2. Stofwechsel - Regina Devrient

2. Stofwechsel
2.8 Proteinbiosynthese
Die Proteinbiosynthese ist ein biochemischer Prozess. Von einem Abschnitt der Desoxynucleinsäure
(DNA, „A“ für engl. acid) werden nach Transkription und Translation Proteine synthetisiert.
Dieses Kapitel beschreibt den Ablauf der Proteinbiosynthese in der Zelle.
Rückblick - die Planzenzelle
Zellen sind die kleinsten Grundbausteine des Lebens.
Zellen können Nahrung aufnehmen, diese in Energie
umwandeln, bestimmte Funktionen durchführen
und sich reproduzieren.
Planzen gehören neben Tieren und Pilzen zu den
Eukaryoten. Eukaryotische Zellen besitzen einen
echten Zellkern im Gegensatz zu den Prokaryoten
(Bakterien) die keinen echten Zellkern besitzen.
Aus totipotenten Stammzellen bilden sich diferenzierte Zellen. Die diferenzierten haben speziische
Aufgabenbereiche. Es gibt zum Beispiel Wurzel- oder
Blattzellen. Aus einer totipotenten Zelle kann ein
ganzer Organismus entstehen, aus diferenzierten ist
das nicht möglich.
Aufbau und Funktion der Planzenzelle
Der Zellinnenraum ist mit Cytoplasma gefüllt. Im
Cytoplasma beinden sich Cytosol, das Cytoskelett
und die Zellorganellen. Das Cytoskelett besteht aus
Mikrotubuli und Mikroilamenten.
Das gelartige zählüssige Cytoplasma gibt der Zelle
Schutz und Stabilität. Reaktionen und Stoftransport
inden im Cytoplasma statt.
Im Unterschied zu tierischen Zellen besitzen Planzenzellen Vakuolen, eine Zellwand und Chloroplasten.
Vakuolen sind mit Wasser gefüllt, halten der Tugordruck und speichern Stofe. Die Zellwand gibt der
Planze Form und Festigkeit. In den Chloroplasten
indet Photosynthese statt.
Die weiteren Zellorganellen sind:
Der Zellkern in dem sich die DNA beindet. An den
Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums (RER) indet die Proteinbiosynthese statt.
Das glatte endoplasmatisches Retikulum (ER) ist Calciumspeicher und Fettsäureproduzent.
Im Golgi-Apparat indet Stofwechsel statt. Die
Mitochondrien sind die „Kraftwerke der Zelle“ . In
ihnen wird Adenosintriphosphat (ATP) gebildet.
Die Zellmembran grenzt den Innenraum ab und
regelt den Stofaustausch. Tüpfel sorgen für den
Stofaustausch zwischen den Zellen.
2.8.1. Dogma der Molekularbiologie
Vakuole
Mikrotubuli
Das zentrale Dogma der Molekularbiologie besagt
das die DNA in mRNA umgeschrieben wird. Die
mRNA wird zu den Ribosomen transportiert. Dort
wird sie in Aminosäuren translatiert und zu Proteinen
zusammengesetzt (Abb. 2).
Mikrofilamente
Exkurs Endosymbiontentheorie
Mitochondrien
Zellkern
Chloroplast
raues
Endoplasmatisches
Retikulum
glattes
Endoplasmatisches
Retikulum
Tüpfel
Ribosomen
Zellwand
Golgi-Apparat
Zellmembran
Diese Theorie besagt das einige Zellorganellen wie
z.B. Mitochondrien und Chloroplasten durch Symbiose mit Bakterien entstanden sind. Bakterien (Prokaroten) wurden durch Einzeller aufgenommen und
dadurch zu Endosymbionten. Später wurden sie zu
Zellorganellen in ihren Wirtszellen. Diese Zellorganellen tragen heute noch Merkmale von Bakterien, z. B.
eigene DNA.
Abb. 1 Aufbau Planzenzelle
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2.8. Proteinbiosynthese
DNA beindet sich verteilt auf Chromosomen im Zellkern. DNA beindet sich aber ebenfalls in Mitochondrien und in den Chloroplasten (Exkurs). Die Gesamtheit
der DNA eines Organismus nennt man Genom.
Auf DNA-Abschnitte (Allele) sind Information für
bestimmte Proteine gespeichert, z.B. welches die Blütenfarbe exprimiert. Die Abfolge der Basen ergibt die
Anleitung für den Bau und Betrieb der Planze. Somit
ist die DNA der Träger der Erbinformation.
Transkription
Translation
Abb. 2 Schema der Proteinbiosynthese
Im Experiment auf S. 40 wird die DNA der Tomate isoliert. Die DNA einer menschlichen Zelle ist 1 m lang. So
muss es doch möglich sein DNA für das menschliche
Auge erkenntlich zu machen.
2.8. 2 Die DNA
2.8.3 Transkription
Die DNA ist ein Makromolekül. Sie besteht aus Einzelbausteinen die Nukleotide genannt werden. Nukleotide bestehen aus zwei Komponenten: Eine der vier
Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin sowie ein
Zuckerphosphat. Die Basen sind über Wasserstofbrückenbindungen miteinander verbunden. Sie bilden so
einen DNA Doppelstrang (Doppelhelix, Abb. 3).
Aus energetischen und räumlichen Gründen binden
immer Adenin an Thymin und Guanin an Cytosin.
Ein DNA-Abschnitt (Gen) wird im Zellkern mit Hilfe von
Enzymen in mRNA umgeschrieben.
DNA
mRNA
Protein
Die Ribonukleinsäure (mRNA) ist im Gegensatz zur
DNA einzelsträngig und die komplementäre Sequenz
der genetischen Information des Gens. Anstatt der
Base Thymin hat die RNA die Base Uracil.
Die RNA-Polymerase bewirkt das der Doppelstrang
der DNA sich kurzzeitig trennt. An einem der Stränge
lagert sich die komplementären Base der
mRNA-Nukleotide an. Diese werden dann verknüpft.
Am Adenin der DNA lagert sich immer Uracil der RNA
an. Die RNA-Polymerase erkennt Start- und Stoppsignale so das eine kleine Sequenz abgelesen wird. Die
RNA löst sich wieder von der DNA und tritt aus dem
Zellkern aus.
2.8.4 Der genetische Code
Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Die Übersetzung der mRNA-Sequenzen in Aminosäuresequenzen wird durch den genetische Code festgelegt
(Abb. 4). Dabei wird eine bestimmte Abfolge von drei
Nukleotiden (Triplett) der mRNA am Ribosom für eine
bestimmte Aminosäure kodiert. Es gibt 20 Aminosäuren die zum Aufbau der Proteine verwendet werden
können
Abb. 3 DNA-Doppelhelix
2.8.5 Translation
Die Struktur der Doppelhelix wurde 1953 von Watson
und Crick in England ermittelt. Sie haben dafür 1962
den Nobelpreis für Medizin erhalten.
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Das mit Anticodon beladene tRNA lagert sich an das
komplementäre Triplett der mRNA an. Das Ablesen
aller Codons eines m-RNA-Moleküls ergibt die Amino
2. Stofwechsel
Zellkern
mRNA
Gen auf der
DNA
Transkription
Ribosomen
Translation
Blütenfarbe
Aminosäure
an tRNA
Protein
Enzym
Wirkung: Farbstoff
tRNA
Abb. 4 Der genetische Code. Abgelesen wird von innen nach außen.
säuresequenz eines Proteins.
Die tRNA setzt sich an das Ribosom. Ein tRNA Molekül
bindet immer nur an eine bestimmte Aminosäure
Abb. 5 Vom Gen zum Merkmal
Am Ribosom werden die Aminosäuren verknüpft.
Die Biosynthese beginnt immer mit AUG (Methionin)
mit einem Stoppcodon zerfällt das Ribosom in seine
Untereinheiten und die Proteinbiosynthese ist abgeschlossen
Die Translation ist also die Übersetzung der Basensequenz in die Aminosäuresequenz .
Zusammenfassung
Warum ist die Blüte blau?
In den Vakulolen der Zelle wird ein blauer Farbstof
gespeichert. Der Farbstof wird durch ein bestimmtes
Enzym hergestellt. Dieses Enzym wird während der
Translation an den Ribosomen aus einzelnen Aminosäuren zusammengesetzt.
Die Reihenfolge der Aminosäure ergibt sich aus der
Abfolge der Basen der mRNA. Die mRNA wird im Zellkern als Kopie eines DNA Abschnitts hergestellt.
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2.8. Proteinbiosynthese
Experiment - Isolierung von Tomaten DNA
Chemikalien:
3 Eßl. Spülmittel
1 Tel. Kochsalz
90ml Wasser
Tomate
2-3 Tropfen lüssiges Waschmittel
Ethanol
Durchführung:
Gebe Kochsalz, Spülmittel und Wasser in ein Gefäß
und rühre es um.
Geräte:
Messer
Becher
Wasserbad
Eis
Mixer
Kafeeilter
Was passiert?
Herstellung des Extraktionspufers
Gebe die geschnittene, geschälte und entkernte
Tomate in die Spülmittellösung
Spülmittel bricht die Zellmembranen
(Doppellipidschicht) auf und so kann die DNA aus den
Zellen und Zellkernen entlassen werden.
Stelle das Glas für 15min in ein
ca. 60°C warmes Wasserbad.
Wärme beschleunigt den Prozess und zerstört Enzyme
(DNAsen) welche die DNA abbauen könnten.
Anschließend 10 min abkühlen in einem Eisbad.
Die DNA wird geschont zu viel und lange Hitze schadtet ihr.
Dann KURZ die Probe mixen oder im Mörser
zerquetschen.
Durch das Zerquetschen werden die Zellen aufgeschlossen.
Filtriere die Mischung mit dem Kafeilter und fange
das Filtrat auf.
Trennung der Zellbestandteile von DNA und
Proteinen. die im Filtrat gelöst sind.
Füge 2-3 Tropfen Waschmittel zu 10ml Filtrat hinzu,
danach gut schütteln.
Im Waschmittel ist das Enzym Protease enthalten,
welches Proteine in der Lösung abbaut.
Überschichte das Extrakt sehr vorsichtig mit
dem gleichen Volumen eiskalten Ethanol
DNA reichert sich in wenigen Minuten
schlierenartig in der oberen Schicht (Ethanol) an
Mit einem Holzstäbchen lässt sich die DNA aus dem
Glas ischen
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DNA löst sich nicht in Ethanol und wird dadurch in
dieser Schicht sichtbar
Entstanden ist dieser Lehrbuchtext im Rahmen des Moduls Lernpsychologie
Konzept zum Lehrbuchtext
Regina Devrient 21491
Textsorte: Fachbuchtext
Merkmale Der Fachbuchtext zeichnet sich durch häufiges Vorkommen von Illustrationen
(informierende Bilder, logische Bilder und schematische Bilder) aus. Diese helfen dem Leser das
Gelesene zu verstehen. In der Regel haben Fachtexte längere Sätze die hinderlich beim Verstehen
des Textes sein können. Deshalb wurde im vorliegenden Text versucht diesem Phänomen mit kurzen
Sätzen entgegenzuwirken. Wortbildungen wie die Verwendung von Fremdwörtern (z.B. „Ge o “)
und Wortkürzungen (z.B. „ATP“) si d e e falls typis h u d kö e de Leser das Verstehe
erschweren. Da der Text dafür ausgelegt ist, dem Leser das Thema nahezubringen (Verstehen)
werden sprachliche Mittel verwendet. Dazu gehört die Wiederholung wichtiger Wörter (z.B.
„Translation“). Substitution sollte hier vermieden werden um den Leser nicht mit zu vielen
Fremdwörtern zu verwirren. Jedoch kommen auch sie im Text vor (Gen/Allel/DNA-Abschnitt).
Metakommunikative Mittel werden vor allem im Experiment eingesetzt („Gebe…“).
Sprachliche Orientierungsmarken wie der Kolumnentitel (rechts Kapitel: Stoffwechsel, links
Unterkapitel: Proteinbioynthese) und Seitennummerierungen ordnen das Thema dem
Gesamtdokument zu. Visuelle Orientierungsmarken wozu der Kasten im Exkurs, vertikale Linien im
Rückblick, farbige Schrift für wichtige Begriffe und eine Unterlegung im Experiment durch bildlichen
Hintergrund (Tomate) zählen, dienen der Übersichtlichkeit und dem Lernen.
Der einheitliche Aufbau des Abschnitts verwirrt den Leser nicht und er weiß wo er was finden kann.
Es gibt kurze thematische Überschriften um den nachfolgenden Text einzuordnen und eine formale
Überschrift (Zusammenfassung). Die Zusammenfassung zeigt nochmals den Ablauf der Biosynthese
anhand eines Beispiels.
Ein weiteres Merkmal ist die Kohärenzbildung, die inhaltlich-thematische Verknüpfung zum
(Gesamt-)Thema: Proteinbiosynthese/Stoffwechsel/Lehrbuch für Landwirte – Pflanzenproduktion.
Es gibt eine kurze Einleitung um ins Thema einzuführen.
Fachbuchtexte sind häufig einem anonymen Sprachstil zugrunde gelegt, das wurde im Abschnitt des
Experiments unterbrochen, hier wird der Schüler/Lesende direkt angesprochen.
Die Zielgruppe dieses Textes sind Berufsschüler der grünen Berufe: Landwirte, Gärtner.
Die meisten haben einen 10 Klasse Abschluss und unterschiedliche Vorbildungen. Im Rahmen der
Unterrichtsreihe soll Ihnen der Stoffwechsel der Pflanze nahe gebracht werden. Um ihnen zu
verdeutlichen wie sich Bewässerung, Düngung und eventuell Pflanzenschutzmaßnahmen auf den
pflanzlichen Organismus auswirken.
Einordnung des Themas
Aufbauend vom einfachen (die Zelle) zum konkreten (Ablauf Proteinbiosynthese) soll der Lernende
die Zusammenhänge verstehen. Interesse soll durch das Experiment geweckt werden. Das
Experiment soll zeigen das DNA nicht irgendwas Undefiniertes im Körper oder der Pflanze ist,
sondern mit einfachen Hausmitteln zu sehen ist.
Der Text hat als zentrales Thema die Proteinbiosynthese und in den Unterthemen die Schritte dieser
(z.B. Translation, genetischer Code und Transkription). Durch systemorientiertes Lernen verbunden
mit entdeckungs- und problemorientiertes Lernen im Experiment, soll der Schüler sich mit der
Thamatik DNA beschäftigen und es verstehen.
Stellung im hypothetischen Gesamtdokument
Das Lehrziel dieses Abschnitts ist die Proteinbiosynthese grob zu verstehen. Nicht bis ins kleinste
Detail, da es Berufsschulschüler sind und keine Biochemie Studenten. Das Lernziel ist vorwiegend
kognitiv und soll mit dem Experiment gefestigt werden. Der Schüler soll im Abschnitt den Ablauf der
Proteinbiosynthese verstehen, dazu wird nochmal der Aufbau der Zelle mit ihm wiederholt und
anschließend die Elemente der Proteinbiosynthese dargelegt. Weitere Themen im Kapitel
Stoffwechsel könnten sein die Glykolyse, Photosynthese, Aminosäuresynthese.
(www.bibb.der/dokumente/pdf/a12_voevz_agbfn_9_niederhaus_1.pdf):
Quellen Bilder (Url Abfrage)
Bild 1 geändert: web.squ.edu.om/med-Lib/MD_CD/E_CDs/Electronic Study Guide of
Biochemistry/ch01/fi1p11.htm
Bild 2 oben: http://www.vcell.de/proteinstation/proteinstation-proteinbiosynthese-die-fabrik/
Unten: Regina Devrient
Bild 3 geändert nach: ghr.nlm.nih.gov/handbook/illustration/dnastructure.jpg
Bild 4 stmuv.bayern.de/umwelt/gentechnik/grundlagen/code.htm
Bild 5 Regina Devrient
Bild 6 Regina Devrient
Rolf D. Schmidt, 2006: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik, 2. Auflage Wiley-VCH Verlag
GmbH&Co.KGaA