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Gene codieren für Proteine und Proteine spielen eine zentrale Rolle für die Funktion einer Zelle. Doch wie entsteht aus einem Gen, das als DNA in der Sprache der Nukleotiden gespeichert wird, ein Protein aus Aminosäuren? Dieses Tafelbild hilft dir, bei allen involvierten Prozessen den Überblick nicht zu verlieren.
Transkription (blau)
Im ersten Schritt auf dem Weg vom Gen zum Protein wird die DNA im Zellkern von der RNA-Polymerase zur mRNA umgeschrieben. Dabei wird der Doppelstrang der DNA getrennt und die mRNA als Gegenstück des antisens-Strangs synthetisiert. Während die RNA-Polymerase die DNA in 3’-5’ Richtung liest, wird die mRNA folglich in 5’-3’ Richtung geschrieben. Detaillierte Informationen und Visualisierungen zur Benennung und Orientierung der DNA Stränge während der Transkription findest du im Tafelbild zu den Grundbegriffen der Genetik.
Modifikation (gelb)
Bevor die mRNA am Ribosom in die Sprache der Aminosäuren übersetzt werden kann, wird sie modifiziert. Dazu gehört das Splicing, wobei einzelne nicht codierende Abschnitte (Introns) aus der mRNA ausgeschnitten werden und andere codierende Abschnitte (Exons) miteinander verbunden werden. Im Zuge des alternativen Splicings können auch unterschiedliche Exonkombinationen gebildet werden, was die Anzahl möglicher Proteine pro Gen erhöht.
Neben dem Splicing wird der mRNA am 5’-Ende ein modifiziertes Guanin Nukleotid (5’-Cap) und am 3’-Ende ein Poly-Adenin-Schwanz angehängt. Nach aktuellem Wissensstand wird dadurch einerseits die Haltbarkeit der mRNA im Cytoplasma erhöht und andererseits anscheinend die Initiierung der Translation am Ribosom begünstigt. Diese Prozesse kommen nur bei Eukaryoten vor und werden im Tafelbild zur Proteinbiosynthese weiter erklärt und visualisiert.
Translation (grün)
Im Gegensatz zur DNA kann die mRNA nun den Zellkern verlassen und die Information zur Proteinbiosynthese zum Ribosom bringen. Wenn das Protein für den Verbleib im Cytoplasma bestimmt ist, gelangt es direkt zu einem darin vorhandenen Ribosom, soll das Protein exportiert, in eine Membran eingebaut oder auch in ein membranumhülltes Organell gebracht werden, so wird es auf einem Ribosom translatiert, dass auf dem rauen endoplasmatischen Retikulum sitzt. Das Ribosom liest dabei von 5’- 3’, während das Protein vom N zum C Terminus gebildet wird. Die Leserichtung macht insbesondere für Prokaryoten Sinn, da hier die Translation noch während der Transkription startet, da beide Prozesse im Cytoplasma stattfinden. Neben der mRNA und einem Ribosom braucht es für die Translation auch tRNA.
Die tRNA bringt dank ihrem Anticodon die richtige Aminosäure zum passenden Codon im Ribosom, damit dort das Protein fortlaufend gebildet werden kann. Das Beladen der tRNA mit der zum Anticodon passenden Aminosäure, wird von einer Aminoacyl tRNA-Synthetase durchgeführt. Dieses Enzym, in dessen aktive Zentren wie Schlüssel und Schloss nur die richtige tRNA zur richtigen Aminosäure passt, übersetzt damit die Sprache der Nucleotiden (Codone) in die Sprache der Aminosäuren, bevor diese am Ribosom aneinandergereiht und verbunden werden. Die Proteine können nun gefaltet- und an ihren Bestimmungsort gebracht werden.
(Export) (rot)
Proteine, die für den zellulären Export, den Einbau in eine Membran oder für die Verwendung in einem membranumhüllten Organell vorgesehen sind, werden von Ribosomen am rauen endoplasmatischen Retikulum und nicht von jenen im Cytoplasma gebildet. Danach gelangen die Proteine in Vesikeln zum Golgiapparat, wo sie bis zu ihrer endgültigen Verwendung konzentriert und gelagert werden. Für den weiteren Versand der Proteine werden wiederum Vesikel verwendet. Da diese aus den gleichen Bestandteilen wie die Zellmembran bestehen, können sie mit dieser fusionieren und so ihren Inhalt aus der Zelle exportieren oder in ein von einer Membran umhülltes Organell einschleusen.
Quellen:
- B. Alberts et. all; Molecular Biology of the Cell, 5th Edition
- Natura Biologie für Maturitätsschulen, Klett & Balmer