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Grundprinzip der Proteinsynthese

Der Phänotyp eines Lebewesens wird zum Teil durch die Umwelt, zum großen Teil aber durch den Genotyp bestimmt.

Denken Sie nur an die Hautfarbe eines Menschen. Dass ein Südafrikaner eine dunklere Hautfarbe hat als ein Norweger, ist genetisch bedingt. Wenn sich ein hellhäutiger Norweger aber eine Woche den ganzen Tag lang an den Strand legt, wird seine Haut dunkler. Das ist eine Wirkung der UV-Strahlen, also ein Beispiel für den Einfluss der Umwelt auf den Phänotyp.

Für den Phänotyp sind immer irgendwelche Proteine verantwortlich. Entweder als Strukturproteine, wie sie beispielsweise in den Haaren oder in den Muskeln vorkommen, oder als Enzyme. Enzyme produzieren zum Beispiel das Farbpigment Melanin, das für die Farbe unserer Haut verantwortlich ist, andere Enzyme sorgen dafür, dass unsere Haare wachsen und so weiter, von den vielen Enzymen des Stoffwechsels wollen wir hier erst gar nicht reden.

Die Proteine werden an den Ribosomen der Zelle synthetisiert, ein ziemlich energieaufwändiger Prozess übrigens. Die Ribosomen werden manchmal auch als "Proteinfabriken" der Zelle bezeichnet.

Ein Protein ist recht komplex aufgebaut, es besteht aus vielen Tausend Aminosäuren. Woher bekommt das Ribosom nun die Information, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren miteinande zu verknüpfen sind? Immerhin gibt es ja 20 verschiedene Aminosäuren, und das Ribosom darf nicht einfach irgendwelche Aminosäuren miteinander verbinden, um ein bestimmtes Protein herzustellen.

Für die Sichelzellanämie, eine Blutkrankheit, bei der die roten Blutkörperchen sichelartig verformt sind, ist eine einzige falsch eingebaute Aminosäure verantwortlich. Das zeigt uns, wie wichtig es ist, dass bei der Proteinsynthese kein Fehler passiert.

Die Information für den Aufbau von Proteinen ist in der DNA verschlüsselt. Das menschliche Genom besteht aus 23 Chromosomen in jeweils zweifacher Ausführung (Ausnahme: Das Y-Chromosom des Mannes).

Jedes Chromosom enthält einen oder zwei lange DNA-Fäden (jenachdem ob wir uns vor oder nach der S-Phase des Zellzyklus befinden), die mit Hilfe von Histonen und anderen Proteinen auf komplizierte Weise "aufgewickelt" sind (siehe auch :Organisation der DNA).

Der Mensch besitzt ungefähr 25.000 Gene. Nun kann man leicht ausrechnen, dass bei 23 Chromosomen durchschnittlich 1.000 Gene auf einem Chromosom untergebracht sind. Meistens ist ein Gen für die Synthese eines Proteins zuständig (Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese). Wenn nun ein solches Protein hergestellt werden soll, muss die "Bauanleitung" für das Protein aus dem Zellkern zu den Ribosomen gelangen. Dazu wird das Gen kopiert, es entsteht die sogenannte messenger-RNA (kurz: mRNA). Diese mRNA wandert dann durch die Kernporen zu den Ribosomen, die Ribosomen lesen die codierte Information und stellen dann die benötigten Proteine her, bei denen es sich meistens um Enzyme handelt, die dann irgendwie für die Ausbildung des Phänotyps verantwortlich sind.

Proteinsynthese im Überblick

Proteinsynthese im Überblick

Im Zellkern sehen wir hier eines von 46 Chromosomen, von dem sich etwas DNA "abgewickelt" hat, damit man sie besser erkennen kann. Auf diesem DNA-Abschnitt befindet sich ein Gen, von dem gerade eine mRNA-Kopie (rot) hergestellt wird. Dieser Teilschritt der Proteinsynthese wird übrigens als Transkription bezeichnet.

Die mRNA wandert dann durch eine Kernpore in das Zellplasma. Dort setzen sich Ribosomen an die mRNA, lesen diese ab und stellen mit Hilfe der auf der mRNA gespeicherten Informationen Protein-Moleküle her (grün). Diesen wichtigen Schritt der Proteinsynthese nennt man Translation.

Die langgestreckten Protein-Moleküle falten sich dann in ihre endgültige Form und wirken dann meistens als Enzyme (grün). Ein solches Enzym stellt aus bestimmten Substraten (Ausgangsstoffen, blau) ein Endprodukt her (ebenfalls blau). Das Endprodukt hat dann Einfluss auf den Phänotyp, weil es zum Beispiel ein Farbstoff, ein Wachstumshormon, ein Neurotransmitter oder Ähnliches ist.

Ein konkretes Beispiel (Herstellung eines roten Blütenfarbstoffs) habe ich auf eine Extraseite ausgelagert.

Viele Proteine sind nach der Translation noch nicht "fertig", sondern müssen erst aufwändig bearbeitet werden - dazu dienen wieder andere Enzyme. Meistens findet diese Proteinprozessierung (protein processing) in dem Endoplasmatischen Reticulum und/oder im Golgi-Apparat statt.

Lernkarten:

Interne Links:

Ein konkretes Beispiel (Herstellung eines roten Blütenfarbstoffs)