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Proteinsynthese bei Eukaryoten

Die Proteinsynthese der Eukaryoten unterscheidet sich in mehreren Punkten von der Proteinsynthese der Prokaryoten. Einige dieser Unterschiede wollen wir hier kurz auflisten.

Prokaryotische DNA

Die DNA der Prokaryoten liegt normalerweise "nackt" in der Zelle vor, weder gibt es eine Kernhülle, die sich schützend und abgrenzend um das Erbgut legt, noch gibt es nennenswerte Mengen von Proteinen, die der DNA eine übergeordnete Struktur verleihen, wie dies bei Eukaryoten der Fall ist (Histone, Chromosomen).

Eukaryotische DNA

Die DNA der Eukaryoten ist durch Histone und andere Proteine viel komplexer organisiert als die Prokaryoten-DNA, was es der RNA-Polymerase viel schwerer macht, die Transkription überhaupt durchzuführen. Wie soll sie an die eigentliche Erbinformation herankommen, wenn überall Proteine sind?

Zweitens ist das Erbgut der Eukaryoten durch eine Kernhülle vom Cytoplasma getrennt. Das wäre ja auch nicht weiter schlimm, würden sich nicht ausgerechnet die Ribosomen, also die Orte, an denen die Translation stattfindet, im Cytoplasma befinden. Also muss die mRNA, die sich während der Transkription bildet, durch die Kernhülle in das Cytoplasma gelangen.

Prokaryotische Operons

Die Transkriptionseinheiten der Bakterien, Cyanobakterien (Blaualgen) und anderer Prokaryoten bestehen aus einem Promotor, einem Operator, einem oder mehreren Strukturgenen und schließlich einem Terminator. Spezifische Repressorproteine, die sich an den Operator setzen und so die Transkription verhindern können, werden durch ein Regulatorgen codiert. All diese Strukturelemente zusammen bilden dann ein so genanntes Operon.

Ein prokaryotisches Operon - das Regulatorgen ist nicht eingezeichnet, es befindet sich irgendwo anders auf der DNA

Eukaryotische Operons

Ein eukaryotisches Operon ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie ein prokaryotisches, allerdings unterscheidet es sich in zwei Punkten. Erstens enthält ein eukaryotisches Operon stets nur ein Strukturgen und nicht mehrere. Und zweitens ist die Regulation eines eukaryotischen Operons wesentlich komplexer als die eines prokaryotischen. Bei einem prokaryotischen Operon gibt es einen spezifischen Repressor, der die RNA-Polymerase blockiert, wenn er an den Operator angedockt hat. Bei manchen prokaryotischen Operons gibt es zusätzlich so genannte Aktivatoren, das sind allosterische Proteine, die in der Lage sind, die Transkriptionsgeschwindigkeit der RNA-Polymerase zu erhöhen, wenn sie an diese binden. Ein bekanntes Beispiel ist das lac-Operon, das durch einen Repressor blockiert wird, wenn keine Lactose im Außenmedium anwesend ist, und das durch einen Aktivator gefördert wird, wenn keine Glucose im Außenmedium vorhanden ist.

Statt dieser Aktivatoren und Repressoren gibt es in eukaryotischen Zellen jede Menge verschiedener Transkriptionsfaktoren, von denen manche fördernd (Enhancer), andere hemmend (Silencer) auf die Transkriptionsrate einwirken, teils auf sehr komplizierte Weise, die hier zu erläutern zu weit führen würde.

Eukaryotische Gene

Nicht nur die Operons unterscheiden sich in ihrem Aufbau, sondern auch die Gene selbst. Ein Prokaryoten-Gen besteht von vorne bis hinten aus codierenden Sequenzen. Ein Eukaryoten-Gen dagegen ist von nicht-codierenden Sequenzen durchsetzt, so genannten Introns. Die codierenden Sequenzen werden entsprechend als Exons bezeichnet.

Introns

Warum das so ist, weiß im Grunde keiner so richtig, es gibt aber viele Spekulationen. Zum Beispiel glauben einige Biologen, dass sich früher einmal Viren in das Genom der Eukaryoten integriert haben. Normalerweise erwacht so ein Provirus nach einiger Zeit zum Leben und infiziert dann die Zelle. Es gibt aber auch Fälle, wo sich ein Provirus über Jahre unauffällig verhält und einfach im Genom der Wirtszelle verbleibt. Wenn sich die Wirtszelle teilt, wird auch ihre DNA repliziert, und mit der wirtseigenen DNA wird auch die eingebaute Viren-DNA repliziert. Introns sollen nun solche Proviren sein, die sich seit Millionen von Jahren in unserer DNA gehalten haben. Aber, wie gesagt, das ist nur eine von vielen Theorien über die Herkunft der Introns.

Transkription eukaryotischer Gene

Im Grunde läuft die Transkription eines eukaryotischen Gens genau so ab wie die eines prokaryotischen Gens. Die RNA-Polymerase setzt sich an den Promotor, und wenn der Weg frei ist, wird das Gen komplett in mRNA umgeschrieben. Dabei werden sowohl die Exons wie auch die Introns transkribiert. Das Produkt dieser Transkription, die so genannte prä-mRNA, enthält also Exons und Introns.

Analysiert man aber die mRNA, wie sie aus dem Zellkern der Eukaryoten-Zelle herauskommt, stellt man fest, dass die Introns verschwunden sind. Die endgültige mRNA besteht nur noch aus den Exons.

Prozessierung der prä-mRNA

Auf dem Bild sehen wir die DNA eines Gens, die aus vier Exons und drei Introns besteht. Bei der Transkription wird eine einsträngige Abschrift der gesamten DNA des Gens angefertigt, die prä-mRNA des Gens enthält daher alle Exons, abe auch alle Introns. Die mRNA des gleichen Gens, wenn sie im Cytoplasma ankommt, besteht aber nur noch aus den vier Exons. Also müssen die drei Introns irgendwo auf dem Weg vom Zellkern zum Cytoplasma verloren gegangen sein.

Spleißen

Weitere Nachforschungen haben dann ergeben, dass es im Zellkern besondere Enzyme gibt, die in der Lage sind, die Introns aus der prä-mRNA heraus zu schneiden. Diesen Vorgang des Herausschneidens von Introns nennt man im Englischen splicing und im Deutschen Spleißen. Die Enzyme, die dieses Spleißen bewerkstelligen, bezeichnet man dann als Spleißenzyme.

Ein anderer Begriff für die Aufarbeitung der prä-mRNA im Zellkern ist das RNA-Processing oder RNA-Prozessieren. Allerdings ist dieser Begriff etwas weiter gefasst als der des Spleißens. RNA-Processing bezeichnet alle Veränderungen, die an der prä-mRNA im Zellkern vorgenommen werden, während das Spleißen lediglich die Entfernung der Introns bedeutet.

Entfernung der Introns nach dem "Rasiermesserprinzip"

Dieses Bild zeigt eine einfache Vorstellung, wie das Spleißen funktionieren könnte. Die Introns nehmen eine schleifenartige Struktur ein (die hier nur unvollkommen dargestellt ist), und das Spleiß-Enzym fährt wie ein Rasiermesser über diese Schleifen, so dass sie abgeschnitten werden. Anschließend sorgt ein anderes Enzym dafür, dass die verbliebenen Exons zusammengefügt werden.

Das war so ungefähr das Wichtigste zur Proteinsynthese bei Eukaryoten, was man als Grundkurs-Schüler wissen sollte. Wenn ich noch etwas Zeit habe, werde ich noch eine Vertiefungsseite für Leistungskurs-Schüler und Student anlegen. Mal sehen. Vielleicht schickt mir ja auch mal einer von meinen Lesern eine mit "Sehr gut" bewertete Facharbeit zum Thema, die ich dann hier gerne als Gastbeitrag veröffentliche.