Transkription und Translation

Heute möchte ich mich mit der Transkription und der Translation beschäftigen. Betrachten wir wieder die DNA als Bauplan, so ist die Transkription die Übersetzung der Ideen des Architekten an seine Bauarbeiter, diese führen dann den eigentlich Bauprozess durch, was in etwa der Translation gleich kommt. Die fast generelle Gültigkeit dieses Bauplans (Codes) legt nahe, dass dieser sich schon sehr früh in der Evolution des Lebens etabliert haben muss, noch vor der Abzweigung in verschiedene Organismenreiche.

Die Transkription

Abb. 1 Die Transkription (Quelle: Google)

Durch einen Promotor erkennt die RNA-Polymerase 

den Beginn eines genetisch codierenden Abschnitts im DNA Strang, die RNA-Polymerase fährt am Matrizenstrang entlang und erzeugt so die Prä-RNA (eine unfertige Version der mRNA) diese wird dann gespleißt, was bedeutet das die nicht codierenden oder die nicht benötigten Abschnitte herausgeschnitten werden (genaueres zum Thema spleißen findet ihr in Campbell Biologie Kapitel 17). Nach erfolgreichem Spleißen erhalten wir dann die Boten-RNA (auch mRNA) diese wird dann gecapt, das bedeutet das am 5' Ende ein Guanosintriphosphat angehängt wird das verhindert das die RNA zersetzt wird. Außerdem wird am 3' Ende des Strangs eine Poly-A-Kette angehängt, eine lange Kette aus Adeninnucleoiden, dieser Poly (A)- Schwanz erleichtert den Export der mRNA aus dem Zellkern in das Cytoplasma, wo die Ribsomen (in unserem Vergleich die Bauarbeiter) die Translation (den Bau) in ein Polypeptidkette (eine lange Kette aus Aminosäuren) durchführen. Jeweils 3 Nucleotide der mRNA bilden ein Codon sozusagen einen Buchstaben. Und ein Codon ist immer einer bestimmten Aminosäure zugeordnet, Besonderheiten stellen hier noch Startcodon (AUG -> Codiert zur Aminosöure Met) und diverse Stopcodons (z.B. UGA) da. Im Unterschied zu den Eukaryoten die ich hier beschrieben habe, findet bei den Prokaryoten die Transkription direkt in eine fertige mRNA statt.

Die Translation

Sie wird durch Ribosomen durchgeführt, genauer gesagt durch eine kleine und eine große Untereinheit. Zuerst dockt die kleine Untereinheit an die Initiationsfaktoren (dem Startcodon AUG) an, danach folgen eine mit Methionin (Met) beladene transfer-RNA (t-RNA) und schließlich die große Untereinheit. Ribosomen sind eigentlich Enzyme, genannt Ribozym, sie katalysieren die Translation. Den Aufbau eines Ribosoms kann man sich in etwa so vorstellen (auch ein Ausschnitt aus der Translation): 

Abb. 2 Ribosom bei der Translation einer Polypeptidkette (Quelle: Wikipedia/Translation)

Es gibt einen Kanal für die mRNA und 3 Bindestellen für beladene t-RNAs, die A-(Aminoacyl-), P-(Peptidyl-) und E-(Exit-)Stelle. Zuerst werden die Codons der mRNA vom Ribosom ausgelesen, welches dann die entsprechende t-RNA an der A-Stelle bindet. Im weiteren Verlauf wandert die t-RNA dann an die P-Stelle wo sich die an die t-RNA angehängt Aminosäure trennt und die t-RNA schließlich zur E-Stelle wandert wo sie wieder in das Cytoplasma entlassen wird. Durch wiederholen dieses Prozesses wächst die Polypeptidkette aus Aminosäuren immer weiter und bildet so nicht nur eine Primär- sondern meistens auch direkt eine Sekundär- und Tertiärstruktur des Proteins. Gelangt das Ribosom an ein Stopcodon so wird die Translation beendet, die Untereinheiten des Ribosoms die sich anfangs an die mRNA gebunden haben trennen sich wieder. Und fertig ist ein neues Protein. 

Genaueres zum Thema Transkription und Translation findet ihr in Campbell Biologie Kap. 17. Die meisten Informationen die ich hier verwendet habe stammen ebenfalls von dort. 

Abb. 3 t-RNA schematisch (Quelle: Google)

Zum Schluss noch ein Bild zum Aufbau der t-RNA, es handelt sich dabei auch um eine lange Kette aus Nucleotiden, die durch die chemischen Bindungen untereinander, der t-RNA ihre einzigartige Form verleihen. Die verschiedenen Bereiche (auch Arme genannt) haben verschiedene Aufgaben. Der Anticodon Loop liest die komplementären Basenpaare an der mRNA und bindet an diese, während die zu codierende Aminosäure am Acceptor arm bindet.

Durch einen komplizierten Prozess der unter mitwirken von  Aminoacyl-tRNA-Synthetase und ATP Verbrauch abläuft wird immer die richtige Aminosäure dem richtigen Anticodon zugeordnet. Fehler beim Lesen der ersten und zweiten Base in einem Codon können schwerwiegende Fehler, bis hin zum kompletten Ausfall des Proteins führen, Unterschiede an der dritten Position sind nicht zwangsläufig fatal. 

DNA - Der Bauplan des Lebens

Heute beschäftige ich mich mit der DNA (Desoxyribonukleinsäure) als Bauplan des Lebens, anfangs möchte ich mich kurz dem Aufbau widmen, dieser sollte allerdings als Basiswissen vorhanden sein. Die DNA ist aus Nucleotiden aufgebaut. Das sind Pentosezuckermoleküle an denen ein Phosphation und eine Base chemisch gebunden sind. Es gibt 5 verschiedenen Basen mit denen wir uns anfangs beschäftigen. Sie werden unterteilt in Purinbasen (Adenin und Guanin) und Pyrimidinbasen (Cytosin, Thymin und Uracil). Uracil kommt nur in RNA (Ribonukleinsäure) vor, wohingegen Thymin nur in DNA vorkommt. Sie ersetzen die Position des jeweils anderen. Die Basen bilden mit dem zweiten Strang der DNA Wasserstoffbrückenbindungen aus, dabei bindet sich Adenin immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin.

Da die DNA ein fortlaufender Strang ist, müssen die Nucleotide untereinander verbunden sein. Dies geschieht über ein Phosphordiester-Bindung zwischen der Pentose und dem Phosphation. Aufgrund der Eigenschaften dieser Bindung wird ein DNA Strang immer in 5' -> 3' Richtung aufgeschrieben. Dies hängt mit der Nummerierung der C-Atome in der Pentose zusammen. Für alle die das genauer interessiert: Campbell Biologie Kapitel 5.5.

Abb.1 DNA (Quelle: Google)

Am 28. Februar 1953 schafften es Francis Crick und James Watson die DNA in ihrer Struktur zu beschreiben. Sie erstellten das erste heute noch gültige Doppelhelixmodell der DNA. Sie erhält ihre einzigartige Form durch chemische Kräfte zwischen den Molekülen. 

Die DNA Replikation nach Watson-Crick

Wir wissen das die DNA durch eine semikonservative Replikation kopiert wird. Das bedeutet das nach der Entspiralisierung des Doppelhelix an jedem der beiden Einzelstränge ein neuer Strang gebildet wird. So ist die Fehlerquote sehr gering, da jeder Strang eine vollständige Matrize (template) darstellt. 

Nukleinsäurepolymerasen, das bedeutet Enzyme die, die Replikation der DNA katalysieren, synthetisieren aber stets vom 5' zum 3' Ende, dies hängt mit dem Aufbau der Nukleotide zusammen, sie können das neue Phosphoratom immer nur an das 3' Ende anhängen. Das geschieht übrigens unter Abspaltung von 2 Phosphationen. 

Daraus ergibt sich ein Problem, denn der komplimentär Strang liegt in 3'->5' Richtung vor, er muss also stückweise in 5'-> 3' Richtung synthetisiert werden. Es ergeben sich "Okazaki -Fragmente" die nach ihrem Entdecker benannt wurden. Man spricht deshalb auch von einem kontinuierlichen Strang (5'->3') und einem diskontinuierlichen Strang (3'->5') im allgemeinen Sprachgebrauch auch "Leading strand" und "Lagging strand". Für die Entstehung der Okazakifragmente ist ein eigener Primer (ein Startermolekül; auch beim kontinuierlichen Strang sind Primer nötig, diese lagern sich aber selbstständig an) notwendig, die Primase eine aus RNA bestehende Polymerase übernimmt diese Aufgabe. Außerdem entstehen durch das erstellen dieser Fragmente Lücken im Strang, darum kümmert sich die DNA-Ligase, sie "klebt" die DNA- Fragmente zusammen.

Abb. 2 DNA-Replikation (Quelle Wikipedia/Replikation)

Hier noch einmal die wichtigsten Enzyme:

Helicase: Sie trennt die beiden DNA Stränge von einander sodass eine Replikation stattfinden kann.                                  

DNA-Polymerase: Sie vollführt die eigentliche Bildung des neuen Strangs und ist außerdem in der Lage Fehler (z.B. Mutationen) direkt auszubessern.

Primase: Sie ist für das anfügen von Primern am diskontinuierlichen Strang zuständig.

DNA Ligase: Sie schließt die Lücken zwischen den Okazakifragmenten des diskontinuierlichen Strangs und erstellt so einen kompletten komplimentären Strang.

Die Pflanzenzelle und ihre Zellwand

Abb.1 Pflanzenzelle (Quelle: Google)

Heute beschäftige ich mich mit der Pflanzenzelle. Im Unterschied zur tierischen Zelle besitzt die Pflanzenzelle eine feste Zellwand die aus mehreren Schichten besteht. Tierische Zellen sind nur von einer Plasmamembran umgeben (natürlich gibt es Ausnahmen).

Zuerst wollen wir klären warum die Pflanzenzelle eine feste Zellwand benötigt. Nun es ist so, dass sich in der Pflanzenzelle Substanzen im gelösten Wasser befinden. Was bedeutet, dass Wasserpotenzial in der Zelle ist niedriger als in ihrer Umgebung. Wäre die Zelle also nicht  von einer sehr stabilen Zellwand umgeben würde übermäßig viel Wasser in die Zelle diffundieren und sie würde anschwellen und platzen.

Die Zellwand ist jedoch semipermeabel und erlaubt reversible Volumenänderungen in der Zelle. Dies ist unbedingt notwendig um die Zelle über Osmose (diffundieren von Teilchen in die Zelle) mit den benötigten Substanzen zu versorgen. 

Die Zellwand ist wie folgt aufgebaut:

1. Mittellamelle, sie füllt den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten pflanzlichen Zellen und klebt diese sozusagen aneinander. Sie besteht zum größten Teil aus Pektinen mit einem geringen Proteinanteil.

2. Primärwand, sie besteht aus Pektinen, Zellulose, Hemizellulose und Proteinen. Beim bilden dieser Zellwand werden kleine Mikrofibrillen verbaut, sie nehmen jedoch keine feste Struktur an, sodass die Zelle auch später noch wachsen kann.

3. Sekundärwand, sie wird erst gebildet wenn die Zelle ihr Wachstum beendet hat. Diese besteht hauptsächlich aus dichtgepackten Zellulose-Makrofibrillen und Hemizellulosen, welche in Mineralsubstanzen, vornehmlich Lignine, eingepackt sind. Kommt es zur Verholzung der Sekundärwand so stirbt die Zelle ab. Außerdem ist sie deutlich dicker als die Primärwand.

Abb. 2 Aufbau der Zellwand (Quelle: Wikipedia: Zellwand)

 Quellen: Botanikscript von Prof. Burkhard Büdel; Wikipedia/Zellwand; Google

Entstehung des Lebens; Prokaryoten und Eukaryoten

Heute beschäftige ich mich mit der Entstehungsgeschichte der Erde, dem Ursprung des Lebens und dem Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Dies ist als Kombinationspost aus Botanik und Zellbiologie gedacht. 

Entstehung des Sonnensystems mit unserer Erde und die Uratmosphäre:

Das Sonnensystem indem sich auch unsere Erde befindet entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren, der Mond etwas später vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Anfangs bestand die Atmosphäre im Gegensatz zu heute aus Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3) und Wasser im gasförmigen Zustand (H2O). Durch elektrostatische Entladungen, auch bekannt als Blitze entstanden daraus die ersten Aminosäuren, Lipide und Nukleinsäuren (Stanley Miller von der University of Chicago hat für diese Theorie ein stichhaltigen Beweis mit seinem Versuch zur Entstehung des Lebens geliefert (vgl. Science Ausgabe 117 [1953] S. 528f.)

Entstehung des Lebens (vor etwa 3,5 Milliarden Jahren):

Entscheidend für das Leben war die Abgrenzung der ersten Zellen von der Außenwelt durch Membranen, die dennoch einen kontrollierten Austausch ermöglichten.  Die sogenannten Doppellipidschichtmembranen ermöglichen einen regulierten Austausch von Ionen und Molekülen. Alle heute bekannten Lebewesen haben vermutlich einen gemeinsamen Vorfahren, das nennt man auch monophyletisch. 

Prokaryoten und Eukaryoten:

Im Folgenden möchte ich auf die Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten am Beispiel von Cyanobakterien und einer Pflanzenzelle eingehen (die Beispiele dazu findet Ihr im Botanik Script von Burkhard Büdel unter http://www.uni-kl.de/FB-Biologie/Botanik/lehre/vorl_bio1_bb/Bio1_2009_BBuedel_Teil1.pdf )

Prokaryoten

Als Beispiel hier wähle ich die Cyanobakterien, die für die Entstehung des Lebens wie wir es heute auf der Erde vorfinden, eine entscheidende Rolle spielen. Sie haben als erste ein Photosynthese II System gehabt und so vor 2,5 Milliarden Jahren den ersten Sauerstoff in der Atmosphäre produziert. Sie werden traditionell immer der Botantik zugeordnet, da sie photo-autotroph sind. Obwohl man sie auch prokaryotische Algen nennt, gehören sie eigentlich zu den gram-negativen Bakterien, denn ihre DNA liegt wie bei Bakterien und Prokaryoten üblich als Kernäquivalent im Cytoplasma vor. Die ersten Cyanobakterien haben schon vor 10^9 Jahren gelebt und bedecken auch heute noch in den Tropen fast jede vegetationsfreie Fläche. 

Eukaryoten

Eukaryoten sind komplexer aufgebaut als Prokaryoten, sie werden durch diverse Membranen in verschiedene Reaktionsräume geteilt, wobei eine Membran immer eine wässrige Phase von einer plasmatischen Phase trennt. Diese Reaktionsräume nennt man auch Kompartimente. Beispiele hierfür wären: Zellkern, Plastiden, Mitochondrien, ER, Golgi-Apparat, Vakuolen, Cytoplasma.

Während wir Cytosol, Kernplasma, Mitoplasma und Plastoplasma als Plasmatische Phasen betrachten, zeigen sich wässrige Phasen in vom ER abgegrenzten Räumen wie Zisternen, Vesikel und Zellvakuolen. 

Entstehung von Organellen in eukaryotentischen Zellen nach der Endosymbiontentheorie:

Viele heterotrophe Einzeller ernähren sich durch Phagocytose (die Aufnahme von Nahrung durch umfließen der Nahrung mit dem eigenen Cytoplasma; Einschließen von Nahrungspartikeln). Eine Prokaryotische Zelle die durch phagocytotisch aufgenomme andere Prokaryoten, welche entweder ähnlich wie Mitochondrien in der Lage waren Energie durch eine Atmungskette aufzubauen oder wie Chloroplasten in der Lage waren Photosynthese zu betreiben, brachten einen erhebliche Vorteil für diese Zelle mit sich, wenn die aufgenommenen Prokaryoten nicht verdaut wurden. Auf diese Weise lässt sich auch das Vorkommen von Doppelmembranen erklären, welche wir z.B. bei Mitochondrien und Chloroplasten finden. Ein weiterer Punkt, der für die erstmals 1883 von A.F.W. Schimper formulierte Hypothese spricht, ist das Vorhandensein von DNA in den heutigen Mitochondrien, die zwar nicht für alle Komponenten codiert, aber einen erheblichen Beitrag leistet.

Zusammenfassung des Themas nach Lüttge, Kluge und Bauer Botanik 5. Auflage:

Präbiotische Synthesen einfacher organischer Moleküle im Urmeer erlaubten die Entstehung erster Urzellen (Progenoten), und es entwickelte sich eine Ribonucleinsäure-Welt (RNA-Welt) mit Katalysen, Speicherung und Weitergabe von Informationen durch RNA nach Abgrenzung und Emanzipation von Umgebung. Dann entstand die Desoxyribonukleinsäure-Welt (DNA- Welt) mit komplexer Synthese von Proteinen als Katalysatoren (Enzyme). Der Verbrauch der Ressourcen organischer Verbindungen im Urmeer führte zur ersten Ernährungs- und Energiekrise, aus der die Ausnutzung der Energie des Sonnenlichts mit der Evolution der Photosynthese herausführte. Die grundlegend notwendige strukturelle und funktionelle Ausstattung lebender Zellen realisierte sich erst auf der Organisationsstufe der Prokaryonten und dann durch Endosymbiose solcher Zellen auf der Organisationsstufe der Eukaryonten. Der Vergleich abgestufter Ähnlichkeiten der Organismen von der morphologisch-anatomischen bis zur molekularen Ebene führt zur stammesgeschichtlichen Gliederung in drei Domänen, die prokaryotischen Archaea und Bacteria und die eukaryotischen Eucarya mit den drei Reichen Plantae, Fungi und Animalia der Eucarya.

Quellen: Lüttge, Kluge und Bauer Botanik 5. Auflage, Seiten 13-21; Botanik Vorlesungsscript von Prof. Burkhard Büdel s.o.; Zellbiologie Vorlesungsscript von Prof. Johannes Herrmann

Willkommen auf Biowissenschaften Kaiserslautern

Dies ist ein Blog über den Studiengang Biowissenschaften (ab WS 2011/12) in Kaiserslautern. Geplant sind mindestens wöchentlich erscheinende Zusammenfassungen des Stoffs, nach Möglichkeit unter Einbezug der begleitenden Literatur.

Ich hoffe damit für meine Kommilitonen und mich den Stoff aller biologischen Fächer verständlich aufzubereiten, sodass damit für die Klausuren gelernt werden kann. Der Blog befindet sich noch im Versuchsstadium, außerdem ist es mein erster Blog. Ich bitte also um Nachsicht.








                                                                                    (Quelle Bild: Google)