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Die Proteinsynthese oder Proteinbiosynthese, kurz PBS, bezeichnet die in den Zellen stattfindende Neubildung der Proteine. Bei der Genexpression aller Lebewesen stellt sie einen wichtigen Prozess dar. Bei dieser Art der Biosynthese baut der Organismus die Proteine nach spezifischen genetischen Informationen aus Aminosäuren auf. Der biochemische Vorgang setzt sich aus mehreren Schritten zusammen.

Proteinbiosynthese

Grundlegende Informationen zur Proteinbiosynthese

Inhaltsverzeichnis →

Für die Synthese eines Proteins benötigt der Organismus proteinogene Aminosäuren. Der Prozess findet an den Ribosomen statt. In der Fachsprache heißt er Translation. Bei dem Vorgang erfolgt die Übersetzung einer Basenfolge der Messenger-RNA, kurz mRNA.

Diese Folge wandelt sich in die Abfolge von Aminosäuren des Peptids um. Bei dem Prozess erhält jedes Codon der mRNA ein Anticodon der tRNA. Das Kürzel steht für die Transfer-RNA. Die jeweils einzeln transportierte Aminosäure bindet sich im Rahmen der Peptidbindung an das Gebilde. In der Folge entsteht aus den charakteristischen Aminosäuresequenzen eine Kette.

Bei ihr handelt es sich um ein Polypeptid. Dieses entfaltet sich in dem umgebenden Medium zu einer dreidimensionalen Form. Diese nennt sich natives Protein. Veränderungen sowie posttranslationale Modifikationen entstehen durch:

  • Umbauten,
  • Abspaltungen und
  • Anbauten.

Unterschiede der Proteinsynthese in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen
Bei den prokaryotischen Zellen liegt die DNA frei im Zytosol. Die Proteinsynthese setzt an der transkribierten mRNA-Vorlage an. Bei den Eukaryoten zeigt sich die Biosynthese komplizierter. In den Zellen existiert ein separates Kompartiment. Dieses besteht im Zellkern, der mehrere Chromosomen mit dem Genom enthält. Die stabilisierte und überarbeitete hnRNA strebt den Kernexport an. Zu dem Zweck passiert sie die Kernpore und gelangt in das Zytoplasma. Dieses enthält die Untereinheiten der Ribosomen.

Bei den eukaryotischen Zellen besteht die Proteinsynthese aufgrund dieser Aufteilung als mehrschrittiger Vorgang. Dieser erlaubt es, die RNA nach der eigentlichen Transkription zu verändern. Dadurch erfolgt die Regulierung der Genexpression. Im Rahmen der Gen-Stilllegung gelingt es, bestimmte Vorlagen der RNA aus der Proteinbiosynthese auszuschließen.

Ablauf der Proteinsynthese

Die Proteinbiosynthese besteht aus vier Teilschritten:

  • der Aktivierung der Aminosäuren,
  • der Kettenbildung,
  • der Kettenverlängerung und
  • dem Kettenabschluss.

Zuerst erfolgt die Bildung von Aminoacyl-tRNA. Zu dem Zweck aktiviert die Zelle die 20 unterschiedlichen proteinogenen Aminosäuren. Diese verbinden sich mit der spezifischen tRNA. Das geschieht im Zytoplasma. Das Aktivieren funktioniert durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen. Hierbei handelt es sich um eine bestimmte Enzymgruppe. Die Energie für den Aktivierungsprozess entstammt aus dem ATP-Verbrauch.

Anschließend folgen die Kettenbildung und die Bindung an die Untereinheiten der Ribosomen. Verbindet sich die mRNA mit der ersten Aminoacyl-tRNA, entsteht ein Ausgangskomplex. Dieser manifestiert sich an einer freien 30S-Ribosomen-Untereinheit. An den Ausgangskomplex – initiation complex genannt – lagert sich eine 50S-Untereinheit an. Die erste Aminoacyl-tRNS startet den Vorgang als N-Acyl-Derivat. Das geschieht, um zu gewähren, dass die Synthese der Polypeptidkette am Anfang der genetischen Botschaft startet.

Der dritte Schritt besteht in der Verlängerung der Kette. Das funktioniert durch die fortlaufende Anlagerung weiterer Aminoacyl-Reste. Die Reststücke übertragen die Aminoacyl-tRNA-Ester. Die Bestimmung erfolgt durch das in der mRNA befindliche Codon. Existiert eine neue Peptidbindung, verlängern sich die Ketten im Peptidyl-tRNA sowie im mRNA entlang des Ribosom. Das geschieht, um das nächste Codon korrekt zu positionieren. Die notwendige Energie für die Reaktion liefert der GTP-Verbrauch.

Wann schließt die Kette ab?

Den letzten Schritt der Proteinsynthese bildet der Kettenabschluss. Ihm folgt das Ablösen der Kette vom Ribosom. Die Polypeptidkette der mRNA endet durch spezielle Abschlusssignale. Diese existieren in Form von drei Stopcodons:

  • UAA,
  • UGA und
  • UAG.

Anschließend lockert sich die Kette und entfernt sich vom Ribosom. Die Kette der Polypeptid-tRNA löst sich aufgrund eines Abschluss-Codons. Den Vorgang leitet ein spezifischer Proteinfaktor in die Wege. Dieser release factor befindet sich am Ribosom und spaltet die Esterbindung zwischen der tRNA und dem Polypeptid. Die synthetisierte Polypeptidkette existiert zukünftig als Protein. Im Organismus übernimmt dieses zahlreiche Aufgaben. Im Anschluss verlässt das freie 70S-Ribosom die mRNS. Dissoziiert es in seine Untereinheiten, tritt es anschließend in einen neuen Zyklus ein. Für diese Spaltung benötigt das Ribosom einen spezifischen initiation factor.

Alternativ findet die Proteinsynthese bei nicht ribosomalen Peptiden statt. Die Synthese erfolgt nicht in den Ribosomen. Enzyme synthetisieren die entsprechenden Peptide als Sekundärmetabolit.

Quellen:

Hinweis für die Leser

Diese Inhalte sind zur Information gedacht. Sie sind kein Ersatz für eine ärztliche Untersuchung, Diagnose oder Behandlung. Bitte konsultieren Sie dafür immer einen Arzt.

Verantwortliche Autorin: Anna Nilsson, Journalistin und Medizinautorin seit 2001 mitwirkende Autorin, entsprechen ihre Inhalte dem aktuellen medizinischen Wissensstand und begründen sich auf ärztliche Fachliteratur.