Molekularbiologie: Proteinbiosynthese, Genetik und Replikation

Proteinbiosynthese: Transkription und Translation

Definition der Prozesse

1. Transkription

   Der Prozess, bei dem eine DNA-Sequenz in eine RNA-Sequenz (mRNA) umgeschrieben wird. Dieser Vorgang findet im Zellkern (oder dort, wo sich das Genom befindet) statt.

2. Translation (Übersetzung)

   Der Prozess, bei dem die genetische Information der mRNA in eine spezifische Aminosäuresequenz (Polypeptidkette) übersetzt wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt.

Rolle der Ribosomen und beteiligte Enzyme

Welche Rolle spielen die Ribosomen im Gesamtprozess?

Die Ribosomen sind der Ort, an dem die Translation der mRNA stattfindet, um Proteine zu synthetisieren.

Welche Enzyme sind an der Proteinsynthese beteiligt und was sind ihre Aufgaben?

Die RNA-Polymerase katalysiert die Addition von Ribonukleotiden zur Synthese von mRNA, tRNA und rRNA.

Genexpression und Genetischer Code

Wann gilt ein Gen als exprimiert?

Ein Gen gilt als exprimiert, wenn seine Information genutzt wird, um das entsprechende Protein an den Ribosomen zu synthetisieren (wobei die mRNA als Vorlage dient).

Ist die Aussage "Der genetische Code ist degeneriert, aber dies ist nicht wahr" korrekt?

Nein, die Aussage ist widersprüchlich. Die Degeneration des genetischen Codes bedeutet, dass die meisten Aminosäuren durch mehrere Tripletts (Codons) codiert werden. Diese Codons unterscheiden sich oft nur im dritten Nukleotid. Die Degeneration ist eine Tatsache der molekularen Biologie.

Grundlegende Begriffe der Molekularbiologie

Definitionen

• Protein

  Makromoleküle, die aus linearen Ketten von Aminosäuren aufgebaut sind und eine fundamentale Rolle in lebenden Organismen spielen.

• Virus

  Eine infektiöse Einheit, die sich nur innerhalb der Zellen eines anderen Organismus vermehren kann.

• Prokaryotische Organismen

  Zelluläre Organismen ohne Zellkern, z. B. Bakterien.

• Gen

  Eine lineare Abfolge von Nukleotiden auf dem DNA-Molekül, die die notwendigen Informationen für die Synthese spezifischer zellulärer Makromoleküle (meist Proteine) enthält.

Schematische Beschreibung der Proteinbiosynthese

1. Transkription

   Die in der DNA-Sequenz enthaltene genetische Information wird mithilfe von RNA (mRNA) übertragen.

2. Translation

   Die mRNA wird entschlüsselt, um ein spezifisches Polypeptid zu produzieren. Es ist der Prozess, der die Nukleotidsequenz der mRNA in eine Kette von Aminosäuren umwandelt, die Proteine bilden.

Eigenschaften des Genetischen Codes

Kann ein Gen aus einem Organismus in einem anderen exprimiert werden?

Ja, dies ist möglich, da der genetische Code universell ist.

Nennen Sie mindestens zwei Beispiele für soziale Auswirkungen der Genetik.

• Verwendung von DNA-Analysen zur Identifizierung von Kriminellen oder zur Lösung von Verbrechen (forensische Genetik).
• Präimplantationsdiagnostik (PID) bei Paaren mit genetischen Erkrankungen, um gesunde Embryonen auszuwählen.

Analyse einer Nukleotidveränderung (Mutation)

Welche Veränderungen zeigen die Umwandlung von Phenylalanin (Phe) zu Tyrosin (Tyr)?

• mRNA-Veränderung: UUU (Phe) ändert sich zu UAU (Tyr).
• DNA-Veränderung: AAA (Phe) ändert sich zu ATA (Tyr).

Eigenschaften des Genetischen Codes

Was bedeutet es, dass der genetische Code universell und degeneriert ist?

• Degenerierter genetischer Code: Die meisten Aminosäuren werden durch mehrere Codons codiert. Ausnahmen sind Methionin (AUG) und Tryptophan (UGG), die jeweils nur durch ein Codon codiert werden.
• Universeller genetischer Code: Der Code ist in fast allen Lebewesen identisch.

Nennen Sie die Prozesse, bei denen zelluläre Makromoleküle hergestellt werden.

Die wichtigsten Prozesse sind die Translation (Proteinsynthese an den Ribosomen) und die Transkription (RNA-Synthese im Genom/Zellkern).

Ablauf der Translation (Übersetzung)

(Bezugnehmend auf ein hypothetisches Diagramm der DNA-Protein-Synthese)

Benennung der Schritte im Schema:

1. Replikation der DNA
2. Transkription
3. Translation
4. Reverse Transkription (oder eingebettetes Transkript)

Phasen der Translation

Beschreiben Sie die Phasen der Translation:

• Initiation (Start)

  Die mRNA bindet über die Leader-Region an die kleine Untereinheit des Ribosoms. Die kleine Untereinheit scannt die mRNA, bis sie das Startcodon (meist AUG, 5' → 3') findet. Eine spezifische Initiator-tRNA, die das Anticodon (3' → 5') trägt, bindet an das Startcodon. Es bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen Codon und Anticodon.

• Elongation (Verlängerung)

  Die Carboxylgruppe der ersten Aminosäure wird durch eine Peptidbindung mit der Aminogruppe der folgenden Aminosäure verknüpft. Das Ribosom bewegt sich (Translokation), wodurch die tRNA, die die wachsende Kette trägt, vom A-Zentrum ins P-Zentrum verschoben wird. Die entladene tRNA bewegt sich ins E-Zentrum und verlässt das Ribosom.

• Termination (Abschluss)

  Die Synthese endet, wenn eines der Stoppcodons (UAA, UAG oder UGA) im A-Zentrum des Ribosoms auftritt. Es gibt keine tRNA, deren Anticodon komplementär zu diesen Stoppcodons ist. Stattdessen binden Freisetzungsfaktoren (Release Factors), die die Polypeptidkette freisetzen.

Fortschritte in der Molekularbiologie und Genetik

Definitionen (Molekulare Komponenten)

• DNA (Desoxyribonukleinsäure)

  Ein Makromolekül, das die genetische Information für die Entwicklung und Funktion lebender Organismen und einiger Viren enthält.

• Nukleotide

  Organische Moleküle, die durch die kovalente Bindung einer stickstoffhaltigen Base, eines 5-Kohlenstoff-Monosaccharids (Zucker) und einer Phosphatgruppe gebildet werden.

• Gene

  Eine organisierte, lineare Abfolge von Nukleotiden im DNA-Molekül, die die notwendigen Informationen für die Proteinsynthese enthält.

• mRNA (Boten-RNA)

  Die Ribonukleinsäure, die die genetische Information vom Genom zu den Ribosomen für die Proteinsynthese transportiert.

Mutationen

Was ist die Ursache für Veränderungen in der DNA-Sequenz und welche Auswirkungen hat dies?

Die Ursache kann eine Veränderung (Substitution, Insertion oder Deletion) eines einzelnen Nukleotids in der DNA-Sequenz sein. Dies kann zu einer Punktmutation führen, welche die codierte Aminosäure und damit die Proteinfunktion verändern kann.

Anwendung: Herstellung von Humaninsulin

Welchen Zweck verfolgt die Produktion von Humaninsulin in Bakterien?

Der Hauptzweck ist die kostengünstige und massenhafte Produktion von therapeutischem Humaninsulin mittels gentechnisch veränderter Bakterien (biologische Reaktoren) für die Behandlung von Diabetes.

Was würde passieren, wenn der genetische Code der Bakterien nicht universell wäre?

Das eingeführte menschliche Gen könnte von den Bakterien nicht korrekt abgelesen werden. Es würde entweder kein Protein oder ein funktionsloses Protein synthetisiert werden.

Rollen der RNA-Typen und Ribosomen bei der Insulinproduktion in Bakterien:

• mRNA: Trägt die genetische Information (die Bauanleitung für Insulin) zu den Ribosomen.
• tRNA: Transportiert die entsprechenden Aminosäuren zu den Ribosomen, basierend auf der Information der mRNA.
• Ribosomen: Der Ort, an dem der gesamte Prozess der Translation stattfindet und die Insulin-Polypeptidkette hergestellt wird.

DNA-Replikation und Zellzyklus

Die S-Phase der Interphase

Was passiert mit der genetischen Information bei der DNA-Replikation in der S-Phase?

Die genetische Information wird verdoppelt, sodass jede Tochterzelle nach der Zellteilung einen vollständigen und identischen Satz an genetischer Information erhält.

Erläutern Sie den Begriff "semikonservative Replikation".

Semikonservativ bedeutet, dass jeder der beiden ursprünglichen DNA-Stränge als Matrize (Vorlage) für die Synthese eines neuen, komplementären Stranges dient. Dadurch entstehen zwei identische Doppelhelices, von denen jede aus einem alten (elterlichen) und einem neuen Strang besteht.

Funktion des Nukleolus (Kernkörperchen)

Was ist die Funktion des Nukleolus?

Seine Hauptaufgabe ist die Produktion und Montage der ribosomalen Komponenten (rRNA und ribosomale Proteine).