Stopp) wird in die Aminosäuren (immer bei mRNA ablesen!) : Methionin Arginin Isoleucin Prolin Tyrosin Stopp-‐Codon translatiert und aus dem Gen entsteht diese Aminosäurensequenz.

4. Dictyosom Das Protein in seiner Primärstruktur wandert nun vom Ribosom in das Dictyosom (Golgi-‐Apparat), welches ein Organell ist, das aus mehreren Hohlräumen besteht, die durch Zellmembranen umschlossen werden (Zisternen). Die Seite, die dem rauen ER zugewandt ist besitzt eine Polarität, man nennt sie die konvexe „cis-‐Seite“, sodass man vermuten kann, dass das Protein durch Anziehung oder ähnlichem in das Dictyosom gelangt. Einmal angekommen wird die Primärstruktur, also eine Aneinanderreihung von Aminosäuren, in die Tertiärstruktur gebracht, die Polypeptidkette wird also in eine räumliche Anordnung gebracht, durch zwischenmolekularer Kräfte, wie Wasserstoffbrücken oder Van-‐der-‐Waals Kräfte. Da die Melaninsynthetase ein komplexeres Protein ist, benötigt es dabei die Hilfe von den sogenannten „Chaperons“. Das sind Enzyme, die die Entfaltung der Primär-‐ in die Tertiärstruktur ermöglicht und beschleunigt. Nun ist die Melaninsynthetase vollkommen und kann nun aus 2 Molekülen Tyrosin, das aus der Nahrung gewonnen wird und für viele Zwecke genutzt wird, 1 Molekül Melanin umformen, da es ein Enzym mit solcher Funktion ist. Aus der, von dem Zellplasma abgewandten trans-‐Seite, wird eine Golgi-‐Vesikel mit diesen Melanin abgeschnürt.


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Da dieses Bläschen mit vielen Pigmenten gefüllt ist erscheint sie schwarz, man nennt sie Melanosomen. Es gelangt in die benachbarte Tochterzelle, die verhornende Haarbildungszelle, die durch Mitose entstanden ist, also durch einfach Replikation. Nach diesem Stofftransport befindet sich die schwarze Farbe in der Haarbildungszelle. Sie bildet Membranenstapel in denen die Farbpigmente eingelagert werden. Je mehr eingelagert wird, desto dunkler ist nachher das Haar. In diesem Fall wird das Haar schwarz, das liegt daran, dass das Gen sehr gut funktioniert, aufgrund des gut funktionierenden Enhancer. In vielen Fällen wird die Haarfarbe vererbt, doch das ist wiederum eine andere Geschichte.

5. Störungen und Anpassung Zuerst kann man erkennen, dass die Haarfarbe den Umwelteinflüssen unterliegt, zum Beispiel der Sonneneinstrahlung. Verschiedene Haarfarben können gebildet werden, indem man Eumelanin (Schwarz-‐Braun-‐Pigment) und das Phäomelanin (Rot-‐Gold Pigment) in ein bestimmtes Mischverhältnis setzt. Dabei ist das Eumelanin grösser und von der Struktur her stärker, sodass schwarze Haare vom Umfang her dicker ist. Blonde Menschen haben jedoch ein weniger gut funktionierenden Enahncer oder ein guter Repressor, sodass nicht viel Melanin produziert wird und das Haar heller wird. Das Phänomen des Ergrauens hat ihren Ursprung, dass mit dem Alter zunehmend pigmentlose Haare gebildet werden (graue Haare gibt es nicht). Das liegt daran dass der alternde Körper nicht mehr genug Tyrosin produziert, welches das Baustein für das Melanin ist. Die Vesikel bestehen also nur aus Luft und enthalten keine Farbe (Hypopigmentierung). Bei der künstlichen Haarfärbung werden durch Chemikalien die Schuppen der Haare aufgerichtet, zum Beispiel mit Ammoniak. Danach geben Nuanceure dem Haar eine farbliche Änderung. Der Albinismus ist eine Störung der Proteinbiosynthese des Melanins, worauf der Körper überhaupt kein Melanin mehr produziert. Das kann daran liegen, dass einer der Enzyme nicht funktioniert, die notwendig für die Herstellung von Melanin ist, wie zum Beispiel die Melaninsynthetase. Aufgrund einer Mutation des Erbguts, also des Gens für die Melaninsynthetase, ist die Bauanleitung fehlerhaft und somit entsteht überhaupt keine Melaninsynthetase.

6. Anmerkung

Manchmal faellt es mir schwer die abstrakte, nicht sichbare Welt, der Biologie zu verstehen. Dieses Thema fand ich jedoch interessant, da man nicht nur gelernt hat, wie ein Protein von einer Bauanleitung entsteht, sondern wie auch die Haarfarbe entsteht und warum man mit dem Alter „grau“ wird, es war also auch ein Bezug zur „visuellen“ Welt vorhanden.

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