Was die Proteinbiosynthese genau ist, wie die Transkription und die Translation ablaufen und was die wichtigsten Unterschiede zwischen der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten ist, erfährst du hier und in unserem kurzen Video !

Proteinbiosynthese einfach erklärt

Die Proteinbiosynthese oder auch Genexpression ist der Vorgang, bei dem Proteine gebildet werden. Dabei handelt es sich um lange Ketten aus miteinander verknüpften Aminosäuren. Je nachdem, aus welchen und wie vielen Aminosäuren die Proteine aufgebaut sind, haben sie spezifische Funktionen. Sie wirken in deinem Körper beispielsweise als Enzyme und steuern Vorgänge, wie die Verdauung.

Die Informationen für die Herstellung der Proteine stammen aus deinem Erbgut, also der DNA . Sie dient sozusagen als Bauplan. Dabei sind die Abschnitte der DNA, die Gene, entscheidend. Denn jedes Gen trägt die Information für ein anderes Protein.

Der Vorgang der Proteinbiosynthese findet normalerweise in zwei Schritten statt: Transkription und Translation . Bei Eukaryoten findet zwischen diesen beiden Prozessen zusätzlich die mRNA-Prozessierung statt.

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Ablauf der Proteinbiosynthese
Proteinbiosynthese Definition

Bei der Proteinbiosynthese (Proteinsynthese) erfolgt eine Übersetzung von DNA-Abschnitten (Genen) in Proteine. Sie findet in zwei Schritten (Transkription und Translation) statt.

Proteinbiosynthese Ablauf

Du kannst den Ablauf der Proteinbiosynthese grundsätzlich in zwei Schritte unterteilen: 

  • Transkription : Hierbei werden die Informationen, die in der DNA enthalten sind, in sogenannte mRNAs umgeschrieben. Dabei handelt es sich um einsträngige, transportfähige Kopien der DNA. Der Prozess findet bei uns Menschen und anderen Eukaryoten im Zellkern statt, bei Prokaryoten hingegen im Zellplasma .
  • Translation : Nach der Transkription werden die Informationen der mRNA (Boten-RNA) in Proteine, also lange Aminosäuren-Ketten, übersetzt. Das findet bei allen Lebewesen an den Ribosomen im Zellplasma statt.

Aufgepasst: Bei den Eukaryoten findet noch die RNA-Prozessierung bzw. das Spleißen als Zwischenschritt statt.

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Proteinbiosynthese Transkription

Der erste Schritt der Proteinbiosynthese ist die Transkription. Dabei wird die DNA in eine mRNA (messenger RNA) umgeschrieben. Hier wird jedoch nicht die ganze DNA, sondern lediglich kurze Abschnitte, also bestimmte Gene, umgewandelt. Denn auf ihnen liegt die Information für ein bestimmtes Protein, welches später in der Translation hergestellt werden soll.

Die Transkription läuft Schritt für Schritt so ab: 

  1. Der Startpunkt für die Transkription ist der Promotor. Das ist eine Basensequenz, in der die Basen Thymin und Adenin besonders häufig vorkommen (z. B. TATAAA).
  2. Die RNA-Polymerase setzt sich an die DNA und fährt sie ab. 
  3. Sobald sie an einem Promotor angekommen ist, beginnt sie mit der Entwirrung und Aufspaltung der Doppelhelix. Ohne das Enzym kann die Transkription also nicht stattfinden.
  4. Dabei bilden sich zwei Einzelstränge: der codogene und der nicht-codogene Strang. Der für die Transkription wichtige Strang ist der codogene Strang (Vorlagestrang), denn er enthält die Informationen für die Proteinherstellung.
  5. Die Polymerase liest nun den Vorlagestrang ab. Sie setzt dabei jeder Base eine komplementäre Base gegenüber und vervollständigt sie dadurch zu einem Doppelstrang. Jeweils zwei Basen gehören nämlich zusammen und bilden ein sogenanntes Basenpaar.
  6. Alle komplementären Basen werden so aneinander geknüpft, dass sie eine lange Kette bilden, die mRNA.
  7. Sobald die RNA-Polymerase auf einen Stopp-Punkt (Terminator) trifft, endet die Transkription.
  8. Die RNA-Polymerase bildet aus der DNA dann wieder eine Doppelhelix und löst sich von ihr.

Aufgepasst: Die komplementären Basenpaare in der DNA sind normalerweise Adenin und Thymin bzw. Cytosin und Guanin. Bei RNAs gibt es allerdings eine Besonderheit, denn hier findest du kein Thymin. An seine Stelle rückt die Base Uracil.

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Erstellung der mRNA

Den genauen Ablauf der Transkription erklären wir dir in diesem Video — schau gerne vorbei!

mRNA-Prozessierung

In eukaryotischen Zellen findet zwischen der Transkription und der Translation die mRNA-Prozessierung statt. Sie sorgt dafür, dass die Lebensdauer der mRNA verlängert wird (Capping und Polyadenylierung) und nur die wichtigen Informationen in der mRNA enthalten sind (Spleißen/Splicing).

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Schematischer Ablauf der RNA-Prozessierung

Das Capping und die Polyadenylierung sollen die mRNA schützen — zum einen beim Durchdringen der engen Kernporen auf dem Weg in das Cytoplasma. Zum anderen soll die mRNA vor dem Zersetzen durch Enzyme geschützt werden. Dafür wird an das 5′-Ende eine sogenannte Kappe und an das 3′-Ende eine Poly-A-Sequenz/Poly-A-Schwanz angefügt.

Beim Spleißen/Splicing wird aus einer Vorläufer-mRNA (prä-mRNA) die mRNA gebildet. Der Prozess sorgt für das Herausschneiden der Abschnitte, die für die Proteinherstellung nicht genutzt werden, also der nicht-codierenden Zwischenstücke (Introns). Nach dem Spleißen sollen also nur die codierenden Bereiche (Exons) übrig bleiben.

Proteinbiosynthese Translation

Die Translation ist der zweite Schritt der Proteinbiosynthese. Hier wird die mRNA in Proteine übersetzt. Der Vorgang findet in der Regel in drei Schritten statt

  1. Initiation: Einleiten und Start der Translation
  2. Elongation: Verlängerung des Proteins
  3. Termination: Beendigung der Translation

Initiation

Die Translation, also der Proteinherstellung, wird folgendermaßen eingeleitet:

  1. Sobald die mRNA im Cytoplasma angekommen ist, setzt sich ein Teil des Ribosoms an den mRNA-Strang, und zwar die kleine ribosomale Untereinheit.
  2. Sie fährt in 5′ → 3′-Richtung an der mRNA entlang und untersucht dabei jeweils drei Basen. Das nennst du auch Basen-Triplett oder Codon.
  3. Die kleine Untereinheit wandert so lange ungehindert auf der mRNA entlang, bis sie auf ihr Start-Signal trifft. Dabei handelt es sich um das Start-Codon mit der Basenfolge Adenin, Uracil und Guanin (AUG).
  4. Hat sie das Start-Codon erreicht, bindet sich die passende tRNA (transfer-RNA) an den mRNA-Strang. Sie besitzt ein Basen-Triplett/Anti-Codon, das genau komplementär zum Codon auf der mRNA ist. Jedes Anti-Codon steht dabei für eine Aminosäure, beim Start-Codon ist es Methionin (Met). Sie befindet sich am oberen Ende der tRNA und wird Bestandteil des gebildeten Proteins sein.
  5. Sind die kleine Untereinheit und die Initiator-tRNA gebunden, kommt der zweite Teil des Ribosoms hinzu: die große ribosomale Untereinheit. Das Ribosom ist nun vollständig.
  6. Die tRNA befindet sich dann in der sogenannten P-Stelle des Ribosoms.
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Bau eines Ribosoms

Bindungsstellen von Ribosomen

Für den weiteren Ablauf der Translation sind die Bindungsstellen von Ribosomen wichtig. Insgesamt gibt es davon drei:

  • A-Stelle (Aminoacyl-Stelle)
  • P-Stelle (Polypeptid-Stelle)
  • E-Stelle (Exit- oder Export-Stelle)

Hier binden die passenden, zur mRNA komplementären tRNAs. Dadurch wird Schritt für Schritt ein Protein hergestellt.

Elongation

Anschließend findet die Elongation, also die eigentliche Herstellung des Proteins statt:

  1. Die erste Aminosäure ist nun bereits in der P-Stelle (Polypeptid-Stelle) vorhanden.
  2. Es kann sich also eine weitere tRNA mit dem passenden Anti-Codon an die freie A-Stelle anlagern.
  3. Die tRNA in der P-Stelle gibt ihre Aminosäure nun ab, sodass diese sich an die Aminosäure der neuen tRNA in der A-Stelle anlagern kann. Hier befinden sich bereits zwei Aminosäuren (Aminosäure-Kette).
  4. Anschließend wandert das Ribosom genau eine Stelle, also ein Triplett, weiter. Die tRNA, die vorher in der A-Stelle war, befindet sich nun in der P-Stelle und die tRNA aus der P-Stelle liegt in der E-Stelle (Exit-Stelle).
  5. Die tRNA, die sich nun in der E-Stelle befindet, löst sich vom Ribosom und ist wieder frei im Cytoplasma.
  6. In die freie A-Stelle kann sich dann erneut eine passende tRNA anlagern.
  7. Die Aminosäure-Kette, die sich an der tRNA in der P-Stelle befindet, wird auf die tRNA der A-Stelle übertragen und dadurch verlängert.

Der Vorgang wiederholt sich anschließend immer wieder, sodass eine lange Kette aus Aminosäuren entsteht.

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Ablauf der Translation

Termination

Die Translation geht dann so lange weiter, bis das Ribosom auf ein Stopp-Codon (UAA, UAG oder UGA) trifft. Die Basenfolge signalisiert das Ende der Kettenverlängerung. Das bedeutet, dass sich die Aminosäurekette von der tRNA löst.

Die gelöste, gebildete Aminosäurekette ist das fertige Protein. Es wandert anschließend zu seinem Einsatzort, beispielsweise das Verdauungssystem.

Du willst noch mehr über den Ablauf der Translation und der Funktion der tRNA erfahren? Dann ist unser Video dazu genau das Richtige für dich! 

Genetischer Code

Deine Erbinformationen liegen normalerweise verschlüsselt vor. Bei der Translation werden sie entschlüsselt, und zwar mithilfe des genetischen Codes, der ganz bestimmten Regeln folgt. Hier haben wir die wichtigsten für dich zusammengefasst:

Der genetische Code ist…

  • ein Triplettcode
  • kommafrei
  • überlappungsfrei
  • degenertiert/redundant
  • universell

Eine ausführliche Erklärung zu den Eigenschaften findest du hier in unserem Beitrag zum genetischen Code!

Codesonne

Bei der Translation steht ein Basentriplett der mRNA für eine ganz bestimmte Aminosäure. Die Reihenfolge der Basen in der mRNA bestimmen also die gebildeten Aminosäuren.

In unserem Video zur Codesonne kannst du herausfinden, welche Kombination aus Basen für welche Aminosäure codiert, also schau vorbei! 

Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten

Grundsätzlich ist der Ablauf der Proteinbiosynthese bei den Eukaryoten und Prokaryoten sehr ähnlich. Trotzdem gibt es ein paar entscheidende Unterschiede. In der folgenden Tabelle findest du einen Vergleich der Proteinbiosynthese von Prokaryoten und Eukaryoten:

  Eukaryoten Prokaryoten
Ort der Transkription (= Ort der DNA) Zellkern Cytoplasma
Ort der Translation Cytoplasma Cytoplasma
mRNA-Prozessierung ja nein
Zeitliche Trennung von Transkription und Translation ja nein

Merke: Die Transkription findet bei Prokaryoten im Cytoplasma statt, da sie keinen Zellkern besitzen. Da die mRNA also nicht transportiert werden muss, findet auch keine Prozessierung statt.

Genregulation

Die Proteinbiosynthese kann nicht immer unbeeinflusst ablaufen. Durch welche Prozesse sie verstärkt oder verhindert wird, erfährst du in unserem Video zur Genregulation !

Zum Video: Genregulation
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