Genetik
Genexpression
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Mithilfe der Proteinbiosynthese gelingt es unseren Zellen, den genetischen Code zu knacken. Wie das funktioniert, erklären wir dir hier.

Du möchtest das alles in nur wenigen Minuten lernen? Dann schau dir doch unser anschauliches Video dazu an! 

Proteinbiosynthese einfach erklärt

Unsere Merkmale wie Körpergröße, Haar- oder Augenfarbe sind alle in verschlüsselter Form in einem langen Molekül gespeichert: der DNA . Du kannst die DNA in bestimmte Abschnitte (=Gene ) unterteilen, wobei jeder für die Herstellung eines Proteins zuständig ist. Das hergestellte Protein wirkt dann meist als Enzym und stellt aus bestimmten Substraten ein Endprodukt, wie einen Farbstoff oder Wachstumshormon her. Das kann sich dann wiederum auf dein äußeres Erscheinungsbild auswirken. Die Enzyme können zum Beispiel Farbstoffe herstellen, die die Farbe deiner Augen bestimmen.

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Ablauf der Proteinbiosynthese

 

Den Weg vom Gen zum hergestellten Protein, also das Entschlüsseln des genetischen Codes, bezeichnest du als Proteinbiosynthese  . Sie erfolgt in zwei Phasen: der Transkription  (lat. transcribere = umschreiben) und der Translation  (engl. translation = Übersetzung).

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

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

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

Bei der Proteinbiosynthese handelt es sich um eine Genexpression. Darunter verstehst du die Art und Weise, auf die die Erbinformation im Lebewesen verwirklicht wird und in Erscheinung tritt. Das Gen, das deine Haarfarbe bestimmt, zeigt sich zum Beispiel in deinen braunen, schwarzen oder blonden Haaren.

Du kannst die Proteinbiosynthese eben in die Transkription und die Translation unterteilen. Bei den Eukaryoten wird noch die RNA-Prozessierung als Zwischenschritt eingeschoben.

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 die mRNA umgeschrieben. Allerdings wird nicht die ganze DNA in die mRNA umgewandelt, sondern nur ein kurzer Abschnitt, auf dem der Bauplan für ein Protein liegt. Es wird nämlich später bei der Translation immer nur ein Protein von einem Ribosom erzeugt. Für das Erzeugen der mRNA ist das das Enzym RNA-Polymerase zuständig.

Die DNA ist in Form einer Doppelhelix aufgebaut. Das heißt, dass sie aus zwei Strängen besteht, die in sich gewunden sind. Du kannst dir die Doppelhelix also wie zwei aneinander liegende Stricke (ein Strick ist ein DNA-Strang) vorstellen, die ineinander verdreht sind.

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Doppelhelix der DNA

Der Startpunkt für die Transkription ist der Promotor. Das ist eine Basensequenz, in der Thymin und Adenin besonders häufig vorkommen wie zum Beispiel TATAAA.

Die RNA-Polymerase setzt sich also an die DNA und fährt diese 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. Denn nur er enthält die relevanten Informationen für die Proteinherstellung. Dieser läuft in 3′- 5′ Richtung. Diese Richtungen kommen durch die Orientierung und Anordnung der Phosphatgruppe und der Alkoholgruppe der DNA zustande.

Diesen codogenen Strang liest die Polymerase ab, indem sie ihn abfährt. Sie setzt jeder Base die komplementäre Base gegenüber. Jeweils zwei Basen gehören zusammen und stellen komplementäre Basen dar. Sie bilden ein Paar und sind miteinander verbunden.

Bei der RNA gibt es jedoch ein paar Besonderheiten. Die RNA trägt den Zucker Ribose (bei der DNA ist es die Desoxyribose) und die Base Uracil (statt Thymin wie bei der DNA) in sich.

Die komplementären Basen sind:

  • Guanin und Cytosin
  • Adenin und Uracil

Alle komplementären Basen werden aneinandergeknüpft, sodass eine lange Kette entsteht. Das ist die mRNA.

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Erstellung der mRNA

Sobald die RNA-Polymerase am sogenannten Terminator ankommt, endet die Transkription. Dieser ist eine Folge von vier bis zehn Guanin/Cytosin-Basenpaaren. Die RNA-Polymerase bildet aus der DNA wieder eine Doppelhelix und löst sich von ihr.

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

Zum Video: Transkription
Zum Video: Transkription

Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten

Grundlegend 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 der Eucyten statt, denn dort liegt auch die DNA. Da die Translation aber im Cytoplasma stattfindet, muss die transkribierte mRNA noch aus dem Zellkern in das Zellplasma transportiert werden. Dabei muss sie aber zum Beispiel die engen Kernporen passieren. Durch diesen Weg aus dem Kern kann es passieren, dass die mRNA beschädigt wird. Um das zu verhindern, wird die RNA-Prozessierung durchgeführt. Dadurch wird die mRNA besser vor einem Abbau/Beschädigung geschützt und es werden unwichtige, nicht codierende Zwischenstücke namens Introns entfernt.

Zunächst erhält die mRNA eine Art Kappe und eine Art 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.

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Schematischer Ablauf der RNA-Prozessierung

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

Proteinbiosynthese Prokaryoten

Procyten besitzen keinen Zellkern, weshalb die DNA frei im Cytoplasma vorliegt. Deshalb findet die Transkription auch im Cytoplasma statt. Die mRNA, die bei der Transkription gebildet wird, muss nun nicht mehr weit zu den Ribosomen transportiert werden und kann daher auch nicht beschädigt werden. Aus diesem Grund ist eine Verpackung und ein Schutz durch die RNA-Prozessierung nicht nötig. Die Translation kann also direkt nach der Transkription ablaufen.

Proteinbiosynthese Translation

Die Translation ist der letzte Schritt der Proteinbiosynthese. Der Begriff kommt von dem Englischen translation und bedeutet Übersetzung. Bei diesem Prozess wird die mRNA in Proteine übersetzt. Er 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 im Inneren drei Bindungsstellen:

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

Das Ribosom fährt zunächst an der mRNA entlang und untersucht jedes Basen-Triplett (= drei Basen) einzeln. Dieses Triplett kannst du auch als Codon bezeichnen. Wenn das Ribosom das Codon mit der Basenfolge Adenin, Uracil und Guanin (AUG) erreicht, startet die Translation. Deshalb kannst du dieses Codon auch als Start-Codon bezeichnen.

Ablauf der Translation

Nun beginnt also die Translation. Das Ribosom liest an der mRNA immer ein Basen-Triplett ab. Das Start-Codon befindet sich zuerst in der A-Stelle. Hier wird es ausgelesen. Nun wird die passende tRNA zugeordnet. Die tRNA (Transfer-RNA) besitzt ein Basen-Triplett, auch Anti-Codon genannt, das genau komplementär zum Triplett in der A-Stelle ist. Dieses Triplett ist das Anti-Codon, also das Gegenstück zum Code auf der mRNA. Jedes Anti-Codon steht für eine Aminosäure und ist eine Art Abkürzung. Diese Aminosäure trägt die tRNA am oberen Ende. Die tRNA setzt sich also an die A-Stelle im Ribosom.

Jetzt rutscht das Ribosom ein Triplett weiter. So wird das Start-Codon in die P-Stelle verschoben und in der A-Stelle sitzt ein neues Triplett. Eine neue tRNA wird dem Triplett in der A-Stelle zugeordnet. Die Aminosäure an der tRNA löst sich nun von der RNA in der P-Stelle und setzt sich an die Aminosäure der tRNA in der A-Stelle.

Das Ribosom rutscht wieder ein Triplett weiter. In der A-Stelle ordnet sich erneut eine tRNA an. In der P-Stelle löst sich die Aminosäure, die sich an die Aminosäure in der A-Stelle setzt. So entsteht eine lange Kette aus Aminosäuren. In die E-Stelle ist die erste tRNA gerutscht. Hier löst sie sich vom Ribosom und geht wieder in das Cytoplasma.

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Ablauf der Translation

Dieser Ablauf geht so lange weiter, bis das Stopp-Codon (UAA, UAG oder UGA) erreicht wird. Diese Basenfolge signalisiert das Ende der Translation, die Aminosäurenkette löst sich von der tRNA und das Ribosom geht wieder zurück in das Cytoplasma. Die gebildete Aminosäurenkette stellt ein Protein dar. Dieses wandert nun zu seinem Einsatzort, wie zum Beispiel als Antikörper für die Immunabwehr.

Du möchtest detailliertere Informationen über den Ablauf der Translation und der Funktion der t-RNA? Dann ist unser Video dazu genau das Richtige für dich! 

Zum Video: Translation
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Schau auch gerne bei unserem Artikel zur Translation vorbei, um den Vorgang noch besser zu verstehen. 

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