Proteinbiosynthese

In deinem Körper entstehen ständig neue Stoffe. Manche reparieren Zellen, andere beschleunigen Reaktionen oder helfen bei der Abwehr. Dafür braucht jede Zelle Baupläne und eine kleine Produktionsanlage. Genau darum geht es bei der Proteinbiosynthese.

Deine Lernziele

• Du erklärst, wie aus einer Information in der DNA ein Protein entsteht.
• Du unterscheidest Transkription, RNA-Prozessierung und Translation.
• Du beschreibst die Aufgaben von mRNA, tRNA, Ribosom und Codon.
• Du vergleichst den Ablauf bei Eukaryoten und Prokaryoten.

Vom Gen zum Protein

Wenn dein Körper ein bestimmtes Protein braucht, nimmt er nicht die ganze DNA aus dem Zellkern. Er nutzt nur den passenden Abschnitt. Ein solcher DNA-Abschnitt heißt Gen. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Information für ein bestimmtes Produkt enthält, oft für ein Protein.

Ein Protein ist ein großes Molekül aus vielen kleineren Bausteinen. Diese Bausteine heißen Aminosäuren. Die Reihenfolge der Aminosäuren entscheidet, wie das Protein später aussieht und welche Aufgabe es erfüllt.

Definition

Die Proteinbiosynthese ist der Vorgang, bei dem eine Zelle nach der Information eines Gens ein Protein herstellt. Im Schulkontext besteht sie meistens aus zwei Hauptschritten: Transkription und Translation.

Der Weg ist also nicht direkt DNA zu Protein. Zuerst wird die Information umgeschrieben. Danach wird sie übersetzt. Das schützt die DNA und macht die Information für die Proteinfabrik der Zelle nutzbar.

Beispiel

Stell dir vor, die DNA ist ein großes Kochbuch in der Bibliothek Zellkern. Du darfst das Kochbuch nicht mit in die Küche nehmen. Also schreibst du ein Rezept ab. Diese Abschrift geht zur Küche. Dort wird nach dem Rezept gekocht.

In der Zelle ist das Kochbuch die DNA. Die Abschrift ist die mRNA. Die Küche ist das Ribosom. Das fertige Gericht ist das Protein.

Merke

Proteinbiosynthese bedeutet: Ein Gen wird nutzbar gemacht, damit die Zelle ein bestimmtes Protein bauen kann.

Die Sprache der DNA und RNA

Damit du den Ablauf verstehst, brauchst du die Grundsprache der Erbinformation. Die DNA ist der Träger der Erbinformation. Sie besteht aus zwei Strängen und enthält vier Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Kurz schreibt man A, T, G und C.

Die RNA ist ein ähnliches Molekül, aber meist einsträngig. Bei der Proteinbiosynthese ist besonders die mRNA wichtig. mRNA bedeutet messenger RNA, also Boten-RNA. Sie trägt die abgeschriebene Information vom Gen zum Ribosom.

Bei RNA steht statt Thymin die Base Uracil. Deshalb paart sich bei der Herstellung von RNA Adenin mit Uracil. Guanin paart sich mit Cytosin.

Beispiel

Ein kurzer DNA-Vorlagenabschnitt lautet:

$$ TAC\ GGA\ CTT $$

Dazu kann eine mRNA entstehen:

$$ AUG\ CCU\ GAA $$

T wird dabei nicht in die RNA eingebaut. Stattdessen nutzt die RNA U.

Ein Codon ist eine Gruppe aus drei Basen auf der mRNA. Ein Codon steht meist für eine bestimmte Aminosäure. Das Startcodon AUG markiert häufig den Beginn der Übersetzung und codiert für Methionin. Die Stopcodons UAA, UAG und UGA beenden die Translation, weil sie nicht für eine Aminosäure stehen.

Gut zu wissen

Drei Basen sind nötig, weil es vier verschiedene RNA-Basen gibt. Mit Dreiergruppen entstehen genug Kombinationen, um die 20 proteinogenen Aminosäuren zu verschlüsseln.

Transkription: Aus DNA wird mRNA

Der erste große Schritt heißt Transkription. Transkription bedeutet Umschreibung. Dabei wird die Information eines Gens von der DNA in eine mRNA übertragen.

Die Transkription beginnt an einem Promotor. Ein Promotor ist eine Startstelle auf der DNA, an der Enzyme erkennen, dass ein Gen abgelesen werden soll. Das wichtigste Enzym ist die RNA-Polymerase. Ein Enzym ist ein Stoff, der eine Reaktion ermöglicht oder beschleunigt. Die RNA-Polymerase öffnet einen kleinen Bereich der DNA und baut passend zum Vorlagenstrang eine mRNA.

Der DNA-Strang, der abgelesen wird, heißt codogener Strang oder Vorlagenstrang. Die RNA-Polymerase liest ihn in eine Richtung ab und baut die mRNA in Gegenrichtung auf. Wichtig für dich: Die neue mRNA ist komplementär zur Vorlage. Komplementär bedeutet passend nach festen Basenpaar-Regeln.

Beispiel

Beim Abschreiben gelten diese Paare:

DNA A passt zu RNA U.
DNA T passt zu RNA A.
DNA G passt zu RNA C.
DNA C passt zu RNA G.

Wenn der codogene DNA-Strang den Abschnitt TAC besitzt, entsteht auf der mRNA AUG.

Die Transkription läuft in drei Phasen ab. Bei der Initiation startet die RNA-Polymerase am Promotor. Bei der Elongation verlängert sie die mRNA. Bei der Termination erreicht sie ein Stoppsignal, den Terminator, und die mRNA wird freigesetzt.

Merke

Transkription ist Abschreiben: Aus der DNA-Information eines Gens entsteht eine mRNA.

RNA-Prozessierung bei Eukaryoten

Menschen, Tiere, Pflanzen und Pilze bestehen aus Zellen mit Zellkern. Solche Lebewesen heißen Eukaryoten. Bei ihnen entsteht nach der Transkription zuerst eine unreife mRNA. Diese wird noch bearbeitet, bevor sie den Zellkern verlässt.

Diese Bearbeitung heißt RNA-Prozessierung. Prozessierung bedeutet hier: Die RNA wird geschützt, zugeschnitten und für die Translation vorbereitet.

Am 5'-Ende bekommt die mRNA eine Schutzkappe. Sie heißt Cap. Am 3'-Ende bekommt sie einen Poly-A-Schwanz, also eine Kette aus vielen Adenin-Bausteinen. Beide Strukturen schützen die mRNA und helfen später bei der Erkennung.

Außerdem werden beim Spleißen bestimmte Abschnitte entfernt. Introns sind Abschnitte der unreifen mRNA, die nicht in die Aminosäurefolge übersetzt werden. Exons sind Abschnitte, die nach dem Spleißen in der reifen mRNA bleiben und die Information für das Protein enthalten.

Beispiel

Eine unreife mRNA enthält diese Abschnitte:

Exon 1 - Intron - Exon 2 - Intron - Exon 3

Nach dem Spleißen bleibt:

Exon 1 - Exon 2 - Exon 3

Erst diese reife mRNA kann sinnvoll für die Translation genutzt werden.

Gut zu wissen

Bei Prokaryoten, zum Beispiel Bakterien, gibt es keinen Zellkern. Deshalb sind Transkription und Translation räumlich nicht getrennt. Eine aufwendige RNA-Prozessierung wie bei Eukaryoten ist dort meistens nicht nötig.

Translation: Aus mRNA wird eine Aminosäurekette

Jetzt liegt die reife mRNA im Cytoplasma vor. Das Cytoplasma ist der flüssige Zellbereich außerhalb des Zellkerns. Dort sitzen die Ribosomen. Ein Ribosom ist eine Zellstruktur, die mRNA abliest und Aminosäuren zu einer Kette verbindet.

Der zweite Hauptschritt heißt Translation. Translation bedeutet Übersetzung. Die Basensprache der mRNA wird in die Aminosäuresprache eines Proteins übersetzt.

Dafür braucht die Zelle tRNA. tRNA bedeutet transfer RNA. Eine tRNA ist ein Transportmolekül. Sie trägt eine bestimmte Aminosäure und besitzt ein Anticodon. Ein Anticodon ist eine Dreiergruppe von Basen auf der tRNA. Es passt komplementär zu einem Codon der mRNA.

Beispiel

Auf der mRNA steht das Codon AUG.
Eine passende tRNA besitzt das Anticodon UAC.
Diese tRNA bringt die Aminosäure Methionin.

So verbindet das System die Basenfolge der mRNA mit einer bestimmten Aminosäure.

Auch die Translation hat drei Phasen. Bei der Initiation bindet das Ribosom an die mRNA und findet meist das Startcodon AUG. Bei der Elongation kommen passende tRNAs nacheinander an. Das Ribosom verknüpft die Aminosäuren durch Peptidbindungen. Dadurch wächst eine Polypeptidkette. Eine Polypeptidkette ist eine Kette aus vielen Aminosäuren und kann sich später zu einem Protein falten. Bei der Termination erreicht das Ribosom ein Stopcodon. Dann wird die Kette freigesetzt.

Merke

Translation ist Übersetzen: Codons der mRNA bestimmen die Reihenfolge der Aminosäuren.

Genetischer Code und Leseraster

Damit die Übersetzung klappt, muss das Ribosom die mRNA richtig einteilen. Das Leseraster ist die Einteilung der mRNA in aufeinanderfolgende Codons. Es beginnt am Startcodon und wird dann immer in Dreierschritten gelesen.

Der genetische Code ist die Zuordnung zwischen Codons und Aminosäuren. Er ist fast universell. Das bedeutet: In fast allen Lebewesen werden dieselben Codons denselben Aminosäuren zugeordnet. Außerdem ist er degeneriert. Das heißt: Mehrere verschiedene Codons können für dieselbe Aminosäure stehen.

Beispiel

Die mRNA-Sequenz

$$ AUG\ GCU\ UUU\ UGA $$

wird in Codons gelesen:

AUG steht für Methionin und startet oft die Translation.
GCU steht für Alanin.
UUU steht für Phenylalanin.
UGA ist ein Stopcodon.

Die entstehende Kette beginnt also mit Methionin, danach folgen Alanin und Phenylalanin. Beim Stopcodon endet die Translation.

Wenn sich das Leseraster verschiebt, kann eine völlig andere Aminosäurefolge entstehen. Deshalb sind Einfügungen oder Verluste einzelner Basen oft besonders folgenreich. Das Ribosom liest dann ab der Veränderung andere Dreiergruppen.

Gut zu wissen

Es gibt 64 mögliche Codons. Davon stehen 61 für Aminosäuren. Drei Codons sind Stopcodons und beenden die Translation.

Eukaryoten und Prokaryoten im Vergleich

Nicht alle Zellen organisieren die Proteinbiosynthese gleich. Prokaryoten sind Lebewesen ohne Zellkern, zum Beispiel Bakterien. Ihre DNA liegt frei im Cytoplasma. Eukaryoten besitzen einen Zellkern. Dazu gehören Menschen, Tiere, Pflanzen und Pilze.

Bei Eukaryoten findet die Transkription im Zellkern statt. Danach wird die mRNA prozessiert und verlässt den Zellkern. Die Translation findet im Cytoplasma an Ribosomen statt. Transkription und Translation sind also räumlich getrennt.

Bei Prokaryoten findet beides im Cytoplasma statt. Deshalb kann die Translation oft schon beginnen, während die mRNA noch entsteht. Das macht den Ablauf schneller und direkter.

Beispiel

Bei einer menschlichen Zelle ist der Ablauf wie ein Schulweg mit Zwischenstation:

Zellkern: DNA wird in mRNA transkribiert.
Zellkern: mRNA wird prozessiert.
Cytoplasma: mRNA wird am Ribosom translatiert.

Bei einem Bakterium liegt alles im Cytoplasma. Transkription und Translation können daher eng gekoppelt ablaufen.

Zusammenfassung

Die Proteinbiosynthese erklärt, wie eine Zelle aus der Information eines Gens ein Protein herstellt. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt. Ein Protein besteht aus Aminosäuren. Die Reihenfolge dieser Aminosäuren bestimmt die spätere Funktion.

Zuerst läuft die Transkription ab. Dabei schreibt die RNA-Polymerase die Information eines DNA-Abschnitts in mRNA um. Bei Eukaryoten wird diese mRNA danach prozessiert: Sie bekommt Schutzstrukturen, und beim Spleißen werden Introns entfernt.

Danach folgt die Translation am Ribosom. Das Ribosom liest die mRNA in Codons. Passende tRNAs bringen Aminosäuren. So wächst eine Polypeptidkette, bis ein Stopcodon erreicht wird.