Wie wird ein Gen zur Produktion eines Proteins exprimiert? - Unterschied Zwischen

Wie wird ein Gen zur Produktion eines Proteins exprimiert?

Die Genexpression ist ein zellulärer Prozess, bei dem die in einem bestimmten Gen kodierte Information zur Herstellung eines funktionellen Proteins oder eines RNA-Moleküls verwendet wird. Es kommt in allen bekannten Lebensformen vor, einschließlich Eukaryonten, Prokaryonten sowie Viren. Die Transkription eines Gens in ein mRNA-Molekül und die Translation der mRNA in eine Polynukleotidkette eines funktionellen Proteins sind als das zentrale Dogma der Molekularbiologie bekannt. Die Genexpression kann in verschiedenen Schritten des Prozesses reguliert werden, wie Transkription, posttranskriptionelle Modifikationen, Translation und posttranslationale Modifikationen. Die differentielle Expression von Genen ermöglicht es der Zelle, die für das Funktionieren der Zelle erforderliche Menge an Proteinen zu produzieren.

Wichtige Bereiche

1. Was ist Genexpression?
- Definition, Transkription, Übersetzung
2. Wie wird die Genexpression reguliert?
- Definition, Regulierung bei Eukaryoten und Prokaryoten

Schlüsselbegriffe: Eukaryoten, Genexpression, mRNA, Prokaryoten, Protein, Transkription, Translation


Was ist Genexpression?

Genexpression ist der Prozess, bei dem genetische Anweisungen zur Synthese von Genprodukten verwendet werden. Im Allgemeinen fließen die Informationen von der DNA zur mRNA zum Protein. Die zwei Hauptschritte der Genexpression sind Transkription und Translation. Das zentrale Dogma der Molekularbiologie ist in dargestellt Abbildung 1.


Abbildung 1: Zentrales Dogma der Molekularbiologie

Transkription

Transkription bezieht sich auf den Vorgang des Kopierens der Informationen eines Gens in ein neues RNA-Molekül. Es ist der erste Schritt der Genexpression in Eukaryoten und Prokaryoten. RNA-Polymerase ist das Enzym, das an der Transkription beteiligt ist. Während der Transkription werden drei verschiedene Arten von RNA produziert: Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Die mRNA trägt die genetische Information vom Kern zum Zytoplasma. Die tRNA ist eine Adapter-RNA, die als physikalische Verbindung zwischen mRNA und Aminosäuren dient. Die rRNA bildet die integralen Bestandteile des Ribosoms. Der Vorgang der Transkription ist in dargestellt Figur 2.


Abbildung 2: Transkription

Bei einigen Viren ist das genetische Material jedoch Negativ-Sense-RNA. Hier überträgt die RNA-abhängige RNA-Polymerase die Negativ-Sense-RNA in eine mRNA.

Änderungen nach der Transkription

Posttranskriptionelle Modifikationen beziehen sich auf den Prozess der Umwandlung des primären RNA-Transkripts in ein reifes mRNA-Molekül. Sie treten hauptsächlich in der eukaryotischen Genexpression auf. Das durch die Transkription erzeugte mRNA-Molekül ist als primäres RNA-Transkript oder prä-mRNA bekannt. Es wird zur Herstellung des reifen mRNA-Moleküls in vier Schritten verarbeitet: 5-Capping, Polyadenylierung und alternatives Spleißen. Das 5 ’capping ist die Zugabe einer GTP am 5'-Ende des Prä-mRNA-Moleküls. Polyadenylierung ist die Addition eines Poly-A-Schwanzes an das 3'-Ende des prä-mRNA-Moleküls. Sowohl die 5'-Kappe als auch der Poly-A-Schwanz verhindern den Abbau des mRNA-Moleküls. Eukaryotische Gene bestehen aus Introns und Exons. Für die Aminosäuresequenz eines Gens werden nur Introns kodiert. Daher werden Exons während des RNA-Spleißens entfernt. Alternatives Spleißen ist die Herstellung von kodierenden Sequenzen mehrerer Polypeptidketten durch Kombinieren verschiedener Muster von Introns. Die posttranskriptionelle Modifikation in eukaryotischer mRNA ist in gezeigt Figur 3.


Abbildung 3: Modifikationen nach der Transkription

Die meisten prokaryotischen Gene kommen in Clustern vor, die als Operonen bezeichnet werden. Die Operonen bestehen aus mehreren funktionell verwandten Genen, die von einem einzigen Promotor reguliert werden. Sie transkribieren zur Herstellung eines polycistronischen mRNA-Moleküls, das mehrere funktionell verwandte Proteine ​​synthetisiert.

Übersetzung

Translation bezieht sich auf den Prozess, bei dem der genetische Code, der von einem mRNA-Molekül getragen wird, decodiert wird, wodurch eine Polypeptidkette eines bestimmten Proteins erzeugt wird. Es kommt im Zytoplasma von Ribosomen vor.Ein System aus drei Aminosäuren ist an der Bestimmung jeder Aminosäure in der Polypeptidkette beteiligt. Die drei Nukleotide in der mRNA, die eine Aminosäure darstellen, werden als Codon bezeichnet. Das vollständige Codon-System wird als genetischer Code bezeichnet. Verschiedene tRNA-Moleküle enthalten Anticodons, die mit jedem Codon in der mRNA fixiert werden. Daher tragen sie die entsprechende Aminosäure für die Synthese der Polypeptidkette. Die Übersetzung wird in angezeigt Figur 4.


Abbildung 4: Übersetzung

Posttranslationale Änderungen

Posttranslationale Modifikationen sind die kovalente und enzymatische Modifikation der Polypeptidkette eines funktionellen Proteins. Verschiedene Polysaccharid-, Lipid- oder anorganische Gruppen werden hinzugefügt, um ein funktionelles Protein herzustellen. Diese Modifikationen sind als Glykosylierung, Phosphorylierung, Sulfatierung usw. bekannt. Verschiedene Cofaktoren können ebenfalls hinzugefügt werden, um die Funktion des Proteins zu regulieren. Die posttranslationalen Modifikationen des Insulinproteins sind in gezeigt Abbildung 5.


Abbildung 5: Posttranslationale Änderungen

Wie wird die Genexpression reguliert?

Die Zelle reguliert die Genexpression, um entweder die Anzahl der innerhalb der Zelle produzierten Proteine ​​zu erhöhen oder zu verringern. In Eukaryoten kann dies durch die verschiedenen Schritte der Genexpression wie Transkription, posttranskriptionelle Modifikationen, Translation und posttranslationale Modifikationen erreicht werden. In Prokaryoten wird jedoch die Regulation der Genexpression während der Initiierung der Genexpression erreicht.

Fazit

Die Produktion funktioneller Proteine ​​innerhalb der Zelle wird durch die Expression von Genen im Genom erreicht. Die zwei Hauptschritte der Genexpression sind die Transkription und Translation in allen Arten lebender Organismen, einschließlich Eukaryoten, Prokaryoten und Viren. Transkription ist die Produktion eines mRNA-Moleküls basierend auf der Nukleotidsequenz des Gens. Translation ist die Herstellung einer Polypeptidkette basierend auf der Codonsequenz des mRNA-Moleküls. In Eukaryoten kann die Genexpression sowohl auf transkriptioneller als auch auf translationaler Ebene reguliert werden. Die Genexpression in Prokaryoten wird jedoch während der Initiierung der Transkription reguliert.

Referenz:

1. „10.3.1 Genexpression und Proteinsynthese.“Pflanzen in Aktion,