Kontrolle der Genexpression auf mRNA

Kontrolle der Genexpression auf
mRNA-Ebene
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
RNA interference (RNAi)
•  siRNA
•  (small interfering
RNA)
•  miRNA (micro
RNA)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Transcriptional silencing
Inhibition of translation
mRNA degradation
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Antibiotika sind oft Inhibitoren
der Genexpression
•  Inhibitoren der Transkription
Rifampicin, Actinomycin
α-Amanitin
•  Inhibitoren der Translation
Puromycin, Streptomycin,
Tetracycline, Chloramphenicol
Diphterie-Toxin
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Rifamycin & Rifampicin inhibieren
prokaryotische, aber nicht eukaryotische
RNA-Polymerasen
Rifampicin ist ein halbsynthetisches Derivat von Rifamycin B,
das von Streptomyces mediterranei produziert wird.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Actinomycin D
•  aus Streptomyces antibioticus
•  inhibiert DNA- und RNA-Polymerasen
•  Interkaliert zwischen Basenpaare der
dsDNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
α-Amanitin (Amatoxine)
•  aus Amanita phalloides
(Grüner Knollenblätterpilz)
•  Inhibiert v.a. eukaryotische
RNA-Polymerase II u. III,
aber nicht I, und nicht
prokaryot. RNA-Polymerasen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Puromycin
(inhibiert die Translation)
Bindet ohne EF-Tu die A-Stelle im Ribosom und es
wird ein Peptidylpuromycin gebildet.
Eine weiter Transpeptidierung kann nicht stattfinden.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Chloramphenicol
Bindet an die grosse Untereinheit und
inhibiert die Peptidyltransferase
Aktivität von prokaryotischen
Ribosomen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Tetracycline
Binden an die kleine Untereinheit
prokaryotischer Ribosomen und
verhindert die Bindung von AminoacyltRNAs.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Streptomycin
Streptomycin und andere
Aminoglycoside inhibieren die
Initiation (bei hoher Konzentration)
und verursachen bereits bei niedriger
Konzentration Fehleinbau
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Diphterie-Toxin
(inhibiert die Translation)
Diptherie-Toxin ist ein Protein aus
Corynebacterium diphteriae,
das in der infizierten Zelle in
zwei Fragmente gespalten wird.
Ein Fragment ist ein Enzym, das
ADP-Ribose auf ein modifiziertes
Histidin im EF-2 überträgt und
dadurch EF-2 inaktiviert.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Bioenergetik
&
Stoffwechsel
Thermodynamik
•  Erster Hauptsatz (Energie bleibt erhalten)
•  Zweiter Hauptsatz (Entropie nimmt zu)
Exergone / Endergone Reaktionen
Freie Enthalpie, Enthalpie und Entropie
ΔG
= ΔH – T·ΔS
‹0
›0
(exergone Reaktion)
(endergone Reaktion)
ΔG ist die Änderung der freien Enthalpie bis zum
Erreichen des Gleichgewichts, wenn die Konzentrationen
der Reaktanten und Produkte zu Beginn der Reaktion
gleich 1 mol/l sind (bei Gasen: 101,3 kPa)
Kriterium für die Spontanietät einer chemischen Reaktion
Biochemische Standardzustand
ΔGº
Standardzustand
(T=298K, P=101.3kPA, Konzentrationen = 1 mol/l, pH=0)
ΔG’º
Biochemische Standardzustand
(pH 7.0, [H+]=10-7 mol/l )
Spontanietät einer Reaktion
ΔH
ΔS
ΔG
= ΔH - TΔS
-
+
Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie
(exotherm) als auch seitens der Entropie begünstigt.
Sie läuft bei allen Temperaturen spontan (exergon) ab.
-
-
Seitens der Enthalpie ist die Reaktion begünstigt, die
Entropie wirkt aber dem entgegen. Sie läuft nur bei
Temperaturen niedriger als T = ΔH/ΔS spontan ab.
+
+
Die Reaktion ist seitens der Enthalpie gehindert
(endotherm), aber entropische beguenstigt. Sie läuft
nur bei Temperaturen oberhalb T = ΔH/ΔS spontan ab.
+
-
Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie als auch
Entropie gehindert (endergon). Sie läuft bei keiner
Temperatur spontan ab.
Gleichgewichtskonstante und ΔG
Die Freie Enthalpie ΔG einer chemischen Reaktion hängt
von den Konzentrationen ihrer Reaktanden und
Produkte ab:
a·A + b·B
ΔG
R ist die Gaskonstante
(8,315 J mol-1 K-1)
c·C + d·D
= ΔG’º + R·T·ln
ΔG’º
[C]c [D]d
[A]a [B]b
= - R·T·ln K’eq
tatsächlichen
Konzentrationen
im Gleichgewicht
Beziehung zwischen K‘eq und ΔG’º
S
P
ΔG’º = - R·T·ln K’eq
[P]
= - R·T·ln
[S]
K‘eq
ΔG’º (kJ / mol)
10-6
34.2
10-4
22.8
10-2
11.4
10-1
5.7
1
0.0
101
-5.7
102
-11.4
103
-17.1
Änderungen der
freien
Standardenthalpie
sind additiv
ΔG
Glucose + Phosphat
Glucose-6-Phosphat + H20
(kJ·mol-1)
13.8
ATP + H20
ADP + Phosphat
-30.5
_____________________________________________________
Glucose + ATP
Glucose-6-Phosphat + ADP
-16.7
Gleichgewichtskonstanten
gekoppelter Reaktionen
Keq(1) =
Keq(2) =
Keq(3) =
[Glucose-6-P]
[Glucose][P]
[ADP] [P]
[ATP]
= 3.9 · 10-3 mol-1 l
= 2.0 · 105 mol l-1
[Glucose-6-P] [ADP] [P]
[Glucose] [P] [ ATP]
= 7.8 · 102 mol-1 l
Der Stoffwechsel
(Metabolismus)
Übertragung und Speicherung
von Energie
Der Metabolismus
besteht aus vielen
gekoppelten Reaktionen
Katabolismus
Anabolismus
ATP – ADP Zyklus
Biosynthesen
Bewegung
Aktiver Transport
Signalverstärkung
Oxidation von
Brennstoffmolekülen
oder
Photosynthese
Die Freie Enthalpie der ATP-Hydrolyse in Zellen
ΔG
= ΔG’º +
[ADP] [P]
R·T·ln [ATP]
Beispiel: in Erythrocyten beträgt
[ATP] = 2,25 mmol l-1
[ADP] = 0,25 mmol l-1
[P] = 1,65 mmol l-1
ΔG = -30.5 J mol-1 + 8.315 J mol-1 K-1 ·298 K · ln
ΔG
(2.5 10-4)(1.65 10-3)
2.25 10-3
= -51800 J mol-1 =-51.8 kJ mol-1
Mg2+
Adenosintriphosphat (ATP)
Adenosindiphosphat
(ADP)
Adenosinmonophosphat
(AMP)
Biologische Redoxreaktionen
Messung des StandardReduktionspotentials
-
X + e- → X
+
H + e- → ½ H2
Negatives ReduktionsPotential:
X besitzt eine geringere
Elektronenaffinität als H2
Bedeutung der Standard-Reduktionspotentiale
Oxidierte Form
(Oxidationsmittel)
Reduzierte Form
(Reduktionsmittel)
Ein starkes ReduktionsMittel (zB NADH) gibt
leicht Elektronen ab
und besitzt daher ein
negatives Redoxpotental.
Sauerstoff (O2) ist ein
starkes Oxidationsmittel,
d.h. es nimmt bereitwillig
Elektronen auf und
besitzt daher ein positves
Redoxpotential.
Änderung der
freien Enthalpie:
ΔG’º = -nFΔE’º
Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD+)
reaktive Stelle
Bei der Oxidation eines
Substrates nimmt das
NAD+ zwei Elektronen
und ein Proton auf
(= ein Hydridion)
R = H : NAD+
R = Phosphat: NADP+
Flavin-adenin-dinucleotid (FAD)
Reaktive Stellen
Glucose
Stoffwechsel
Glykolyse, Milchsäuregärung und alkoholische
Gärung
Gärung
Glykolyse
vollständige
Oxidation
Glykolyse 1:
Phosphorylierung von Glucose
Mg2+
Glykolyse 2:
Isomerisierung von Glucose-6-phosphat
Glucosephosphat-Isomerase
Glucose-6-phosphat Glucose-6-phosphat Fructose-6-phosphat
Fructose-6-phosphat
Glykolyse 3:
Phosporylierung von Fructose-6-phosphat
PFK ist ein allosterisches Enzym, das die Geschwindigkeit
der Glykolyse bestimmt.
Glykolyse 4:
Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat
-
Glycerinaldehyd3-phosphat
(GAP)
Glykolyse 5:
Isomerisierung von Dihydroxyacetonphosphat
TriosephosphatIsomerase
-
Glycerinaldehyd3-phosphat
(GAP)
Struktur und Funktion der
Triosephosphat-Isomerase
(αβ)8-Barrel
Katalytische Mechanismus der
Triosephosphat-Isomerase (1)
Katalytische
Mechanismus
der
TriosephosphatIsomerase (2)
Katalytische Mechanismus der
Triosephosphat-Isomerase (3)
Zusammenfassung
“Vorbereitende Stufe” der Glykolyse