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Eine der wichtigsten Funktionen lebender Zellen besteht darin, die für das Überleben eines Organismus notwendigen Proteine zu produzieren. Proteine verleihen einem Organismus Form und Struktur und regulieren als Enzyme die biologische Aktivität. Um Proteine herzustellen, muss eine Zelle die genetische Information lesen und interpretieren, die in ihrer Desoxyribonukleinsäure oder DNA gespeichert ist. Die Stellen der zellulären Proteinsynthese sind die Ribosomen, die frei oder gebunden sein können. Die Bedeutung des freien Ribosoms ist, dass dort die Proteinsynthese beginnt.
DNA und RNA
DNA ist eine lange Molekülkette, die sich aus alternierenden Zucker- und Phosphatgruppen zusammensetzt. Von jedem Zucker hängt eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Nukleotidbasen - A, C, T und G - ab. Die Sequenz der Basen entlang des DNA-Strangs bestimmt die Sequenz der Aminosäuren, die Proteine bilden. Ribonukleinsäure oder RNA überträgt eine komplementäre Kopie eines Teils eines DNA-Moleküls - eines Gens - auf Ribosomen, bei denen es sich um winzige Körnchen handelt, die aus RNA und Protein bestehen. RNA ähnelt DNA mit der Ausnahme, dass ihre Zuckergruppen ein zusätzliches Sauerstoffatom enthalten und die T-Base der DNA durch die U-Nucleotidbase ersetzt wird. Die Ribosomen erzeugen Proteine gemäß der in der Messenger-RNA oder mRNA gespeicherten Information.
Komplementäre Codierung
Die Regeln zum Transkribieren 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 A-, G- bzw. C-Basen in mRNA. Die in mRNA enthaltene genetische Information besteht aus Tripletts von Nukleotidbasen, die als Codons bezeichnet werden. Beispielsweise erzeugt das DNA-Triplett TAA das RNA-Triplett UTT. Die DNA- und RNA-Stränge enthalten daher komplementäre, jedoch einzigartige Informationen, die in der Sequenz der 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 codiert wird. Die rRNA verbindet sich mit Proteinen, um große und kleine Untereinheiten zu bilden. Die beiden Untereinheiten verbinden sich nur während der Proteinsynthese. In einer prokaryotischen Zelle - das heißt einer Zelle ohne organisierten Zellkern - schweben die Ribosomenuntereinheiten frei in der Zellflüssigkeit oder im Cytosol. In Eukaryoten bilden Enzyme im Zellkern Ribosomenuntereinheiten. Der Kern exportiert dann die Untereinheiten in das Cytosol. Einige der Ribosomen können sich beim Aufbau von Proteinen vorübergehend an eine Zellorganelle binden, die als endoplasmatisches Retikulum oder ER bezeichnet wird, während andere Ribosomen bei der Synthese von Proteinen frei bleiben.
Übersetzung
Die kleinere Untereinheit eines freien Ribosoms greift nach einem mRNA-Strang, um die Proteinsynthese zu starten. Die größere Untereinheit hängt sich dann an und beginnt, jedes mRNA-Codon zu translatieren. Dies beinhaltet das Exponieren und Positionieren jedes mRNA-Codons, so dass Enzyme die Aminosäure identifizieren und binden können, die dem aktuellen Codon entspricht. Ein Molekül von Transfer-RNA oder tRNA mit einem komplementären Anti-Codon bindet sich an die größere Untereinheit, deren bezeichnete Aminosäure im Schlepptau. Enzyme übertragen dann die Aminosäure auf die wachsende Proteinkette, treiben die verbrauchte tRNA zur Wiederverwendung aus und legen das nächste mRNA-Codon frei. Wenn es fertig ist, setzt das Ribosom das neue Protein frei und die beiden Untereinheiten dissoziieren.