2. Stofwechsel. 2.8 Proteinbiosynthese

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1 2. Stofwechsel 2.8 Proteinbiosynthese Die Proteinbiosynthese ist ein biochemischer Prozess. Von einem Abschnitt der Desoxynucleinsäure (DNA, A für engl. acid) werden nach Transkription und Translation Proteine synthetisiert. Dieses Kapitel beschreibt den Ablauf der Proteinbiosynthese in der Zelle. Rückblick - die Planzenzelle Zellen sind die kleinsten Grundbausteine des Lebens. Zellen können Nahrung aufnehmen, diese in Energie umwandeln, bestimmte Funktionen durchführen und sich reproduzieren. Planzen gehören neben Tieren und Pilzen zu den Eukaryoten. Eukaryotische Zellen besitzen einen echten Zellkern im Gegensatz zu den Prokaryoten (Bakterien) die keinen echten Zellkern besitzen. Aus totipotenten Stammzellen bilden sich diferenzierte Zellen. Die diferenzierten haben speziische Aufgabenbereiche. Es gibt zum Beispiel Wurzel- oder Blattzellen. Aus einer totipotenten Zelle kann ein ganzer Organismus entstehen, aus diferenzierten ist das nicht möglich. Aufbau und Funktion der Planzenzelle Der Zellinnenraum ist mit Cytoplasma gefüllt. Im Cytoplasma beinden sich Cytosol, das Cytoskelett und die Zellorganellen. Das Cytoskelett besteht aus Mikrotubuli und Mikroilamenten. Das gelartige zählüssige Cytoplasma gibt der Zelle Schutz und Stabilität. Reaktionen und Stoftransport inden im Cytoplasma statt. Im Unterschied zu tierischen Zellen besitzen Planzenzellen Vakuolen, eine Zellwand und Chloroplasten. Vakuolen sind mit Wasser gefüllt, halten der Tugordruck und speichern Stofe. Die Zellwand gibt der Planze Form und Festigkeit. In den Chloroplasten indet Photosynthese statt. Die weiteren Zellorganellen sind: Der Zellkern in dem sich die DNA beindet. An den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums (RER) indet die Proteinbiosynthese statt. Das glatte endoplasmatisches Retikulum (ER) ist Calciumspeicher und Fettsäureproduzent. Im Golgi-Apparat indet Stofwechsel statt. Die Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. In ihnen wird Adenosintriphosphat (ATP) gebildet. Die Zellmembran grenzt den Innenraum ab und regelt den Stofaustausch. Tüpfel sorgen für den Stofaustausch zwischen den Zellen. Vakuole Mitochondrien Mikrotubuli Dogma der Molekularbiologie Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt das die DNA in mrna umgeschrieben wird. Die mrna wird zu den Ribosomen transportiert. Dort wird sie in Aminosäuren translatiert und zu Proteinen zusammengesetzt (Abb. 2). Zellkern Mikrofilamente Exkurs Endosymbiontentheorie raues Endoplasmatisches Retikulum glattes Endoplasmatisches Retikulum Zellwand Zellmembran Chloroplast Tüpfel Ribosomen Golgi-Apparat Diese Theorie besagt das einige Zellorganellen wie z.b. Mitochondrien und Chloroplasten durch Symbiose mit Bakterien entstanden sind. Bakterien (Prokaroten) wurden durch Einzeller aufgenommen und dadurch zu Endosymbionten. Später wurden sie zu Zellorganellen in ihren Wirtszellen. Diese Zellorganellen tragen heute noch Merkmale von Bakterien, z. B. eigene DNA. Abb. 1 Aufbau Planzenzelle 37

2 2.8. Proteinbiosynthese Transkription Translation DNA mrna Abb. 2 Schema der Proteinbiosynthese Protein DNA beindet sich verteilt auf Chromosomen im Zellkern. DNA beindet sich aber ebenfalls in Mitochondrien und in den Chloroplasten (Exkurs). Die Gesamtheit der DNA eines Organismus nennt man Genom. Auf DNA-Abschnitte (Allele) sind Information für bestimmte Proteine gespeichert, z.b. welches die Blütenfarbe exprimiert. Die Abfolge der Basen ergibt die Anleitung für den Bau und Betrieb der Planze. Somit ist die DNA der Träger der Erbinformation. Im Experiment auf S. 40 wird die DNA der Tomate isoliert. Die DNA einer menschlichen Zelle ist 1 m lang. So muss es doch möglich sein DNA für das menschliche Auge erkenntlich zu machen Die DNA Transkription Die DNA ist ein Makromolekül. Sie besteht aus Einzelbausteinen die Nukleotide genannt werden. Nukleotide bestehen aus zwei Komponenten: Eine der vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin sowie ein Zuckerphosphat. Die Basen sind über Wasserstofbrückenbindungen miteinander verbunden. Sie bilden so einen DNA Doppelstrang (Doppelhelix, Abb. 3). Aus energetischen und räumlichen Gründen binden immer Adenin an Thymin und Guanin an Cytosin. Ein DNA-Abschnitt (Gen) wird im Zellkern mit Hilfe von Enzymen in mrna umgeschrieben. Die Ribonukleinsäure (mrna) ist im Gegensatz zur DNA einzelsträngig und die komplementäre Sequenz der genetischen Information des Gens. Anstatt der Base Thymin hat die RNA die Base Uracil. Die RNA-Polymerase bewirkt das der Doppelstrang der DNA sich kurzzeitig trennt. An einem der Stränge lagert sich die komplementären Base der mrna-nukleotide an. Diese werden dann verknüpft. Am Adenin der DNA lagert sich immer Uracil der RNA an. Die RNA-Polymerase erkennt Start- und Stoppsignale so das eine kleine Sequenz abgelesen wird. Die RNA löst sich wieder von der DNA und tritt aus dem Zellkern aus Der genetische Code Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Die Übersetzung der mrna-sequenzen in Aminosäuresequenzen wird durch den genetische Code festgelegt (Abb. 4). Dabei wird eine bestimmte Abfolge von drei Nukleotiden (Triplett) der mrna am Ribosom für eine bestimmte Aminosäure kodiert. Es gibt 20 Aminosäuren die zum Aufbau der Proteine verwendet werden können Abb. 3 DNA-Doppelhelix Die Struktur der Doppelhelix wurde 1953 von Watson und Crick in England ermittelt. Sie haben dafür 1962 den Nobelpreis für Medizin erhalten Translation Das mit Anticodon beladene trna lagert sich an das komplementäre Triplett der mrna an. Das Ablesen aller Codons eines m-rna-moleküls ergibt die Amino 38

3 2. Stofwechsel Zellkern mrna Gen auf der DNA Transkription Abb. 4 Der genetische Code. Abgelesen wird von innen nach außen. Ribosomen Aminosäure an trna trna Translation Protein Blütenfarbe Enzym Wirkung: Farbstoff säuresequenz eines Proteins. Die trna setzt sich an das Ribosom. Ein trna Molekül bindet immer nur an eine bestimmte Aminosäure Am Ribosom werden die Aminosäuren verknüpft. Die Biosynthese beginnt immer mit AUG (Methionin) mit einem Stoppcodon zerfällt das Ribosom in seine Untereinheiten und die Proteinbiosynthese ist abgeschlossen Abb. 5 Vom Gen zum Merkmal Die Translation ist also die Übersetzung der Basensequenz in die Aminosäuresequenz. Zusammenfassung Warum ist die Blüte blau? In den Vakulolen der Zelle wird ein blauer Farbstof gespeichert. Der Farbstof wird durch ein bestimmtes Enzym hergestellt. Dieses Enzym wird während der Translation an den Ribosomen aus einzelnen Aminosäuren zusammengesetzt. Die Reihenfolge der Aminosäure ergibt sich aus der Abfolge der Basen der mrna. Die mrna wird im Zellkern als Kopie eines DNA Abschnitts hergestellt. 39

4 2.8. Proteinbiosynthese Experiment - Isolierung von Tomaten DNA Chemikalien: 3 Eßl. Spülmittel 1 Tel. Kochsalz 90ml Wasser Tomate 2-3 Tropfen lüssiges Waschmittel Ethanol Geräte: Messer Becher Wasserbad Eis Mixer Kafeeilter Durchführung: Was passiert? Gebe Kochsalz, Spülmittel und Wasser in ein Gefäß und rühre es um. Gebe die geschnittene, geschälte und entkernte Tomate in die Spülmittellösung Stelle das Glas für 15min in ein ca. 60 C warmes Wasserbad. Anschließend 10 min abkühlen in einem Eisbad. Dann KURZ die Probe mixen oder im Mörser zerquetschen. Filtriere die Mischung mit dem Kafeilter und fange das Filtrat auf. Füge 2-3 Tropfen Waschmittel zu 10ml Filtrat hinzu, danach gut schütteln. Überschichte das Extrakt sehr vorsichtig mit dem gleichen Volumen eiskalten Ethanol Herstellung des Extraktionspufers Spülmittel bricht die Zellmembranen (Doppellipidschicht) auf und so kann die DNA aus den Zellen und Zellkernen entlassen werden. Wärme beschleunigt den Prozess und zerstört Enzyme (DNAsen) welche die DNA abbauen könnten. Die DNA wird geschont zu viel und lange Hitze schadtet ihr. Durch das Zerquetschen werden die Zellen aufgeschlossen. Trennung der Zellbestandteile von DNA und Proteinen. die im Filtrat gelöst sind. Im Waschmittel ist das Enzym Protease enthalten, welches Proteine in der Lösung abbaut. DNA löst sich nicht in Ethanol und wird dadurch in dieser Schicht sichtbar DNA reichert sich in wenigen Minuten schlierenartig in der oberen Schicht (Ethanol) an Mit einem Holzstäbchen lässt sich die DNA aus dem Glas ischen 40

5 Entstanden ist dieser Lehrbuchtext im Rahmen des Moduls Lernpsychologie Konzept zum Lehrbuchtext Regina Devrient Textsorte: Fachbuchtext Merkmale Der Fachbuchtext zeichnet sich durch häufiges Vorkommen von Illustrationen (informierende Bilder, logische Bilder und schematische Bilder) aus. Diese helfen dem Leser das Gelesene zu verstehen. In der Regel haben Fachtexte längere Sätze die hinderlich beim Verstehen des Textes sein können. Deshalb wurde im vorliegenden Text versucht diesem Phänomen mit kurzen Sätzen entgegenzuwirken. Wortbildungen wie die Verwendung von Fremdwörtern (z.b. Ge o ) und Wortkürzungen (z.b. ATP ) si d e e falls typis h u d kö e de Leser das Verstehe erschweren. Da der Text dafür ausgelegt ist, dem Leser das Thema nahezubringen (Verstehen) werden sprachliche Mittel verwendet. Dazu gehört die Wiederholung wichtiger Wörter (z.b. Translation ). Substitution sollte hier vermieden werden um den Leser nicht mit zu vielen Fremdwörtern zu verwirren. Jedoch kommen auch sie im Text vor (Gen/Allel/DNA-Abschnitt). Metakommunikative Mittel werden vor allem im Experiment eingesetzt ( Gebe ). Sprachliche Orientierungsmarken wie der Kolumnentitel (rechts Kapitel: Stoffwechsel, links Unterkapitel: Proteinbioynthese) und Seitennummerierungen ordnen das Thema dem Gesamtdokument zu. Visuelle Orientierungsmarken wozu der Kasten im Exkurs, vertikale Linien im Rückblick, farbige Schrift für wichtige Begriffe und eine Unterlegung im Experiment durch bildlichen Hintergrund (Tomate) zählen, dienen der Übersichtlichkeit und dem Lernen. Der einheitliche Aufbau des Abschnitts verwirrt den Leser nicht und er weiß wo er was finden kann. Es gibt kurze thematische Überschriften um den nachfolgenden Text einzuordnen und eine formale Überschrift (Zusammenfassung). Die Zusammenfassung zeigt nochmals den Ablauf der Biosynthese anhand eines Beispiels. Ein weiteres Merkmal ist die Kohärenzbildung, die inhaltlich-thematische Verknüpfung zum (Gesamt-)Thema: Proteinbiosynthese/Stoffwechsel/Lehrbuch für Landwirte Pflanzenproduktion. Es gibt eine kurze Einleitung um ins Thema einzuführen. Fachbuchtexte sind häufig einem anonymen Sprachstil zugrunde gelegt, das wurde im Abschnitt des Experiments unterbrochen, hier wird der Schüler/Lesende direkt angesprochen. Die Zielgruppe dieses Textes sind Berufsschüler der grünen Berufe: Landwirte, Gärtner. Die meisten haben einen 10 Klasse Abschluss und unterschiedliche Vorbildungen. Im Rahmen der Unterrichtsreihe soll Ihnen der Stoffwechsel der Pflanze nahe gebracht werden. Um ihnen zu verdeutlichen wie sich Bewässerung, Düngung und eventuell Pflanzenschutzmaßnahmen auf den pflanzlichen Organismus auswirken. Einordnung des Themas Aufbauend vom einfachen (die Zelle) zum konkreten (Ablauf Proteinbiosynthese) soll der Lernende die Zusammenhänge verstehen. Interesse soll durch das Experiment geweckt werden. Das

6 Experiment soll zeigen das DNA nicht irgendwas Undefiniertes im Körper oder der Pflanze ist, sondern mit einfachen Hausmitteln zu sehen ist. Der Text hat als zentrales Thema die Proteinbiosynthese und in den Unterthemen die Schritte dieser (z.b. Translation, genetischer Code und Transkription). Durch systemorientiertes Lernen verbunden mit entdeckungs- und problemorientiertes Lernen im Experiment, soll der Schüler sich mit der Thamatik DNA beschäftigen und es verstehen. Stellung im hypothetischen Gesamtdokument Das Lehrziel dieses Abschnitts ist die Proteinbiosynthese grob zu verstehen. Nicht bis ins kleinste Detail, da es Berufsschulschüler sind und keine Biochemie Studenten. Das Lernziel ist vorwiegend kognitiv und soll mit dem Experiment gefestigt werden. Der Schüler soll im Abschnitt den Ablauf der Proteinbiosynthese verstehen, dazu wird nochmal der Aufbau der Zelle mit ihm wiederholt und anschließend die Elemente der Proteinbiosynthese dargelegt. Weitere Themen im Kapitel Stoffwechsel könnten sein die Glykolyse, Photosynthese, Aminosäuresynthese. ( Quellen Bilder (Url Abfrage) Bild 1 geändert: web.squ.edu.om/med-lib/md_cd/e_cds/electronic Study Guide of Biochemistry/ch01/fi1p11.htm Bild 2 oben: Unten: Regina Devrient Bild 3 geändert nach: ghr.nlm.nih.gov/handbook/illustration/dnastructure.jpg Bild 4 stmuv.bayern.de/umwelt/gentechnik/grundlagen/code.htm Bild 5 Regina Devrient Bild 6 Regina Devrient Rolf D. Schmidt, 2006: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik, 2. Auflage Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA