09.04.2013
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zur Rakete

Von der DNA zum Protein

Um nach Anleitung eines DNA-Abschnitts ein Protein zu bauen, wird zuerst eine mRNA Abschrift gemacht. Anhand dieser werden Aminosäuren zu Ketten zusammengeknüpft – fertig ist das Protein.

Transkription der DNA und Translation der mRNA.

Transkription der DNA zu mRNA findet im Zellkern statt, Translation der mRNA zu Protein im Zytoplasma. Bild: unknown/Wikimedia Commons

Die DNA ist eine Geheimschrift zur Proteinherstellung

Die DNA entspricht einem Buch, das sich in (fast) jeder Zelle eines Lebewesens befindet und als „Bauanleitung“ für den ganzen Organismus dient. Damit unsere Zellen dieses DNA-Buch lesen und zu einem funktionierenden Körper werden können, müssen sie die DNA-Sprache in Protein (Eiweiss)-Sprache übersetzen. Um diesen Prozess zu verstehen, solltest du zuerst hier nachlesen, wie die DNA aufgebaut ist.

Wir erinnern uns: die DNA besteht aus zwei ineinander gewundenen Nukleotid-Ketten und sieht wie eine verdrehte Strickleiter aus (man nennt diese Struktur Doppelhelix). Es gibt vier verschiedene Nukleotide in der DNA, die sich untereinander in einem Baustein unterscheiden: der Base. Diese vier verschiedenen Basen heissen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Die Base A ist komplementär zu T, die Base C ist komplementär zu G. Das bedeutet, dass A sich immer mit T, und C immer mit G paart. Immer drei dieser aufeinanderfolgenden Basen werden „Codon“ oder „Basentriplett“ genannt. Man kann sich ein Codon wie ein Wort in dem DNA-Buch vorstellen,  zum Beispiel das Wort „AGC“. Ein Gen besteht aus vielen dieser Codons; man könnte sich ein Gen als einen langen Absatz oder sogar mehrere Seiten im DNA-Buch vorstellen.

Transkription: Eine DNA-Abschrift in RNA-Sprache

Um die DNA-Wörter, das heisst die Codons, lesen zu können, muss die verdrehte Strickleiter zuerst aufgewunden und die Codons in eine neue Schrift übertragen werden. Dieser Vorgang wird „Transkription“ genannt. Am Anfang eines Gens befindet sich eine spezielle Serie von Basen – Wissenschaftler nennen diesen Ort „Promotor“ – an der sich ein Enzymkomplex namens „RNA-Polymerase“ festsetzt. Du kannst dir die RNA-Polymerase als Zellmaschine vorstellen, die wie eine Lokomotive auf der „DNA-Schiene“ fährt. Auf ihrer Fahrt produziert die RNA-Polymerase eine Abschrift des DNA-Abschnitts, und zwar in Form einer anderen Nukleinsäure, die aus nur einem Strang besteht: der mRNA (messenger ribonucleic acid oder Boten-RNA).

Auf dem Bild unten kannst du sehen, dass während der Transkription die DNA-Doppelhelix entwunden und der benötigte Teil davon der Länge nach aufgespalten wird. Ein Teil der DNA-Basen ist nun ungepaart (CATG). An diesen ungepaarten DNA-Basen lagern sich die Basen freier RNA-Nukleotide an. Ein freies G paart sich mit dem ungepaarten C in der DNA, ein freies U (Uracil, welches in der RNA statt T vorkommt und auch zu A komplementär ist) paart sich mit dem ungepaarten A. Diese ehemals freien RNA-Nukleotide werden aneinander gekettet. Diese neue Kette ist die mRNA. Sie hat die gleiche Sequenz, also Basenreihenfolge, wie der eine Strang der DNA, mit dem einzigen Unterschied, dass U statt T verwendet wurde. Während die RNA-Polymerase weiterfährt, schliessen sich hinter ihr die DNA-Stränge wie bei einem Reissverschluss wieder, und die wachsende mRNA-Kette löst sich von der DNA.

Transkription

Transkription. Bild adaptiert von Dovelike/Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Translation: Von Proteinfabriken und dem genetischen Code

Nachdem der benötigte DNA Abschnitt nun in RNA Sprache umgeschrieben wurde, wird die mRNA aus dem Zellkern an die Ribosomen im Zytoplasma verschickt. Dort findet die „Translation“ statt – die Übersetzung der RNA Sprache in die Proteinsprache bzw. die Übersetzung der Nukleotid-Sequenz in die Aminosäuresequenz. Den Code, der für diese Übersetzung verwendet wird, findest du hier.

Aminosäuren werden zu Proteinen verknüpft

Ribosomen kannst du dir als Proteinfabriken vorstellen, die sich im Zytoplasma befinden. Wie du auf dem Bild unten sehen kannst, bringt das Ribosom die mRNA und die passenden tRNAs zusammen. Was sind tRNAs? tRNAs bestehen aus den gleichen Bausteinen wie mRNA, haben aber eine andere Form und Funktion. Die tRNAs sind Übersetzer. Sie tragen nämlich an der einen Seite eine bestimmte Aminosäure und an der anderen Seite drei Basen (das Anticodon), die perfekt zu einem Codon auf der mRNA passen. Wenn Codon der mRNA und Anticodon einer tRNA zusammenpassen (also zueinander komplementär sind), lädt die tRNA ihre Aminosäure ab. Die Aminosäuren werden in der Reihenfolge der mRNA-Basen zu einer Kette aneinandergeknüpft, die das Ribosom verlässt, wenn auf der mRNA ein „Stopcodon“ (das Zeichen zum Aufhören) erreicht wird. Dann faltet sich die Aminosäurekette zusammen und fertig ist das Protein. Proteine sind Baumaterialien und Arbeiter in unseren Zellen. Sie haben unglaublich viele verschiedene Funktionen, und für jede Art von Protein gibt es auf einem DNA-Abschnitt eine Bauanleitung dazu.

Translation

Translation. Bild: NIH/Wikimedia Commons

Warum wird die DNA-Sequenz nicht direkt in die Aminosäuresequenz übersetzt, sondern über den Schritt der mRNA-Synthese?

  • DNA kann den Zellkern nicht verlassen. Die Proteinherstellung findet aber im Zytoplasma statt.
  • Ein Gen besteht aus Exons und Introns. Exons sind die kodierenden Bereiche, Introns die nicht-kodierenden. Bevor die mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird, müssen die Introns herausgeschnitten werden. Bei manchen mRNAs werden je nach Bedarf unterschiedliche Introns herausgeschnitten. So entstehen schlussendlich aus einem Gen verschiedene Proteine, die sich in bestimmten Aminosäureabschnitten unterscheiden.

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