Proteinbiosynthese

Proteinbiosynthese ist ein Körperprozess, den man nicht spürt und der doch ständig ohne Unterlass im menschlichen Körper vor sich geht und wesentlich dafür zuständig ist, dass viele Körperfunktionen weiterhin gewährleistet werden. Zum Beispiel würde unsere Verdauung ohne Enzyme praktisch nicht funktionsfähig sein. Schüler jammern häufig über dieses scheinbar so komplizierte Thema, aber das muss nicht sein!

Der folgende Artikel hat zum Ziel diesen durchaus wichtigen und sehr spannenden Körperprozess verständlich zu machen und weiters aufzuzeigen, was für Beschwerden und Krankheiten in Verbindung mit der Proteinbiosynthese stehen, während natürlich auch der Nutzen, die Aufgaben und allerhand Fragen geklärt werden sollen.


Was ist die Proteinbiosynthese?

Proteinsynthese bedeutet Eiweiß-Zusammenbau. Verschiedene Eiweiße werden in unserem Körper ständig gebraucht. Sie erfüllen enorm viele Aufgaben und Funktionen. Unsere Enzyme, die beispielsweise unabdingbar für die Verdauungsprozesse sind, bestehen aus Eiweißmolekülen. Die unterschiedlichen Organellen in unseren Zellen sind größtenteils Eiweiße. Proteine sind also lebensnotwendig für uns, da äußerst wichtige Körperprozesse ohne ihnen nicht möglich wären. Ein Eiweißmolekül enthält eine fixe, in der DNS bereits vorgegebene Form. Dadurch entsteht auch ein optischer Unterschied zwischen Proteinen.

Weiters bedeutet Synthese übersetzt Zusammenbau. Daraus können wir schließen, dass wir nicht jedes Eiweißmolekül, das unser Körper braucht, in dieser Form auch als Nahrung aufnehmen. Denn sonst müssten wir die Proteine nicht erst zusammenbauen. Was wir allerdings aufnehmen sind Proteine, die unser Körper im Zuge des Stoffwechsels ab-, um- und aufbaut.

Zuerst werden die Proteinmoleküle in die einzelnen Bestandteile, die Aminosäuren, zerlegt. Danach findet die Proteinsynthese statt, die die Aminosäuren wieder zu anderen Eiweißen zusammenbaut, beispielsweise zu Enzymen. Wir brauchen also Aminosäuren um die Proteine, die unser Körper braucht, herzustellen. Das ist einer der Gründe, weshalb Dinkel oftmals so angepriesen wird. Denn dieses Getreide enthält enorm viele Aminosäuren. Und die braucht unser Körper auch! Denn es sind Eiweiße vorhanden, die aus mehreren tausend Aminosäuren bestehen.

Proteine im menschlichen Körper:

  • Enzyme
  • Hämoglobin
  • Proteine für den Zellaufbau
  • Repairenzyme

Transkription

Menschen besitzen in jeder ihrer Zellen 23 Chromosomen, auf denen die Erbinformation abgespeichert ist. Da ein Mensch ungefähr 25.000 Gene aufweist, sind zirka 1.000 Gene auf einem Chromosom abgelegt. Generell geht man davon aus, dass je ein Gen für die Synthese eines Eiweißstoffes zuständig ist. Transkription meint die Kopierung des Erbcodes für genau einen Eiweißstoff.

Dafür trennt sich die DNS an bestimmten Stellen und zwar genau dort, wo die Information für den Aufbau eines bestimmten Eiweißstoffes aufgeschrieben ist. Die Separation der DNS-Stränge erfolgt ähnlich einem aufgeplatzten Zipp in zwei Einzelstränge, indem die Basenpaar-Verbindungen durch Enzyme getrennt werden.

Ergänzend zu einem der beiden Stränge und zwar in jedem Fall komplementär zu dem zu codierenden Strang wird aus Nukleotiden, die aus dem Zellplasma stammen, ein Messenger-RNS Einzelstrang aufgebaut. So wird die Sequenz der DNS als Negativ der Basenreihenfolge kopiert. Die m-RNS löst sich durch Enzyme von der DNS, verlässt durch die Kernporen den Zellkern und gelangt ins Zytoplasma, wo sie sich an die Ribosomen anlegt.

Inzwischen verbinden sich in der DNS die Basenpaare wieder zu einem Doppelstrang. Es können aber wieder andere Stellen in der DNS geöffnet und kopiert werden.

Translation

Nun werden Transfer-RNS-Moleküle benötigt, um die Aminosäuren aus dem Plasma zu holen und sie genau in der richtigen Reihenfolge an die m-RNS anzulegen. Transfer-RNS-Moleküle bestehen aus einer Nukleotidkette, die an einem Ende ein spezifisches Basentriplett, also eine Folge von drei bestimmten Basen, besitzt. Jede t-RNS kann nur eine bestimmte Aminosäure an sich binden. Das heißt, ein Basentriplett bedingt oder codiert eine bestimmte Aminosäure.

Es muss daher mindestens zwanzig verschiedene t-RNS-Moleküle mit verschiedenen Tripletts für die zwanzig Aminosäuren geben. Ergänzend zur m-RNS bauen sich die verschiedenen t-RNS-Moleküle mit ihren Tripletts ein. Sie bringen jeweils eine bestimmte Aminosäure mit und so werden die Aminosäuren nebeneinander gereiht.

Enzyme des Ribosoms verbinden die nebeneinanderliegenden Aminosäuren miteinander zu Aminosäureketten und damit zu bestimmten Eiweißen, welche sich dann automatisch auf eine ganz bestimmte Art und Weise falten. Denn die Protonen und Elektronen dieser Moleküle besitzen spezifische Anziehungskräfte zueinander oder stoßen einander ab. Dadurch bleibt die lange Kette keine gerade Reihe, sondern falten sich zu einem ganz spezifischen Gebilde, welches optisch von anderen Eiweißen deutlich zu unterscheiden ist.

Dieses Eiweiß hat die Aminosäuren-Sequenz, die in der DNS codiert war. Sind die Aminosäuren verbunden, wird durch andere Enzyme die Basenverbindung zwischen m-RNS und t-RNS-Triplett, sowie zwischen t-RNS-Triplett und Aminosäure getrennt. Die t-RNS-Moleküle wandern wieder ins Zellplasma und beladen sich wieder mit ihrer speziellen Aminosäure. Aminosäuren stammen aus der Nahrung. Bei Tieren werden sie durch Fotosynthese aufgebaut. Sie sind stets frei im Plasma vorhanden.

Die m-RNS wandert Stück für Stück über das Ribosom (meist über mehrere gleichzeitig). Auf diese Weise wird die Aminosäurekette immer länger bzw. entstehen gleichzeitig, bzw. genau genommen minimal zeitverzögert, mehrere identische Aminosäureketten, also Eiweißmoleküle. So entsteht in jeder Zelle jedes Lebewesens das spezifische, in der DNS codierte Eiweiß. Diese Proteine können zum Beispiel unterschiedliche Enzyme, der Eiweißstoff Hämoglobin oder die verschiedenen Proteine zum Zellaufbau sein.

  • Kopierung des Erbcodes
  • Separation der DNS-Stränge
  • Aufbau der m-RNS
  • Anlegen an das Ribosom
  • Anlegen der t-RNS
  • Verbindung der Aminosäuren zu Ketten
  • Trennung der Basenverbindungen
  • Faltung der Aminosäurekette

Funktion & Aufgabe

  • Heilung
  • Reproduktion
  • Verdauung
  • Bewahrung der Körpersubstanz
  • Stoffwechsel
  • Wachstum
  • Erscheinungsbild
  • Gewebestruktur
  • Zunahme an Muskelmasse
  • Sekrete

Die Ribosomen sind das Organ, welches mit der Aufgabe der Proteinbiosynthese betraut wurden. Sie sind sehr ausfallsicher und bauen sehr selten Fehler in Aminosäureketten ein. Den Aufbau von Eiweißen brauchen wir für enorm viele körperlichen Bereiche. Für unsere Verdauung, Reproduktion, Heilung und Wachstum, als auch für den Stoffwechsel, die Bewahrung der Körpersubstanz oder unser Erscheinungsbild.

Proteine sind ansonsten noch für Struktur im Körper zuständig. Beispielsweise gibt es Repair-Proteine, die ständig die DNS abfahren und Fehler, die beispielsweise bei der Mitose passiert sind, erkennen und beheben. Außerdem sind Proteine in allen Sekreten und Stoffen unseres Körpers enthalten.

Proteinbiosynthese und Sport

Sportler erhoffen sich durch die vermehrte Eiweißaufnahme durch die Nahrung eine deckungsgleiche Zunahme an Proteinbiosynthese im Muskelgewebe, damit sie an Muskelmasse überdurchschnittlich schnell zunehmen und ihren Erfolg unverhältnismäßig steigern können. In Wirklichkeit sind Proteinshakes und ähnliche als Sportnahrung deklarierte Lebensmittel umstritten. Die Geister scheiden sich in diesen Themen und es ist nicht sicher, ob die gewünschte Wirkung erzielt wird oder im Gegenteil der Körper durch einen Überschuss an Aminosäuren im Blut die Proteinbiosynthese für eine Zeit relativ einstellt.


Krankheiten & Beschwerden

Risikofaktoren:

  • Alter
  • Krankheiten

Um Fehler bei der Eiweißsynthese zu vermeiden ist zuerst die absolute Richtigkeit der DNS, sowie der m-RNS, vorauszusetzen. Dann muss die m-RNS geordnet, im richtigen Tempo über das Ribosom weiterrücken. Die t-RNS hat sich einwandfrei anzulegen, denn bei all diesen Abschnitten kann ein Fehler passieren, der zu einem anderen Eiweiß führt, als ursprünglich in der DNS codiert war. Hautsächlich das Alter und bestimmte Krankheiten sind Verursacher von solchen Fehlern und besonders von der Anfälligkeit zu Fehlern. Es gibt aber auch tatsächlich Krankheiten, welche mit der Proteinbiosynthese in Verbindung gebracht und von Enzymen begünstigt werden.

Andererseits sind ebenfalls Medikamente vorhanden, die Einfluss auf die Proteinbiosynthese nehmen. Bestimmte Antibiotika hemmen spezifische Enzyme und damit wirken sie desgleichen hemmend auf die Proteinbiosynthese.

Nicht nur Medikamente und Krankheiten haben einen Einfluss auf Stoffwechselvorgänge. Auch Hormone spielen eine nicht unwesentliche Rolle. Durchaus positiv wirkt sich Testosteron auf die Proteinsynthese aus. Es fördert den Muskelaufbau durch die Stimulierung der Synthese von Eiweißstoffen.

Degenerative Muskelleiden

Die Organellen aus denen wir unsere Energie beziehen, sind die Mitochondrien, welche aus diesem Grund häufig als „Kraftwerke der Zelle“ oder „Mini-Kraftwerke“ bezeichnet werden. Die Bildung der Mitochondrien wird durch Aminosäuren angeregt. Dort wo besonders viel Energie benötigt wird, sind außerordentlich viele Mitochondrien vorhanden. Die Muskulatur an Herz und Skelett sind zwei Beispiele für solche energiebedürftigen Bereiche.

Die Zellen der Muskulatur können allerdings auch genetisch bedingte Schädigungen aufweisen, welche als Muskeldystrophien bekannt sind. Durch diese Erkrankung ergibt sich häufig Muskelschwäche und kann bis zum Muskelschwund führen. Wird dieser zu groß, kann es passieren, dass die Funktion der Muskulatur eingeschränkt wird und im schlimmsten Fall komplett ausfällt.

Eine andere Art degenerativer Muskelleiden trägt den Namen kongenitalen Myopathien, welche bereits sehr früh im Leben eines Menschen auftreten. Sie kommen schon bei Kleinkindern und Säuglingen auf und können sogar bereits bei der Geburt erkannt werden. Ein weiterer möglicher Fall degenerativer Muskelerkrankungen betrifft die Mitochondrien.

Diese Art von Muskelschwäche wird Mitochondriale Myopathie genannt. Hier sind eben die Mitochondrien in ihrer Funktion irritiert. Bei degenerativen Muskelerkrankungen ist häufig Bewegung notwendig. Denn Bewegung regt den Stoffwechsel an, welcher unter anderem den Vorgang der Dissimilation umfasst, aus welchem wir Energie gewinnen. Vereinfacht gesagt, ist es also ein Kreislauf, bei dem Bewegung, also Energieverbrauch Voraussetzung für die Energiegewinnung ist.

Ein anderer Vorgang, der Teil unseres Stoffwechsels ist, ist die Proteinsynthese. Diese bedingt also bei degenerativen Muskelleiden ebenfalls Bewegung um überhaupt angeregt zu werden. Merkt man einen Rückgang der Synthese von Eiweißen, so reagiert man häufig damit, dass man die Mobilisierung von Aminosäuren zum Ziel setzt.

Krankheiten in Verbindung mit der Proteinfaltung

Treten bei der Faltung des Proteins Fehler auf, kann dies fatale Folgen für den Körper haben. Mitunter funktioniert das produzierte Protein nicht auf die Art und Weise, wie es sollte und, schlimmer noch, kann sogar Schaden anrichten, anstatt den Körper zu unterstützen. Verursacht werden diese falschen Faltungen hauptsächlich durch Genmutationen. Unter Umständen beginnt der Körper aufgrund der Irritation durch das Protein weitere schädliche Eiweiße zu produzieren. Diese Vorgänge werden zu Ursache unterschiedlicher Folgeerkrankungen.

  • Muskeldystrophien
  • Muskelschwäche
  • Muskelschwund
  • kongenitale Myopathien
  • muskulärer Funktionsverlust
  • Proteinfehlfaltungen
  • mitochondriale Myopathien

Fragen & Antworten zu Proteinbiosynthese

Was ist der Unterschied zwischen einer DNS und einer RNS?
Jede Ribonukleinsäure (RNS) ist wie die Desoxyribonukleinsäure (DNS) aus Nukleotiden aufgebaut. Jedoch ist die Nukleotidkette der RNS kürzer und immer ein Einzelstrang. Im Aufbau enthält die RNS, von welcher es zwei Arten gibt, eine andere Zuckerart als die DNS. Die Zuckerart der DNS nennt sich Desoxyribose, während der Zucker, der in der RNS verbaut ist, Ribose heißt. Die DNS findet man nur im Zellkern, die RNS dagegen auch im Plasma. Statt der Base Thymin steht in der RNS die Base Uracil, welche ebenfalls komplementär zu Adenin ist.

Wie lange dauert eine Proteinbiosynthese?
Da die Proteinsynthese aus zwei Hauptbestandteilen besteht, erfordert die Beantwortung dieser Frage einiges an Rechengeschick. Bei der Transkription geht man von einem Tempo von 30 transkribierten Nukleotiden pro Sekunde aus. Wenn nun ein Gen um die 1.000 Basenpaare lang ist, dauert die Transkription ca. 30.000 Sekunden. Bei der Translation werden pro Sekunde zehn Aminosäuren an die mRNS gelegt.

Enthält das Protein also um die 330 Aminosäuren in der Kette, so dauert die Translation ca. 3.300 Sekunden. Addiert man diese beiden Werte, ergibt sich eine Länge von 33.300 Sekunden, was 555 Minuten entspricht. In etwa dauert eine Proteinbiosynthese nach dieser Rechnung also neun Stunden und fünfzehn Minuten. Tatsächlich hängt die Dauer der Proteinbiosynthese aber von dem spezifischen Eiweißstoff ab, der dabei gebildet werden soll. Denn die gibt es in klein oder groß und das beeinflusst natürlich maßgeblich die Dauer des Vorgangs.

Was passiert, wenn der Körper die Synthese von Eiweißen für eine gewisse Zeit unterlässt?
Unser Körper kann ohne Proteinsynthese nicht leben. Das Unterlassen dieses wichtigen Vorgangs wäre also fatal. Im Extremfall kann es zum Funktionsausfall bestimmter Körperregionen kommen, wenn diese aufhören Proteine zu synthetisieren. Auf kurze Frist, wie das im Fall von der Einnahme bestimmter Antibiotika passieren kann, wird der Körper geschwächt. Die Immunabwehr wird gedämpft. Aber davon kann sich die Zelle in der Regel wieder erholen, sofern dieser Zustand nicht zu lange und intensiv war.


Unser Fazit zu Proteinbiosynthese

Proteinbiosynthese ist ein interessanter und äußerst wichtiger Vorgang im menschlichen Körper, welcher Leben in der heutigen Form überhaupt ermöglicht. Es ist extrem genial, wie komplizierte Vorgänge in menschlichen Zellen ständig und von selbst ablaufen. Man kann sich den Scharfsinn nicht vorstellen, den es bedarf, sich solche Vorgänge und Funktionen auszudenken!

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