Biochemie I_9

Posttranskriptionale RNA-Prozessierung
Spaltung
Modifikation
+
G
Q
Spleissen
Editing
+
U
UUU
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Prozessierung einer prä-tRNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Eukaryotische messenger-RNA
• Cap-Nukleotid am 5’-Ende
• Polyadenylierung am 3’-Ende
• u.U. nicht-codierende Bereiche
(Introns)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Spleißen von prä-mRNA
Viele Protein-codierende Gene
in Eukaryoten sind durch
nicht-codierende Abschnitte
(Introns) unterbrochen.
Beim Spleißen werden die
Introns entfernt und die
codiernde Abschnitte (Exons)
verknüpft.
Transkription
Addition vom Cap und
Poly(A)-Schwanz
Primär-Transkript (prä-mRNA)
Spleißen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Spleißen von prä-mRNA
• Im Kern von eukaryotischen Zellen
• Spleißosom erkennt die Introns und
katalysiert die Spleißreaktion
• Das Spleißosom besteht aus ca. 100
verschiedenen Proteinen und 5 snRNAs
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das Spleißosom
• Die snRNAs und die meisten Proteine
bilden stabile RibonukleoproteinKomplexe, die snRNPs (small nuclear
ribonucleoprotein particle)
• Für jede Spleißreaktion muss das
Spleißosom neu gebildet werden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das Spleißosom
U1
snRNP
U1
snRNP
EXON 1
U4
U6
U4/U6.U5
snRNP
U2AF 35
SF1/
mBBP
EXON 1
EXON 2
EXON 2
U2AF 65
EXON 2
GUAUGU
UACUAAC
Py
AG
EXON 2
U5
EXON 2
U2
U2 snRNP
U2 snRNP
N
1
EXON 1
EXON 1
SR
U1
EX
O
U1
snRNP
+
EXON 1
EXON 2
mRNA
pre-mRNA
Intron-Lariat
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Erkennung der 5’-SpleißStelle durch das U1 snRNP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das Spleißen von prä-mRNA erfolgt
in zwei Schritten
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Alternatives Spleißen erhöht die Zahl
möglicher Proteinprodukte
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Selbst-spleißende Introns
Erstmals entdeckt für eine prä-rRNA in Tetrahymena
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Struktur einer
selbst-spleißenden
RNA
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des
Spleißens in einer
selbst-spleißenden
RNA
1. Bindung eines
Guanosin-Nukleosids
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des
Spleißens in einer
selbst-spleißenden
RNA
2. Durch nukleophilen Angriff
der 3’-OH des Guanosins wird
die Phosphodiester-Bindung
an der 5’-Spleißstelle gespalten
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus des
Spleißens in einer
selbst-spleißenden
RNA
3. Die nun freie 3’-OH Gruppe
des 5’-Exons kann die Phosphodiester-Bindung an der
3’-Spleißstelle nukleophil
angreifen, spalten und somit
die beiden Exons verbinden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Selbst-spleißende RNAs
• Introns der Gruppe I
im Zellkern, sowie
in den Mitochondrien und Chloroplasten
verschiedener Eukaryoten (aber nicht in
Wirbeltieren)
• Introns der Gruppe II
in den Mitochondrien und Chloroplasten von
Pilzen und Pflanzen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Vergleich der Spleiß-Mechanismen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
RNA - Welt
• RNA kann komplizierte 3D-Strukturen
ausbilden (RNA-Faltung) und spezifisch
kleine Moleküle binden
• RNA besitzt katalytische Aktivität
→ RNAs waren die ursprünglichen
Katalysatoren in der prä-zellulären Zeit
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Translation
(Protein-Synthese)
Basen-Sequenz
der mRNA
AS1
AS2
AS3
AS4
Aminosäure-Sequenz
des Proteins
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Genetische Code
• Basen-Triplett codiert für eine
Aminosäure oder Stop
• 64 Codons
60 für Aminosäuren
3 für Stop
1 Methionin-Codon ist immer das
Start-Codon
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Für die Protein-Biosynthese werden die
Aminosäuren an tRNAs gebunden
Die mRNA Codons werden durch
komplementäre tRNA Anticodons
erkannt
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Manche tRNAs erkennen mehr als ein Codon
(Wobble-Basenpaarung)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Bei der Protein-Biosynthese ist
die wachsende Polypeptidkette
immer an eine tRNA gebunden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Struktur der tRNAs
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Aminoacyl-tRNA Synthetasen aktivieren
Aminosäuren durch Bindung an tRNA
Aminosäure + tRNA + ATP
Aminoacyl-Adenylat + tRNA + PP
Aminoacyl-tRNA + AMP + PP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Es gibt 20 verschiedene Aminoacyl-tRNA
Synthetasen
GlutaminyltRNA-Synthetase
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die meisten Aminoacyl-tRNA Synthetasen
haben einen Korrekturlese-Mechanismus
(proofreading)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Translation und
Polypeptid-Synthese
finden am Ribosom
statt.
Mehrere Ribosomen
Können gleichzeitig
eine mRNA translatieren:
POLYRIBOSOM bzw.
POLYSOM
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Ribosomen bestehen aus einer großen
und einer kleinen Untereinheit
Abb. aus Stryer
(5th4-32
Ed.)
Figure
Die Übersetzung des genetischen Codes
Figure 4-20
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die drei Phasen der Translation
• Initiation
Erkennung des Start-Codons durch den
Initiationskomplex
• Elongation
pro Zyklus wird die wachsende Polypeptidkette um
eine Aminosäure verlängert
• Termination
Erkennung des Stop-Codons, Dissoziation
des Komplexes
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Wo ist der Startpunkt für die
Translation auf der mRNA ?
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
In Prokaryoten befindet sich vor dem
Start-Codon eine konservierte RibosomenBindungstelle (Shine-Dalgarno Sequenz)
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
In Prokaryoten ist die Start-tRNA mit
einem modifizierten Methionin beladen
N-FormylMethionin
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Bei der INITIATION bindet
die kleine RibosomenUntereinheit mit Hilfe von
drei Initiationsfaktoren und
der fMet-tRNA an die mRNA.
Anschliessend bindet die
große Untereinheit an den
Initiationskomplex und bildet
das aktive Ribosom.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim ersten Schritt der ELONGATION befindet sich
die tRNA mit der ersten Aminosäure bzw. die tRNA mit
der Polypeptidkette in der P-Stelle.
Die nächste Aminoacyl-tRNA bindet mit Hilfe von
Elongationsfaktor-Tu (EF-Tu) in der A-Stelle, wobei ein
GTP verbraucht wird.
EF-Tu
GTP
Es gibt 3 tRNA-Bindungstellen:
P = Peptidyl-Stelle, A = Akzeptor-Stelle, E = Ausgang-Stelle
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim zweiten Schritt der ELONGATION wird die
Peptidbindung gebildet, wobei die Aminosäure von der
tRNA in der P-Stelle auf die Aminoacyl-tRNA in der
A-Stelle übertragen wird.
E
P
A
P = Peptidyl-Stelle, A = Akzeptor-Stelle, E = Ausgang-Stelle
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Beim dritten Schritt der ELONGATION,
der sog. Translokation, wandert das
Ribosom ein Codon auf der mRNA weiter,
wobei die tRNA von der P-Stelle in
Die E-Stelle, und die Aminoacyl-tRNA
Von der A-Stelle in die P-Stelle
Verschoben wird.
Die Translokation erfordet Energie,
die der Elongationsfaktor G durch
Spaltung von GTP bereit stellt.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Im letzten Schritt der ELONGATION verläßt die
tRNA die E-Stelle und das Ribosom kann die
nächste Aminoacyl-tRNA aufnehmen.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Pro ELONGATION-Zyklus werden 2 GTP zu GDP hydrolisiert
EF-Tu
GTP
EF-Tu
GDP
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die EF-G Struktur ähnelt dem EF-Tu – tRNA Komplex
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Mechanismus der Translokation
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Termination
Es gibt keine komplementäre tRNAs zu den Stop Codons
(UAA, UGA, UAG).
Erreicht das Ribosom ein Stop Codon binden mehrere
Release Faktoren (RF), das Ribosom dissoziert und
das neu-synthetisierte Protein wird nach Abspaltung
von der tRNA freigesetzt.
Bei der Termination wird ein GTP zu GDP hydrolisiert.
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Elektronenmikroskopie zeigte die Existenz
der A-, P- und E- tRNA-Bindungsstellen
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die verschiedenen Ribosomen-Komplexe
können im Elektronenmikroskop beobachtet werden
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Durch Röntgenkristallographie wurden die
Strukturen der großen und kleinen Untereinheit
als atomare Modelle bestimmt
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die Faltung der
16S rRNA
im Ribosom
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Die tRNA Bindungstellen in der Kristallstruktur
Abb. aus Stryer (5th Ed.)
Das katalytische Zentrum des Ribosom besteht
nur aus RNA !
Abb. aus Stryer (5th Ed.)