Transfer-RNA

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 21. November 2016
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Die Transfer-RNA ist eine kurzkettige RNA, die sich aus 70 bis 95 Nukleinbasen zusammensetzt und in der zweidimensionalen Ansicht eine kleeblattähnliche Struktur mit 3 bis 4 Schleifen aufweist.

Für jede der 20 bekannten proteinogenen Aminosäuren existiert mindestens 1 Transfer-RNA, die „ihre“ Aminosäure aus dem Cytosol aufnehmen kann und für die Biosynthese eines Proteins an einem Ribosom des endoplasmatischen Retikulums zur Verfügung stellt.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Transfer-RNA?

Die Transfer-RNA, international als tRNA abgekürzt, besteht aus ca. 75 bis 95 Nukleinbasen und erinnert in der zweidimensionalen Draufsicht an eine kleeblattähnliche Struktur mit drei nicht veränderlichen und einer variablen Schleife sowie dem Aminosäuren-Akzeptorstamm.

In der dreidimensionalen Tertiärstruktur ähnelt ein tRNA-Molekül eher einer L-Form, wobei der kurze Schenkel dem Akzeptorstamm und der lange Schenkel der Anticodonschleife entspricht. Neben den vier unveränderten Nukleosiden Adenosin, Uridin, Cytidin und Guanosin, die auch die Grundbausteine der DNA und RNA bilden, besteht ein Teil der tRNA aus insgesamt sechs modifizierten Nucleosiden, die nicht Bestandteil der DNA und RNA sind. Die zusätzlichen Nukleoside sind Dihydrouridin, Inosin, Thiouridin, Pseudouridin, N4-Acetylcytidin und Ribothymidin.

In jedem Ast der tRNA bilden sich konjugierende Nukleinbasen aus mit doppelsträngigen Teilstücken analog zur DNA. Jede tRNA kann nur eine bestimmte von 20 bekannten proteinogenen Aminosäuren aufnehmen und zur Biosynthese an das raue endoplasmatische Retikulum transportieren und dort zur Verfügung stellen. Für jede proteinogene Aminosäure muss demnach mindestens eine spezialisierte Transfer-RNA zur Verfügung stehen. In der Realität steht für bestimmte Aminosäuren mehr als eine tRNA bereit.

Funktion, Wirkung & Aufgaben

Die Hauptaufgabe der Transfer-RNA besteht darin, eine spezifische proteinogene Aminosäure aus dem Cytosol an ihrem Aminosäuren-Akzeptor andocken zu lassen, zum endoplasmatischen Reticulum zu transportieren und dort über eine Peptidbindung an die Carboxygruppe der zuletzt angelagerten Aminosäure anzubinden, so dass sich das werdende Protein um eine Aminosäure verlängert.

Die nächste tRNA steht dann schon wieder bereit, um die gemäß Codierung „richtige“ Aminosäure anzulagern. Die Vorgänge laufen in hoher Geschwindigkeit ab. Bei Eukaryoten, also auch menschlichen Zellen, verlängern sich die Polypeptidketten während der Proteinsynthese um ca. 2 Aminosäuren pro Sekunde. Die durchschnittliche Fehlerrate liegt bei etwa einer Aminosäure pro Tausend. Das bedeutet, dass während der Proteinsynthese etwa jede tausendste Aminosäure falsch einsortiert wurde. Offensichtlich hat sich im Verlauf der Evolution diese Fehlerrate als bester Kompromiss zwischen notwendigem Energieaufwand und möglichen negativen Fehlerauswirkungen eingependelt.

Der Vorgang der Proteinsynthese läuft in nahezu allen Zellen während des Wachstums und zur Unterstützung des sonstigen Stoffwechsels ab. Die tRNA kann ihre wichtige Aufgabe und Funktion der Auswahl und des Transports bestimmter Aminosäuren nur erfüllen, wenn die mRNA (Messenger-RNA) Kopien der entsprechenden Genabschnitte der DNA erstellt haben. Jede Aminosäure wird grundsätzlich durch die Abfolge von drei Nukleinbasen, dem Codon oder Triplet codiert, so dass sich bei den vier möglichen Nukleinbasen rechnerisch 4 hoch 3 gleich 64 Möglichkeiten ergeben. Da aber nur 20 proteinogene Aminosäuren vorkommen, können einige Triplets zur Steuerung als Anfangs- oder Endcodon genutzt werden. Auch werden einige Aminosäuren durch mehrere verschiedene Triplets codiert.

Das hat den Vorteil, dass eine gewisse Fehlertoleranz gegenüber Punktmutationen erreicht wird, weil entweder die fehlerhafte Sequenz des Codons zufällig die gleiche Aminosäure codiert oder weil eine Aminosäure mit ähnlichen Eigenschaften in das Protein eingebaut wird, so dass in vielen Fällen das synthetisierte Protein letztlich fehlerfrei ist oder seine Funktionstüchtigkeit lediglich ein wenig eingeschränkt ist.

Bildung, Vorkommen, Eigenschaften & optimale Werte

Transfer-RNAs sind in fast allen Zellen in unterschiedlichen Mengen und unterschiedlicher Zusammensetzung vorhanden. Sie werden codiert wie andere Proteine auch. Verschiedene Gene sind für die Baupläne der einzelnen tRNAs verantwortlich. Transkribiert werden die zuständigen Gene im Zellkern im Karyoplasma, wo auch die sogenannten Vorläufer oder pre-tRNAs synthetisiert werden bevor sie durch die Kernmembran in das Cytosol transportiert werden.

Erst im Cytosol der Zelle werden die pre-tRNAs durch Abspleißen sogenannter Introns, Basensequenzen, die auf den Genen ohne Funktion sind und nur mitgeschleppt werden, aber trotzdem transkribiert werden. Nach weiteren Aktivierungsschritten steht die tRNA für den Transport einer bestimmten Aminosäure zur Verfügung. Eine Sonderrolle spielen die Mitochondrien, weil sie über eigene RNA verfügen, die ebenfalls Gene enthält, die tRNAs für ihre eigenen Belange genetisch definiert. Die mitochondrialen tRNAs werden intramitochondrial synthetisiert.

Wegen der fast universellen Beteiligung von unterschiedlicher Transfer-RNA an der Proteinsynthese und wegen ihrer schnellen Umsetzungen können keine optimalen Konzentrationswerte oder Referenzwerte mit Ober- und Untergrenzen angegeben werden. Wichtig für die Funktion der tRNAs ist die Verfügbarkeit entsprechender Aminosäuren im Cytosol und weiterer Enzyme, die tRNAs zu aktivieren vermögen.

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Krankheiten & Störungen

Die größten Gefahren für eine Störung der Funktion der Transfer-RNA liegen in einer Mangelversorgung mit Aminosäuren, besonders ein Mangel an essentiellen Aminosäuren, die der Körper nicht mit anderen Aminosäuren oder mit anderen Stoffen kompensieren kann.

Hinsichtlich echter Störungen in der Funktion der tRNAs liegt die größte Gefahr in Genmutationen, die an bestimmten Stellen der Prozessierung der Transfer-RNA eingreifen und schlimmstenfalls zu einem Funktionsausfall des entsprechenden tRNA-Moleküls führt. Als Beispiel dient die Thalassämie, eine Blutarmut, die auf eine Genmutation im Intron 1 zurückgeführt wird. Auch eine Genmutation des Gens, das das Intron 2 codiert, führt zum gleichen Symptom. Es kommt in der Folge zu einer stark eingeschränkten Hämoglobinsynthese in den Erythrozyten, so dass sich eine mangelhafte Sauerstoffversorgung einstellt.

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