Genetik Zusammenfassung

Alternativer Bildtext:

Basen (stickstoffhaltig) - die vier verschiedenen Basen sind: Cytosin - Guanin • Adenin - Uracil . - die RNA besteht in der Regel nur ein 5'- und 3- Ende hat - Im Gegensatz komplementar zueinander zur DNA ist / hat • eine geringere Lebensdauer wesentlich kürzer. Funktion codieren Proteine bilden die Grundstruktur der Ribosomen und kata- lysieren die Proteinsynthese • die Base Uracil statt Thymin • den Zucker Ribose statt Desoxyribose wesentlich für die Proteinsynthese als Adapter zwi- schen m-RNA und Aminosäuren werden für eine Vielfalt von Prozessen im Zellkern benötigt, z.B. beim Spleißen von prä-m-RNA regulieren die Genexpression durch Blockieren der Translation ausgewählter m-RNAS aus einem si-RNAS / small interfering RNAs regulieren die Genexpression durch den Aufbau kom- pakter Chromatinstrukturen oder durch Steuerung des m-RNA-Abbaus. die RNA: Einzelstrany, welcher HOCH2 OH HC OH Ribose OH NH C=O Uracil in RNA HOCH₂ H₂C. OH H Desoxyribose H 0 CNH H Thymin in DNA Unterschiede im Zucker und in einer Base C=0 Durch Basenpaarungen komple- mentärer Bereiche innerhalb des Moleküls kann eine einzel- strange RNA zu eines komple xen dreidimensionalen Strukur arbeiten gefalten werden. Solche RNAs wie Proteine enzymatisch und werden als Ribozyme bezeichnet. 3' DNA-Polymerase (Pola) Folge- strang 5' RNA-Primer Die DNA-Replikation Primase •Des DNA-Ligase 5 Leit- strang Okazaki-Fragment XXXIII 3' Gleitklammerprotein DNA-Polymerase (Pol8) Okazaki-Fragment RNA-Primer DNA-Polymerase Helicase Primase Helicase Einzelstrang- bindendes Protein Die Grenzen der DNA-Polymerase: -freie Nucleotide aus dem Zeliken lagern sich jeweils der Matrize (Einzelstrangvorlage) an - Das Enzym Primase synthetisiert komplementär zu den Matrizen (Primer), welche als Ansatzstelle für die DNA-Polymerase dient semikonservativ? - Die Polymerase synthetisiest in 5'-3' Richtung (katalysiert die Replikation) kann kontinuierlich synthetisiert werden -Gleichzeitig wird die DNA-Doppelhelix von dem Enzym Topoisomerase entspiralisiert und die beiden Einzelstrange werden von dem Enzym Helicase getrennt, indem die Wasserstoffbrücken aufgebrochen werden. 3' XXX. -Einzelstrangbindende Proteine stabilisieren die Einzel- stränge und verhindern die Verbindung 5' Topoisomerase - sie kann nicht ich 3'-> 5' Richtung synthetisieren - Sie benötigt einen RNA- Primer (Primase) als Anknüpfpunkt - Sie funktioniert lediglich in der Nähe der Replikationsgabel - •Gleitkammerproteine müssen den Kontakt zwischen DNA und der Polymerase aufrecht erhalten. an die komplementären Basen Leitstrang •Bei dem Folgestrong entstehen durch diskontinuierliche synthetisierung Okazaji fragmente, welche später durch die DNA Ligase verknüpft werden. ! für jedes Fragment wird ein neues Primer gebraucht! eine kurze RNA-Nucleotidsequenz PCR-DNA Replikation im Reagenzglas (Polymerase chain reaction) Für die PCR wird benötigt. vervielfältigende DNA - die zu -DNA Nucleotide eine hitzestabile DNA Polymerase (ғ.B. Toq-Polymerase) -einen Thermocycler, der die Temperatur in den Reaktionsgefäßen schnell ändern kann -DNA Primes, die jeweils zum Anfang / Ende komplementär sind Denaturierung bei 90 °C DNA-Abschnitt wird in Einzelstränge getrennt weitere Zyklen Ablauf 1. Schritt: Denaturierung •Trennung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Temperatur von 30°C ca. Primer A Synthese bei 70 °C Taq-Polymerase Hybridisierung bei 50 °C den Einzelsträngen der DNA 3. Schritt: Synthese • Vom 3'- Ende des Primers an werden freie Nucleotide komplementär angelagert. Taq- Polymerase bei 70°C zu einem kontinuierlichen Strang synthetisiert. Primer B 2. Schritt: Hybridisierung • Anlagerung der DNA Primer als Ansatestelle für die Polymerase bei einer Temperatur von SoC bei einer und durch die Dieser Vorgang wird 20-30 Mal wiederholt, durch das erneute erhöhen der Temperatur (90°) löst sich die Tag-Polymerase ab. Historische Entwicklung des Genbegriffs H: Ein Gen codiest 1854: Gregor Mendel untersuchte durch krenzung sversuchen für ein Merkmal mit Erbsen die Vererbungsregeln, Begriff Anlagen statt Gen. Hypotese stammt von Archibald Garrod ab (1303) und wurde. später von Beadle und Tatum bestätigt (Neurospora Experiment) Ein - Gen-ein- Protein-Hypothese Viele Proteine bestehen aus mehreren Polypeptiden, jedes Polypeptid wird von einem eigenen Gen codiest Hypothese Viele Proteine besitzen keine Enzymfunktion, deshalb wurde. Garrods ursprüngliche Hypothese verändert. Ein-Gen- ein- Nicht alle Produkte von Genen führen zwingend zur Herstellung Transkriptionsprodukt- von Polypeptiden, viele RNA-Moleküle haben eine Regulationsfunktion Genexpression: Genotyp= p = alle Erbanlagen (Gene) eines Organismus Phänotyp= die Gesammteinheit aller Merkmale eines Organismus Genwirkketten: -> Ein-Gen-ein- Enzym-Hypothese Gene bringen nicht unmittelbar bestimmte Merkmale hervor, auf dem Weg vom Genotyp zum Phänotyp werden mehrere Schritte durchlaufen, letztendlich sind entstandene Proteine. für die Merkimalausprägung verantwortlich. Proteinbiosynthese / Genexpression Gen Protein Mertemal Genwirkketten beschreiben das Zusammenwirken verschiedener Gene bei aufeinander folgenden Stoffumwandlungen, durch langelmutanten können diese unterbrochen werden. Genwirkketten steuern oft die Ausbildung eines Merkunals, dabei Sind mehrere enzymatisch kontrollierte Reaktionen hinterein- ander geschaltet. Hinter jedem Enzym steht ein Gen, das dieses Enzym codiert. Ein-Gen-ein- Polypeptid- Hypothese ⇒ Zusammenhang Gen 1 Enzym 1 Gen 2 Enzym 2 Gen 3 Gen 4 →> Enzym 3 Enzym 4 Shikimi Chorrismin- Anthranil- säure säure säure Indol Trypto- phan Beispiel Für die Transkription wird benötigt: • ein DNA- Strang als Matrize, der kopiert wird. • die Nucleosid triphosphate ATP, CTP, GTP und UTP als Bausteine der RNA- Synthese • eine RNA-Polymerase als katalysierendes Enzym 5 a 5 3º b Startsequenz (Promotor) с RNA-Polymerase Initiation - Die RNA-Polymerase bindet an die DNA, an eine spezifische Region, dem Promotor (TATA-Box), dieser wird von dem faktor o erkannt. - Die DNA-Doppelhelix wird entdrillt, sodass die RNA Polymerase den codogenen Strang (Matrizen- strang) in 3'+ 5' Richtung ablesen kann. entwundene DNA 5 3 Die Transkription m-RNA -Nun liegt eine d DNA m-RNA Elongation -Am 3'- Ende des wachsenden m-RNA Stranges bindet die RNA Polymerase Ribonukleosid triphosphate komple- des codogenen Stranges mentär zu den Nucleotiden. ·So wird der sich bildende RNA-Strang in 5'+3' Richtung verlängert und ist so codogenen Matrizenstrang, der Informationsgehalt entspricht dem nicht- codogenen Strang -Nach dem Abschreiben eines DNA-Abschnitts entsteht wieder eine DNA-Doppelhelik und die RNA lost sich von der DNA ab, während die RNA-Polymerase auf der DNA weiterwandert. RNA-Polymerase RNA-Nucleotid wieder aufgewundene DNA Stoppsequenz Termination ·Am Ende eines Gens gelangt die RNA-Polymerase an Polymerase und bewirkt ihr Ablösen von der DNA codogener DNA-Strang fertige m-RNA 3 3¹ new transkribierte mRNA vor, die später als Vorlage für die Synthese 3 antiparallel zum 5 Marina einen Terminator (Basensequenz), dieser stoppt die RNA- codogener DNA-Strang Richtung der Transkription neu synthetisierte m-RNA von Polypeptiden dient. Ein Gen kann als Matrize für viele fast seitgleich ablaufende Transkriptionsvorgänge genutzt werden. Die RNA-Polymerase synthetisiert alle drei Typen des bakteriellen RNA: MRNA, ARNA und rRNA 3 Val Arg Ser Ala Lys U Asp 1 Codesonne Glu Asn درود ·CAGUCAGUCAGUCAGUCAGUCTG GU G G A с Gly Thr A Ala: Alanin Arg: Arginin Asn: Asparagin Asp: Der genetische Code Met Phe CUGACUGACUGACUGA CUGAS UG Leu GU AC lle 3' C Arg Ser U C Gly: Glycin His: Histidin lleu: Isoleucin Leu: Leucin Gin His Asparaginsäure Cys: Cystein Lys: Lysin Gln: Glutamin Met: Methionin Glu: Glutaminsäure Phe: Phenylalanin Tyr Stopp Stopp U Cys Pro Trp Leu Die Abkürzungen stehen füg folgende Aminosäuren: Stopp 3′ Pro: Prolin Ser: Serin Thr: Threonin Trp: Tryptophan Tyr: Tyrosin Val: Valin -Übersetzungsvorschrift um aus einer mRNA. Basensequenz die Aminosäuresequenz eines Proteins abzuleiten. -Abjoye von drei Nucleoidsasen = ein Codon L> Basentripplett - Es gibt 4³ = 64 Möglichkeiten, allerdings es gibt nur 20 verschiedene Aminosäuren →manche Aminosäuren sind mehrfach codiect, d.h. des genetische Code ist redundant / degeneriest - Der genetische Code ist kommafrei Lüchen zwischen einzelnen Codons -> keine - Es gibt keine Überlappurzen -> jede Base ist nur Teil eines Lodons -Der genetische lode ist eindeutig und universell, d.n. bei fast allen Organismen gleich - Das Codon AUG ist der Startpunkt der Proteinbiosynthese, es codiert für Methionin -Die Codons UAA, AAG und UGA sind Stop- dodons, die zur Bindung eines Freisetzungs faktors führen Ablauf der Translation am Ribosom 1 Bei der Translation wird die Basensequenz der mRNA mithilfe der ERNA in eine Amino- säuresequenz übersetzt. Die t-RNA transportiert die Aminosäuren aus dem Vorrat im Cyto- plasma zu den Ribosomen, wo dann diese passend zum Polypeptid verknüpft werden. Raumstruktur große Ribosomen- untereinheit 5 Aminosäure- bindungsstelle m-RNA Die Beladung: -für jede der 20 Aminosäuren gibt es hochspezifische Enzyme -> Aminoacyl-t-RNA Synthetasen - Sie sind Übersetzes und erkennen das Anticodon, sodass die zugehörige Aminosäure beladen werden kann. - nur die richtige Kombination passt in das aktive-Zentrum -> Schlüssel-Schloss - P. Aminosäure und t-RNA werden. unter ATP-Verbrauch verknüpft, die beladene RNA wird freigesetzt. E-Stelle 3' E PA Phe Anticodon 1 Bau der t-RNA (schematisch) P-Stelle -A-Stelle W m 3' entladene t-RNA verlässt das Ribosom Symbol kleine Ribosomen- untereinheit Aminosaure bindungsstelle Phe Aminosäure Die t-RNA: -Wird durch Transkription aufgebaut 80 Nucleotiden, - besteht aus ist einsträngig - kurze Nucleotidbereicht sind zu anderen. -> UUT 2 Beladung der t-RNA Abschnitten des Moleküls komplementär •Basenpaarungen werden. eingegangen, -twei exponierte ungepaarte Nucleotidbereiche Anticodon: dre Basen, die sich mit dem komplementaren Codon (mRNA) paaren Aminosäurebindungsstelle: kurte einsträn- am 3'-Ende, eine Aminosäure, passt wird wachsende Peptidkette HD m E PA förmige Raumstruktur entsteht (Schematisch ein Kleeblatt) · kehrt in den Ausgangs zustand zurück gije Region die zum Codon der m-RNA gebunden ca. beladenet-RNA wird freigesetzt nächste an die Peptidkette anzuheftende Aminosäure Die Translation: - Die Translation erfolgt an den Ribosomen - Das Ribosom wandert auf der mRNA entlang und übersetzt Codon für Codon die Nucleotidsäure- sequenz in eine Aminosäuresequenz -Die t-RNA Moleküle dienen dabei als Adapter, um jede Aminosäure an die Richtige Position zu bringen. Aminoac RNA- Synthetase Aminosäure bindet RNA- Bindungsstelle unbeladene 1-RNA Aminosäure wird mit RNA verknüpft 1-RNA bindet Die Ribosomen: Ribosomen bestehen aus Proteinen und Nucleinsäuren, der rRNA - sie sind aus zwei unterschied- lich großen Untereinheiten zusam- gesetzt -Ein Ribosom besitzt drei Bindungs- stellen für t-RNVA Moleküle P- Stelle: E-RNA mit wachsender Peptidkelte bindet • A-Stelle: t-RNA mit nächster Aminosäure (der Kette) bindet. • E-Stelle: entladene t-RNA ver- lässt das Ribosom Die Translation lässt sich in drei Schritte gliedern: 1 Ablauf der Translation am Ribosom Start-t-RNA- entladene t-RNA m-RNA (2) Aminosäurekette Die mit Methionin beladene Start-t-RNA und die kleine Ribosomenuntereinheit binden an das 5-Ende der m-RNA. Dieser wandert den Strang entlang bis es Startcodon AUG finde ein wachsende Met Leu His Val H m-RNA Met Leu His Val (3) Startcodon E TH E HMMMMMMM, P P A T Stoppcodon (UAG, UAA oder UGA) A Ser kleine Ribosomen- untereinheit nächsie Aminosäure Anticodon Um die Kette zu verlängern werden die Aminosäuren nacheinander • Lodonerkennung: bindung der bindet an die A-Stelle (Anticadon Basenpaarungen). Freisetzungs- faktor Basenpaarungen P-Stelle 0000-0-- Nun wird auch die große Ribosomenunter einticit angelagert. Die Slast-t-RNA befindet sich an der P-Stelle, die A-Stelle ist bereit die nächste t-RNA anzunehmen. Met E Met Leu His Val freies Polypeptid A E Polypepha •Peptidbindung: Ribosom katalysiest Peptidbindung zwischen der wachsenden Kettle und der neuen Aminosäure -> 1 hängt sich an die t-RNA des A-Stelle -Verschiebung: Ribosom richt in 3'-> 3'- Richtung -> entladene t-RNA auf E-Stelle verschoben und löst sich ab, t-RNA mit wachsender Peptidketle on P-Stalle, nächste t-RNA + Aminosäure an freie A-Stelle Verlängerung des Peptids um jeweils eine Aminosaure (nach den Codons der m-RNA um ein Codon auf => Mill P A große Ribosomen- untereinheit P A an die Start-Aminosäure gehängt. t-RNA mit wachsender Peptidkette an die P-Stelle, die mit der nächsten Aminosäure Ribosom katalysiest Peptidbindung Ima 2 HAMMMMM Erreicht die A-Stelle des Ribosoms eins der Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) so bindet statt einer t-RNA ein Freisetzungsfaktor (Protein). Daraufhin last wachsende Peptidkette ab und nimmt ihre Raumstruktur ein. Der komplex aus Ribosom und m-RNA zerfällt. sich die Vergleich der Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten Direkter Vergleich Prokaryoten Aufbau des genetischen ringförmige DNA, oft Plasmide keine Verpackung Materials durch Histone Räumliche Organisation Transkription und Translation im Cytoplasma Aufbau der Gene Reifung der mRNA Zeitliche Organisation Transkription und Translation laufen Transkription- Heraustransportieren aus. gleichzeitig ab - Spleißung-Prozessierung - wenige Minuten dem Zellkern -. Translation Startcodon freigesetzte Ribosomen untereinheiten Proteinbiosynthese bei Prokaryoten -Translation kann beginnen bevor die Trans- kription beendet ist (findet beides im Zellkern staff) 5 wachsendes Polypeptid enthalten fast nur codierende. Sequenzen - Ein DNA-Strang wird von mehreren RNA-Polymerasen gleichzeitig transkribiert (kurze Abstände hintereinandes) m-RNA Ribosom GUG die mRNA wird ohne Modifizierung die prä-m-RNA muss zunächst translatiest einem Spleißvorgang unterzogen. werden nicht codogener DNA-Einzelstrang codogener DNA-Einzelstrang Stoppcodon Translation RNA-Polymerase fertiges- Polypeptid DNA Startcodon 1 Schematische Übersicht über die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten Eukaryoten DNA-Stränge durch Histone zu Schleifen und Rosetten verpacht, die Chromatiden bilden, mitochondriale (mt) DNA, DNA in Chloroplasten (Pflanzen) Transkription Transkription im Zellkern, Translation im Cytoplasma (oder raues ER) enthalten codieren de Exons und nicht codierende Introns, diese müssen herausgeschritten werden AUG Richtung der Transkription m-RNA Ribosom 1 RNA-Polymerase Polysom 2oood Polypeptid -erstes Ribosom lagest sich an, wenn sich das vordere 5' Ende der mRNA. von dem DNA-Strang löst ・oft wandet eine ganze Gruppe von Ribosomen an der mRNA entlang - Gesammteinheit von Ribosomen an einem mRNA - Strang = Polysom => mehrere Polysome an einem DNA- Strang erkennbar Vergleich der Proteinbiosynthese bei Pro-und Eukaryoten Proteinbiosynthese bei Eukaryoten -Auch bei den Eukaryoten kann ein Gen gleichzeitig - Das entstandene Transkriptionsprodukt, die prä-m-RNA, muss funktionsfähige m-RNA umgewandelt (prozessiert) werden - Die DNA, und somit auch die prä-m-RNA informationstragende Abschnitte (Introns) auf 5' 3⁰ DNA -Beim Spleißen der prä-m-RNA werden Introns an bestimmten Stellen zu Schleifen gelegt und ausgeschnitten, die Exons werden an den richtigen Stellen zur eigentlichen m-RNA verknüpft. prä-m-RNA -> Dieser Spleißvorgang wird durch den Enzymkomplex Spleißosom, bestehend aus verschiedenen Ribonucleoproteinen, durchgeführt. fertige m-RNA DNA Promotor prä-m-RNA m-RNA mmmmm 5 Exon 1 5 Exon 1 mo Exon Exon Introns 2 Kappe Startcodon Intron Exon 3 Translation Intron Exon 4 codierender Abschnitt Exon 2 Transkription Exon 2 Spleißen 1 weisen sowohl codierende Abschnitte (Exons), als auch nicht. Alternatives Spleißen: - ein Gen enthält nicht nur die Information für ein Protein, sondern codiest häufig für mehrere unterschiedliche Proteine (25000 Gene- 100.000 Proteine) Exon 3 Intron Exon -dies wird durch alternatives (differentielles) Spleißen ermöglicht, hierbei wird die prä-m-RNA je nach Bedaff unterschiedlich prozessiert, indem zusätzlich zu den Introns noch Exons herausgeschnitten werden Exon 3 von Intron Exon — Alternatives Spleißen AAAAAAA Stoppcodon Poly-A-Schwanz 24 5 mehreren Polymerasen transkribiert werden. Protein B Exon 4 Terminator Exon 4 3' allerdings 3' 1 2 3' 5 Translation w an m reeeee celell A Protein A vor der Translation in eine 3 Translation Nach dem Spleifvorgang wird. die m-RNA noch modifiziert: Protein C -an das 3'- Ende wird ein Poly- A-Schwanz angehängt, des den vorzeitigen Abbau durch Endonucle- asen verlangsamt Exon 5 2 an das 5'- Ende wird eine Kappe aus methyliesten Guancaylrest auf. gesetzt, die die korrekte Anlage. ung der Ribosome und eine längere Lebensdauer ermöglicht. Exon 5 reeeee 5 Nach ihses Synthese. werden viele eukaryotische. Proteine noch verändert, manche erhalten erst durch angehängte Seiten ihre bio- logisch aktive form. Spezifische Signal peptide sorgen dafür, dass die Proteine an ihren Bestim- mungsort in der Zelle gelangen.