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Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten

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Mtoto
Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten
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Beschreibung Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten

Inhalt

Proteinbiosynthese (Eiweißsynthese)

Proteine sind aus verschiedenen Bausteinen zusammengesetzt: den Aminosäuren. Der Zusammenbau von Proteinen aus Aminosäuren aufgrund der Informationen auf der Desoxyribonukleinsäure (DNA) wird als Proteinbiosynthese bezeichnet.

Aufgaben von Proteinen – Beispiele

Proteine (Eiweiße) üben in jedem Organismus vielfältige Funktionen aus. Sie dienen zum Beispiel als:

  • Membranrezeptoren
  • Ionenkanäle
  • Enzyme
  • Hormone
  • Antikörper
  • Strukturproteine für Haut, Haare, Knochen und Muskeln

Proteinbiosynthese – Ablauf

Die Proteinbiosynthese gliedert sich im Wesentlichen in zwei Teilschritte:

  • Transkription
  • Translation

Proteinbiosynthese – Transkription

Im Verlauf der Transkription (lateinisch transcribere: „um-/überschreiben“) werden Gene, also DNA-Abschnitte, für die Synthese der Ribonukleinsäure (RNA) „umgeschrieben“. Das heißt: Die Nukleinbasen der DNA (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin: A-T-G-C) werden in die Nukleinbasen der RNA umgeschrieben (A-U-C-G), wobei das Thymin durch Uracil ersetzt wird. Außerdem kommt in der RNA anstelle des Zuckers Desoxyribose die Ribose im Grundgerüst der RNA vor.

Bei der Transkription dient eine bestimmte DNA-Sequenz als Bindestelle für das Enzym RNA-Polymerase. Diese DNA-Sequenz wird als Promotor bezeichnet.
Eine RNA-Polymerase setzt sich an die Region des Promotors und entspiralisiert den DNA-Doppelstrang, der als Doppelhelix vorliegt, sodass etwa zehn bis zwanzig Basen der DNA zur Paarung freiliegen. Der codogene Strang der DNA wird in der Richtung 3′$\longrightarrow$5′ abgelesen und die komplementären Ribonukleotide lagern sich in der Richtung 5′$\longrightarrow$3′ an. So entsteht entweder mRNA (messenger RNA), tRNA (transfer RNA) oder rRNA (ribosomale RNA).

Transkription Biologie

Proteinbiosynthese – Translation

Im Verlauf der Translation erfolgt die Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins mithilfe der Ribosomen.

Je drei aufeinanderfolgende Basen auf der mRNA stellen ein Basentriplett dar, das als Codon bezeichnet wird und für je eine Aminosäure codiert. Diese Codone werden an den Ribosomen übersetzt und die Aminosäuren werden entsprechend ihrer Reihenfolge zu Proteinen verknüpft.

Dieser Ablauf der Proteinbiosynthese findet sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten in ähnlicher Form statt. Im Einzelnen ergeben sich jedoch Unterschiede bei den verschiedenen Lebensformen, die vorrangig durch die unterschiedliche Lebensdauer bedingt sind.

Translation Biologie

Proteinbiosynthese – Prokaryoten

Unter idealen Bedingungen besitzen Prokaryoten eine Generationszeit von nur 30 Minuten, das heißt: Sofern die Lebensbedingungen optimal sind, kann sich die Anzahl der Einzeller jede halbe Stunde verdoppeln. Um sich in dieser kurzen Zeit an wechselnde Umweltbedingungen oder Entwicklungsschritte anpassen zu können, verläuft die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten wesentlich schneller als bei Eukaryoten:

  • Da die DNA von Prokaryoten frei im Zytoplasma vorliegt, finden dort auch beide Schritte der Proteinbiosynthese statt.
  • Die mRNA gelangt nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen. Oft lagern sich Ribosomen an die gerade entstehende Kette an und beginnen mit der Translation, bevor die Transkription beendet ist. Somit wird die mRNA von mehreren Ribosomen gleichzeitig abgelesen. Ein Komplex aus mehreren Ribosomen an einer mRNA wird als Polysom (oder Polyribosomkomplex) bezeichnet. Bei Eukaryoten sind Polysomen an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden.
  • Pro Minute werden bis zu 2.500 Nukleotide angelagert.
  • Bereits nach wenigen Minuten wird die synthetisierte mRNA wieder abgebaut und deren Nukleotide werden für die Synthese von neuer mRNA verwendet.

Proteinbiosynthese – Eukaryoten

  • Die mRNA von Eukaryoten ist wesentlich länger als die mRNA von Prokaryoten.
  • Eine Gruppe aus 150 bis 200 Adenin-Nukleotiden, ein Poly-A-Schwanz, schützt das 3′-Ende der mRNA vor dem Abbau durch Enzyme.
  • Am 5′-Ende schützt eine „Kappe“ aus methyliertem Guanin die mRNA.
  • Transkription und Translation verlaufen – anders als bei den Prokaryoten – räumlich getrennt voneinander.
  • Im ersten Teil der Transkription entsteht eine prä-mRNA, eine „unfertige Skizze“. Diese wird am 3′-Ende durch das Anhaften der Adenin-Nukleotide (Poly-A-Schwanz – Polyadenylierung) oder durch Splicing noch verändert. Die prä-mRNA enthält auch Informationen über Proteine, die gerade nicht benötigt werden.
    Codierende Abschnitte auf dieser mRNA werden als Exons bezeichnet.
    Abschnitte auf der mRNA ohne codierende Informationen werden als Introns bezeichnet.
    Schneideenzyme legen die Introns an bestimmten Stellen so zu Schleifen zusammen, dass sie ausgeschnitten werden und dass nur die Exons abgelesen und verknüpft werden. Dieser Vorgang wird als Spleißen bezeichnet.
  • Die sogenannte reife mRNA verlässt den Zellkern und gelangt ins Zytoplasma, wo an den Ribosomen die Translation erfolgt.
  • Die Translation verläuft im Zytoplasma am rauen endoplasmatischen Retikulum (raues ER, also ER, das mit Ribosomen besetzt ist).
  • Die Proteinbiosynthese läuft auch in den Chloroplasten und in den Mitochondrien von Eukaryoten eigenständig ab. Beide Zellkompartimente besitzen eigene DNA und eigene Ribosomen.

Transkript Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten

Hallo, jede einzelne Zelle enthält Baupläne für unzählige Proteine. Beim Menschen geht man davon aus, dass in jeder Zelle rund 40000 Gene verborgen sind, die für verschiedenste Proteine kodieren. Deshalb kann sich aus nur einer befruchteten Eizelle ein Mensch, mit all seinen differenzierten Zellen und unterschiedlichen Organen entwickeln. Wie diese Proteinbiosynthese abläuft, schauen wir in diesem Video an. Du wirst Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei Prokaryoten und Eukaryoten kennenlernen. Ganz allgemein versteht man unter der Proteinbiosynthese den Zusammenbau von Proteinen jeglicher Art aus einfachen Aminosäuren. Die Informationen über ihren Aufbau sind in der DNA gespeichert. Proteine übernehmen eine Vielzahl von Funktionen im Organismus. Als Membranrezeptoren, Ionenkanäle, Enzyme, Hormone, Antikörper und Strukturproteine in Haut, Haaren, Knochen und Muskeln. Bei Einzellern, den Prokaryoten, kontrollieren sie vor allem den Stoffwechsel. Eine Besonderheit bei Mehrzellern, den Eukaryoten, ist, dass dieser Prozess in Chloroplasten und Mitochondrien eigenständig abläuft. Beide Zellorganellen besitzen eine eigene DNA und eigene Ribosomen, an denen Enzyme zusammengesetzt werden. im Grunde läuft diese Proteinproduktion bei Prokaryoten und Eukaryoten gleich ab. Schauen wir uns die Gemeinsamkeiten an. Als erstes brauchen wir die Vorlage für den Bauplan unserer Proteine. Das ist die DNA. Eine bestimmte DNA-Sequenz dient als Bindestelle für die RNA-Polymerase. Diese DNA-Region wird als Promotor bezeichnet. Die RNA-Polymerase setzt an dieser Startregion an und liest den codogenen Strang vom 3‘- nach 5‘-Richtung ab. Das bedeutet, dass genau die entgegengesetzten Basen von der Polymerase zu einem Strang zusammengesetzt werden, von 5‘ nach 3‘. Das Ganze funktioniert also wie ein Puzzle mit vier Teilen von denen jeweils zwei zusammenpassen. Die entstehende m-RNA unterscheidet sich vom DNA-Strang natürlich dadurch, dass kein Thymin, sondern Uracil vorkommt. Der ganze Vorgang heißt Transkription. Jetzt, wo wir den Bauplan haben, können die Proteine zusammengesetzt werden. Das geschieht mit Hilfe der Ribosomen und heißt Translation. Die meisten Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten sind auf die unterschiedliche Lebensdauer zurückzuführen. Bakterien als Prokaryoten haben unter idealen Bedingungen teilweise eine Generationszeit von nur 30 Minuten. Um sich an wechselnde Umweltbedingungen anpassen zu können und um sich auf kurzzeitige Entwicklungsschritte einzustellen, muss die Proteinproduktion sehr schnell stattfinden. Bis zu 2500 Nukleotide werden angelagert. Und die m-RNA wird von mehreren Ribosomen gleichzeitig abgelesen. Da Prokaryoten keinen Zellkern besitzen und die DNA frei im Cyytoplasma schwimmen, arbeiten die Ribosomen sogar bereits am anderen Ende der m-RNA, während diese noch synthetisiert wird. Nach einigen Minuten wird die m-RNA auch schon wieder abgebaut und die Nukleotide werden für den Aufbau einer anderen m-RNA-Sequenz wiederverwendet. Ein solcher Komplex aus mehreren Ribosomen an einer m-RNA heißt Polysom. Indirekt mit der viel längeren Lebensdauer haben die Veränderungen der m-RNA bei Eukaryoten zu tun. Am 3‘-Ende verhindert ein Poly-A-Schwanz, eine Schutzgruppe aus 150 bis 200 Adeninnukleotiden, dass die m-RNA von Enzymen abgebaut wird. Am 5‘-Ende schützt eine Kappe aus methyliertem Guanin. Der wohl auffälligste Unterschied ist, dass eukaryotische m-RNA zunächst viel länger ist als die von Prokaryoten. Diese Prä-m-RNA ist sozusagen eine unfertige Skizze und enthält auch Informationen für den Bau von Proteinen, die nicht hilfreich sind. Abschnitte ohne Informationen heißen Introns, die kodierenden Exons. Schneideenzyme legen die Introns an bestimmten Stellen zu Schleifen zusammen. Sie werden ausgeschnitten, während die Exons verknüpft werden, das nennt man spleißen. Ein weiterer Unterschied ist der Ort der Translation, dem Vorgang, bei dem die Proteine zusammengesetzt werden. Bei Eukaryoten findet er nicht im Cytoplasma, sondern am rauen endoplasmatisches Retikulum statt. Außerdem werden die entstandenen eukaryotischen Proteine verändert. Dafür muss die m-RNA den Zellkern verlassen. Anders als bei den Prokaryoten, sind Transkription und Translation also räumlich getrennt. Fassen wir noch einmal zusammen. Proteinbiosynthese setzt sich aus zwei Teilschritten zusammen: Transkription und Translation. Während der Transkription setzt die Polymerase am Promotor des codogenen Stranges an und liest diesen von 3‘ nach 5‘ ab. m-RNA entsteht als eine Art Bauplan für Proteine. Während der Translation lesen Ribosome die m-RNA ab und bauen die kodierten Proteine aus Aminosäuren zusammen. Da Prokaryoten, anders als Eukaryoten, keinen Zellkern besitzen, unterscheidet sich dieser Prozess bei beiden Organismen voneinander. Die m-RNA ist kürzer und enthält keine Introns, die herausgeschnitten werden müssen. Mehrere Ribosomen lesen die m-RNA gleichzeitig als Polysom und bereits während der Synthese ab. Bei Eukaryoten hingehen sind die Enden der m-RNA durch einen Poly-A-Schwanz und eine Kappe geschützt. Sie haben eine Prä-m-RNA, die gespleißt wird und die Translation geschieht am rauen ER. Ich hoffe du hast viel gelernt, tschüss, und bis zum nächsten Mal.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Schade dass es keine Textversion gibt :-(

    Von Jule Zieher, vor mehr als 6 Jahren
  2. Hallo :)

    du hast es schon beim Video "Proteinbiosynthese" fast richtig begründet. Aus der Transkription entsteht die mRNA (zunächst Prä-mRNA). Diese wird bei Eukaryoten aber nicht vollständig in Proteine umgesetzt. Wie du richtig gesagt hast, wird die mRNA durch Spleißen noch verändert. Hierbei werden große Abschnitte aus der mRNA entfernt da diese gar keine Aminosäure für die Proteinbiosynthese codieren. Nur der Teil der mRNA der übrig bleibt, wird für die Proteinbiosynthese verwendet.

    Von Marcel S., vor fast 7 Jahren
  3. Wird in allen Fällen die entstehende m RNA zu protinbiosynthese benutzt? Wie kann man diese Frage beantworten?!

    Von Rankh699, vor fast 7 Jahren

Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Proteinbiosynthese – Vergleich von Prokaryoten und Eukaryoten kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeige die Unterschiede von Pro- und Eukaryoten bei der Proteinbiosythese auf.

    Tipps

    Spleißen verkürzt einen langen RNA-Strang.

    Lösung

    Prokaryoten besitzen keinen Zellkern. Ihre kurzen RNA-Stränge liegen frei im Cytoplasma und sind den Ribosomen frei zugänglich. Oft sammeln sich mehrere Ribosomen an einer Stelle der RNA, diese Kette an Ribosomen nennt man Polysom. Eukaryoten müssen ihre RNA noch von nicht codierenden Introns befreien. Zudem verlängern sie die RNA durch einen Poly-A-Schwanz. Erst dann ist aus der prä-mRNA eine reife mRNA geworden.

  • Beschreibe den Vorgang der Transkription bei Pro- und Eukaryoten.

    Tipps

    Das Ablesen der DNA und das anschließende Umschreiben in RNA findet bei Eukaryoten im Zellkern statt.

    Die Transkription findet bei beiden Zelltypen im Cytoplasma statt.

    Lösung

    Das Wort Transkription kommt aus dem Lateinischen und bedeutet überschreiben. Bei diesem Vorgang wird DNA in mRNA überschrieben.

    Als Startpunkt der Transkription dient der Promotor, eine spezifische Sequenz der DNA. An den Promotor lagert sich die RNA-Polymerase an. Dieses Enzym überschreibt die DNA in mRNA. Die RNA-Polymerase liest den codogenen Strang immer in Richtung 3' nach 5' ab und bildet somit den komplementären Strang von 5' nach 3'.

    In die mRNA wird an Stelle der Base Thymin die Base Uracil eingebaut. Bei den Eukaryoten ist die mRNA länger als bei den Prokaryoten. Man nennt sie auch prä-mRNA. Das liegt daran, dass sie noch Introns enthält, die beim Spleißen herausgeschnitten werden können.

    Außerdem besitzt die mRNA der Eukaryoten am 5'-Ende eine sogenannte Kappe und am 3'-Ende einen Poly(A)-Schwanz. Beides dient unter anderem dem Schutz der mRNA vor ihrem Abbau.

  • Skizziere die Proteinbiosynthese.

    Tipps

    Proteine bestehen aus Aminosäuren.

    Die Transkription findet bei Eukaryoten nicht im Cytoplasma statt.

    Lösung

    Die Proteinbiosynthese beginnt mit der Transkription. Bei Eukaryoten findet diese im Zellkern statt. Hier wird die DNA abgelesen und eine Prä-mRNA gebildet. In der Abbildung nicht zu sehen ist die Modifizierung der Prä-mRNA im Zellkern. Die reife mRNA verlässt den Zellkern und bindet an Ribosomen im Cytoplasma oder im rauen endoplasmatischen Retikulum. Hier findet die Translation statt. Ein Ribosom nutzt die mRNA als Vorlage, um verschiedene Aminosäuren zu einer Kettenstruktur zusammenzubringen. Diese Kette faltet sich letztlich zu einem Protein.

  • Erkläre die Notwendigkeit der Modifizierung der Prä-mRNA.

    Tipps

    Der Prozess beginnt mit dem Ablesen der DNA und dem Bilden einer RNA.

    Vor dem Spleißen sind ein paar Modifizierungen zum Schutz der mRNA notwendig.

    Lösung

    Die Prozessierung ist notwendig, da die mRNA der Eukaryoten durch das Cytoplasma zu den Ribosomen gelangen muss. Dort befinden sich jedoch auch Enzyme, die RNA-Moleküle abbauen.

    Die mRNA muss also lange genug funktionsfähig bleiben, um die Translation zu durchlaufen. Am 5´-Ende ist dafür eine Cap-Struktur angefügt, die den enzymatischen Abbau blockiert. Wäre dies auch am 3`-Ende der Fall, würde die mRNA ewig im Cytoplasma bleiben und die Zelle würde irgendwann immer mehr mRNA anhäufen und diese ablesen.

    Dieses Dilemma der Überproduktion wird durch einen Poly(A)-Schwanz gelöst. Dieser wird von Enzymen abgebaut. Aber erst wenn dieser komplett abgebaut ist, können die Enzyme auch die RNA abbauen. Durch die enorme Länge des Poly(A)-Schwanzes wird gewährleistet, dass die mRNA lange genug funktionsfähig bleibt.

    Zudem findet noch im Zellkern das Spleißen der mRNA statt. Hierbei werden funktionslose Abschnitte entfernt und die mRNA passgenau zugeschnitten, sodass das gewünschte Protein in der Translation entsteht.

  • Schildere die Aufgaben von Proteinen.

    Tipps

    Im Namen der Beispiele verstecken sich oft schon die Funktionen.

    Hormone sind wichtige Informationsübermittler, die von speziellen Zellen produziert und in den Körperkreislauf abgegeben werden.

    Lösung

    Proteine nehmen im Körper vielerlei Funktionen ein. Sie steuern sowohl Stoffwechsel als auch die Kommunikation zwischen den Zellen. Außerdem sind sie wichtiger Bestandteil des Immunsystems und bauen Körpersubstanzen wie Muskeln und Haare auf. Sie sind ein wichtiger Bestandteil unserer Zellmembranen. Als Membranproteine übernehmen sie wichtige Funktionen, wie den Transport von Ionen oder die Übertragung von Signalen.

  • Erläutere Belege für die Endosymbiontentheorie anhand der Proteinbiosynthese der Mitochondrien.

    Tipps

    Bakterien sind Prokaryoten.

    Überlege, welche Belege wirklich auf die Proteinbiosynthese der Prokaryoten zurückzuführen sind. Welche Merkmale hast du kennengelernt?

    Ähnliche Proteine können nicht auf die Proteinbiosynthese zurückgeführt werden.

    Bei Prokaryoten ist die Proteinbiosynthese nicht in Transkription und Translation unterteilt.

    Bei Prokaryoten findet kein Spleißen statt und die mRNA ist kurz.

    Lösung

    Für die Endosymbiontentheorie gibt es bereits viele Hinweise. Vor allem aber die Proteinbiosynthese zeigt die Ähnlichkeit zu den Prokaryoten.

    Diese ist zunächst wie auch bei Eukaryoten in Transkription und Translation unterteilt. Wie bei Bakterien besitzen Mitochondrien aber keinen Zellkern und ihre DNA liegt frei im Plasma. Translation und Transkription sind also nicht räumlich getrennt.

    Zudem gibt es keine Prä-mRNA. Die kurze mRNA wird nicht durch das Capping oder das Spleißen verändert. Die für die Translation benötigten Ribosomen ähneln auch denen der Bakterien, was ein deutlicher Hinweis auf deren Abstammung ist.

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