Biologie in der Oberstufe

Proteinbiosynthese

Erläutere den Unterschied zwischen DNA und RNA.

RNA enthält die dem Thymin chemisch ähnliche Base Uracil anstatt Thymin, die sich auch mit Adenin paart. Außerdem ist die OH-Gruppe am C2-Atom des Zuckers nicht oxidiert, sodass keine Desoxyribose, sondern eine Ribose vorliegt. Sie hat dadurch weitere Anknüpfungsmöglichkeiten, ist reaktiver und instabiler.

Zudem besteht die RNA nur aus einem statt zwei Strängen, ist kürzer und aufgrund von WBB innerhalb des Strangs zwischen komplementären Basen verknäult (=Intrastrangpaarung), sodass eine kleeblattähnliche Struktur entstehen kann.

Nenne unterschiedliche RNA-Typen und gib ihre Funktion im Organismus an.

Es gibt drei verschiedene RNA-Typen. Die m-RNA (=messenger-RNA) "kopiert" die DNA im Zellkern und geht dann über die Kernporen ins Zellplasma. Dort befindet sich die rRNA (=ribosomale RNA), die zusammen mit Proteinen die Ribosomen aufbaut. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, wobei erst ein zusammengesetztes Ribosom mit zwei Bindungsstellen für die tRNA entstehen kann, wenn die rRNA vorhanden ist. Die tRNA fungiert als Vermittler zwischen Basentripletts und Aminosäuren, sodass im Zellplasma aus der mRNA eine Aminosäurensequenz entstehen kann.

Benenne Transkription und Translation als Teilprozesse der Proteinbiosynthese und nenne deren Ablauforte in der Zelle.

Die Transkription (=Umschreibung) ist der Prozess, in dem die Information der DNA in die mRNA umgeschrieben wird. Sie findet im Zellkern statt.

Die Translation (=Übersetzung) ist der Prozess, in dem die in der mRNA gespeicherten Information in eine Polypeptidkette bestehend aus Aminosäuren umgewandelt wird. Sie findet im Zellplasma oder am Endeplasmatischen Reticulum und mithilfe von Ribosomen und der tRNA statt.

Nenne die Unterschiede im Ablauf der Transkription bei Pro- und Eukaryoten, also das (alternative) Spleißen.

Erläutere die Funktion des genetischen Codes.

Der genetische Code gibt an, für welche Aminosäuren verschiedene Basensequenzen der Codons der mRNA codieren. Er lässt sich übersichtlich in einer Code-Sonne darstellen, wobei die Basen von innen (5') nach außen (3') abzulesen sind. Der genetische Code besitzt fünf Eigenschaften:

nicht überlappend: Basen sind nur Teil eines Codons und nicht mehrerer (Ausnahme: Viren).

kommafrei: Zwischen den Codons befinden sich keine Lücken, es werden also keine Nucleotide ausgelassen.

degeneriert/redundant: Für eine Aminosäure können meist mehrere Codons codieren, die sich meistens in der dritten Base unterscheiden.

eindeutig: Ein Codon codiert immer für die gleiche Aminosäure.

universell: Ein bestimmtes Codon codiert bei den meisten Lebewesen für die gleiche Aminosäure. Dies ist außerdem ein Beleg für den gemeinsamen Ursprung und die Verwandtschaft der Lebewesen. Bei unterschiedlichen Organismengruppen unterscheidet sich meistens, welches der synonymen Codons für die jeweilige Aminosäure codiert.

Stelle den Ablauf der Proteinbiosynthese zusammenhängend dar.

Erst 1941 wurde von Beadle und Tatum erkannt, dass von der genetischen Information bis hin zur Ausprägung eines Merkmals mehrere Reaktionen durchlaufen werden müssen, die durch Enzyme gesteuert sind. Für die Ausprägung eines Merkmals ist wiederum ein Enzym zuständig, das erst durch die Prozesse entstehen muss, um dann für die Ausprägung des Merkmals zu sorgen. Ihnen wurde bewusst, dass für das Entstehen eines Enzymproteins ein bestimmter DNA-Abschnitt zuständig ist (Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese).

Die Proteinbiosynthese, also der Prozess, bei dem aus der genetischen Information ein Protein entsteht, besteht aus zwei Teilprozessen: der Transkription und der Translation.

Bei der Transkription wird die Information der DNA in die mRNA umgeschrieben. Dies geschieht im Zellkern. Dabei wird nur ein Strang der DNA abgelesen (=codogener Strang=Sinnstrang). Er dient als Matrize, wobei sich entlang des Gens ändern kann, welcher Strang der codogene ist. Diese Information wird mithilfe des Promotors angegeben. Außerdem wird die Ableserichtung durch diesen angegeben.

Initiation: Auf der DNA befindet sich eine bestimmte Nucleotidsequenz (=Promotor) als Startstelle. Diese erkennt die RNA-Polymerase (=Transkriptase) und heftet sich dort an.

Elongation: Nun wandert die RNA-Polymerase an der DNA entlang und liest diese von 3' nach 5' ab, wobei die mRNA von 5' nach 3' aufgebaut wird. Dies geschieht, indem sich komplementäre Nucleotide an der DNA anordnen und mithilfe der RNA-Polymerase zum RNA-Strang unter Abspaltung von je 2 Phosphatgruppen verknüpft werden.

Termination: An einer bestimmten Basensequenz/Nucleotidsequenz (=Terminator) löst sich die RNA-Polymerase ab.

Bei Eukaryoten enthält ein RNA-Strang immer nur ein Gen, bei Prokaryoten mehrere. Prokaryoten besitzen keinen Zellkern, sodass die Translation im Zytoplasma sofort einsetzt.

Bei Eukaryoten ist die nun entstandene mRNA eine prä-mRNA. Sie muss nun noch gespleißt werden, um dann zur mRNA zu werden und den Zellkern zu velassen.

Bei der Translation dient die mRNA als Matrize und wird mithilfe von Ribosomen und tRNA in eine Polypeptidkette, also eine Aminosäuresequenz, übersetzt.

Da die Translation an den Ribosomen stattfindet und, damit die Translation effektiv und rasch erfolgen kann, besetzen oft mehrere Ribosomen hintereinander die mRNA (=Polysomen).

Ribosomen bestehen aus einer kleinen und großen Untereinheit. Im inaktiven Zustand liegen diese getrennt vor. Stößt das Ribosom jedoch auf die mRNA, so setzen sich beide Einheiten zusammen und es entstehen zwei Bindungsstellen für die tRNA.

Diese dient als Vermittler zwischen dem Codon und der Aminosäure. Auf der einen Seite besitzt die tRNA deshalb ein zum Codon der mRNA komplementäres Anticodon. Dieses codiert für die Aminosäure, die an das andere Ende der tRNA bereits gebunden ist.

Diese passende Bindung der Aminosäure ist zuvor mithilfe des Enzyms Synthetase erfolgt, welches eine Bindungsstelle für eine Aminosäure und eine für die tRNA hat, sodass es die richtige AS-Zuordnung gewährleisten kann. Pro Aminosäure gibt es eine andere Synthetase, da diese immer nur eine bestimmte AS erkennen können.

Die Translation beginnt, indem sich die kleine Untereinheit des Ribosoms an das Startcodon heftet. Das Ribosom hat 2 Bindungsstellen: P und A.

Die tRNA mit dem Anticodon UAC lagert sich an die P-Stelle, dann lagert sich auch die große Ribosom-Untereinheit an.

Danach heftet sich die nächste tRNA, die zum nächsten Codon der mRNA passt, an die A-Stelle des Ribosoms an. Es entsteht eine Peptidbindung zwischen beiden Aminosäuren.

Dann wandert das Ribosom ein Codon weiter, wobei die erste tRNA abegespaltet wird, die zweite tRNA mit der an ihr gebundenen Peptidkette an der P-Stelle sitzt.

Diese beiden Schritte wiederholen sich, bis das Ribosom auf ein Stoppcodon trifft.

Wird das Stoppcodon, zu dem keine tRNA passt, erreicht, so wird die Polypeptidkette von der letzten tRNA abgespaltet und das Ribosom geht wieder in seinen inaktiven Zustand über: Es zerfällt in seine Untereinheiten.