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Die Proteinbiosynthese

Die Proteinbiosynthese ist ein Thema der Molekularbiologie und beantwortet viele Fragen im Bezug auf das Leben. Hast du dich z.B. schon einmal gefragt, wie es kommt, dass du immer die gleiche Augenfarbe hast?

Eigentlich ist es einfacher, als man denkt, die Proteinbiosynthese zu verstehen. Du weißt: Alle Informationen bezüglich deines Aussehens (z.B. die Augenfarbe) stehen niedergeschrieben in deiner DNA. Und du weißt: Ich habe diese Augenfarbe. Der Schritt dazwischen - nämlich die Umsetzung der Information auf der DNA in die Realität - ist Aufgabe der Proteinbiosynthese.

Fragen und Antworten zum Thema Proteinbiosynthese:


Was ist das Ziel der Proteinbiosynthese?
Die Umsetzung der Informationen auf deiner DNA zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Was Raum und Zeit betrifft meinen wir beispielsweise, dass von der DNA, die in Zellen in deinem Fuß vorkommt, sicherlich keine Informationen zum Thema "Augenfarbe" umgesetzt werden. Auch wird eine Information zum Thema Alkohol-abbauende-Enzyme wohl kaum umgesetzt werden, wenn noch genügend Enzyme davon da sind. :)

Übung:
  • Überlege: Warum ist das so?
Was ist das Produkt der Proteinbiosynthese?
Bei dem Prozess werden eine Menge von Aminosäuren aneinander gereiht, sodass Proteine und Peptide entstehen. Zu den Proteinen gehören unter anderem Enzyme - die Baumeister des Körpers. Durch Enzyme werden sowohl Stoffe im Körper auf als auch abgebaut.

Übertragen auf das Augenfarben-Beispiel bedeutet das: Die Augenfarbe eines Menschen wird durch den Melaningehalt in der Iris bestimmt. Wenig Melanin bedeutet, dass jemand blaue Augen bekommt, viel Melanin bedeutet braune Augen. Melanin entsteht durch die enzymatische Oxidation von Tyrosin - eine Aminosäurekette. Das Enzym, das die Oxidation des Tyrosins hervorruft, muss erst einmal geschaffen werden. Ich denke, du kannst dir vorstellen, wie der Prozess heißt, bei dem das geschieht...

Wo findet das ganze statt?
Da die Proteinbiosynthese nicht nur aus einem Schritt besteht, kann man sich denken, dass es auch mehr als einen Ort gibt, an dem sie stattfindet. Die Transkription findet im Zellkern direkt an der DNA statt, die Translation wird an einem Ribosom irgendwo innerhalb der Zelle vorgenommen und das "Aminosäure-Produkt" findet seine Bestimmung in vielen Fällen auch außerhalb der Zelle.

Wie läuft die Proteinbiosynthese ab?


Grundsätzlich gibt es zwei Hauptschritte. Diese sind auch die, die du für die Schule können musst: Die Transkription und die Translation. Nach diesen beiden Schritten musst das fertige Protein noch transportiert werden, das jedoch werden wir in diesem Artikel nicht erklären.

Übungen:
  • Versuche zu übersetzen: Was könnte Transkription und Translation heißen?
  • Wie stellst du dir die beiden Vorgänge vor?

Die Transkription:


Die Transkription ist der Prozess, in dem ein Gen von der DNA in mRNA abgeschrieben wird. mRNA heißt übersetzt messenger ribonucleic acid, also Boten-Ribonukleinsäure. Ziel der Transskription ist es, die Informationen eines Gens abzulesen und im verarbeitungsfähigem Zustand zu einem Ribosom außerhalb des Zellkerns zu bringen. Folgende sind dabei die Schritte:
  1. Ein RNA-Polymerase-Proteinkomplex setzt sich auf den Promotor der DNA an dem abzulesendem Gen. Der Promotor ist eine Basensequenz (z.B. AGGCTTAG), die sagt "Hier fängt das Gen an" und gleichzeitig das passende "Schlüsselloch" für den "Schlüssel" des RNA-Ribonuklein-Komplexes bildet. Der Komplex kann also nirgendwo sonst ansetzen als am Promotor. Aus diesem Grund wird auch kein Primer benötigt.
  2. Die RNA-Polymerase entspiralisiert die DNA nun für ein kurzes Stück, sodass mindestens 10 Basen zur Trasskription freiliegen. Dieser Schritt ist der Initiation der Replikation der DNA ähnlich.
  3. Die RNA-Polymerase läuft nun an den Basen entlang und komplementäre Nukleotide setzen sich am codogenen Strang auf die freien Basen, sodass die mRNA ensteht. Die RNA-Polymerase verbindet die komplementären Basen miteinander.
    Merke: Hier wird nur in 3'-5' Richtung abgelesen, also nur der Folgestrang. Hier paart sich nicht wie sonst üblich Adenin und Thymin. In der RNA wird Thymin nämlich mit Uracil ersetzt. (Außerdem kommt als Stabilisator nicht Desoxirobose vor, sondern Ribose).
  4. Die RNA-Polymerase läuft weiter bis zum Terminator. Der Terminator ist ebenfalls eine Basensequenz, die die Polymerase wissen lässt: "Das Gen ist hier zu Ende. Du kannst jetzt loslassen."
  5. Die neu gebildete mRNA wird nun "entlassen" .
  6. (Nur bei Eukarioten!) Die mRNA ist noch nicht ganz fertig. Sie muss erst noch "reifen". Das geschieht durch das Splicing. Hier werden unnütze Basenstücke herausgeschnitten, die die Translation erschweren oder gar verhindern würden.
  7. Die mRNA wandert nun aus dem Zellkern heraus.

Die Translation:


Ziel der Translation ist es, die Informationen der mRNA in ein real existierendes Protein oder Peptid umzusetzen. Die Baustoffe dafür sind Aminosäuren und der Ort der Translation ist das Ribosom innerhalb der Zelle.

Ein paar Gedanken zuvor: Es gibt insgesamt 20 Aminosäuren, die als Baustoffe dienen - die so genannten proteinogenen Aminosäuren - jedoch nur 4 Basen auf der mRNA. Das bedeutet, das die Übersetzung von einer Base = eine Aminosäure nicht stimmen kann (man hätte dann ja nur 4 Aminosäuren zur Auswahl). Würden je 2 Basen eine Aminosäure "bedeuten", wäre das ähnlich fruchtlos - denn 4 hoch 2=16 und nicht 20, also immer noch 4 Basen zu wenig. 4 hoch 3 hingegen ergibt 64. Das erscheint zunächst zuviel, aber eine Doppelbelegung von Informationen ist einfach zu realisieren als das Fehlen einer Übersetzung für eine Aminosäure.

Aus diesem Grund wird die mRNA immer in Dreierschritten abgelesen, den so genannten Tripletts (oder Codons). Drei Basen - also ein Triplett oder Codon - ergeben also den Code für je eine Aminosäure.

Das Kernelement der Translation ist die so genannte tRNA (das "t" steht hier für transfer - Übertragung). Die tRNA ist ein sehr kurzes Stück RNA, welche an der einen Seite bloß drei Basen hat (also ein Codon) und an der anderen eine Aminosäure.



Die Translation läuft folgenderweise ab:
  1. Innerhalb des Ribosoms werden verschiedene tRNAs mit der passenden Stelle der mRNA zusammengeführt. Auf drei Basen der mRNA passt immer nur je eine tRNA mit ihren entsprechenden drei komplementären Basen. Das Startcodon ist die Basen-Sequenz A-U-G, das von der Start-tRNA besetzt wird. Neben ihr landet nun die nächste tRNA und so weiter.
  2. Die Aminosäuren, die am oberen Ende der tRNA hängen, werden durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft. So entsteht die Aminosäurekette.
  3. Die tRNAs verlassen ohne ihre Aminosäure das Ribosom.
  4. Das Ribosom wandert immer um ein Triplett weiter, bis es auf das Stopp-Codon (U-G-A) trifft.
  5. Die Aminosäurekette löst sich von dem Ribosom ab und faltet sich zu einer komplexen Strukur, sodass ein Peptid oder Protein entsteht.
Hier ist noch ein wunderbares Video in Englisch, das den Ablauf der Transkription und Translation der Proteinbiosynthese zeigt:


Übung:

  • Schau dir das Bild oben noch einmal genau an. Welcher Vorgang wird gezeigt? Zeichne es ab und beschrifte es!