Einleitung. Replikation

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1 (C) SchulLV 1 von 9 Einleitung Der Action-Film von gestern Abend war wieder ziemlich spannend. Mal wieder hat es der Superheld geschafft, alle Zeichen richtig zu deuten, diverse Geheimcodes zu knacken und damit die Stadt vor dem Untergang zu bewahren. Nicht nur in Filmen gibt es verschlüsselte Codes, die entziffert werden wollen, auch in uns schlummert eine geheime Nachricht: der genetische Code. Der genetische Code besteht aus den Basensequenzen der DNA und verschlüsselt damit die Abfolge von Aminosäuresequenzen, die letztlich Proteine bilden. Ein Basentriplett (= Codon) verschlüsselt dabei genau eine Aminosäure. Allerdings können verschiedenen Basentripletts ein und dieselbe Aminosäure codieren. Diese Eigenschaft des genetischen Codes nennt man degeneriert. Der Code ist dabei kommafrei, d.h. es gibt keine Lücken zwischen den Basentripletts, sie folgen nahtlos aufeinander. Eine Base gehört zudem immer nur zu einem Codon, die Basentripletts überlappen sich nicht. Eine ganz besondere Eigenschaft des Codes ist seine Universalität. In fast allen Lebewesen wird die gleiche Geheimsprache verwendet, um Aminosäuren zu verschlüsseln. Um die 20 proteinogenen Aminosäuren zu codieren, gibt es insgesamt = 64 Möglichkeiten, denn es gibt vier Nukleobasen (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin), die jeweils zu Dreierpaketen zusammengesetzt werden können. Der Prozess, bei dem der genetische Code entschlüsselt wird und letztlich Proteine entstehen, nennt sich Proteinbiosynthese. Bevor dir aber nun erklärt wird, was es mit der Proteinbiosynthese auf sich hat, ist es wichtig, einen Prozess zu verstehen, der der Proteinbiosynthese vorangestellt ist. Dieser Prozess wird Replikation genannt. Hinweis: Nicht erschrecken, dieses Skript enthält einige Fachwörter. Bestimmt sind dir viele schon aus dem Unterricht bekannt. Trotzdem kann es hilfreich für dich sein, zunächst das Skript zum Thema Proteine und DNA zu lesen, um dich mit den wichtigsten Begriffen wieder vertraut zu machen. Replikation Ort: Zellkern während der S-Phase in der Interphase des Zellzyklus Ergebnis: Verdopplung der DNA In der Biologie versteht man unter dem Begriff Replikation die Verdopplung der DNA. Dieser Prozess findet in der Synthesephase (= S-Phase) des Zellzyklus statt. Die Replikation der DNA ist hierbei nötig, damit sich nach der Zellteilung in beiden Tochterzellen die identische, vollständige DNA der Mutterzelle befindet. Zunächst entwindet das Enzym Helikase die beiden Stränge der DNA-Helix. Die Helikase trennt dabei die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren und es

2 (C) SchulLV 2 von 9 entsteht eine typische Replikationsgabel. Der Einzelstrang der Replikationsgabel, der in 3' -Richtung verläuft, nennt sich dabei kontinuierlicher Strang (= Leitstrang), der Einzelstrang der in -Richtung verläuft, ist der diskontinuierliche Strang (= Folgestrang). Im nächsten Schritt werden mit Hilfe des Enzyms DNA-Polymerase neue DNA-Stränge synthetisiert (= hergestellt). Die DNA-Polymerase kann ausschließlich in 3' 5'-Richtung arbeiten, d.h. sie synthetisiert den -Strang. Der Einzelstrang der Replikationsgabel, der in 3' -Richtung verläuft, nennt sich dabei kontinuierlicher Strang (= Leitstrang), der Einzelstrang der in -Richtung verläuft, ist der diskontinuierliche Strang (= Folgestrang). Primer, die aus RNA-Sequenzen bestehen, fungieren als Startpunkt für die DNA-Polymerase. Nur am kontinuierlichen Strang funktioniert die Synthese des komplementären DNA-Strangs reibungslos. Am diskontinuierlichen Strang findet die Synthese rückwärts statt, da der Strang in die Richtung verläuft, in die die DNA-Polymerase nicht arbeiten kann. Als Problemlösung gibt es etappenweise immer wieder Primer, die der DNA-Polymerase als erneute Ansatzpunkte dienen. Die dadurch entstehenden Fragmente aus RNA und DNA heißen Okazaki-Fragmente. Letztlich werden alle Primer von einem weiteren Enzym entfernt und die DNA-Ligase verknüpft die Teilstücke, die am diskontinuierlichen Strang synthetisiert wurden, zu einem komplementären Einzelstrang. Nukleotide, die von der DNA-Polymerase zur Synthese der neuen DNA-Stränge verwendet werden, liegen frei im Cytoplasma vor. Abbildung 1: Bildliche Darstellung der Replikation

3 (C) SchulLV 3 von 9 Proteinbiosynthese Transkription Ort: Bei Eukaryoten im Nucleus, bei Prokaryoten im Cytoplasma Ergebnis: Kopie der DNA erstellen Die Transkription (lat. transcribere = umschreiben) ist der erste der beiden Teilschritte Gen: der Proteinbiosynthese. Dabei wird die DNA in Abschnitt der DNA, der Informationen RNA umgeschrieben, um dann weiterverarbeitet zur Synthese von Proteinen oder zu werden. Während die DNA die Erbinformation anderen Molekülen codiet. in Form von Genen enthält, ist die RNA ausschließlich eine Arbeitskopie der DNA, anhand derer die Proteine später hergestellt werden. DNA und RNA unterscheiden sich aber nicht nur in ihrer Funktion, sondern auch in ihrer Struktur. So ist bei der RNA (engl. ribonucleic acid; dt. RNS= Ribonukleinsäure) bspw. nicht Desoxyribose Bestandteil der Nukleoside, sondern der Zucker Ribose. Außerdem hat die RNA eine andere Basenzusammensetzung. Während die DNA die Nukleobasen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin enthält, besteht die RNA aus den Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. Zu Beginn der Transkription setzt die RNA-Polymerase (= Enzym zur Herstellung von RNA) am Promoter (am codogenen Strang) an. Der Promoter besteht aus einer bestimmten Basensequenz auf der DNA. Er signalisiert der RNA-Polymerase, an welchem Punkt sie mit der Synthese der RNA beginnen kann. Dabei entspiralisiert die RNA-Polymerase zunächst die DNA-Doppelhelix, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren spaltet. Wichtig zu wissen ist, dass niemals der ganze DNA-Strang kopiert wird, sondern immer nur ein Gen. Nachdem die DNA entschraubt ist, beginnt die RNA-Polymerase mit Hilfe von Nukleotiden, die sich frei im Zellkern befinden, eine Kopie des -Strangs zu erstellen. Diese Kopie, der sogenannte mrna-stang (engl. messenger ribonucleic acid), ist komplementär zum codogenen Strang ( ) der DNA. Demzufolge lagern sich die Nukleotide entsprechend der Basenpaarungsregel am codogenen Strang an. Durch den Terminator (= spezielle DNA-Sequenz) wird das Ende des Kopiervorgangs gekennzeichnet. Die RNA-Polymerase löst sich dann vom DNA-Strang ab, die mrna schnürt sich ab und die entschaubten DNA-Stränge setzen sich wieder zu einer Doppelhelix zusammen. Abbildung 2 zeigt dir stark vereinfacht die Synthese der mrna im Laufe der Transkription.

4 (C) SchulLV 4 von 9 Abbildung 2: Schematische Darstellung der Transkription Spezialfall Eucaryoten Bei der Transkription gibt es auffallende Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Bei Prokaryoten findet sie im Cytoplasma statt. Die DNA der Prokaryoten enthält zudem die reine Proteininformation, d.h. nur codierende Abschnitte, die später in Aminosäuren übersetzt werden können. Als Syntheseprodukt geht aus der Transkription bei Prokaryoten die mrna als Kopie der DNA hervor. Die Transkription bei Eukaryoten unterscheidet sich in einigen Punkten von der der Prokaryoten. So findet die Transkription nicht im Cytoplasma, sondern im Nucleus statt. Ein weitere Unterschied ist in der DNA-Sequenz zu erkennen. Bei der eukaryotischen DNA kann ein Gen in Exons (= engl. expressed region= ausgedrückte Region) und Introns (= engl. intervening regions= dazwischenkommende Regionen) gegliedert werden. Exons sind die codierenden Abschnitte der Gene, nur sie enthalten letztlich Informationen für den Bauplan von Proteinen. Beim Menschen gibt es je Gen meist acht Exons mit 145 Nukleotiden. Introns enthalten keine Informationen, sie sind nicht codierend. Die Anzahl der Introns ist von Gen zu Gen unterschiedlich. Introns sind oftmals wesentlich länger als Exons, da sie aus weitaus mehr Nukleotiden bestehen. Um Proteine synthetisieren zu können, dürfen ausschließlich codierende Abschnitte vorliegen. Der Vorgang, bei dem Introns aus der prä-mrna herausgeschnitten werden, wird als Spleißen (engl. splicing) bezeichnet. Das Spleißen ist Teil der Prozessierung, bei der die prä-mrna der Eukaryoten aufbereitet wird. Bei der Prozessierung wird die mrna zudem soweit präpariert, dass sie gegen enzymatischen Abbau geschützt wird und leicht durch das Cytoplasma transportiert werden kann. Nach diesem Vorgang liegt die reife mrna vor, die jetzt im Cytoplasma an den Ribosomen translatiert werden kann. Translation Ort: Cytoplasma bzw. Ribosomen Ergebnis: Synthese der Primärstruktur der Proteine

5 (C) SchulLV 5 von 9 Die Translation ist der zweite Teilschritt der Proteinbiosynthese. Hier wird die während der Transkription gebildete mrna als Vorlage verwendet, um eine Aminosäuresequenz zusammenzusetzen, die das spätere Protein bildet. Ein Basentriplett (= Codon), d.h. eine Abfolge von genau drei Nukleobasen, codiert dabei genau eine Aminosäure. Die Code-Sonne ist dabei ein Hilfsmittel, um den genetischen Code zu entschlüsseln. Wie die Benutzung der Code-Sonne funktioniert, erfährst du in Abschnitt 4. Die gesamte Translation findet an dem Ribosom statt. Ribosomen sind komplexe Gebilde mit einem Protein- und RNA-Anteil. Außerdem sind sie aus der kleinen und der großen Untereinheit zusammengesetzt. Die kleine Untereinheit des Ribosoms besitzt drei spezifische Stellen die von der mrna in -Richtung durchläuft. Dabei handelt es sich um die Aminoacyl-Stelle (A-Stelle), die Polypeptid-Stelle (P-Stelle) und um die Exit-Stelle (Ausgang, E-Stelle). Eine weitere wichtige Komponente bei der Translation ist die trna (transfer-rna). Diese hat eine kleeblattartige Struktur und besitzt am 3`-Ende eine Stelle, an der einzelne Aminosäuren anhaften können. Du kannst dir die trna daher als eine Art Shuttle für Aminosäuren vorstellen. Am anderen Ende besitzt die trna ein Basentriplett, das an das komplementäre Basentriplett (Codon) der mrna andocken kann. Daher wird es als Anticodon bezeichnet. Da das Anticodon aus RNA besteht, kann das Basentriplett aus den vier Nukleobasen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil zusammengesetzt sein. Thymin findet sich nicht im Triplett. Der Ablauf der Translation lässt sich in drei Schritte gliedern: Schritt 1 - Initiation: Die Startphase der Translation bildet die Initiation. Dabei wandert die kleine Untereinheit des Ribosoms solange auf der mrna entlang, bis sie auf ein Startcodon trifft. Das Startcodon hat die Basenabfolge Adenin-Uracil-Guanin (AUG) und codiert immer die Aminosäure Methionin (Met). Wurde das Startcodon gefunden, helfen spezielle Proteine (Translations- Initiationsfaktoren), das erste trna-molekül mit dem entsprechenden Anticodon (Uracil-Adenin- Cytosin (UAC)) und der damit passenden Aminosäure (Methionin) an die A-Stelle des Ribosoms heranzuführen. Am Startcodon befindet sich nun das Ribosom mit einem trna-molekül, an das die Aminosäure Methionin gekoppelt ist. Schritt 2 - Elongation: Nach der Initiation folgt die Elongation. Zunächst überprüfen Elongationsfaktoren (= spezielle Proteine), ob die trna mit der richtigen Aminosäure an das Basentriplett der mrna gebunden ist. Ist das der Fall, rückt die mrna weiter zur P-Stelle des Ribosoms. Währenddessen wird schon das nächste Basentriplett vom Ribosom abgelesen und die trna mit passendem Anticodon lagert sich an der A-Stelle des Ribosoms an. War dieser Vorgang erfolgreich, so lösen die Elongationsfaktoren die Bindung zwischen der Aminosäure und der trna, die sich auf der P-Stelle befinden. Die Aminosäure wird dann auf die Aminosäure übertragen, die sich aktuell noch an der A-Stelle befindet. War auch dieser Vorgang erfolgreich, so rückt die trna, die sich momentan auf der P-Stelle befindet zur E-Stelle des Ribosoms und wird freigelassen. Das trna-molekül mit der Aminosäurekette rückt indessen zur P-Stelle vor. Das Ribosom bewegt

6 (C) SchulLV 6 von 9 sich gleichzeitig weiter in -Richtung der mrna. Nun beginnt der Ablauf erneut: Ablesen des Basentripletts der mrna, Anlagerung von trna mit passendem Anticodon und Aminosäure an der A-Stelle, Übertragung der Aminosäuren, die sich an der P-Stelle befinden, auf die Aminosäure an der A-Stelle, Vorrücken der trna von P nach E und Aufrücken der trna. Wiederholt sich der eben beschriebene Vorgang einige Male, entsteht nach und nach eine immer länger werdende Polypeptidkette (= Kette aus vielen Aminosäuren). Wichtig zu wissen ist, dass nur die A- und P-Stelle oder P- und E-Stelle gleichzeitig mit trnas besetzt ist. Es sind nie alle drei Stellen der kleinen Untereinheit gleichzeitig besetzt. Abbildung 3 zeigt den Ablauf der Elongation, dabei ist das Ribosom in grau dargestellt. Schritt 3 -Termination: Sobald das Ribosom auf ein Stoppcodon trifft, ist die letzte Phase der Translation erreicht. Insgesamt gibt es drei verschiedene Basentripletts, die ein Stoppcodon signalisieren: Uracil- Guanin-Adenin (UGA), Uracil-Adenin-Adenin (UAA) und Uracil-Adenin-Guanin (UAG). Für diese Sequenzen gibt es keine trnas mit passenden Anticodons. Ein R-Faktor (= spezifisches Molekül) bindet an das Stoppcodon und löst die Bindung zwischen der Polypeptidkette und der trna. Die Kette wird freigesetzt, die Polypeptidkette wird in der für sie vorgesehenen Raumsstruktur gefaltet. Das Protein ist vollständig synthetisiert und einsatzbereit. Abbildung 3: Schematische Darstellung der Elongation bei der Translation Die Translation findet an vielen Ribosomen gleichzeitig statt. So können in kurzer Zeit viele

7 (C) SchulLV 7 von 9 Proteine entstehen. Außerdem kann es sein, dass mehrere Ribosomen den gleichen mrna-strang mehrmals ablesen. Das kann nützlich sein, wenn von einem Protein eine größere Menge synthetisiert werden muss. Zusammenfassung Die nachfolgende Tabelle soll dir abschließend einen kleinen Überblick über die Transkription und Translation von Prokaryoten und Eukaryoten im Vergleich geben. Abbildung 4 zeigt dir zudem eine bildliche Gegenüberstellung. Transkription Prozessierung (Transkription) Translation Prokaryoten Ort: Cytoplasma DNA: reine Proteininformation Syntheseprodukt: mrna keine Prozessierung bei Prokaryoten Ort: Ribosomen Syntheseprodukt: Proteine Eukaryoten Ort: Nucleus (Zellkern) DNA: enthält Exons (codierender Abschnitt), Introns (nicht-codierender Abschnitt) Syntheseprodukt: prä-mrna Ort: Zellkern Spleißen: herausschneiden von Introns Syntheseprodukt: zusammenhängende genetische Information als mrna Ort: Ribosomen Syntheseprodukt: Proteine Abbildung 4: Vergleich der Transkription bei Prokaryoten und Eukaryoten Benutzung der Code-Sonne Die mrna besteht aus der komplementären Basensequenz zum codogenen Strang der DNA. Allgemein kannst du die mrna damit als Boten der DNA ansehen, denn mit Hilfe der Basentripletts der mrna können direkt Aminosäuresequenzen abgelesen werden. Die Code-Sonne ist eine Art Übersetzungshilfe. Sie hilft dir dabei, die zugehörige Aminosäure zu einem Basentriplett zu finden oder Aminosäurensequenzen den Basentripletts der mrna zuzuweisen. Wie du die Code-Sonne ablesen musst, ist hier an einem Beispiel erklärt:

8 (C) SchulLV 8 von 9 Frage: Welche Aminosäure wird mit dem mrna-basentriplett ACU codiert? Schritt 1: Wichtig: Du musst die Code-Sonne von innen nach außen lesen! Im Ersten Schritt betrachtest du nur den innersten Kreis der Code-Sonne. Du siehst bestimmt, dass der innere Kreis in vier Teile untergliedert ist. Die vier Teilabschnitte symbolisieren die vier Basen, aus denen die mrna zusammengesetzt ist. Du suchst nun die Base, mit der das Basentriplett beginnt. In unserem Beispiel ist es die Base A. Das A ist eine Abkürzung für Adenin. Wenn du Adenin gefunden hast, kannst du die restlichen Abschnitte des inneren Kreises vorerst außer Acht lassen. Schritt 2: Nun überprüfst du, welche Base an zweiter Stelle des Basentripletts steht. Die obenstehende Fragestellung gibt Cytosin (C) vor. Hierfür musst du den Buchstaben C auf dem zweiten Ring von innen suchen. Gedankenexperiment: Stell dir vor, du rückst eine Spielfigur auf einem Spielbrett. Du rückst sie von Feld Adenin (A) zum zweiten Ring von innen auf das Feld Cytosin (C). Innerhalb der Code-Sonne hast du damit den Pfad A-C zurückgelegt. Schritt 3: Jetzt musst du herausfinden, welche Base an letzter Stelle des Basentripletts steht. Vom zweiten Ring der Code-Sonne gehst du nun auf den dritten Ring und suchst das Feld mit der entsprechenden Base. Im Beispiel ist es Uracil, die Kurzform der Base ist U. Gedankenexperiment: Verlasse mit deiner Spielfigur den zweiten Ring von innen und rücke zum dritten Ring von innen auf das Feld U (Uracil).

9 (C) SchulLV 9 von 9 Schritt 4: Im äußersten Ring sind nun alle Aminosäuren aufgelistet, die mit der mrna codiert werden können. Einige kommen sogar doppelt vor, sie sind mit einem Sternchen gekennzeichnet. Gedankenexperiment: Rücke die Spielfigur zum Schluss auf den äußersten Ring und damit auf das Zielfeld. Auf dem Zielfeld befindet sich die Aminosäure die unter dem Pfad A-C-U zu finden ist. Du kannst nun sehen das mit der Sequenz ACU die Aminosäure Thr (Threonin) codiert wird. Jetzt kannst du die Beispielfrage beantworten: Welche Aminosäure wird mit dem mrna-basentriplett ACU codiert? Die Aminosäure Threonin wird mit dem Basentriplett ACU codiert.

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