Überblick von DNA zu Protein
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Überblick von DNA zu Protein Biochemie-Seminar WS 04/05 Replikationsapparat der Zelle ¾Der gesamte Replikationsapparat umfasst über 20 Proteine z.B. DNA – Polymerase: katalysiert Zusammenfügen einzelner Bausteine zum DNA-Rückgrad, durch Bildung von Phosphodiesterbrücken DNA – Polymerase ¾ Katalysiert schrittweise Addition von Desoxyribonucleotideinheiten an DNA-Kette ¾ Neuer DNA-Strang wird direkt an DNA-Matrize gebildet ¾ Matrize kann Einzel- oder Doppel-Strang sein Einzelstrang: -Matrize muss an Primer mit freier 3`- OHGruppe gebunden sei - Reaktion benötigt aktivierte Vorläufer (dATP, dGTP, dTTP, dCTP) Reaktionsmechanismus der DNAVerlängerung ¾ Nucleophiler Angriff des 3`-OH-Primerendes auf innerstes Phosphoratom des neuen Desoxyribonucleosidtriphosphats ¾ Bildung einer Phosphodiesterbindung mit gleichzeitigem Abgang eines Pyrophosphats ¾ Hydrolyse des Pyrophosphats durch Pyrophosphatase Reaktionsmechanismus der DNAVerlängerung • Reaktion nur dann katalysiert, wenn Base des neuen Nucleotids komplementär zur der der Matrize ist DNA-Polymerase ist ein matrizenabhängiges Enzym • Viele DNA-Polymerasen haben zusätzlich Nucleaseaktivität Sie können Fehler in der DNA korrigieren und falsch eingebaute Nucleotide wieder entfernen ! DNA-Polymerasen tragen zu hoher Genauigkeit bei der DNA-Replikation bei Genexpression Genexpression: bedeutet Umsetzung der in der DNA enthaltenen Informationen in funktionale Moleküle ¾ Transkription von DNA-Informationen in RNA ¾ Translation von RNA in Proteine ¾ Der genetische Code Unterschiedliche Arten der RNA 1. Messenger- RNA: - Matrize für Proteinbiosynthese (Translation) 2. Transfer- RNA: -Transport von aktivierten AS zum Ribosom; Knüpfung von Peptidbindungen - für jede der 20 AS mindestens eine tRNA - tRNAs bestehen aus 75-Nucleotiden - kleinste RNA-Molekül 3. ribosomale- RNA: - Hauptbestandteil der Ribosomen - spielt bei Proteinbiosynthese sowohl strukturelle als auch katalytische Rolle Unterschiedliche Arten der RNA RNA-Polymerase katalysiert die Transkription Vorraussetzungen: ¾ Bevorzugt doppelsträngige DNA-Matrize ¾ Aktivierte Vorstufen: alle vier Ribonuclesidtriphosphate (ATP, GTP, UTP, CTP) ¾ Ein zweiwertiges Metallion: Mg, Mn RNA-Polymerase katalysiert die Initiation und Elongation einer RNA-Kette RNA-Synthese ähnlich wie DNASynthese ¾ Synthese in 5`- 3`Richtung ¾ Verlängerungsmechanismus: 3`- OH-Gruppe am Ende der wachsenden Kette greift innerstes Phosphoratom nucleophil an; Phosphodiesterbindung ¾ Synthese wird durch Hydrolyse von Pyrophosphat angetrieben Gegensätze zur DNA-Polymerase ¾RNA-Polymerase benötigt keinen Primer ¾RNA-Polymerase hat keine Nucleaseaktivität kann keine falsch gepaarten Nucleotide herausschneiden RNA-Polymerase erhält Instruktionen von DNA-Vorlage Das konnte dadurch bewiesen werden, ¾ dass die Basenzusammensetzung neu synthetisierter RNA, das Gegenstück der DNA-Matrize ist (durch Hybridisierungsversuche und Sequenzanalysen) Transkiptions-Beginn in der Nähe von Promotorstellen ¾ DNA-Matrize enthält Regionen, die als Promotoren bezeichnet werden ¾ Promotoren binden spezifisch die RNA-Polymerase ¾ Basensequenzen der Promotoren sind nicht alle identisch; besitzen aber übereinstimmende Merkmale, die sich durch eine idealisierte Consenssequenz darstellen lassen ¾ Nahezu alle Promotorsequenzen unterscheiden sich von der Consenssequenz nur in einer oder zwei Basen Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten ¾ Transkription eukaryotischer Gene wird zusätzlich von EnhancerSequenzen beeinflusst, die regulatorische und verstärkend wirken Transkriptions-Ende in der Nähe von Terminationsstellen • RNA-Polymerase bewegt sich entlang der DNA-Matrize und transkribiert einen der Stränge, bis Terminationsstelle erreicht ist • Bei E.coli lässt Stopp-Signal im neu synthetisierten RNA-Molekül Stamm-Schleife-Struktur entstehen Basenpaarung von Sequenzen, die sich komplementär sind • entstandene RNA löst sich von RNA-Polymerase, wenn dieser Haarnadelstruktur eine Kette von U-Resten folgt Transkriptions-Ende in der Nähe von Terminationsstellen ¾ andere Möglichkeit: RNA-Synthese wird von Rho-Protein beendet ¾ über die Termination der Transkription bei Eukaryoten ist nur wenig bekannt Fazit: In der DNA-Matrize sind getrennte Start- und Stoppsignale codiert Modifizierung der mRNA bei Eukaryonten ¾ das 5`-Ende wird mit einem Cap versehen ¾ das 3`-Ende mit einer Sequenz aus Adenylaten (Poly(A)-Schwanz) Funktion der tRNA ¾ tRNA fungiert bei der Proteinbiosynthese als Adaptermolekül (d.h. sie transportiert eine AS in aktivierter Form zum Ort der Proteinbiosynthese) ¾ Sie besitzt eine Aminosäureanheftungsstelle (für eine bestimmte AS) und eine Matrizenerkennungsstelle Funktion der tRNA ¾ die Carboxylgruppe der AS ist mit der 3`-OH-Gruppe des endständigen Adenosins der tRNA verestert ¾ diese Verknüpfung zu einer Aminoacetyl-tRNA wird von Aminoacetyl-tRNA-Synthetase katalysiert ¾ für jede der 20 AS gibt es mind. eine spezifische Synthetase ¾ die Matrizenerkennungsstelle ist eine Sequenz von drei Basenpaaren (Anticodon), die auf der mRNA komplementäre Sequenzen erkennen (Codon) Der genetische Code Eigenschaften: 1. Drei Nucleotide codieren eine AS 2. Der Code ist nichtüberlappend Der genetische Code 3. Der Code wird fortlaufend gelesen (keine „Zeichensetzung“) 4. Der Code ist degeneriert ; d.h. für die meisten AS gibt es mehr als ein „Codewort“ (es gibt 64 mögliche Tripletts und nur 20 AS; 61 codieren AS, 3 das Ende der Translation) Der genetische Code ¾ alle 64 Codons sind entschlüsselt ¾ die Anzahl der Codons für eine bestimmte AS korreliert mit der Häufigkeit ihres Auftretens in Proteinen (Methionin und Tryptophan 1mal; Leucin, Arginin und Serin 6 Codons) ¾ Codons, die die gleiche AS codieren, heißen Synonyme ! Die meisten Synonyme unterscheiden sich nur in der letzten Base des Tripletts (so codieren XYC und XYU immer für eine AS; XYG und XYA meistens die gleiche) Was ist der Sinn hinter der massiven Degeneriertheit des genetischen Codes? 1. - wäre er es nicht, würden 20 Codons AS codieren und 44 Kettenabbrüche bewirken Wahrscheinlichkeit für Mutationen, die zum Kettenabbruch führen wäre größer Entstehung inaktiver Proteine - Der Ersatz einer AS durch eine andere ist hingegen meist relativ harmlos ! Die Degeneriertheit minimiert die schädlichen Auswirkungen von Mutationen Was ist der Sinn hinter der massiven Degeneriertheit des genetischen Codes? 2. Aufgrund der Degeneriertheit des genetischen Codes, kann die Basenzusammensetzung über einen weiten Bereich variieren, ohne dass es zu veränderten AS-Sequenzen kommt (z.B. können DNA-Moleküle mit ganz unterschiedlichen GC-Gehalten trotzdem die gleichen Proteine codieren, wenn verschiedene Synonyme verwendet werden) Stoppsignale auf der mRNA ¾ Stoppcodons (z.B. UAA) werden nicht von tRNA-Molekülen gelesen, sondern von Freisetzungs- oder Terminationsfaktoren die Anbindung eines solchen Proteins an das Ribosom sorgt für die Ablösung des synthetisierten Proteins Startsignale auf der mRNA ¾ In Bakterien purinreiche Sequenz + AUG = Bindung von Formylmethionin Startsignale auf der mRNA ¾ Bei Eukaryonten erste AUG-Sequenz (sie wird von InitiatortRNA, die mit Methionin beladen ist, abgelesen) Der genetische Code ist nahezu universell ¾ z.B. exprimieren Bakterien rekombinante DNAMoleküle, die Proteine des Menschen enthalten (z.B. Insulin) ¾ eine Ausnahme bildet jedoch die mitochondriale DNA
