Transkript Die experimentelle Entschlüsselung der Proteinbiosynthese
Hallo. Organismen müssen sich ständig an ihre Umwelt anpassen. Das machen sie unter anderem, indem sie Gene an- und abschalten und so unterschiedliche Proteine synthetisieren. Sie regulieren also ihre Proteinbiosynthese. In diesem Video geht es um die Entschlüsselung der Proteinbiosynthese. Wir schauen uns das Experiment an, in dem sie am Ribosom lokalisiert wurde, den Nachweis, dass mRNA das Botenmolekül zwischen DNA und Ribosom ist, begründen das Vorhandensein der tRNA und finden heraus, was sich hinter dem zentralen Dogma der Molekularbiologie verbirgt. Beginnen wir mit dem Experiment zur Lokalisation der Proteinbiosynthese. Diese findet an den Ribosomen statt, kleinen Komplexen aus Proteinen und RNA im Zytoplasma, in Mitochondrien und Chloroplasten. Zuerst werden Bakterien gezüchtet, die radioaktiv markierte Aminosäuren aufgenommen haben. Nach einer kurzen Zeitspanne von zehn Sekunden wird die Proteinbiosynthese gestoppt. Im zweiten Schritt werden die Bakterienzellen mit Hilfe eines sogenannten Homogenisators aufgebrochen. Das Gemisch einzelner Zellbestandteile wird nun zentrifugiert. Schwerere Teilchen wie Zellwandbruchstücke und Organellen setzen sich unten ab. Die leichteren Ribosomen, Proteine und RNAs bleiben oben. Eine zweite Zentrifugation mit höherer Drehzahl muss durchgeführt werden: eine sogenannte Ultrazentrifugation. Die Radioaktivität der einzelnen Zellbestandteile wird nun gemessen. Da sich die markierten Aminosäuren in der Ribosomen-Fraktion befinden ist klar, dass hier die Proteinbiosynthese stattfinden muss. Um möglichst schnell die verschiedenen Gene abzulesen und die entsprechenden Proteine zu synthetisieren, muss es zwischen der DNA und den synthetisierten Ribosomen Botenmoleküle geben. Andernfalls könnte jeder DNA-Abschnitt nur einmal zur selben Zeit abgelesen werden. Außerdem muss die Information aus dem Zellkern heraus und zu den Ribosomen im Zellplasma transportiert werden. Dieses Botenmolekül ist die messenger-RNA, kurz mRNA. Sie ist relativ instabil und kann schnell auf- und abgebaut werden. Die einzelnen Bestandteile werden dann wiederverwertet. Elliot Volkin und Lazarus Astrachan führten Mitte der 50er Jahre ein Experiment durch, dessen Ergebnisse erst später durch Jacques Monod und andere Genetiker bekannt wurden. Sie infizierten Escherichia-coli-Bakterien mit einem Virus, einem sogenannten Bakteriophagen. Dieser bringt seine DNA in die Bakterien ein. Wenig später beobachteten die Forscher, dass die Menge an RNA schnell zunahm. Zudem ähnelte diese stark der DNA der Bakteriophagen. Francois Jacob und Jacques Monod gaben ihr den Namen messenger-RNA. Für eine vollständig ablaufende Proteinbiosynthese ist ein weiterer RNA Typ erforderlich: die transfer-RNA, kurz tRNA. Sie ordnet den Basentripletts auf der mRNA die entsprechende Aminosäure zu. Dabei wird die tRNA mit der entsprechenden Aminosäure beladen. Ein sogenanntes Anticodon an der tRNA muss zum Codon der mRNA passen, damit die herantransportierte Aminosäure an das entstehende Protein angebaut werden kann. Für jede Aminosäure gibt es mindestens eine transfer-RNA. Eine wichtige Hypothese im Zusammenhang mit der Proteinbiosynthese ist das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Francis Crick formulierte, dass keine sequenzielle Information von Protein zu Protein oder zu einer Nukleinsäure übertragen werden kann. Eine Information wird demnach immer von DNA in RNA und schließlich in ein Protein umgewandelt. Diese Theorie wird weiterhin weitestgehend anerkannt. Allerdings gibt es Ausnahmen: Bestimmte Viren, sogenannte Retroviren, können RNA in DNA umwandeln. Ein zweites Beispiel ist die direkte Translation von der DNA zum Protein unter Laborbedingungen, außerhalb von lebenden Organismen. Fassen wir noch einmal zusammen: Die Proteinbiosynthese findet an den Ribosomen statt. Das wurde an Bakterien mit radioaktiv markierten Aminosäuren und durch Zentrifugation nachgewiesen. Um die DNA schneller abzulesen und die Informationen aus dem Zellkern heraus zu transportieren, bedarf es spezieller Botenmoleküle: der messenger-RNA. Um das nachzuweisen wurden Bakteriophagen benutzt, die ihre DNA in Bakterien einbrachten. Ein schneller Anstieg der RNA-Konzentration wurde festgestellt, die zudem dem des Bakteriophagen glich. Neben mRNA ist transfer-RNA für die Proteinbiosynthese erforderlich. Diese lagert sich mit einem Anticodon an die mRNA an und ordnet die richtige Aminosäure zu. Ein Meilenstein in der Genetik ist das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Es besagt, dass keine sequentielle Information von Protein zu Protein oder zu einer Nukleinsäure übertragen werden kann. Diese These wurde aber teilweise widerlegt. Bis zum nächsten Mal, tschüss!
Videobeschreibung
In diesem Video geht es um den Versuch, mit dem die Proteinbiosynthese an den Ribosomen lokalisiert wurde. Wir begründen, warum es eine RNA als Botenmolekül geben muss, begründen das Vorhandensein der tRNA und schauen uns an, was das "zentrale Dogma der Molekularbiologie" aussagt.
Der Tutor:
Die experimentelle Entschlüsselung der Proteinbiosynthese
Die experimentelle Entschlüsselung der Proteinbiosynthese Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die experimentelle Entschlüsselung der Proteinbiosynthese kannst du es wiederholen und üben.
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Gib den Ort der Proteinbiosynthese an.
Tipps
Einige Zellorganellen gehen ursprünglich aus Einzellern hervor. Diese ursprünglichen Einzeller waren auch schon zur Proteinbiosynthese fähig.
Der Golgi-Apparat dient der Modifikation von Proteinen.
Die Aufgabe der mRNA ist es, die Erbinformation an einen anderen Ort zu bewegen.
Der Golgi-Apparat dient unter anderem der Modifikation und dem Transport von Proteinen.
Lösung
Proteinbiosynthese wird von sämtlichen Lebewesen durchgeführt. Chloroplasten und Mitochondrien gehen auf Einzeller zurück, die in die Zelle aufgenommen und somit zu Organellen wurden. Sie haben die Fähigkeit Proteine zu synthetisieren seitdem beibehalten. Die Synthese findet jedoch auch in diesen Zellorganellen an den Ribosomen statt. Diese befinden sich außerdem noch im Cytoplasma. Ribosomen sind mit 25 nm Durchmesser wesentlich kleiner als die etwa 600 nm großen Chloroplasten und Mitochondrien.
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Gib das zentrale Dogma der Molekularbiologie wieder.
Tipps
mRNA und tRNA können nur in Zusammenarbeit ihre Funktion erfüllen.
Die Proteinbiosynthese ist eine Einbahnstraße.
Drei Antworten sind richtig, aber nur eine ist das zentrale Dogma der Molekularbiologie.
Lösung
„Die DNA ist der Bauplan des Lebens. “, oder so etwas Ähnliches hast du bestimmt schon oft gehört. Tatsächlich ist es Zellen möglich, diesen Bauplan zu kopieren wie ein Architekt. Dabei werden Informationen von DNA zu DNA übertragen. Außerdem können Zellen den Plan ablesen und umsetzen, wobei sie Proteine synthetisieren. Was die Zellen nicht können ist, aus dem fertigen Gebäude den Plan zu rekonstruieren. Denn für die Abfolge der Aminosäuren besteht kein Ableseverfahren, das ein zweites Protein oder sogar wieder DNA daraus machen kann. Deswegen ist die Proteinbiosynthese eine Einbahnstraße. Die Übertragung der sequentiellen Information von Protein zu Protein oder zu Nukleinsäuren ist somit nicht möglich, was das zentrale Dogma der Molekularbiologie darstellt.
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Begründe ein Gegenargument zur Schlussfolgerung des Wissenschaftlers.
Tipps
Der Wissenschaftler hat etwas anders gemacht als beim Experiment im Video.
Die radioaktiv markierten Aminosäuren werden sehr schnell für die Proteinbiosynthese verwendet.
Proteine werden an praktisch allen Zellorten gebraucht.
Lösung
Schauen wir uns die Antworten einzeln an.
Es stimmt, dass Ribosomen zur Proteinbiosynthese benötigt werden. Aber dies ist das Fazit der (richtigen) Alternativhypothese, das hier unbegründet behauptet wird. Darum taugt es, obwohl es wahr ist, nicht als Begründung zur Widerlegung der Hypothese des Wissenschaftlers. Hier wurden einfach Fazit und Begründung verwechselt.
Es ist richtig, dass Radioaktivität durch Strahlung auf andere Stoffe übertragen werden kann. Wenn dies aber unter den gegebenen Bedingungen der Fall wäre, wäre die ganze Methode unsinnig. Die Methode ist stattdessen so fein eingestellt, dass die Strahlung nicht stark genug ist, um die anderen Biomoleküle effektiv zu verstrahlen. Stattdessen ist sie so subtil, dass alles normal funktionieren kann. Gleichzeitig ist sie noch stark genug, um messbar zu sein. Das wusstest du vielleicht nicht im Detail - aber im Video wird dargelegt, dass die Methode funktioniert, ohne alle Zellbestandteile zu verstrahlen.
Dass Nukleotide als Bausteine für die Proteinbiosynthese verwendet werden, ist schlichtweg unwahr. Die Nukleotide dienen als Informationsträger in der DNA und in den mRNA-Botenmolekülen, während die Proteine aus Aminosäuren aufgebaut sind. Interessanterweise funktionieren bestimmte RNA-Moleküle wie Enzyme. Man nennt sie dann Ribozym. Aber das ist eine Geschichte für einen anderen Tag.
Übrig bleibt noch die Begründung, dass der Wissenschaftler die Bakterien mit 20 Minuten in der Nährlösung so mit radioaktiv markierten Aminosäuren vollgepumpt hat, dass sie längst als fertige Proteine in alle Winkel und Bestandteile der Zelle eingebaut wurden. Da der Einbau der Aminosäuren, die Translation, mit 10 Aminosäuren pro Sekunde abläuft, sind nach 20 Minuten (1200 Sekunden) 12.000 Aminosäuren verarbeitet. Eine Hämoglobin-Untereinheit beispielsweise ist schon nach 141 Aminosäuren fertig zum Abtransport. Dies ist deshalb das schlüssigste Gegenargument. Außerdem unterscheidet sich das Vorgehen des Wissenschaftlers ganz klar von den im Video empfohlenen 10 Sekunden Ernährungsdauer.
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Beschreibe das Experiment zur Lokalisation der Proteinbiosynthese.
Tipps
Das Experiment geht vom Vorwissen aus, dass Proteine aus Aminosäuren zusammengesetzt werden. Man muss also nur prüfen, wo in der Zelle neue Aminosäuren verarbeitet werden. Wie soll man diese aber von alten Aminosäuren unterscheiden?
Bei nicht homogenisierten Bakterien werden alle Zellbestandteile durch das Cytoskelett und die Zellmembran zusammengehalten.
Lösung
Der Herstellungsort der Proteine ist unsichtbar und muss künstlich erkennbar gemacht werden. Dazu werden die Bakterien mit radioaktiv markierten Aminosäuren ernährt, die sie umgehend in die Proteinbiosynthese einspeisen. Das sorgt dafür, dass der Herstellungsort der neuen Proteine an deren radioaktiver Markierung erkennbar wird. Die Verarbeitung der radioaktiven Aminosäuren darf den Bakterien aber nur kurz erlaubt werden, damit die radioaktiven Proteine nicht schon fertig werden und den Herstellungsort verlassen. Deshalb muss hier die Proteinbiosynthese nach 10 Sekunden gestoppt werden. Die anschließende Methode zur Erkennung der radioaktiven Markierung benötigt zuerst noch eine Trennung der Zellkomponenten. Durch die schnell rotierende Zentrifuge sedimentieren besonders dichte Zellkompartimente zuerst, während weniger dichte Komponenten noch in der Lösung verbleiben, da sie sich langsamer am Boden absetzen. Dadurch werden sie räumlich getrennt. Das ist allerdings nur möglich, wenn die Zellkompartimente sich unabhängig voneinander bewegen können. Bevor der Ort der Synthese bestimmt werden kann, muss die Zellstruktur also aufgelöst werden. Das nennt man homogenisieren. Die so getrennten Zellkompartimente können anschließend einzeln auf Radioaktivität geprüft werden.
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Begründe, wie man aus dem Experiment auf die Existenz von Botenmolekülen schließen kann.
Tipps
Die Erbinformation ist im Zellkern relativ weit entfernt von den Ribosomen. Woher sollen die Ribosomen denn wissen, welche Proteine sie herstellen sollen?
Messenger ist das englische Wort für Bote.
Lösung
Der Zellkern steuert durch die Verwirklichung seiner Baupläne zu Enzymen viele biochemische Reaktionen. Der Bauplan liegt als DNA-Sequenz vor. Die Information darin basiert auf der Reihenfolge der Basen G,C,A und T und dem genetischen Code, der bestimmten Dreiersequenzen eine Aminosäure zuordnet, die an die wachsende Proteinkette angefügt wird. Da das Experiment durch die radioaktive Markierung frisch eingebauter Aminosäuren belegt hat, dass die Synthese an den Ribosomen geschieht, muss die Information der DNA zu den Ribosomen gelangen. Diese Wirkung erzielt die messenger-RNA. Messenger ist das englische Wort für Bote. RNA heißt sie, weil sie aus der DNA-ähnlichen RNA aufgebaut ist. Eine farbliche Markierung der Aminosäuren wäre nicht so einfach, da künstlich Farbstoffmoleküle eingebaut werden müssten, wodurch die Aminosäuren wohl funktionsunfähig werden würden. Die radioaktive Markierung funktioniert stattdessen über sich biochemisch gleich verhaltende Isotope und ist somit ein Eingriff in die Zusammensetzung der Biomoleküle, bei der ihre Funktion erhalten bleibt. Die Hypothese der Botenmoleküle gewinnt auch dadurch an Glaubwürdigkeit, dass sie die schnelle und mehrfach gleichzeitige Synthese von Genprodukten erklärt, was durch den Einsatz mehrerer mRNA-Kopien an verschiedenen Ribosomen möglich wird.
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Erkläre die Auswirkungen der Bakteriophagen auf die bakterielle mRNA im zweiten Experiment.
Tipps
Phagen lassen ihre DNA von den Enzymen der Wirtszelle ablesen.
Durch die Genprodukte ihrer eigenen DNA beeinflussen die Bakteriophagen die Funktion der Wirtszelle.
Phagen haben keinen eigenen Stoffwechsel. Sie können also weder Stoffe verdauen noch Stoffe synthetisieren.
Lösung
Phagen machen sich zur Proteinbiosynthese die Maschinerie der Wirtszelle zu Nutze. Dass die m-RNA-Konzentration der Phagen im Wirtsbakterium steigt, ist ein Hinweis darauf, dass diese das Botenmolekül ist, das die Erbiformation der Phagen vervielfältigt und ihre Übersetzung zu Proteinen ermöglicht.
