DNA

Dr. Jens Kurreck
Otto-Hahn-Bau, Thielallee 63, Raum 029
Tel.: 83 85 69 69
Email: [email protected]
1
Prinzipien genetischer
Informationsübertragung
„
Berg, Tymoczko, Stryer:
Biochemie
5. Auflage, Kapitel 5
„ Nelson, Cox:
Lehninger Biochemie
3. Auflage, Teil IV.
2
DNA ist Träger der
genetischen Information
„
„
„
Pnemokokken mit
Polysaccharidkapsel sind
für eine Maus tödlich
Pnemokokken ohne
Polysaccharidkapsel sind
für eine Maus unschädlich
Hitzeinaktivierte
Pneumokokken mit
Polysaccharidkapsel sind
ebenfalls unschädlich
3
DNA ist Träger der
genetischen Information
„
Gibt man hitzinaktivierte, virulente Bakterien zu
lebenden nicht-virulenten Bakterien, so stirbt die
Maus. Es muss einen Transformationsfaktor
geben, der die avirulenten Bakterien virulent
werden lässt (Frederick Griffith).
4
DNA ist Träger der
genetischen Information
„
„
Avery, MacLeod und McCarty identifizierten den
transformierenden Faktor:
Isoliert man DNA aus hitzeinaktivierten virulenten
Bakterien und gibt sie zu avirulenten Bakterien, so
entstehen virulente Bakterien.
5
DNA ist Träger der
genetischen Information
„
Hershey und Chase bestätigten
die Ergebnisse:
„
„
Im Bakteriophagen T2 wurden
entweder die DNA mit 32P oder
die Proteine mit 35S markiert.
Infiziert man Bakterien mit den
Phagen, die dann wieder entfernt
werden, so verbleibt nur in dem
Ansatz mit 32P-markierten Phagen
Radioaktivität im Bakterium, die
genetische Information wurde
mit der DNA weitergegeben.
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Weitergabe der genetischen Information:
Semikonservative Replikation
N und 15N-markierte
DNA-Stränge lassen sich
in der
Dichtegradientenzentrifugation trennen.
E. coli Bakterien wurden
zunächst in Medium mit
15N wachsen gelassen und
dann in Medium mit 14N
überführt.
„ 14
„
7
Weitergabe der genetischen Information:
Semikonservative Replikation
„
Generation 0:
„
„
15N
Generation 1:
„
„
1 Bande bei
1 Bande zwischen
14N
15N
und
Generation 2:
„
2 Banden, zwischen15N und
14N und bei 14N
8
Weitergabe der genetischen Information:
Semikonservative Replikation
„
Interpretation der
Experimente von
Meselson und Stahl:
„
„
„
In der Generation 0 lag nur
15N DNA vor
In der Generation 1 lagen
Hybride vor: 1 Strang 14N,
1 Strang 15N
In der Generation 2 liegen
Hybride und reine 14N DNADoppelhelices vor.
9
Weitergabe der genetischen Information:
Semikonservative Replikation
„
Die Weitergabe der
genetischen Information
erfolgt durch semikonservative
Replikation:
„
„
Jeder Strang einer DNA dient als
Matrize eines neuen Stranges
Jede neu entstandene DNADoppelhelix enthält einen alten
und einen neuen Strang
10
DNA Polymerasen
„
„
„
Die DNA-Replikation erfolgt durch DNA
Polymerasen
DNA-Polymerasen katalysieren die Addition von
Desoxynukleotideinheiten an eine DNA Kette
Der neue Strang wird in 5‘→3‘ Richtung an einer
bereits existierenden Matrize gebildet.
11
DNA Polymerasen
„
„
Nukleophiler Angriff der 3‘ OH-Gruppe auf das innerste
Phosphats eines dNTPs
Knüpfung einer Phosphodiesterbindung unter Freisetzung
von Pyrophosphat, das hydrolysiert wird.
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Genexpression
„
„
Genexpression: Umsetzung der in der DNA
enthaltenen Information in funktionale
Moleküle
Hierbei spielen verschiedene RNAs eine
Rolle
13
RNA Polymerasen
„
„
Zellluläre RNAs werden von RNA-Polymerasen
synthetisiert
Die Synthese von RNA anhand einer DNA-Vorlage
wird als Transkription bezeichnet.
Struktur der RNA Polymerase
14
Transkriptionsmechnismus
„
Die Transkription einer RNA von DNA ähnelt der
DNA Replikation:
„
„
„
Die Reaktion erfolgt matrizenabhängig
Synthese verläuft in 5‘ → 3‘ Richtung
Die 3‘OH Gruppe greift das innerste Phosphat des
neuen Nukleotids nukleophil an.
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Matrizenstrang und
kodierender Strang
„
„
Die mRNA ist komplementär zum
Matrizenstrang.
Die Sequenz der mRNA entspricht der
Sequenz des kodierenden Stranges, nur ist
T durch U ersetzt.
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Proteinsynthese
„
„
„
Die Biosynthese der Proteine
wird als Translation
bezeichnet
Die mRNA fungiert als Matrize
für den Polypeptidstrang
Der Adapter, der Aminosäuren
zur Matrize transportiert ist die
transfer RNA (tRNA)
Struktur der Phenylalanin tRNA
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Aminoacyl tRNA
„
„
Das 3‘ Ende der tRNA
wird mit der
Aminosäure verknüpft
Es entsteht die
Aminoacyl tRNA
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Codon / Anticodon-Wechselwirkung
„
„
Die tRNA erkennt die
Matrize über eine
Sequenz von drei Basen,
das Anticodon
Das Anticodon ist
komplementär zu drei
Basen der mRNA, dem
Codon
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Der genetische Code
„
„
„
„
Drei Nukleotide kodieren eine Aminosäure
Der Code ist nicht überlappend
Die Sequenz wird fortlaufend ohne
‚Zeichensetzung‘ abgelesen
Der genetische Code ist degeneriert:
„
64 mögliche Codons kodieren für 20 Aminosäuren
20
Der genetische Code
21
Das zentrale Dogma der
Molekularbiologie
„
„
Replikation: Verdoppelung der
DNA
Fluss der genetischen
Information von der DNA über
die RNA zum Protein:
„
„
Transkription: In der DNA
kodierte Information wird in RNA
umgeschrieben
Translation: In der mRNA
enthaltene genetische Botschaft
wird in Aminosäuresequenz
umgesetzt.
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Reverse Transkription
„
„
Bei einigen Viren ist die genetische Information nicht in
der DNA, sondern in der RNA gespeichert
Eine Klasse der RNA-Viren sind Retroviren, bei denen die
RNA mittels der reversen Transkriptase in RNA
umgeschrieben wird.
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Retroviren
„
„
Retroviren (z. B. HIV)
besitzen RNA-Genome
Nach Infektion der
Wirtszelle wird die RNA
in virale DNA
umgeschrieben und
anschließend in das
Wirtsgenom integriert.
24
Erweiterung des zentralen Dogmas
„
Die Entdeckung, dass
einige Viren eine RNA
als Matrize zur Synthese
von RNA und DNA
nutzen, machte eine
Erweiterung des
zentralen Dogmas der
Molekularbiologie
notwendig.
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Fluss der genetischen Information
Traditionelle Sichtweise:
Information
DNA
RNA
Protein
Biokatalyse
26
Katalytisch aktive RNA Moleküle
„
Einige RNA Moleküle katalysieren Reaktionen,
beispielsweise die Verknüpfung zweier Exons.
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Ribozyme
Ribozyme sind katalytisch aktive
Nukleinsäuremoleküle.
Für die Entdeckung von Ribozymen wurden T. Cech
und S. Altman 1989 mit dem Chemie-Nobelpreis
geehrt.
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Paradigmenwechsel
Neue Sichtweise:
Information
DNA
Protein
Biokatalyse
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RNA Welt Hypothese
Hypothese, der zufolge RNA
das dominierender Molekül in
der Frühphase der Evolution
war. RNA konnte Information
speichern und replizieren.
Später entstand die von DNA
und Proteinen dominierte Welt.
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Prinzipien genetischer
Informationsübertragung
„
„
„
„
„
„
DNA ist der Träger der vererbbaren genetischen
Information
Die Weitergabe der genetischen Information
geschieht über semikonservative Replikation
DNA Polymerase katalysieren die matrizenabhängige
Synthese neuer DNA Stränge
RNA Polymerase transkribieren die zellulären RNAs
tRNAs transferieren bei der Proteinbiosynthese
(Translation) Aminosäuren zur mRNA
Das zentrale Dogma der Molekularbiologie kennt
Ausnahmen
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