Die Steuerung des Zellstoffwechsels
 Protein-Biosynthese 
Problem: 
Wie ist der Weg vom Genotyp zum Phänotyp?  
 Wie schafft es die DNA, daß z. B. rote Blütenfarbe entsteht?
Lösung:  
 Die Umsetzung der genetischen Information erfolgt in 2 Teilschritten:
1) Transkription 2) Translation
                             
zu 1) Transkription: Ort:       Zellkern
Zweck:   Hier wird die genetische Information eines Gens umgeschrieben auf eine Boten-Nukleinsäure = (messenger–RNA
Transportable Gen-Kopie durch Umschreiben in m-RNA
 zu 2) Translation: Ort:    Zellplasma / Ribosom
Zweck:  Hier wird die Basensequenz der m-RNA in eine Aminosäuresequenz eines Proteins "übersetzt."
 
Daraus folgt eine völlig neue Gen-Definition:
Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt auf der DNA, der die Produktionsanweisung für ein bestimmtes Protein bzw. Enzym enthält.
 

Ein-Gen – Ein-Polypeptid – Hypothese
  (oder weil das Polypeptid meist als Enzym wirkt):
Ein-Gen – Ein-Enzym – Hypothese

 
Alte Gen-Definitionen: Gen-Definition Mendel : Gen-Definition Morgan:
Ein Gen ist ein Erbfaktor, der für ein Merkmal verantwortlich ist.
Ein Gen ist ein Abschnitt auf dem Chromosom, der für ein Merkmal verantwortlich ist
Transkription:
Skizze: 

Ablauf: (stark vereinfacht)

1)   Die DNA wird auf die Länge eines Gens von einem Enzym in Einzelstränge geöffnet.
2)   Freie RNA-Nukleotide* lagern sich komplementär an den codogenen Strang an .
3)   Die RNA-Nukleotide werden vom Enzym RNA-Polymerase zu einem Strang verknüpft.
4)   Dieser sogenannte „Botenstrang“, m-RNA genannt (->  m = messenger), löst sich vom codogenen Strang und wandert ins Zellplasma.

*RNA = Ribonukleinsäure
In den RNA-Nukleotiden ist statt der Base Thymin (T) die Base Uracil (U)
dem Zucker Desoxyribose der Zucker Ribose
Beachte: Bei Eukaryoten wird die mRNA noch "nachbearbeitet": a) Capping und Polyadenylierung: Am 5'-Ende wird ein Nukleotid als "Kappe" angehängt und am 3'-Ende wird ein "Poly-A-Schwanz" aus ca. 250 Adeninnukleotiden angehängt. Die Kappe dient als Schutz und zum Anbinden an das Ribosom. Der Poly-A-Schwanz schützt die mRNA vor zu schnellem Abbau. durch Enzyme.
b) Splicing (=Spleissen): Abschnitte ohne Information ("Introns") werden herausgeschnitten und die verbliebenen codierenden Abschnitte ("Exons") werden zur reifen mRNA zusammengefügt. Die fertige mRNA ist also kürzer als der DNA-Abschnitt und nicht mehr komplementär! In der Biotechnologie darf also menschliche DNA nicht ungespleisst  in Bakterien eingebaut werden.   (siehe auch Übungsaufgabe)
Schema:
Translation
Skizze:

Immer 3 Basen = Basentriplett bilden ein Codewort = Codon für eine bestimmte Aminosäure. Um die richtige Aminosäure mit dem richtigen Codon zu verknüpfen benötigt man eine weitere Nukleinsäure: t- RNA (transfer–RNA). Diese besteht ebenfalls aus einsträngiger RNA, die an einer Stelle ein bestimmtes Basentriplett besitzt = Anticodon, das komplementär zu einem Codon passt. Im Zellplasma werden die verschiedenen t–RNA Moleküle spezifisch mit „ihrer“ Aminosäure beladen durch das Enzym Synthetase 
Ablauf: (stark vereinfacht)
 1) Die m-RNA fädelt mit Starttriplett (AUG) im Ribosom ein, ->  zwei Basentripletts finden im Ribosom Platz.
2) Zwei transfer-RNA-Moleküle (jede mit Aminosäure beladen) lagern sich - wenn deren Anticodon komplementär passt - an die mRNA-Tripletts (=Codonen) an .
3) Die beiden mitgebrachten Aminosäuren werden durch eine Peptidbindung verknüpft.
4) Das Ribosom rückt um ein Triplett weiter, die t-RNA an erster Position wird freigesetzt und belädt sich im Zellplasma erneut mit ihrer spezifischen Aminosäure. Das freie nachgerückte mRNA-Codon "sucht" sich seine passende tRNA mit komplementärem Anticodon d.h. eine weitere Aminosäure gelangt ins Ribosom.
5)  Erneute Peptidbindung ... aus dem Dipeptid wird ein Tripeptid usw. 
6)   Am Ende der m-RNA kommt ein Stopp-Triplett ---> das Ribosom zerfällt wieder in 2 Untereinheiten. Die m-RNA wird freigesetzt und rasch abgebaut.
Die entstandene Aminosäurekette faltet sich je nach Aminosäuresequenz = Primärstruktur zu einer spezifischen Sekundär- und Tertiärstruktur auf.
7) biologische Wirkung als: Enzym, Membranprotein, Rezeptorprotein, Hormon, Antikörper.. 
Bei Proteinen, die zum Export bestimmt sind (Sekrete, Hormone, Enzyme..), sind Signalpeptide angehängt, die den Transportweg durch Membranen vermitteln. Nach erfüllter Signalwirkung werden die Signalpeptide wieder abgespalten.
Vergleich:

 DNA – RNA
1) In der RNA ist statt der Base Thymin T, die Base Uracil U eingebaut;
2) In der RNA ist statt Desoxyribose der Zucker Ribose (ein O-Atom mehr )
3) RNA ist einsträngig
4) RNA ist kurzkettiger
5) m-RNA ist kurzlebiger       Warum?
Welche 3 Formen von RNA spielen bei der Proteinbiosynthese eine Rolle?
  Funktion: Ort der Herstellung:
 m-RNA -> Boten-RNA         Genkopie  am codogenen  Strang im Zellkern
 t-RNA   -> transfer-RNA   Transport der Aminosäuren zum Ribosom    Zellkern /  Nukleolus (=Kernkörperchen)
 r-RNA ->  ribosomale RNA    Aufbau der Ribosomen (zusammen mit Proteinen)    Nukleolus.
Zusammenfassung:      Ein-Gen – Ein-Enzym - Hypothese   /   Proteinbiosynthese

Schemat. Darstellung:

Übung: 
1) Antibiotika wirken häufig dadurch, dass sie die Proteinbiosynthese der prokaryotischen Zelle hemmen. Überlegen Sie sich 3 mögliche Angriffsorte bzw. Detailvorgänge, die gestört werden könnten.

2) Das Gift des Knollenblätterpilzes (Amanitin) hemmt die Transkriptionsvorgänge. Begründen Sie, warum die tödliche Wirkung erst nach ca.10 Tagen eintritt und warum zuerst die Leber versagt.

3) Die (einsträngige!) mRNA eines Gens besteht zu 17% aus Adenin zu 25% aus Uracil, zu 30% aus Guanin und zu 28% aus Cytosin. Berechnen Sie daraus den prozentualen Anteil der Basen in der (doppelsträngigen!) DNA des zugehörigen Gens.
Lösungsvorschlag:

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