Struktur und Funktion der DNA Nucleotide
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Struktur und Funktion der DNA Wiederholung Nucleotide 2008V1 Nucleotide Nucleotide sind die Untereinheiten der Nucleinsäuren. Sie bestehen aus einer N-haltigen Base, einer Pentose und Phosphat. Die Base hängt am C-1 der Pentose Pentose. ZUCKER 2008V1 1 Basen der Nucleinsäuren Purinbasen: Imidazol Pyrimidinbasen: y GW2014 2008V1 Zucker (Pentosen) der Nucleinsäuren 1‘ 1‘ 5‘ 5‘ ()-Ribose (in Ribonucleinsäuren) Furan ()-Desoxyribose (in Desoxyribonucleinsäuren) Furanose Die Nummern der Kohlenstoffatome im Zucker enthalten einen Hochstrich. Man spricht daher z.B. vom “5-Strich-C-Atom“ (engl. 5 prime C atom) 2008V1 2 Nucleoside und Nucleotide BASE BASE + ZUCKER = NUCLEOSID ZUCKER BASE + ZUCKER + PHOSPHAT = NUCLEOTID BASE ZUCKER 2008V1 Nomenklatur der Nucleotide Base Nucleosid Abk. Adenin Guanin Cytosin Uracil Thymin Adenosin Guanosin Cytidin Uridin Thymidin A G C U T in DNA und RNA in DNA und RNA in DNA und RNA nur in RNA nur in DNA Nucleotide werden durch drei Großbuchstaben abgekürzt. Z.B.: AMP = Adenosin-Monophosphat dAMP = Desoxyadenosin-Monophosphat UDP = Uridin-Diphosphat ATP = Adenosin-Triphosphat 2008V1 3 Phosphate Phosphat ist normalerweise an die 5‘-Hydroxylgruppe gebunden. Es gibt Mono-, Di, und Triphosphate. Phosphat verleiht dem Nucleotid eine negative Ladung. 5´C-Atome der Pentose 1 Ester-Bindung z.B AMP z.B ADP 1 Ester und 1 Anhydrid-Bindung z.B ATP 1 Ester und 2 Anhydrid-Bindungen 2008V1 Struktur und Funktion der DNA 2008V1 4 Nucleinsäuren Nucleotide werden durch eine Phospho-Diesterbindung zwischen dem 5‘ und dem 3‘ C-Atom zu Nucleinsäuren verknüpft: 5‘-Ende der Kette BASE BASE ZUCKER BASE ZUCKER ZUCKER PhosphoDiesterbindung BASE ZUCKER Unter Abspaltung des Diphosphates von den Triphosphaten ! 3‘-Ende der Kette GW2014 2008V1 Die lineare Sequenz q der Nucleotide in einer Nucleinsäure wird durch einen Ein-Buchstaben-Code abgekürzt , das 5‘ Ende der Kette steht links. z.B. 5´- AGTATTGCTATGCGATTTGC-3´ GW2014 2008V1 5 Struktur der DNA 1953 Watson & Crick 05_02_DNA.jpg Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleins%C3%A4ure#Entdeckungsgeschichte 2008V1 GW2014 Komplementäre Basenpaare in DNA 05_06_compl_pairs.jpg 2008V1 6 DNA Doppelhelix 05_07_base pairing.jpg 2008V1 Einschnitt, Furche 05_08_major_minor_gr.jpg 2008V1 7 Nachweis, dass die DNA der Träger der Information ist smooth Oswald Avery, 1943 Streptococcus pneumoniae rough 05_03_Griffith.jpg GW2014 2008V1 05_04_Avery_MacLeod.jpg 2008V1 8 Übertragung der Information vom Gen auf Protein 05_10_Genes_info.jpg 2008V1 DNA - Replikation Prinzip der Komplementarität 2008V1 9 2008V1 Dauer ca. 8 Stunden GW2014 2008V1 10 06_02_DNA DNA Strang template.jpg als Matrize 2008V1 06_10_5prime_3prime.jpg Synthese : nur von 5´ nach 3´ 2008V1 11 DNA Replikation Figure 5-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 DNA Replikation 06_04_replic.rounds.jpg Nicht so in manchen Stammzellen! + GW2014 2008V1 12 Origin of replication (ORI) 06_05_replic.origin.jpg Replikations-Initiationsproteine öffnen Replikationsursprünge, dort entstehen Replikationsgabeln GW2014 2008V1 Figure 5-25 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 13 06_09_Replic.forks.jpg Replikationen in beiden Richtungen2008V1 !!! 06_10_5prime_3prime.jpg Synthese : nur von 5´ nach 3´ 2008V1 14 06_11_oppositepolarity.jpg DNA-Polymerase: Neue Nukleotide werden nur 3´angehängt !!! GW2014 2008V1 Figure 5-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 15 „STEPPSTICH“ von 5´ 3´-synthetisierten Stücken Okazaki-Fragmente 06_12_asymmetrical.jpg 2008V1 06_13_polymerase1.jpg Noch während der Synthese findet Korrekturlesen (proof reading) (p g) statt ! GW2014 2008V1 16 Detailierte Erklärung dafür auf YouTube http://www.youtube.com/watch?v=y4hKibS2fAo So geht´s ! Figure 5-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Lagging strand synthesis: 06_16_lagging strand.jpg Kurze RNA-Stücke dienen als Primer für die DNA A - Synthese S h RNA : Ribose statt dRibose 10 Nucleotide lang U statt T Von Primase synthetisiert Okazaki-Fragmente 2008V1 17 06_17_group proteins.jpg 2008V1 Siehe auch: http://www.youtube.com/watch?v=-mtLXpgjHL0 2008V1 18 Figure 5-25 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Verlängerung der DNA an den Enden der Chromsomen Telomerase GW2014 2008V1 19 Reparatur der DNA 2008V1 Mutationen als Ursache von genetisch bedingten Erkrankungen z.B. Sichelzellenanämie GW2014 2008V1 20 06_20_cancer_age.jpg 2008V1 06_21_Errors corrected.jpg Wie wird zwischen altem und neuem Strang unterschieden? 2008V1 21 06_22_DNA mismatch.jpg 2008V1 06_23_Depurination.jpg 2008V1 22 Contradictio in adiecto Figure 5-47 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Figure 5-48a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 23 06_24_radiation.jpg Überspringen der Pi-Eletronenwolken 2008V1 Figure 5-48b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 24 Table 5-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Übertragung der Information • von DNA auf RNA - Transkription • von RNA auf Protein - Translation 2008V1 25 Übertragung der Information vom Gen auf Protein 05_10_Genes_info.jpg 2008V1 Figure 6-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 26 Figure 6-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Transkription 2008V1 27 Chemische Unterschiede zwischen DNA und RNA 07_03_RNA _v_DNA.jpg 2008V1 A - U Basenpaar in RNA Figure 6-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 28 Sekundärstruktur einer RNA Figure 6-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Transkription der DNA in RNA Figure 6-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 29 RNA wird am nicht kodierenden (hier 3´- 5´ Strang synthetisiert Kodierender Strang coding strand + Strang sense Strang Non-template Non template strand (5‘) CGCTATGGCGTTT (3‘) (3‘) GCGATACCGCAAA (5‘) Nicht-codierender Strang noncoding strand - Strang Antisense Strang Matritzenstrang, template strand (5‘) CGCUAUGGCGUUU (3‘) RNA-Transkript 2008V1 Verschiedene Arten von zellulärer RNA Tausende Gene dafür bereits entdeckt! Table 6-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 30 RNA Polymerasen Table 6-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Mechanismus der Transkription durch RNAPolymerase 07_07_RNApolymer.jpg 2008V1 31 Figure 6-8b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 EM-Aufnahme der Transkription von 07_08_Transcript_EM.jpg zwei aufeinanderfolgenden Genen 2008V1 32 Transkription eines bakteriellen Gens 07_09_1_bacterial gene.jpg 2008V1 Start- und Stopsignale dergene.jpg Transkription 07_09_2_bacterial bei Bakterien Film: TATA binding protein; http://www.youtube.com/watch?v=6tqPsI-9aQA 2008V1 33 Transkription eines Abschnittes der bakteriellen DNA Figure 6-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 07_11_pores.nuc.envl.jpg Zellkern mit Kernporen 2008V1 34 Unterschiede bakterielle/eukaryontische mRNA polycistronisch Figure 6-22a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Cap-Struktur eukaryontischer mRNAs Figure 6-22b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 35 Vergleich 07_13_Eucar_v_bact.jpg bakterielles/eukaryontisches Gen Ausnahme: Histongencluster (5 Gene, keine Introns, kein Poly A Ende) 2008V1 Exons und Introns in zwei menschlichen Genen Figure 6-25 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 36 Sequenzen am Beginn und am Ende 07_15_end_intron.jpg eines Introns Film: RNA splicing; http://www.youtube.com/watch?v=4X8eK15R8yY 2008V1 Spleissen der RNA 07_16_RNA_chain .jpg Sieh auch: http://www.youtube.com/watch?v=4X8eK15R8yY Verzweigung der RNA beim Spleissen 2008V1 37 Alternatives Spleissen eines Gens Figure 6-27 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 07_20_Pro_v_Eucar.jpg Vergleich der eukaryontischen und nd der prokaryontischen Expression 2008V1 38 RNA Export 07_19_export_cytop.jpg 2008V1 Regulation der Transkription 2008V1 39 Verschiedene Expression einzelner Gene 2008V1 Regulation der eukaryontischen Genexpression 2008V1 40 Struktur der DNA im Kern 2008V1 Der DNA Doppelstrang wird zu Chromatin verpackt Histone + DNA bilden Nucleosome Nucleosome bilden Chromatin Fiber Chromatin Fiber wird weiter verpackt zum Chromosom 41 2008V1 Modifikationen von Aminosäuren in Histonen und Methylierung von DNA (Cytosin) beieinflussen Genexpression = EPIGENETIK HISTON Methylierung Acetylierung Phosphorylierung DNA (Cytosin) Methylierung Figure 4-44b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 42 Histon Modifizierungen Histon-Modifizierungen regulieren die Zugänglichkeit und damit Transkription (Expression) von Genen. 2008V1 Regulation der eukaryontischen Genexpression 2008V1 43 Wechselwirkung zwischen Genregulatorprotein (Transkriptionsfaktoren) und DNA 08_04_gene.reg.prot.jpg 2008V1 DNA Doppelhelix 2008V1 44 DNA-Bindungsmotive in Regulatorproteinen Basic Helix-loop-helix (bHLH) Proteins Zinkfinger Homeodomäne Proteine L Leucin i Zipper Zi 2008V1 Regulation eines Operons in Bakterien Figure 7-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 45 Genkontrolle durch Repressorproteine Figure 7-35 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Tryptophan Repressor: Strukturänderung Helix-turn-helix Figure 7-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 46 Genkontrolle durch Aktivatorproteine 08_08_activator.prot.jpg 2008V1 Lac-Operon E. Coli LacZ gene: ß-Galactosidase lactose galactose + glucose CAP: Catabolic activator protein zyklisches AMP (cAMP) 2008V1 47 Lac-Operon E. Coli Figure 7-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Transkription eines eukaryontischen Gens Figure 6-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 48 Interaktion des TATA-Box Bindungsproteins mit der TATA-Box Figure 6-18 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Genaktivierung durch Enhancer Figure 6-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 49 Genaktivierung bei Bakterien und Eukaryonten 2008V1 Mehrere regulatorische Sequenzen wirken auf ein Gen 08_15_Reg. proteins.jpg + mehrere Gene interagieren miteinander im Kern 2008V1 50 Kann auch in der 3´UTR liegen Siehe auch Superenhancers Figure 7-60 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 Figure 7-74 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 2008V1 51 08_22_cell.types.jpg 2008V1 EM-Aufnahme der Transkription von 07_08_Transcript_EM.jpg zwei aufeinanderfolgenden Genen Auf welcher Seite dieser Gene liegt die Promoterregion? 2008V1 52
