Proteinbiosynthese einfach erklärt: Definition, Ablauf und Aufgaben

Proteine sind die Bausteine aller Zellen und an fast allen wichtigen Prozessen in unserem Körper beteiligt. Entsprechend ist die Herstellung dieser Proteine ein sehr wichtiger, streng regulierter Prozess. Das bedeutet, dass nicht jede Zelle in unserem Körper zu jeder Zeit des Tages das gleiche Protein herstellt.

Kommen wir z.B. aus dem Fitnessstudio nach Hause beginnt der Aufbau von Muskulatur, wofür andere Proteine benötigt werden, als wenn wir abends auf der Couch mit einer Tüte Chips in der Hand faul rumliegen.

Die Informationen darüber, welche Proteine produziert werden sollen, kommen somit, zumindest teilweise, von außen. Das ermöglicht es, auf unseren Körper Einfluss zu nehmen. Wie aber „weiß“ die Zelle, wie jedes Protein hergestellt wird und wie läuft dieser Prozess ab?

Auf einen Blick:

Transkription: wird in einer Zelle ein Protein benötigt, wird ein Transkript als Kopie der DNS des Zellkerns erstellt.

Nukleinsäuren beinhalten die genetischen Informationen des Menschen und sind u.a. für die Bildung von Proteinen zuständig. Die Abfolge der Nukleinsäuren bestimmt die Art der benötigten Aminosäuren.

Translation: durch die Verbindung einzelner Aminosäuren mittels Enzyme werden langkettige Protein hergestellt.

Die Transkription – Das Umschreiben der Erbinformation

Vermutlich jeder hat bereits den Begriff Gene oder DNS gehört. DNS ist der Träger unserer Erbinformationen, die als Gene bezeichnet werden.

Die Gene sind im Grunde nichts anderes als eine Abfolge von vier verschiedenen sogenannten Nukleinsäuren, deren Anordnung darüber bestimmt, welches Protein am Ende gebildet wird. Nun liegt die DNS aber gut geschützt im Inneren des Kerns einer jeden Zelle, während die Proteinsynthese außerhalb des Kerns stattfindet. Wie gelangt sie dorthin?

Die DNS des Zellkerns wird zuallererst „kopiert“, denn das Original aus dem Zellkern herauszubringen ist logischerweise nicht die beste Idee. Hierzu wird eine sogenannte Boten-RNS erzeugt, die die Information des Gens beinhaltet. Es folgen einige Modifikationen an dieser Boten-RNS, bevor sie den Zellkern verlassen und zu den Protein-Kraftwerken unserer Zelle gelangen kann, den Ribosomen1.

Dort angelangt beginnt der eigentliche Prozess der Proteinherstellung, die Translation. In ihr werden einzelne Aminosäuren zu langen Ketten miteinander verknüpft und bilden damit Proteine.

Zuvor aber erst ein kurzer Exkurs zu den Nukleinsäuren, aus denen unsere RNS/DNS besteht. 

Die Nukleinsäuren – Der Quellcode unseres Lebens

Die Translation ist, wie leider sehr vieles in unserem Körper, ein sehr komplexer Vorgang, betrachtet man jeden einzelnen Schritt. Auch wenn man sich nur oberflächlich damit beschäftigen möchte, muss man sich aber auf alle Fälle mit den Nukleinsäuren vertraut machen, aus denen unsere DNS besteht.

Von den kompliziert klingenden Namen sollte man sich nicht abschrecken lassen: Guanin (G) und Cytosin (C), sowie Thymin (T) und Adenin (A). Die beschriebene Boten-RNS enthält zusätzlich dazu, anstelle von Thymin, noch Uracil (U)2. Wie erwähnt, ist die Abfolge dieser vier Nukleinsäuren der „Quellcode“ des Lebens. Bei keinem anderen Prozess wird das so augenscheinlich wie bei der Proteinbiosynthese. Denn woher weiß der Körper eigentlich, welche Nukleinsäureabfolge zu welcher Aminosäure gehört, um das fertige Protein herzustellen?

Man kann den Prozess mit dem binären System in der Computertechnologie vergleichen. Dort wird die Abfolge von vier Ziffern als ein „Bit“ bezeichnet. Die Reihenfolge von „0“ oder „1“ innerhalb dieses 4er Blocks ergibt dann eine Zahl. Der Prozessor des Computers übermittelt Informationen durch diese 4er Blöcke und weiß, wann die Information beginnt und wann sie endet.

Genau das gleiche geschieht bei der Proteinbiosynthese. Hier sind es allerdings 3er Blöcke, die für bestimmte Aminosäuren kodieren. Befindet sich z.B. die Abfolge „GGG“ auf der Boten-RNS, dann wird die Aminosäure Glycin benötigt, bei „GAG“ aber Glutamat. Wir wissen mittlerweile ganz genau, welche Reihenfolge welche Aminosäure kodiert, was insbesondere wichtig ist, für die biotechnologische Herstellung von Proteinen, die wir in unserer heutigen Zeit im Grunde täglich nutzen.

Unser Körper verwendet für die Herstellung von Proteinen 20 verschiedene Aminosäuren. Zwölf davon stellt der Körper selbst her, die anderen acht werden über die Nahrung zugeführt. Bei vier verschiedenen Nukleinsäuren und einer 3er-Abfolge, ergeben sich aber 64 Kombinationsmöglichkeiten (AAA, AAU, AAG usw.). Wofür stehen also die restlichen 44?

Damit die Synthese des Proteins an der richtigen Stelle beginnt, existiert eine Startsequenz (AUG), von der aus das Verknüpfen der einzelnen Aminosäuren startet. Umgekehrt definieren drei Stopsequenzen (UAA, UAG, UGA), wann die Synthese endet. Die restlichen 40 Kombinationen kodieren ebenfalls für einige der 20 Aminosäuren, aber nicht gleichmäßig verteilt, sodass für Glycin z.B. vier Kombinationen existieren, für Tryptophan aber nur eine. 

Die Translation – Das Übersetzen genetischer Information in Proteine

Das Zusammensetzen des Proteins erfolgt perlschnurartig, durch verbinden einzelner Aminosäuren mittels sogenannter Enzyme und findet in den Ribosomen statt1.

Wie gelangt aber die richtige Aminosäure zur richtigen 3er Kombination, um entsprechend eingebaut zu werden? Hierfür existiert ein „Shuttle Service“ für Aminosäuren, die transfer(t) RNS. Die tRNS besitzt einen Bereich, der die für sie richtige 3er Kombination erkennt und einen Bereich, der die dazugehörige Aminosäure binden kann3. Auf diese Weise erfolgt ein zielgerichteter Transport und die benötigten Aminosäuren können nacheinander durch die Enzyme verknüpft werden. Sowohl für die Start- als auch die Stop-Sequenzen existieren tRNS, die keine Aminosäure tragen.

Der Prozess endet dann, sobald eine Stopsequenz erkannt wird und das Protein löst sich von dem Ribosom. Diese Abfolge von Aminosäuren wird als Primärstruktur des Proteins bezeichnet, ist aber noch lange nicht das fertige Protein. Was anschließend noch alles passiert, bis das Protein komplett ist wird in einem separaten Artikel beschrieben. 

20% unseres Körpers bestehen aus Proteinen. Deren Bestandteile, die Aminosäuren, haben enorme Bedeutung für viele Aufbauprozesse. Insbesondere die 8 essentiellen Aminosäuren sind lebenswichtig und müssen über Nahrung aufgenommen werden.

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Weiterführende Literatur

1Löffler Georg: Basiswissen Biochemie; mit Pathobiochemie. Springer Lehrbuch, 2008, ISBN 3540765115

2Stephen J. Freeland, Laurence D. Hurst: Der raffinierte Code des Lebens. Spektrum der Wissenschaft, Juli 2004, S. 86–93. 3Dieter Soll (Hrsg.), Uttam L. Rajbhandary (Hrsg.), T. L. Rajbhandary: tRNA: Structure, Biosynthesis, and Function. Asm Press, 1995, ISBN 1-55581-073-X.