Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen

Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Mitarbeiterseminar der Medizinischen Fakultät
Ruhr-Universität Bochum
Andreas Friebe
Abteilung für Pharmakologie und Toxikologie
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Zentrales Dogma der Molekularbiologie
Informationsfluss geht von DNA über RNA zum Protein
DNA
Replikation
RNA
Transkription
Protein
Translation
DNA
Gen:
DNA-Abschnitt, der die Information für ein spezifisches Genprodukt codiert:
- Protein bzw. RNA-Molekül
Chromosomen:
Erbinformation
Genom:
Gesamtheit aller Chromosomen einer Zelle (Erbgut)
- 3 Milliarden Basen
- > 20.000 Gene (Mensch)
- 2 Meter DNA-Faden pro Zelle
Aufbau der DNA
Aufbau, Struktur, Funktion von DNA, RNA und Proteinen
Wasserstoffbrücken
- Zwischen Dipolmolekülen herrschen zwischenmolekulare Kräfte
Funktionelle Gruppen
- Hydroxyl-Gruppe
R-OH
- bildet Wasserstoffbrücken
- in Alkoholen und Zuckern
- Carboxyl-Gruppe
R-COOH
- bildet Wasserstoffbrücken, oft ionisiert:
COOH → COO- + H+
- in organischen Säuren: Zitronensäure, Essigsäure
- Amino-Gruppe
R-NH2
- bildet Wasserstoffbrücken, Base:
NH2 + H+ → NH3+
- in Aminosäuren
- Phosphat-Gruppe
R-PO4-
- bildet Wasserstoffbrücken, immer geladen
- in DNA, RNA
- Sulfhydryl-Gruppe
R-SH
- zwei SH-Gruppen können zu einer Disulfid-Brücke reagieren
- Verknüpfung von Proteinketten -SH + -SH → -S-S- + 2H+
Aufbau der DNA: Nukleotide und Nukleoside
Desoxyribonukleinsäure:
DNS
(deoxyribonucleic acid, DNA)
Bausteine:
Nukleotide:
Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:
- einer organischen Base:
A, G, C, T
- einem Zucker:
Desoxyribose
Desoxyribose
- Phosphat
Adenin
Purine
Guanin
Nukleosid: organische Base + Zucker
Adenosin, Cytidin, Thymidin, Guanidin
Pyrimidine
Cytosin
Thymin
Aufbau der DNA: Einzelstrang
Desoxyribose
5
Trinukleotid
1
4
3
2
Dinukleotid
5'-Ende
Mononukleotid
3'-Ende
Nukleotid-Bindung: Phosphat am 5'-Kohlenstoff verbunden mit Hydroxyl-Gruppe am 3'-Kohlenstoff
Aufbau der DNA: Doppelstrang (Helix)
Basenpaar
Phosphat
Zucker
Nukleotid
Basenpaare:
Adenin - Thymin: 2 H-Brücken
Guanin - Cytosin: 3 H-Brücken
DNA: Denaturierung und Renaturierung
Doppelstrang-DNA
- Denaturierung: Spaltung bei Erhitzen (Schmelzen)
→ Aufbrechen der Wasserstoffbrücken
- Renaturierung: Zusammenlagern der Einzelstränge bei langsamen Abkühlen (Hybridisierung)
→ Wiederausbildung der Wasserstoffbrücken
Anwendung: PCR, Mutagenese, Southern blot Hybridisierung
Aufbau, Struktur, Funktion von RNA
Ribonukleinsäure:
RNS
(ribonucleic acid, RNA)
Bausteine:
Nukleotide
Jedes Nukleotid besteht aus 3 Bestandteilen:
- einer organischen Base:
A, G, C, U
- einem Zucker:
Ribose
- Phosphat
Adenin
Cytosin
Guanin
Uracil
Aufbau und Vorkommen der RNA
m-RNA
t-RNA
r-RNA
messenger-RNA (Boten-RNA):
transfer-RNA:
ribosomale RNA
entsteht beim Kopieren der Gene
transportiert Aminosäuren zu den
Bestandteile der Ribosomen
Ribosomen
Aminosäure
Unterschiede RNA - DNA
- Der Zucker ist eine Ribose (statt Desoxyribose)
- Die Base Thymin ist durch Uracil ersetzt
- RNA kann auch als Einzelstrang vorliegen
- keine Helix als Raumstruktur
Aufbau und Vorkommen der RNA
m-RNA
t-RNA
r-RNA
→ Translation
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen
Funktionen verschiedener Proteine
- katalytisch wirksame Proteine:
Enzyme
- Faserproteine:
Seide, Spinnengewebe
- Stützproteine:
Knorpel > Sülze, Knochenmatrix, Haare, Hautschuppen, Keratin
- Sehnenproteine:
Gelatine
- kontraktile Proteine:
Muskelproteine
- Transportproteine im Blut:
Albumine für den Fettsäuretransport
- Antikörper:
Gammaglobuline
- Sauerstoffbindende Proteine:
Hämoglobin, Myoglobin
- Bakterientoxine:
Botulinustoxin, Diphtherietoxin
- Kanalproteine:
Ionenkanäle
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen
Unterscheidung von Proteinen
- Größe:
Insulin 51 AS, Serumalbumin 584 AS
- Form:
globulär, fibrillär etc.
- Konformation:
einfach oder zusammengesetzt
- Lokalisation:
intra-/extrazellulär, zytosolisch oder in der Membran
- Funktion:
Enzyme, Membranproteine, Transkriptionsfaktoren etc.
- Sequenzverwandtschaft, Aufbau aus Domänen
→ kein stets sinnvolles Einteilungsschema vorhanden
Struktur
- Primärstruktur:
Aminosäuresequenz
- Sekundärstruktur: α-Helix, β-Faltblatt
- Tertiärstruktur:
räumliche Faltung der Aminosäurekette
- Quartärstruktur:
räumliche Struktur von Proteinkomplexen
Aufbau von Proteinen: Aminosäuren
Nicht-ionische Form
Geladene Form (Zwitterion) bei pH 7,4
Amino-Gruppe::
NH2 / NH3+
Säuregruppe:
COOH / COO-
Aminosäurerest:
R
Aufbau, Struktur, Funktion von Proteinen: Aminosäuren
Aminosäuren mit hydrophoben Resten
Bausteine
- 20 verschiedene Aminosäuren
Vorkommen
- Dipeptide
- Oligopeptide
Aminosäuren mit hydrophilen Resten
2-100 Aminosäuren
- Proteine (Eiweiße): > 100 Aminosäuren
saure Aminosäuren
basische Aminosäuren
Neutrale Aminosäuren
Aromatische Aminosäuren
Peptidbindung
Kondensationsreaktion
N
C
N-Terminus
C-Terminus
Peptidbindungen
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
WasserstoffbrückenBindung
Ionen-Bindung
DisulfidBrücke
hydrophobe
Wechselwirkung
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
Alpha-Helix
Struktur von Proteinen: Sekundärstruktur
Beta-Faltblatt
Struktur von Proteinen: Tertiär- und Quartärstruktur
Beispiel: Hämoglobin
Tertiärstruktur
Quartärstruktur
Enzyme
Enzyme:
'Biokatalysatoren'
Zelle = Fabrik, Zellorganellen = Maschinen, Enzyme = Arbeiter
- mehr als 2000 Enzyme bekannt
- Leberzelle: ca. 50 Millionen Enzymmoleküle
Eigenschaften
- Endung:
-ase
- Enzyme sind substratspezifisch und wirkungsspezifisch
- Enzyme wirken über einen Enzym-Substratkomplex
- Enzyme haben ein aktives Zentrum
- Enzyme lassen sich inaktivieren durch hohe Temperatur, pH-Wert-Änderung, Schwermetallionen
→ Denaturierung (= Verlust der Konformation)
Eigenschaften von Enzymen
Temperatur-Abhängigkeit
pH-Abhängigkeit
- Oxidation/Reduktionsreaktionen: Oxidoreduktasen oder Dehydrogenasen
Bsp.: Katalase, ADH
- Übertragen von funktionellen Gruppen: Transferasen
Bsp.: Aminotransferase
- Bindungsspaltungen: Hydrolasen und Lyasen
Bsp.: Peptidasen
- Verknüpfungsvorgänge: Ligasen
Bsp.: DNA-Ligase