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Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
Wie wird dechiffriert?
4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide)
A C G T (U)
20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren)
Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg
Met Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile
Aminosäuren mit aliphatischer Seitenkette (hydrophob)
Hydroxylierte Aminosäuren
Basische Aminosäuren (mit positiver Ladung)
Saure Aminosäuren (mit negativer Ladung )
und deren Derivate
Aromatische Aminosäuren (hydrophob)
Helix-brechende Aminosäure
Schwefelhaltige Aminosäuren
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
Wie wird dechiffriert?
4 Buchstaben-Sprache der Nukleinsäuren (Nukleotide)
A C G T (U)
20 Buchstaben-Sprache der Proteine (Aminosäuren)
Phe Leu Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg
Met Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Gly Ile
Man kann sich verschiedene Möglichkeiten der Codierung vorstellen:
(1) 2er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 2er Gruppen: z. B. A T = Leu; CG = Asp
>> reicht nicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (42 = 16)
(2) 3er-Code = 4 Code-Buchstaben A C G T in 3er Gruppen: z. B. A T G = Met; GAG = Asp
>> reicht aus, um die 20 Aminosäuren zu codieren (43 = 64)
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
der nicht-überlappende
Triplett-Code wurde
letztendlich und zweifelsfrei
durch viele Experimente
nachgewiesen
(z. B. Deletions- und
Insertionsmutationen)
Umsetzung des genetischen Codes in Proteine
mRNA
Val
Ala
Tyr
Gly
der nicht-überlappende Triplett-Code wurde
durch Deletions- bzw. Insertionsmutationen
nachgewiesen:
Insertion
Val
Ala
Ser
Arg
(i) die Addition bzw. Deletion einer bzw.
zweier Basen verändert den Triplett-Code
Deletion
Val
Val
Pro
Ser
Arg
His
Glu
Gly
(ii) die Addition bzw. Deletion von drei Basen
verändert den Triplett-Code nicht
(iii) die gleichzeitige Addition und Deletion
einer Base verändert den Triplett-Code nicht
bei einem nicht-überlappenden Triplett-Code gibt es in der mRNA drei mögliche Triplett-Raster:
jeder Raster würde für eine andere Aminosäure-Sequenz codieren!!
Was legt den richtigen Raster fest?
5‘---U U C U C G G A C C U G G A G A U U C A C A G U ---3‘
Übersetzen
der drei
möglichen
TriplettRaster
in AminoSäuren
---Phe---Ser----Asp----Leu----Glu----Ile----His----Ser-----Ser---Arg----Thr----Trp----Arg----Phe----Thr---------Leu---Gly----Pro----Gly----Asp----Ser----Gln-------Legt das erste Codon in der mRNA (UUC) den Leseraster fest?
>>> in Wirklichkeit legt das erste AUG-Codon = Startcodon
innerhalb der mRNA den Leseraster fest
Wie wurde der genetische Code “geknackt“?
oder anders gefragt: welche Tripletts codieren für welche Aminosäure?
bakterieller Extrakt
bakterielle Extrakte mit allen Komponenten
für die Proteinsynthese außer mRNA
>> Zugabe von künstlicher mRNA
(z. B. homopolymere RNA)
synthetische mRN A
Polypeptid
>>> Proteinsynthese: welche Polypeptide?
durch die clevere Zusammenstellung von
Basen in heteropolymerer RNA konnten
weitere Tripletts geknackt werden
in Versuchen mit synthetischen Polynukleotiden
und Anbindung von spezifischen Aminoacyl-tRNA
Molekülen an Ribosomen wurde der gesamte
genetische Code Anfang der 60iger Jahre
aufgeklärt
(1) für 3 der 64 Codons gibt es keine Aminosäure
> >UAA, UAG, UGA =Stopcodons
(2) alle Aminosäuren außer Methionin (Met) und
Trypthophan (Trp) haben mehr als ein Codon
machmal bis zu sechs Codons: z. B. Serin (Ser)
>> genetische Code ist degeneriert, weil eine
bestimmte Aminosäure von mehr als einem Codon
spezifiziert wird
Aminosäure
Adapter
(tRNA)
Bindebereich
fürAminosäure
Francis Crick hat schon früh vermutet,
daß die tRNA die Rolle eines Adapters
spielen könnte, wobei ein Teil der tRNA
eine spezifische Aminosäure bindet und
ein anderer Teil der tRNA die TriplettSequenez (Codon) in der mRNA erkennt,
welche für diese Aminosäure codiert
Wie können tRNA-Moleküle diese Doppelrolle erfüllen?
>> liegt in der Struktur der tRNA begründet!!!
mRNA
für eine Aminosäure
codierendes
Nukleotid-Triplett
ACU = Codon
mI
3‘-OH AminosäureBindestelle
UH2
Y
5‘-P
UH2
mG
Seltene Basen
UH2
UH2
m2G
mG
(Ribose an C-5)
m2G
Y
mI
Anticodon
3‘-OH
AminosäureArm
tRNAs sind relativ klein und haben eine
Länge von 73 - 93 Nukleotid-Bausteinen
5‘-P
G
einzelsträngige und doppelsträngige
TYC-Schleife
DHU-Schleife
Abschnitte (50%ige Paarung)
> typische L-Struktur und Schleifen
tRNAs enthalten viele (7-15%) seltene Basen
wie Pseudouridin, Inosin, Dihydrouridin,
Methyl- und Dimethyl-Guanosin etc.
Extra-Arm
variabel
AnticodonSchleife
3.
2.
1.
wobble-Position
5‘-Ende hat meistens ein G und Phosphat
Basensequenz am 3‘-Ende ist immer CCA
Anticodon ist in der Anticodonschleife
Kleeblatt-Model
dreidimensional-gefaltete tRNA
Aminosäure-Arm
Aminosäure-Arm
Anticodon-Schleife
Anticodon
Anticodon-Schleife
Anticodon
tRNA-Moleküle haben in Wirklichkeit in ihrer 3-D Struktur
die Form eines auf den Kopf gestellten “L“
als Ergebnis der Röntgen-Strukturanalyse von kristallisierter tRNA konnte 1975 die 3-D-Struktur der
Phenylalanyl-tRNA von Hefe bestimmt werden
AA
AA
Anticodon
> CCA-Ende mit der Aminosäure-Bindestelle an einem Ende des „L“
Anticodon am anderen Ende des „L“
> alle tRNAs haben diese Struktur, wodurch die tRNA während der Proteinsynthese am
Ribosom ihre Adapter-Rolle erfüllen kann
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Transfer-RNAs
(A)
weis en intramolekulare Basenpaa rungen au f
(B)
tragen d as Anticodon am 3’-Ende (ihrer 3D-Struktur)
(C)
werden im Zytoplasma gebildet
(D)
benö tigen UTP, um eine A mi nosäur e zu b inden
(E)
enthalt en Desoxyr ibonuc leotide
3‘-ACC
Asp- 3‘-ACC
5‘
5‘
Anticodon für Asp
mRNA
5‘---------------G-A-T---------3‘
AspHis-3‘-ACC
Codon für Asp
Genauigkeit der Übersetzung des genetische Codes in
Proteine hängt ab von der Präzision der Beladung der
tRNAs mit der richtigen Aminosäure
Anticodon für His
5‘---------------C-A-T---------3‘
Codon für His
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
erkennen gleichzeitig Aminosäure
und dazugehörige tRNA
Asp +
tRNAAsp
ATP
Aminoacyl-tRNASynthetase
für jede Aminosäure gibt es eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase
Asp-tRNAAsp
Aminoacyl-AMP
1. Aktivierung der Aminosäure
ATP
Aminosäure
2. Übertragung der Aminosäure auf die tRNA
(Klasse II-Synthetasen)
PPi
3‘
Aminoacyl-tRNA
Aminosäure + tRNA + ATP
5‘-Aminoacyladenylat
(Aminoacyl-AMP)
Aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi
AA-RS
DGo‘ = -29 kJ mol-1
Kristallstruktur der Glutaminyl-tRNA-Synthetase mit gebundener Glutaminyl-tRNA
für die Erkennung der richtigen tRNA
durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase
können verschiedene Strukturen innerhalb des tRNA-Moleküls beteiligt sein
tRNA
3‘-Ende
Erkennungsbereiche von tRNA-Molekülen, die für
die Bindung an Aminoacyl-tRNA-Synthetasen und
Beladung der richtigen Aminosäure notwendig sind
ATP
Anticodon
AminoacyltRNA-Synthetase
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Fragen aus der schriftlichen Physikumsprüfung
Cystein
Alanin
+Ni(H)
Anticodon
für Cystein
mRNA
Anticodon für Cystein
Codon für Cystein
wird nachträglich die Aminosäure einer bereits beladenen tRNA chemisch umgewandelt, wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure ins Protein eingebaut
d. h. auf der Stufe des Ribosoms kann eine falsch aminoacylierte tRNA nicht mehr
ausgesiebt werden!!!!
es gibt bei den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ein Korrektur-Lesen, um das
Einbauen falscher Aminosäuren zu verhindern
Die tRNA entziffert die mRNA über die Codon::AnticodonWechselwirkung mit Hilfe der Basenpaarung
Paarung zwischen Codon::Anticodon bedeutet
gegenseitige Ausrichtung der RNA-Moleküle
in antiparalleler Weise
5‘-------3‘ (mRNA)
3‘-------5‘ (tRNA)
(d.h. erste Base des Codons paart mit dritter Base
des Anticodons etc.)
bei typischer Watson::Crick-Paarung (A::U; G:::C)
zwischen Codon und Anticodon müßte es 61
verschiedene tRNA-Spezies geben (43 = 64 - 3 Stopcodons),
welche für 20 Aminosäuren codieren
!!! es gibt aber viel weniger tRNAs (ca. 40) !!!
zahlreiche tRNAs können mit ihrem Anticodon
mehr als ein Codon lesen
= Wobble-Paarung (“wobble“ = wackeln)
Nichtstandard-Wobble Basenpaarungen
Cytosin
1. Die ersten beiden Basen des Codons in der
mRNA bilden stets starke Watson-Crick-Paare
aus und tragen daher am meisten zur Spezifität
der Codierung bei
Inosin
Adenin
2. Die erste Base einiger Anticodons (= 3. Base
im Codon= wobble Position) bestimmt die Anzahl
der Codons, die von einer gegebenen tRNA
gelesen werden können
Inosin
3. Auf der Wobble-Position bilden sich häufig
Uracil
Nichtstandard-Watson-Crick-Paarungen aus
4. Auf Grund der Wobbel-Hypothese
können
Inosin
die 61 Codons, die für 20 Aminosäuren codieren,
von weniger als 61 tRNAs gelesen werden
Uracil
Guanin
Die Wobbel-Hypothese
Anticodon
tRNA
mRNA
Ribosom