DNA

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Polypeptidketten und die daraus folgenden Struktur des Proteins (Quartärstruktur) Funktion: Enzyme (Katalyse von Stoffwechselreaktionen im Organismus), Transportproteine (Stofftransport in der Membran und Körperflüssigkeiten), Immunproteine (Abwehr von Infektionen), Regulatorproteine (Regulation von Stoffwechselvorgängen; An und Abschalten von Genen) H DNA als Träger der Erbinformation: Experiment von Griffith und Avery: - S- Pneumokokken Stamm: ,,glatt", Schleimkapsel (Schützt die Bakterien), krankheitserregend = Pathogener Stamm - P- Pneumokokken Stamm: ,,rau", keine Schleimkapseln, nicht Krankheitserregend = nicht pathogener Stamm Transformation: Aufnahme freier DNA in ein Bakterium oder eine andere Zelle Guanin R-Bakterien R-Bakterien N Adenin 3'-Ende R- und S- Bakterien OH Zucker Abb. 126.2 Zwei Paarungen der DNA mit Wasserstoffbrücken (gestrichelt) Zucker 5'-Ende CH₂ Phos phat Phos phat Die Replikation der DNA: - in der Interphase des Zellzyklus wird die DNA identisch verdoppelt (Replikation) - Der DNA-Doppelstrang öffnet sich, an den freien Strängen lagern sich komplementär Nucleotide an, es entstehen zwei neue DNA- Stränge (semikonservative Replikation) - Der Elternstrang dient als Vorlage und bleibt komplett erhalten (konservative Replikation) Meselson-Stahl- Experiment: züchten Bakterien in einem Nährmedium das Isotop N15 - N15 lassen sich von N14 trennen durch Zentrifugieren - Zentrifugation sind N15 weiter unten Ergebnis semikonservative Replikation XXXXX Elterngeneration (P 14 1. Filialgeneration (FJ HA 1. Filialgeneration (F 2. Fillalgeneration (F) 2. Flageneration (F semikonservativ konservativ bb. 4.13: Denkbare Mechanismen der Replikation DNA-olierung aus Bakterien un Dichtensifugation Obertragen der Bakterien ONA-Isolierung aus Bakterien und Dichterererupation Obertragen der Bakteries ONA-Isolierung aus Bakterien und Dichterentrifugation schwere DNA mittelschwere DNA (NN) leichte DNA (N) mittelschwere DNAN/N) Abb. 414. MESELSON-STAHL-Experiment, A-C Versuchsansätze Molekularer Mechanismus der DNA- Replikation: Die Helicase trennt die beiden DNA-Stränge an der Replikationsgabel reißverschlussartig auf. An den Einzelsträngen katalysiert die Primase die Synthese eines kurzen komplementären RNA- Stückes. Diese RNA-Primer dienen der DNA-Polymerase als Startmolekül zur Synthese eines neuen Komplementären Einzelstranges. Die DNA-Polymerase kann Nucleotide nur in 5'-.3' Richtung verknüpfen. Da die beiden DNA-Stränge antiparallel sind, erfolgt die Polymerisation nur am Leitstrang (dem 3'--.5'-Strang) kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel, während sie am Folgestrang diskontinuierlich über Okazaki-Fragmente von der Replikationsgabel fort erfolgt. Die DNA-Polymerase knüpft an die neuen RNA- Primer Nucleotide und bildet so ein Okazaki- Fragment. Trifft die DNA-Polymerase auf einen alten Primer, so beendet sie die Synthese des OKAZAKI- Fragments. Anschließend wird der RNA-Primer durch eine andere DNA-Polymerase entfernt und durch neue DNA-Nucleotide ersetzt. Abschließend verbindet die DNA-Ligase die einzelnen OKAZAKI-Fragmente zu einem durchgehenden Strang. - DNA- Strang dient als Vorlage (Matrize) Nucleosidtriphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP) als energiereiche Bausteine für die Bildung des neuen DNA- Stranges Startmolekül (Primer), an die die ersten Nucleotide geknüpft werden Enzyme mit spezifischer Funktion: Helicase: Entwindung der DNA, trennt den DNA- Doppelstrang in Einzelstränge; Primase: Bildung/ Synthese von Primer; DNA- Polymerase: heftet Nucleotide an das 3'-Ende des Primers; entfernt die RNA- Nucleotide der Primer und ersetzt sie durch DNA-nucleotide, Verknüpfung der Nucleotide; Ligase: verknüpft die aufeinander folgenden Okazaki- Fragmente des Folgestrangs Helicase - Proteinbiosynthese: ITDAY Bewegungs- richtung der Replikations- gabel Abb. 4.16: Molekularer Mechanismus der DNA-Replikation RNA- polymerase: - Leserichtung 3¹-5¹ - Syntheserichtung 5'-3' DNA-Entwindung neu hinzukommendes RNA-Nucleotid Verlängerung der RNA Richtung der Transkription DNA- Polymerase DNA-Rückwindung Primer Primase DNA-Polymerase -Promotor- region Transkription: Eukaryoten Ort der Transkription: Zellkern Bindung der RNA- Polymerase an einer spezifischen DNA- Sequenz (Promotor) Blasenartige Öffnung der DNA hinter der Promotor- Region. Die Doppelstränge der DNA liegen nun getrennt vor. RNA- Synthese: nur einer der beiden Stränge, die DNA- Matrize (=Codogener Strang) wird abgelesen. Die RNA- Polymerase lagert hierzu komplementär zum codogenen Strang Nukleotide in 5'-3'- Richtung an. Dazu benötigt die RNA-polymerase keinen Primer. Die neu gebildete RNA löst sich von der DNA, während die RNA- polymerase weiterwandert und dabei immer neue Nucleotide an das 3'-Ende der mRNA anlagert. - Die Transkription endet, wenn die RNA- Polymerase auf den Terminator stößt. - Das Enzym löst sich vom codogenen Strang und setzt die mRNA frei. Abb. 4.21: Schema der Transkription DNA-Matrizenstrang Okazaki- Fragment RNA-Polymerase Nucleosidtriphosphate mRNA nPP لكهمه Leitstrang Replikations- richtung RNA-Nucleotide 5'-Ende Folgestrang MY Replikations- richtung DNA- Poly- merase DNA- Nucleotid Ligase Translation: Ribosomen bestehen aus einer großen und kleinen Untereinheit. Die mRNA lagert sich an einer bestimmten Sequenz, der Ribosomenerkennnungssequenz, an die kleine Untereinheit. Sie wandert dann in Richtung 3-Ende der mRNA, bis sie auf ein Start-Codon (AUG) trifft. Nun lagern sich komplementär die Start-tRNA mit ihrem Anticodon (UAC) an. Sie trägt stets die Aminosäure Methoionin. Abschließend kommt die große Untereinheit dazu. Das nun zusammengesetzte Ribosom verfügt über zwei tRNA- Bindungsstellen. Am Eingang (A-Stelle) bindet die tRNA, die die Aminosäure anliefert. Die P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsende Polypeptidkette. Die entladenen tRNAS verlassen nun das Ribosom. Die Start- tRNA besetzt die P-Stelle der Ribsosomen. An das Codon in der freien A-stelle lagert sich die nächste Aminosäure der zweiten tRNA an. Die Aminosäure der Start-tRNA wird mit der Aminosäure der zweiten tRNA verknüpft. Das Ribosom wandert nun ein Codon weiter. Die tRNA verlagert sich zusammen mit dem Dipeptid aus der A- Stelle in die P-Stelle. Das Wiederholen dieser Vorgänge führt zum gewünschten Polypeptid. - Wird eines der drei Stopp-Codons (UAG, UGA, UAA) erreicht, so führt dies zum Abbruch der Kettenverlängerung. Für diese Codons existieren keine entsprechenden tRNA-Moleküle. Das Ribosom zerfällt in seine beiden Untereinheiten, das gebildete Polypeptid wird freigesetzt. - Start-Codon 5-Ende B HTT С Ribosom Start-Codon T UACCG Abb. 139.1 Translation (Schema) mit Aminosäuren beladene tRNA lagert sich an A AGC Ć 3'-Ende mRNA freie tRNA verbindet sich mit Aminosäure UUUUC Aminosäuren Stop-Codon freie tRNA tRNA: enthält ein spezifisches Basentriplett, das Anticodon Mit dem Anticodon bindet die tRNA an ein komplementäres Codon der mRNA Bindung der spezifischen Aminosäure erfolgt am 3'Ende des tRNA-Moleküls (Aminosbindungsstelle) Auswahl der richtigen Aminosäure erfolgt durch das verknüpfte Enzym (tRNA-Synthetase) Alle 20 Aminosäuren haben so ein Enzym Der genetische Code: Der genetische Code ist die in der Basensequenz der DNA verschlüsselt vorliegende Information zur Bildung einer Aminosäure. Der genetische Code ist ein Triplett-Code, d.h. Jeweils drei Basen (Codon) enthalten die Information für eine spezifische Aminosäure Der genetische Code ist degeneriert. So codiert zwar jedes Codon nur eine Aminosäure, aber viele Aminosäuren werden durch mehrere verschiedene Codons bestimmt. Der genetische Co ist kommafrei, d.h. Die Codons schließen lückenlos aneinander an. Der genetische Code ist nicht überlappend. Eine Base ist immer nur ein Bestandteil eines Codons. Der genetische Code ist universell, d.h. Alle Lebewesen nutzen denselben gentechnischen Code. Die Vorschrift wie die DNA- Sequenz in ein Protein übersetzt wird ist bei allen Lebwesen gleich. Die Code- Sonne: eindeutige Zuordnung eines Basentripletts zu einer Aminosäure - Gibt die Sequenz der mRNA an Wird von innen nach außen gelesen (5`-3`- Richtung) Mit dem Start-Codon beginnt die Proteinbiosynthese - 64 möglichen Kombinationen, codieren 61 Aminosäuren und 3 sind Stopp- Codon, welche die Proteinbiosynthese beenden Val Arg Ser Ala Lys - G Asp Glu ASN C CCAGUCAG|UC U G A Thr Gly A UCAG UCAGNCAGUCA C G G A C₁ Phe Leu U U U C CUGACUGACU GACUGACGendar A A Arg с Ser G U Gin Met lle Abb. 4.22: Die Code-Sonne; ■= Start-Codon, . = Stopp-Codon Tyr His Cys Pro Trp Leu RNA Prozessierung und alternatives Spleißen: Nach der Transkription erfolgen noch einige Modifikationen an der RNA. RNA Prozessierung erfolgt zwischen der Transkription und Translation und wird somit auch als Post-Transkriptionelle Modifikation bezeichnet. Die prä-mRNA muss zuerst verändert werden, damit eine fertige mRNA entsteht. Die ersten beiden Teilschritte sind das Capping und die Polyadenlierung. Diese Teilschritte schützen vor dem Abbau durch Enzyme. Capping: - schützt das 5' Ende durch das Anbinden von einem modifizierten Guanin- Nukleotids. - 5' Cap- Struktur schützt wie eine Kappe das 5¹ Ende. - Das capping erfolgt während der Transkription also co-Transkriptionell. Polyadenylierung: - wird das 3¹ Ende durch den Poly- A- Schwanz geschützt. Der poly- A-Schwanz besteht aus 50-200 Adeninnukleotiden. Die Polyadenylierung erfolgt Post- Transkriptionell also nach der Transkription. Beide Teilschritte sind Reifungssignale, damit die mRNA ins Cytoplasma Transportiert werden kann. Man benötigt zudem noch beide Teilschritte damit ein Ribosom am 5' Ende binden kann und man mit dem Protein Zusammenbau beginnen kann. RNA-Editing: Nukleotide werden entfernt/ eingefügt - Nukleobasen/ Ribosen werden chemisch verändert Nachträglich wird die Nukleotidsequenz verändert und es können viele mögliche rote synthesen ermöglicht werden Spleißen: - nicht- codierende Introns werden herausgeschnitten. Exons werden zusammengefügt Spleißen übernimmt ein großer Enzymkomplex: das Spleißosom Alle 4 Schritte beendet erfolgt der Export der fertigen mRNA. alternatives Spleißen: Durch die Transkription entsteht eine prä-mRNA. In der prä-mRNA sind Exons und Introns immer noch vorhanden. Durch das Spleißen werden die Introns entfernt und die Exons zur fertigen mRNA verknüpft. Allerdings werden beim alternativen Spleißen auch Exons entfernt, somit entstehen unterschiedliche Proteine, denn die primär Struktur der Proteine ist unterschiedlich. Die Proteine haben demnach auch unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen. In der Abbildung erkennt man das aus einer DNA 3 unterschiedliche Reife mRNAs entstehen. Dadurch das die primär Struktur bei allen 3 Proteine unterschiedlich ist wirkt sich dies auch auf die sekundär, tertiär und quartär Struktur des Proteins aus. Somit haben die Proteine wahrscheinlich unterschiedliche Funktionen. Durch das alternative Spleißen ist es möglich das durch ein und die selbe DNA unterschiedliche Reife mRNA Moleküle gebildet werden, denn es werden nicht nur die Introns sondern auch einzelne Exons entfernt. Somit können unterschiedliche Proteine gebildet werden. DNA prä- mRNA reife mRNA Exon 1 DNA HAP 2 Translation Exons und Introns Ribosomen Proteinsynthese Vergleich Pro- Eukaryoten: mRNA-Reifung Reifung der Polypeptidkette Protein A When 20000 Exon Prokaryoten ringförmiges Chromosom DNA ohne Histone häufig Plasmide in der Regel keine 70S* Prokaryoten Keine Prozessierung der RNA > Kurzlebiger durch ungeschützten Enden TXIMI Proteine werden schneller produziert > DNA liegt frei im Cytoplasma Kein Spleißen > Introns fehlen selten Exon 3 normalerweise keine alternatives Spleißen Translation 4 5 Protein B Transkription und Translation im Cytoplasma Translation beginnt vor Ende der Transkription 2 am an 3 Translation Protein C Exon 5 spicions Exon 5 Aw Poly-A-Schwanz Eukaryoten Prozessierung = Modifikation der mRNA bei Eukaryoten 5' Cap- Struktur Editing, Spleißen, alternatives Spleißen Eukaryoten mehrere Chromosomen im Zellkern bestehend aus linearer DNA und Histonen ringförmiges Chromosom in Mitochondrien und Plastiden gelegentlich Plasmide (z. B. Hefen) normalerweise vorhanden 805* 70S in Mitochondrien und Chloroplasten Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma räumlich und zeitlich getrennte Prozesse in Mitochondrien und Chloroplasten wie bei Prokaryoten Spleißen, Cap und Poly-A-Schwanz häufig Tab. 141.1 Unterschiede im Aufbau der DNA sowie bei der Genexpression von Prokaryoten und Eukaryoten. * Je größer S, desto größer ist die Masse eines Ribosoms. Mutationen: Chromosomenmutation: Änderung in der Struktur einzelner Chromosomen - Deletion: ein Teilstück des Chromosoms (Endstück oder mittlerer Abschnitt) geht verloren/ bricht auseinander - Inversion: innerhalb eines Chromosoms kann sich nach einem doppelten Bruch ein Stück wieder umgekehrt einfügen - Translokation: Chromosomen können auseinander brechen und dabei Teilstücke verlieren, welche in die Chromatide eines anderen Chromosoms angeheftet werden Duplikation: ein Abschnitt des Chromosoms ist doppelt vorhanden, da ein auseinander gebrochenes Teilstück in die Schwesterchromatide eingegliedert wurde > Führen zu schwerwiegenden Krankheiten, Behinderungen oder Fehlbildungen Aufgrund von kleinen Veränderungen kann es zum Absterben der Zelle kommen (Duplikation, Deletion) Keine Auswirkung, da sich die Anzahl nicht verändert, sondern nur die Position (Translokation, Inversion) Genommutation: Veränderung in der Zahl der Chromosomen eines Organismus - Polyploidie: Chromosomen liegen nicht doppelt sondern mehrfach vor Aneuploidie: ist die Zahl einzelner Chromosomen vermehrt oder vermindert, was auf Unregelmäßigkeiten während der Zellteilung zurückgeführt wird Genmutation: Veränderung innerhalb eines Gens, kann an die folgende Generation weitergegeben werden, wenn die Mutation in der Keimzelle ist Stumme Mutation: erfolgt durch die Substitution eines komplementären Basenpaars (Punktmutation); erfolgt dies in einem Intron wird es als Stumme Mutation bezeichnet, die stumme Mutation wird in dieselbe Aminosäure übersetzt Missense- Mutation: Punktmutation verändert das Triplett so das es für die Aminosäure nicht mehr codieren kann; Aminosäure kann ähnliche Eigenschaften haben > ohne großen Folgen Nonsense- Mutation: ein Triplett codieret nicht mehr für eine Aminosäure, sondern für ein Stoppsignal wird die Translation vorzeitig abgebrochen > verkürztes, funktionsloses Protein Rasterschubmutation: Insertion (Einfügen) oder Deletion (Verlust) von Basenpaaren > Veränderung des Leserasters aller nachfolgenden Tripletts > Führt zu einem funktionslosen Protein Kon Abb. 1781 Entstehung von Chromosomenmutationen (Schema Normalfall stumme Mutation Missense Mutation Tund Punktmutation I do od Punktmutation DNA mRNA - Polypeptid DNA mRNA Polypeptid mRNA Polyprotid Non Mutation Punktuation 1 Typen von Gemutationen und ihre Auswirkungen DNA NA -DNA WARNA -DNA RNA