DNA
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Biologie für Mediziner - Zellbiologie 1 - Zellkern Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Eukaryoten: Kompartimentierung Zellkern: Aufbau • umgeben von einer Doppelmembran • äussere Membran geht direkt in das endoplasmatische Retikulum über • Membranen sind von Kernporen durchsetzt • Karyoplasma (Kernplasma) enthält Chromatin und Nucleoli (Kernkörperchen) Zellkern: Funktion • Organisation der DNA (größter Teil im Kern lokalisiert) • Schutz der DNA • Ort der Replikation: Vervielfältigung der genetischen Information • Ort der Transkription: Ablesen der genetischen Information (Umwandlung DNA RNA) Zellkern angefärbt mit Fluoreszenzfarbstoff, der an DNA bindet Organisation der DNA • Länge der Gesamt DNA ausgestreckt pro Zelle ca. 1 m • Kerndurchmesser ca. 5 µm (5*10-6m) • DNA wird intensiv gefaltet mit Hilfe von DNA-Bindungsproteinen (Histone) • Komplex aus DNA und Histonen wird als Nukleosom bezeichnet • Nukleosomenfaden windet sich in Schleifen und bildet das Chromosom Nukleolus „Kernkörperchen“ • manche Zellen haben mehrere • membranlos • enthält DNA-Schleifen unterschiedlicher Chromosomen • DNA trägt Informationen für ribosomale RNA (Ribosomen: Orte der Proteinsynthese, bestehen aus Proteinen und RNA) • Ort der Synthese der ribosomalen RNA • teilweise Zusammenbau von ribosomalen Untereinheiten Nukleolus Kern Dogma der Molekularbiologie DNA Transkription RNA Translation Protein auch Ausnahmen bekannt (z.B. RNA-Viren) Rolle der Transkription • Information wird von DNA in RNA umgeschrieben • RNA kann den Zellkern verlassen • regulierbar: nicht die ganze Information der DNA muss verwertet werden • mehrfaches kopieren der Information ist möglich; Vervielfältigung DNA-Doppelhelix • Doppelhelix: zwei um gemeinsame Achse gewundene Polynucleotidstränge • Stränge sind komplementär und antiparallel • Basenpaarung: Adenin = Thymin Cytosin = Guanin • Zusammenhalt: Wasserstoffbrückenbindung und hydrophobe Wechselwirkungen der Basen Genetischer Code jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure TCACCAAGG DNA (kodierender Strang) AGTGGTTCC DNA (Matrizenstrang)* UCACCAAGG RNA Serin - Prolin - Arginin Protein Thymin (T) ersetzt in RNA durch Uracil (U) *codogener Strang, Minusstrang Mechanismus der Transkription • nur ein Strang wird transkribiert • Enzym: RNA-Polymerase • bindet an spezifische DNASequenzen (Promotoren) • Aufwinden des Doppelstranges • Anlagerung von komplementären RNA-Nukleotiden • Verknüpfung und Bildung einer messenger-RNA (mRNA), die sich vom DNA-Strang löst • Ablesen endet an spezifischen Basensequenzen (Stopp-Signale) oder durch Terminationsfaktoren Transport von mRNA Synthese von mRNA im Nukleus Proteinsynthese an Ribosomen (löslich oder an das ER gebunden) Transport von mRNA über die Doppelmembran des Zellkerns Kernporenkomplexe cytoplasmatische Seite nukleäre Seite elektronenmikroskopische Aufnahmen Kernporenkomplexe: schematisch • Kanal umspannt beide Membranen des Zellkerns • ermöglicht freie Diffusion von kleinen Molekülen (Ionen, Metabolite…) • Transport von grossen Molekülen (Proteine, mRNA) über spezifische Transportproteine • Dimensionen ~ 125 nm x 70 nm • 8-fache Symmetrie Translation • Übersetzung von Nukeleotidsequenz der mRNA in Aminosäuresequenz des Proteins am Ribosom • Aminoacyl-tRNAs lesen und übersetzen den genetischen Code • Ribosom: Ribonucleoprotein-Partikel aus kleiner und grosser Untereinheit katalysiert die Verknüpfung der einzelnen Aminosäuren Ribosom • • • • Komplex aus Proteinen und RNA zwei Untereinheiten cytoplasmatisch oder am ER gebunden Synthese zum grössten Teil im Nukleolus Eukaryotisches Ribosom S= Svedberg-Einheit (Sedimentationskoeffizient) Aminoacyl-tRNAs (tRNAs) • Ribonucleinsäure (RNA, die aus 80 Nukleotiden besteht • Kleeblattartige Struktur • vermittelt bei der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon auf der mRNA • Codon-Anticodon-Paarung Aminoacyl-tRNAs (tRNAs) • • • L-förmige 3D-Struktur CCA-Ende: Aminosäure-Beladungsstelle Anticodonschleife: Codon-Bindungsstelle t-RNA-Bindestellen am Ribosom 3 Bindungsstellen für t-RNAs • A: Aminoacyl: Bindungstelle für neue beladene t-RNA • P Peptidyl: Bindungsstelle für t-RNA mit naszierender Aminosäurekette • E Exit: Bindungsstelle für unbeladene t-RNA Mechanismus der Translation Peptidsyntheseschritt: Übertragung der Peptidylkette der P-Stelle auf Aminosäure der A-Stelle Antibiotika Antibiotika: Biologische Wirkstoffe zur Störung zentraler biochemischer Prozesse von Mikroorganismen möglichst ohne Schädigung des Wirtes Klassisches Beispiel: Penicillin (Alexander Fleming, 1928) Wirkung: inhibiert Zellwandsynthese (Eukaryoten haben keine Zellwand) Translation und Antibiotika Ribosomen Eukaryoten: 60S + 40S Untereinheiten Prokaryoten: 50S + 30S Untereinheiten Unterschiede des Apparates der Proteinbiosynthese zwischen Prokaryoten und Eukaryoten bieten Angriffspunkt für Antibiotika viele Antibiotika greifen in die Proteinbiosynthese ein Bsp: Streptomycin bindet an kleine 30S Untereinheit und hemmt Initiation der Translation Proteinsortierung • Proteine müssen an ihren korrekten Bestimmungsort gelangen • Cytosolische Proteine werden an löslichen Ribosomen synthetisiert • Membranproteine (Kanäle, Rezeptoren) und ausgeschüttete Proteine (z.B. Hormone, Antikörper ) gelangen an ihren korrekten Bestimmungsort über das Endomembransystem Endoplasmatische Retikulum Golgi-Apparat Endoplasmatisches Retikulum (ER) • • • • • • umfangreiches Kanalsystem aus fluiden Membranen „endoplasmatisch“ → im Cytoplasma „reticulum“ → Netz ER-Lumen ist durch eine Membran vom Cytosol getrennt ER-Membran geht direkt in die Kernhülle über zwei Bereiche: - glattes ER: trägt auf der dem Cytosol zugewandten Seite der Membran keine Ribosomen - rauhes ER: mit Ribosomen besetzt Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme des ER • • • Anfärbung der ER-Membran mit spezifischem Fluoreszenzfarbstoff Grösse des ER von Zelltyp zu Zelltyp unterschiedlich im Extremfall kann das ER grosse Bereiche des Cytoplasmas durchspannen Glattes ER elektronenmikroskopische Aufnahme • Calciumspeicher • Stoffwechselwege (Kohlenhydratstoffwechsel) • Entgiftung (Oxidation von Pestiziden und Drogen) • Synthese von Fettsäuren, Lipiden und Steroiden (Geschlechtshormone und verschiedene Steroidhormone der Nebennieren) • Zellen (Hoden, Eierstöcke), die Steroidhormone produzieren, besitzen grosse Mengen an glattem ER, Rauhes ER elektronenmikroskopische Aufnahme • cytoplasmatische Seite mit Ribosomen besetzt • Synthese von sekretorischen Proteinen • Synthese von Membranproteinen • Transport • Glykosylierung (Anheftung von Zuckerresten an Proteine) Golgi-Apparat • Benannt nach dem italienischen Pathologen Camillo Golgi (1844-1926) • Membranumgebene Hohlräume (Zisternen) • Beteiligt an Umwandlung, Sortierung, Lagerung und Konzentration von Stoffen • „Postamt“ der Zelle Golgi-Apparat unter dem Fluoreszenzmikroskop • Golgi-Apparat meist in der Nähe des Zellkerns lokalisiert • cis-Seite: Eingangsseite nahe dem ER, Transportvesikel aus dem ER treffen ein • trans-Seite: Ausgangsseite, Transportvesikel zur Membran oder anderen Kompartimenten schnüren sich ab Golgi-Apparat (grün) unter dem Fluoreszenzmikroskop Funktion des Golgi-Apparates • Posttranslationale Modifizierung von Proteinen (Glykosylierung, Anheftung von Fettsäuren, Phosphaten) • Synthese von Glykolipiden • Vesikelbildung zur Speicherung zum gezielten Transport von Proteinen zur Sekretion
