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Proteinbiosynthese: Ablauf einfach erklärt
Bei der Proteinbiosynthese setzt eine Zelle die Information eines DNA-Abschnitts in eine Aminosäurekette um. Der Informationsweg lautet: DNA → mRNA → Aminosäurekette → funktionsfähiges Protein. Du lernst hier, wie Transkription, RNA-Prozessierung und Translation zusammenarbeiten und wie du eine kurze Sequenz selbst verfolgst.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Vom Gen zum Protein
Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der die Information für ein bestimmtes Produkt trägt. Für ein Protein muss die Zelle nicht die gesamte DNA kopieren. Sie liest nur den benötigten Abschnitt ab.
Die Proteinbiosynthese läuft im schulischen Modell in diesen Schritten:
- Bei der Transkription entsteht eine RNA-Abschrift des DNA-Abschnitts.
- Bei Eukaryoten wird diese Abschrift durch die RNA-Prozessierung zur reifen mRNA.
- Bei der Translation bestimmt die Basenfolge der mRNA die Reihenfolge der Aminosäuren.
- Die Aminosäurekette faltet sich und kann weiter verändert werden. Erst dadurch entsteht ein funktionsfähiges Protein.
mRNA
Die mRNA, kurz für messenger RNA, ist die transportfähige Abschrift eines DNA-Abschnitts. Sie enthält Uracil (U) statt Thymin (T).
Die DNA bleibt als Original erhalten. Die mRNA bringt eine Abschrift der benötigten Information zum Ribosom.
Transkription: Die mRNA entsteht
Bei der Transkription schreibt das Enzym RNA-Polymerase einen DNA-Abschnitt in RNA um. Ein Promotor kennzeichnet den Startbereich, ein Terminator das Ende des abzuschreibenden Bereichs.
Der Ablauf hat drei Phasen:
- Initiation: Die RNA-Polymerase bindet am Promotor und öffnet die DNA.
- Elongation: Sie liest den codogenen Strang, also den Vorlagestrang, in 3'→5'-Richtung. Gleichzeitig baut sie die komplementäre mRNA in 5'→3'-Richtung auf.
- Termination: Am Terminator endet die Transkription. Polymerase und mRNA lösen sich, die DNA schließt sich wieder.
Für die komplementäre RNA gelten diese Zuordnungen:
| Base auf der DNA-Vorlage | Base in der mRNA |
|---|---|
| A | U |
| T | A |
| G | C |
| C | G |
Gegeben ist der codogene DNA-Strang:
3'-TAC TCG ATT-5'
Schritt 1: Lies die Vorlage in der angegebenen Richtung 3'→5'.
Schritt 2: Setze zu jeder DNA-Base die komplementäre RNA-Base ein: T→A, A→U, C→G und G→C.
Schritt 3: Notiere die neu gebildete mRNA in 5'→3'-Richtung:
5'-AUG AGC UAA-3'
Die Richtungen sind entgegengesetzt, weil Vorlage und neu gebildeter Strang antiparallel verlaufen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die RNA-Polymerase liest den codogenen DNA-Strang in -Richtung und baut die mRNA in -Richtung auf. Gegenüber Adenin in der DNA-Vorlage wird in die RNA eingebaut.
RNA-Prozessierung: Aus prä-mRNA wird reife mRNA
Bei Eukaryoten entsteht zunächst eine prä-mRNA. Sie wird noch im Zellkern bearbeitet, bevor sie durch Kernporen ins Cytoplasma gelangt.
Drei Bearbeitungsschritte sind besonders wichtig:
- Am 5'-Ende wird eine Cap-Struktur angefügt. Sie schützt die RNA und hilft bei ihrer späteren Erkennung.
- Am 3'-Ende entsteht ein Poly-A-Schwanz aus Adenin-Nukleotiden. Er schützt die mRNA und beeinflusst ihre Lebensdauer.
- Beim Spleißen werden nicht codierende Abschnitte, die Introns, entfernt. Die verbleibenden Exons werden zusammengefügt.
Beim alternativen Spleißen können Exons unterschiedlich kombiniert werden. Dadurch kann aus derselben genetischen Ausgangsinformation eine größere Vielfalt an Produkten entstehen.
Erst nach Cap, Poly-A-Schwanz und Spleißen liegt bei Eukaryoten die reife mRNA für Export und Translation vor.
Translation: Die Basenfolge wird übersetzt
Die Translation findet an Ribosomen statt. Ein Ribosom liest die mRNA in Gruppen von je drei Basen. Eine solche Dreiergruppe heißt Codon.
Die tRNA wirkt als Adapter. Auf einer Seite trägt sie ein Anticodon, das komplementär zu einem mRNA-Codon ist. Auf der anderen Seite trägt sie die passende Aminosäure. So verbindet die tRNA die Sprache der Basen mit der Reihenfolge der Aminosäuren.
Ein Ribosom besitzt drei wichtige Stellen:
- A-Stelle: Eine neue, mit Aminosäure beladene tRNA bindet.
- P-Stelle: Hier befindet sich die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette.
- E-Stelle: Eine entladene tRNA verlässt das Ribosom.
Auch die Translation lässt sich in drei Phasen ordnen:
- Initiation: Das Ribosom erkennt das Startcodon AUG. Die passende tRNA bindet.
- Elongation: Weitere tRNAs bringen Aminosäuren. Das Ribosom verknüpft sie und rückt jeweils um ein Codon weiter.
- Termination: Bei UAA, UAG oder UGA endet die Übersetzung. Für ein Stopcodon gibt es keine tRNA mit passender Aminosäure. Ein Release-Faktor ermöglicht die Freisetzung der Kette.
Genetischer Code
Der genetische Code ordnet jedem mRNA-Codon eine Bedeutung zu. AUG ist Startcodon und codiert Methionin; UAA, UAG und UGA sind Stopcodons. Mehrere verschiedene Codons können dieselbe Aminosäure codieren.
Die mRNA aus dem Transkriptionsbeispiel lautet:
5'-AUG AGC UAA-3'
Lies sie vom 5'- zum 3'-Ende in Codons:
- AUG: Start und Methionin
- AGC: Serin
- UAA: Stop
Die gebildete Aminosäurefolge lautet daher Methionin–Serin. UAA fügt keine Aminosäure hinzu, sondern beendet die Translation.
Eukaryoten und Prokaryoten vergleichen
Eukaryoten besitzen einen Zellkern, Prokaryoten nicht. Dieser Unterschied bestimmt, wo die Schritte stattfinden und ob sie räumlich getrennt sind.
| Merkmal | Eukaryoten | Prokaryoten |
|---|---|---|
| Transkription | im Zellkern | im Cytoplasma |
| RNA-Prozessierung wie Cap, Poly-A-Schwanz und Spleißen | ja | nein |
| Translation | an Ribosomen im Cytoplasma | an Ribosomen im Cytoplasma |
| Gleichzeitige Transkription und Translation | durch die räumliche Trennung nicht möglich | möglich |
Bei Eukaryoten muss die reife mRNA zuerst den Zellkern verlassen. Bei Prokaryoten kann ein Ribosom bereits mit der Translation beginnen, während die mRNA noch transkribiert wird.
Wie ein Protein ein Merkmal beeinflussen kann
Die Aminosäurefolge ist wichtig, weil sie die Faltung und damit die Funktion eines Proteins beeinflusst. Proteine können zum Beispiel als Enzyme, Struktur-, Transport- oder Abwehrproteine wirken.
Ein Enzym beschleunigt eine bestimmte chemische Reaktion. Wenn ein Enzym an der Herstellung eines Farbstoffs beteiligt ist, kann seine Funktion zur Ausprägung eines sichtbaren Merkmals beitragen. Der Zusammenhang verläuft dann so:
DNA-Sequenz → mRNA-Sequenz → Aminosäurefolge → Proteinfaltung und Funktion → Zellvorgang → mögliches Merkmal
Dabei gilt: Ein Protein entsteht nicht allein dadurch, dass eine Aminosäurekette freigesetzt wird. Die Kette muss sich passend falten; außerdem können nach der Translation weitere Veränderungen folgen.
Die DNA legt über ihre Basenfolge die Reihenfolge der Aminosäuren fest. Sie legt aber nicht in einem einzigen Schritt unmittelbar ein sichtbares Merkmal fest. Zwischen Gen und Merkmal liegen die Herstellung, Faltung und Wirkung von Proteinen sowie weitere Zellvorgänge.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Proteinbiosynthese
- Transkription: DNA wird zu mRNA
- RNA-Prozessierung: prä-mRNA wird bei Eukaryoten zur reifen mRNA
- Translation: Codons bestimmen mithilfe von tRNA die Aminosäurefolge
- Protein: Faltung und mögliche Veränderungen ermöglichen die Funktion
- Zelltypen: räumlich getrennt bei Eukaryoten, gekoppelt möglich bei Prokaryoten
Abschluss-Check
Nutze für die erste Aufgabe diese Vorlage:
3'-TAC TCG ACT-5'
Wenn du die DNA-Vorlage richtungsbezogen in mRNA übertragen, die Codons übersetzen und die mögliche Wirkung eines Proteins erklären kannst, hast du den gesamten Informationsweg nachvollzogen.