Proteine und Nukleinsäuren

Proteine werden durch einen komplizierten Aktionsplan konstruiert und von den Nukleinsäuren Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) ausgeführt. Der Prozess ist als Proteinbiosynthese bekannt und beinhaltet den Aufbau von Proteinketten aus einzelnen Aminosäuren in einer bestimmten Sequenz.

Aminosäuren werden entweder vom Körper produziert oder über die Nahrung aufgenommen. Sie werden in drei verschiedene Gruppen eingeteilt: essentiell, nicht essentiell und bedingt essentiell. Jahrhunderts geschaffen und werden, obwohl sie immer noch zur Unterscheidung der verschiedenen Proteinbausteine verwendet werden, nicht besonders gut benannt. Aktuelle Studien neigen dazu, jede Aminosäure in Bezug auf Funktion, Nährstoffquelle und Wert zu betrachten.

Essentielle Aminosäuren (Unentbehrliche Aminosäuren)

Die neun essentiellen Aminosäuren müssen aus Nahrungsquellen stammen. Dies sind Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Inzwischen ist jedoch klar geworden, dass Methionin, Leucin, Isoleucin, Valin und Phenylanin bei Bedarf vom Körper aus analogen Molekülen synthetisiert werden können.

Nicht-essentielle Aminosäuren (Dispensable Amino Acids)

Die elf nicht-essentiellen Aminosäuren werden primär im Körper produziert. Beim Menschen sind dies Alanin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutaminsäure, Glutamin, Glycin, Ornithin, Prolin, Serin und Tyrosin. Einige davon hängen von der Verfügbarkeit essentieller Aminosäuren in der Nahrung ab, die als Vorläufer für nicht essentielle Formen dienen.

Bedingt essentielle Aminosäuren

Bedingt essentielle Aminosäuren werden gruppiert, um einen potenziellen Mangel in der zellulären Umgebung zu definieren, entweder aufgrund einer ungesunden Ernährung oder eines physischen Zustands, in dem erhöhte Mengen dieser normalerweise nicht essentiellen Aminosäuren notwendig sind, wie z. B. während der Kindheit, Schwangerschaft und Krankheit. Diese Gruppe umfasst Arginin, Cystein, Glutamin, Tyrosin, Glycin, Ornithin, Prolin und Serin; Arginin ist für die Jungen essentiell, aber nach Beendigung der Entwicklungsphase nicht mehr notwendig. Es wird daher als ‚bedingt‘ wesentlich angesehen.

Selenocystein und Pyrrolysin

Selenocystein und Pyrrolysin sind normalerweise nicht in der aktuellen Liste der zwanzig Aminosäuren enthalten. Tatsächlich gibt es zweiundzwanzig Aminosäuren und nicht zwanzig, wie bisher angenommen. Dies liegt daran, dass diese beiden Aminosäuren nicht nur in sehr geringen Mengen vorkommen, sondern auch nicht zur Synthese von Proteinen verwendet werden. Stattdessen fungieren sie als Codon-Stop-Signale.

Aminosäurestruktur

Alle Aminosäuren haben ein zentrales Alpha-Kohlenstoffatom, an das eine Carboxylgruppe (COOH), ein Wasserstoffatom (H), eine Amingruppe (NH2) und eine funktionelle und variable radikale Seitenkette gebunden sind, die definiert, um welche Aminosäure es sich handelt. Die grundlegendste Form der Aminosäure ist Glycin (C2H5NO2), das eine Seitenkette hat, die aus einem einzelnen Wasserstoffatom besteht, wie unten dargestellt.

Alternativ ist Tryptophan (C11H12N2O2) die größte Aminosäure. Dieses komplexe Molekül kann unten gesehen werden.

Rolle der Proteine

Ohne Proteine wäre das Leben nicht möglich. Sie spielen eine wesentliche Rolle in jedem lebenden Organismus. Jeder Antikörper, jedes Enzym und jeder chemische Botenstoff wird aus Protein hergestellt. Protein ist auch notwendig, um anatomische Rahmenbedingungen und Strukturen von der zellulären Ebene bis zum Bewegungsapparat bereitzustellen, zu erhalten und zu reparieren. Sie fungieren als Bindemoleküle und Trägermoleküle, die den Transport und die Lagerung von Atomen und Molekülen im ganzen Körper ermöglichen. Sie zersetzen größere Verbindungen in Abfallprodukte, sind für die Fortpflanzung verantwortlich, regulieren die Homöostase und den Stoffwechsel, halten den pH-Wert und den Flüssigkeitshaushalt aufrecht und liefern Energie. Jedes Protein ist die Kombination einer spezifischen Sequenz von Aminosäuren, die nach dem in der DNA enthaltenen Bauplan aufgebaut ist. Dieser Code muss durch verschiedene Formen von Ribonukleinsäure extrahiert, dekodiert und zu zellulären Proteinherstellungseinheiten transportiert werden, die Ribosomen genannt werden.

Die Bildung von Proteinen über Nukleinsäuren – Genexpression

Der Prozess der Genexpression ist eine Kombination aus Transkription und Translation, bei der eine Sequenz von DNA-Code die Informationen liefert, die zum Aufbau eines neuen Proteinmoleküls aus verfügbaren zellulären Materialien erforderlich sind.

Die Transkription besteht aus drei Phasen. Während der Initiierung bindet die RNA-Polymerase (ein Enzym) an eine Promotorsequenz, die den Beginn des zu kopierenden Genabschnitts anzeigt. An den Promotor gebunden, trennt die RNA-Polymerase die schwachen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen jedem stickstoffhaltigen Basenpaar und öffnet im Wesentlichen den doppelten DNA-Strang. Die Elongation ist der nächste Schritt, bei dem RNA-Nukleotide geeignete stickstoffhaltige Basenpaarungen liefern. Wenn beispielsweise die DNA-Sequenz aus den Basen Adenin, Thymin, Guanin, Adenin, Cytosin, Thymin (TGACT) besteht, implementiert die RNA-Kopie dieser Sequenz Adenin, Cytosin, Uracil, Guanin, Adenin (ACUGA). Die letzte Phase der Transkription ist die Terminierung, die, wie der Name schon sagt, das Ende des Prozesses darstellt. Geleitet von einer Terminatorsequenz auf der DNA löst sich der Strang der neu hergestellten RNA von der DNA.

Der resultierende Strang kopierter DNA wird Boten-RNA genannt. Dieser Strang hat ein markantes Kappen- und Schwanzende und wird durch Porenkomplexe im Zellkern erkannt, die es ihm ermöglichen, den Zellkern zu verlassen und in das Zytoplasma einzutreten.

Transfer-RNA (tRNA) befindet sich hauptsächlich im Zellzytoplasma. In Gegenwart von mRNA bindet tRNA an eine einzelne freie Aminosäure. Welche Aminosäure dies ist, wird durch die Sequenz der drei stickstoffhaltigen Basen jeder tRNA, auch Codon genannt, reguliert. Ribosomenuntereinheiten binden nun an den Anfang des mRNA-Strangs. Ribosomen liefern das Gerüst, auf dem tRNA-Codons jedem Satz von drei stickstoffhaltigen Basen auf der mRNA entsprechen. Dadurch entsteht eine sequenzierte Kette von Aminosäuren – ein Protein -, das nach einem bestimmten Rezept hergestellt wird, das ursprünglich von der DNA bereitgestellt wurde. Ein Stop-Codon zeigt das Ende des Translationsprozesses an, bei dem ein genetischer Code in ein Protein übersetzt wird.