Genetik
Proteinbiosynthese
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Mithilfe der Proteinbiosynthese gelingt es deinen Zellen, den genetischen Code zu knacken. Wie das funktioniert und was die Proteinbiosynthese genau ist, erklären wir dir hier im Beitrag oder direkt im Video

Proteinbiosynthese einfach erklärt

Die Proteinbiosynthese oder Genexpression ist die Bildung von Proteinen in Lebewesen. Proteine sind dabei Ketten aus miteinander verknüpften Bausteinen, den Aminosäuren. Jedes Protein besitzt dadurch einen einzigartigen Aufbau, je nachdem welche oder wie viele Aminosäuren beteiligt sind. 

Der Bauplan für die herzustellenden Proteine ist in deinem Erbgut, der DNA , gespeichert. Du kannst die DNA in bestimmte Abschnitte (Gene ) unterteilen. Dabei ist jeder Abschnitt in der Regel für die Herstellung eines Proteins zuständig.

Die hergestellten Proteine wirken dann meist als Enzyme und steuern Vorgänge in deinem Körper. Das kann sich dann auch auf dein äußeres Erscheinungsbild auswirken. Die Enzyme können zum Beispiel Farbstoffe herstellen, die die Farbe deiner Augen bestimmen.

Bei uns Menschen findet die Proteinbiosynthese zuerst im Zellkern (Transkription) und dann im Cytoplasma an den Ribosomen (Translation) in deinen Zellen statt. 

Definition

Bei der Proteinbiosynthese (Proteinsynthese) erfolgt eine Übersetzung von DNA-Abschnitten in Proteine. Sie lässt sich in die Schritte Transkription und Translation  einteilen.

Proteinbiosynthese Ablauf

Die Proteinbiosynthese ist der Weg vom Gen zum hergestellten Protein, sozusagen das Entschlüsseln des genetischen Codes . Merkmale wie die Körpergröße, Haar- oder Augenfarbe sind nämlich alle in verschlüsselter Form in einem langen Molekül gespeichert: der DNA

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

Aufgepasst: Bei den Eukaryoten wird noch die RNA-Prozessierung als Zwischenschritt eingeschoben.

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Ablauf der Proteinbiosynthese

Unter der Transkription kannst du einen durch Enzyme vermittelten Prozess verstehen. Er dient zur Umschreibung der in der DNA enthaltenen Informationen. Es werden sozusagen transportfähige Kopien der DNA-Stränge (mRNAs ) angefertigt. Die Transkription findet bei uns Menschen im Zellkern statt. Bei Prokaryoten erfolgt sie im Zellplasma.

Die darauffolgende Translation sorgt für die Übersetzung der in der Boten-RNA gespeicherten Informationen. Daraus entsteht nämlich eine Kette aus aneinander gereihten Aminosäuren (Protein). Der Schritt läuft bei allen Lebewesen an den Ribosomen im Zellplasma ab. 

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Proteinbiosynthese Transkription

Der erste Schritt der Proteinbiosynthese ist die Transkription. Der Name kommt von dem lateinischen Wort transcribere und heißt umschreiben. Denn genau das wird bei der Transkription gemacht: Die DNA wird in eine mRNA umgeschrieben.

Allerdings wird nicht deine gesamte DNA in die mRNA umgewandelt, sondern nur ein kurzer Abschnitt. Auf dem liegt der Bauplan für ein Protein. Bei der Translation wird dann das entsprechende Protein hergestellt. Für die Erzeugung der mRNA ist vor allem das das Enzym RNA-Polymerase zuständig.

So läuft die Transkription ab: 

  • Der Startpunkt für die Transkription ist der Promotor. Das ist eine Basensequenz, in der die Basen Thymin und Adenin besonders häufig vorkommen, wie zum Beispiel TATAAA.
  • Die RNA-Polymerase setzt sich an die DNA und fährt sie ab. Sobald sie am Promotor angekommen ist, beginnt sie dort mit der Entwirrung und Aufspaltung der Doppelhelix. Dabei bilden sich zwei Einzelstränge: der codogene Strang und der nicht-codogene Strang.
  • Der für die Transkription wichtige Strang ist der codogene Strang (Vorlagestrang). Er enthält nämlich die wichtigen Informationen für die Proteinherstellung.
  • 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. 

Die komplementären Basen sind:

  • Guanin und Cytosin
  • Adenin und Uracil

Aufgepasst: Bei der RNA gibt es jedoch ein paar Besonderheiten. Beispielsweise enthält die RNA die Base Uracil, anstelle von Thymin wie bei der DNA der Fall ist. 

  • Alle komplementären Basen werden aneinandergeknüpft, sodass eine lange Kette entsteht, die mRNA.
  • Sobald die RNA-Polymerase an einem Stopp-Punkt (Terminator) ankommt, endet die Transkription. Die RNA-Polymerase bildet aus der DNA wieder eine Doppelhelix und löst sich von ihr.
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Erstellung der mRNA

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

Zum Video: Transkription
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Proteinbiosynthese Translation

Die Translation ist der zweite Schritt der Proteinbiosynthese. Der Begriff kommt von dem englischen Wort translation und bedeutet Übersetzung. Hier wird die mRNA in Proteine übersetzt. Die Translation findet im Cytoplasma an den Ribosomen der Zelle statt.

Vor der Translation

Sobald die mRNA im Cytoplasma ankommt, setzt sich ein Ribosom an den Strang und fährt ihn ab. Ribosomen haben drei Bindungsstellen:

  • A-Stelle (Aminoacyl-Stelle)
  • P-Stelle (Polypeptid-Stelle)
  • E-Stelle (Exit-Stelle)
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Bau eines Ribosoms

Das Ribosom fährt zunächst an der mRNA entlang und untersucht dabei jeweils drei Basen. Das nennst du auch Basen-Triplett oder Codon. Wenn das Ribosom ein Codon mit der Basenfolge Adenin, Uracil und Guanin (AUG) erreicht, startet die Translation. Deshalb bezeichnest du das ‚besondere‘ Codon auch als Start-Codon.

Ablauf der Translation

Nun kann die eigentliche Übersetzung der mRNA in ein Protein stattfinden. Das funktioniert so: 

  • Das Start-Codon befindet sich zunächst an der P-Stelle des Ribosoms
  • Nun ‚dockt‘ daran eine passende tRNA (Transfer-RNA) an. Die tRNA  besitzt ein Basen-Triplett, auch Anti-Codon genannt, das genau komplementär zum Codon auf der mRNA ist. Hier also zum Start-Codon. 
  • Jedes Anti-Codon steht für eine Aminosäure, eine Art ‚Geheimsprache‘. Die jeweilige t-RNA trägt die Aminosäure an ihrem oberen Ende.
  • Eine weitere passende tRNA kann sich nun an die freie A-Stelle anlagern. 
  • Die Aminosäure an der tRNA an der P-Stelle löst sich nun und ‚setzt‘ sich an die Aminosäure der tRNA in der A-Stelle.

Das Ribosom bewegt sich nun ein Triplett weiter. Das bedeutet, dass die beiden t-RNAs jeweils eine Stelle ‚weiterrutschen‘:

  • Die erste tRNA befindet sich nun in der E-Stelle (Exit-Stelle). Hier löst sie sich vom Ribosom und geht wieder in das Cytoplasma.
  • In die freie A-Stelle kann sich jetzt erneut eine tRNA anlagern.
  • Die ‚wachsende‘ tRNA auf der A-Stelle liegt nun an der P-Stelle. Von dort aus können die Aminosäuren von der P-Stelle auf die Aminosäure auf der A-Stelle übertragen werden. 

Der Vorgang wiederholt sich immer wieder. So entsteht eine lange Kette aus Aminosäuren. 

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Ablauf der Translation

Der Ablauf geht so lange weiter, bis ein Stopp-Codon (UAA, UAG oder UGA) erreicht wird. Die Basenfolge signalisiert das Ende der Translation. Das bedeutet, dass sich die Aminosäurekette von der tRNA löst. Die gebildete Aminosäurekette stellt ein Protein dar. Das wandert dann zu seinem Einsatzort, wie zum Beispiel als Antikörper für die Immunabwehr.

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

Zum Video: Translation
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Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten

Grundsätzlich ist der Ablauf der Proteinbiosynthese bei den Eukaryoten und Prokaryoten gleich. Dennoch gibt es ein paar entscheidende Unterschiede. Dazu gehören der Ort der Transkription und die RNA-Prozessierung.

Proteinbiosynthese Eukaryoten

Die Transkription findet bei den Eukaryoten im Zellkern statt, denn dort liegt auch die DNA. Da die Translation aber im Cytoplasma an den Ribosomen stattfindet, muss die hergestellte mRNA noch aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert werden.

Dabei muss sie aber auch die engen Kernporen passieren. So kann es passieren, dass die mRNA beschädigt wird. Um das zu verhindern, wird eine RNA-Prozessierung im Zellkern durchgeführt. Dadurch wird die mRNA besser vor einem Abbau bzw. einer Beschädigung geschützt. Zudem werden ‚unwichtige‘, nicht codierende Zwischenstücke entfernt, die sogenannten Introns.

Die RNA-Prozessierung funktioniert so: 

  • Zunächst erhält die mRNA zwei Enden, eine Kappe und einen Schwanz. Das sind Moleküle, die die Enden der RNA vor Abnutzung schützen. So wird ihre Lebensdauer verlängert.
  • Außerdem werden nicht-codierende Zwischenstücke auf der mRNA, die Introns, herausgeschnitten.
  • Zurück bleiben nun nur die ‚wichtigen‘ Abschnitte: die Exons. Sie tragen die Informationen zur Proteinherstellung. 
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Schematischer Ablauf der RNA-Prozessierung

Nun ist die mRNA bereit für die Translation und wird aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert.

Proteinbiosynthese Prokaryoten

Prokaryoten besitzen keinen Zellkern. Deshalb liegt die DNA frei im Cytoplasma vor. Die Transkription findet daher auch im Cytoplasma statt.

Die mRNA, die bei der Transkription gebildet wird, hat also keinen weiten Transportweg zu den Ribosomen. Daher ist das Risiko einer Beschädigung auch geringer. Aus dem Grund ist eine Verpackung zum Schutz durch die RNA-Prozessierung nicht nötig. Die Translation kann also direkt nach der Transkription ablaufen — ohne Zwischenschritt. 

Du willst mehr über den Aufbau der mRNA und der Prozessierung wissen? Dann schau bei unserem Video zur mRNA vorbei! Hier haben wir alles Wichtige für dich aufbereitet!

Zum Video: mRNA
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