Ein Blick ins Ribosom
AFB I–IIM1 zeigt schematisch ein Ribosom während der Elongation. M2 ist die Code-Sonne des Standardcodes.
- Beschreiben Sie die in M1 mit 1 bis 5 bezeichneten Strukturen und ihre Funktion.
- Ermitteln Sie für die Codons der mRNA in M1 die Aminosäuren sowie das Anticodon der tRNA in der A-Stelle (M2).
- Erläutern Sie die nächsten beiden Schritte der Elongation ausgehend von M1.
- Erklären Sie, welche Folge eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase hätte, die ihre tRNA gelegentlich mit einer falschen Aminosäure belädt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1 mRNA: Abschrift des Gens, wird 5′→3′ Codon für Codon gelesen. 2 kleine Untereinheit: bindet die mRNA, überwacht die Codon-Anticodon-Paarung. 3 große Untereinheit: enthält A-, P- und E-Stelle, ihre rRNA knüpft die Peptidbindung. 4 Anticodon der tRNA: paart komplementär und antiparallel mit dem Codon. 5 Peptidkette (Met–Gly): hängt an der tRNA der P-Stelle und wächst mit jeder Elongationsrunde.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
mRNA 5′-AUG GGC UUC CGA-3′ → Met, Gly, Phe, Arg; das passt zur Kette Met–Gly in der P-Stelle. Die A-Stelle liegt über UUC; ihr Anticodon lautet 3′-AAG-5′ (= 5′-GAA-3′), die tRNA trägt Phenylalanin. Die tRNA in der P-Stelle hat das Anticodon 3′-CCG-5′.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Peptidbindung: Die rRNA der großen Untereinheit überträgt die Kette von der tRNA in der P-Stelle auf die Aminosäure Phe der tRNA in der A-Stelle; die Kette ist nun um eine Aminosäure länger und hängt an der tRNA in der A-Stelle, die tRNA in der P-Stelle ist entladen. Translokation: Das Ribosom rückt um ein Codon in 3′-Richtung weiter; die tRNA mit Kette gelangt in die P-Stelle, die entladene tRNA in die E-Stelle und verlässt das Ribosom. In der A-Stelle liegt nun CGA, sodass eine Arg-tRNA mit Anticodon 3′-GCU-5′ binden kann.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Synthetase koppelt jede Aminosäure an die tRNAs mit passendem Anticodon; sie ist damit der eigentliche Übersetzer des Codes. Das Ribosom prüft nur die Paarung von Codon und Anticodon, nicht die angehängte Aminosäure. Eine falsch beladene tRNA würde daher überall dort, wo ihr Anticodon passt, die falsche Aminosäure einbauen. Das Protein erhielte eine veränderte Aminosäuresequenz und könnte seine Raumstruktur und Funktion verlieren. Deshalb besitzen Synthetasen eine Korrekturfunktion.
Wer liest den Code?
AFB II–IIIFrancis CRICK vermutete 1958, dass Aminosäuren nicht selbst an die mRNA binden, sondern über ein Adaptermolekül (Adapter-Hypothese). François CHAPEVILLE und Kollegen prüften 1962 in einem zellfreien System, ob das Ribosom die Aminosäure oder die tRNA erkennt (M3, M4).
Die tRNA für Cystein (tRNACys, Anticodon 3′-ACA-5′) wurde mit radioaktiv markiertem Cystein beladen. In einem Teil der Proben wandelten die Forscher das gebundene Cystein chemisch (mit Raney-Nickel) in Alanin um — die tRNACys trug nun Alanin. Als mRNA diente eine künstliche RNA mit vielen UGU-Codons, aber ohne Codons für Alanin (GCN).
| Ansatz | beladene tRNA | markierte Aminosäure im Peptid |
|---|---|---|
| 1 | tRNACys mit Cystein | Cystein an den UGU-Stellen |
| 2 | tRNACys mit Alanin (umgewandelt) | Alanin an den UGU-Stellen |
| 3 | tRNAAla mit Alanin | kein Einbau |
- Beschreiben Sie die Ergebnisse der drei Ansätze (M4).
- Erklären Sie die Ergebnisse mithilfe Ihrer Kenntnisse über die Translation.
- Deuten Sie die Ergebnisse im Hinblick auf die Adapter-Hypothese.
- „Das Ribosom stellt sicher, dass die richtige Aminosäure eingebaut wird.“ Beurteilen Sie diese Aussage auf Grundlage von M3 und M4.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ansatz 1: Die normal beladene tRNACys baut Cystein an den UGU-Stellen ein. Ansatz 2: Trägt dieselbe tRNA Alanin, wird Alanin an genau diesen UGU-Stellen eingebaut. Ansatz 3: Eine tRNA für Alanin mit Alanin wird an dieser mRNA gar nicht eingebaut.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Das Anticodon 3′-ACA-5′ der tRNACys paart komplementär und antiparallel mit dem Codon 5′-UGU-3′. Das Ribosom prüft nur diese Paarung. Deshalb wird in Ansatz 2 das Alanin eingebaut, obwohl UGU für Cystein steht. Die tRNAAla in Ansatz 3 hat ein Anticodon für GCN-Codons, die in der mRNA fehlen; sie kann nicht binden, obwohl Alanin im Ansatz vorhanden ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Befunde bestätigen die Adapter-Hypothese: Nicht die Aminosäure erkennt das Codon, sondern die tRNA über ihr Anticodon. Die Aminosäure ist für die Erkennung am Ribosom bedeutungslos. Die Zuordnung „Codon → Aminosäure“ entsteht also vorher, wenn die Aminoacyl-tRNA-Synthetase die richtige Aminosäure an die tRNA koppelt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage trifft nur teilweise zu. Das Ribosom sichert die richtige Paarung von Codon und Anticodon (Ansatz 3: keine Bindung ohne passendes Anticodon). Ob an der tRNA die richtige Aminosäure hängt, prüft es nicht (Ansatz 2: Alanin wird an Cystein-Codons eingebaut). Die Richtigkeit der Übersetzung beruht deshalb auf zwei Schritten: der Beladung durch die Synthetase und der Codon-Anticodon-Paarung am Ribosom. Einschränkung: Der Versuch lief zellfrei mit chemisch veränderter tRNA; in der Zelle korrigieren Synthetasen Fehlbeladungen zusätzlich. Urteil: Die Aussage ist in dieser Form falsch.