Molekulargenetik

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Polymerase, Ligase O Initiation findet im Zellkern vor der zelteilung statt Topoisomerase entspiralisiert Doppelhelix 0 ● 0 0 0 O Elongation getrennte Einzelstrange dienen als Matrize (vorlage) für die Erstellung eines komplemen- +āren Strangs @ DNA- Polymerase fugt komplementare Nukleotide an das 3'-Ende d. Primers Neusynthese erfolgt immer in 5'-3'-Richtung DNA Replikation O an dem Replikationsursprung (Origin) lagert sich Enzym Helicase an es löst dori relßverschlussartig die H-Brücken zwischen den beiden DNA - Strangen diese öffnen sich blasenförmig: Replikationsblase an Replikationsblase befindet sich Replikationsgabe', von der aus die Replikation in beide Richtungen vorangent Primer wird von Primase hergestellt und ist ein kurzes RNA-Stück (statt T-u) am 3¹- Ende der Einzelstränge werden Start molekule (Primer) angebracht Termination Replikation endet an bestimmten Basensequenzen d. DNA nach vollständiger Replikation, werden beide entstandene Tochterstränge voneinander getrennt & der zellzyklus wird fortgesetzt O Helicase (0) Replikations- 2 gabel DNA-Matrize Primase - Folgestrang. DNA-Polymerase -DNA-Polymerase 4 RNA-Primer 4 diskontinuierliche Synthese.......... kontinuierliche Synthese OKAZAKI-Fragment Wanderungsrichtung der Replikationsgabel Leitstrang ITIL® Nukleosid- Triphosphate DNA-Ligase Leitstrang-FOLgestrang Leilstrang • kontinuierliche verlängerung L3' Ende wird ohne unterbrechung ver- langert, da DNA -Polymerase & Helicase in die gleiche Richtung arbeiten DNA-Replikation Enzyme Enzym Topoisomerase: Helicase: Primase: DNA-Polymerase: RNase H DNA- Ligase: Funktion Ent windung der Doppelhelix Folgestrang O nur! 0 O a O diskontinuierliche (abschnittweise) verlängerung 3' Ende entfernt sich von Replikationsgabel also von der Gabel weg Primer wird an den Matrizenstrang angelagert ↳ DNA-Polymerase arbeitet von 5¹->3' hàngt so lange Nukleotide an, bis sie Primer des vorherigen Abschnitts erreichen okazaki- Fragmente entstehen primer werden von RNase H abgebaut Ligase verknüpft die okazaki - Fragmente zu einem durchgehenden Einzelstrang offnung der Doppelstrange durch Trennung der H- Brücken zwischen den kom- plementären Basen synthese eines RNA- Abschnitts zum Start (Primer) DNA-Syntheseram 3'Ende durch das Anfügen komplementarer Nukleotide an die jeweiligen Einzelstrange Entfernt das RNA- Primer aus der neu hergestellten DNA Klebeenzym", verknüpfung der gebildeten Strange O O Künstliche Replikation der DNA mit der Polymerase-chain- Reaction, PCR, lässt sich die DNA vervielfältigen gezielte vermehrung bestimmter DNA- Abschnitte: Amplifikation 1. DNA - Primer, Desoxynukleosid - Triphosphate, eine DNA polymerase & pufferlösung werden in ein PCR-Reaktionsgefäß gegeben Denaturierung Primerhybridi sierung Reaktionsgefäß wird auf ca. 90°C erhitzl ↳H-Brückenbindungen zwischen DNA-Doppelstrangen lösen sich, Trennung del DNA-Doppelh die beiden Einzelstrange dienen als vorlage für ihre Vervielfältigung dient Reaktionsgemisch mussaut 50-65°C (je nach Lànge des primers) abgekühlt O O O Amplifikation: • O werden Primer können an 3¹ Ende der Strange binden erhöhen der Temperatur auf 70°C ↳optimale Arbeitstemperatur der DNA-Polymerase → benötigt PCR-Primer als Starter DNA- Polymerase lagert am 3' Ende des Primers die passenden, zugegebenen Nukleotiden an → zum vorlagestrang komplementare DNA-Sequenz => zyklischer Prozess, am Ende der Amplifikation kann erneut die Denaturierung (Trennung der Doppelstrange) starten Anzahl der Kopien steigt exponentiell an DNA NO mRNA 5 MMMMM Protein Ser kernhülle 1. Transkription Zellmembran Cytoplasma kernpore Proteinbiocynthese 2. Translation Ser Tyr freie ERNA zell kern Transkription mRNA Val O besteht aus zwei Prozessen: das Umschreiben der Erbinformation der DNA in die mRNA (messenger - RNA) & der Transport aus dem zellkern zu den Ribosomen →Transkription übertragung der Information der mRNA in die entsprechenden Aminosäuresequenzen an den Ribosomen →Translation DNA Transkription beladene tRNA frele mRNA Aminosäuren Ribosom Ribosomen- untereinheiten Translation O Translation 8 Polypeptid Protein wachsende Aminosäurekette 0 Transkription Transkription ist dafür zuständig transportfänige Kopien der DNA ↳bei Prokaryoten im Cytoplasma, keine räumliche Trennung ↳bei Eukaryoten, räumliche Trennung durch keinmembran im Zellkern 1. Initiation Bindung der RNA-Polymerase an einer spezifischen DNA sequenz (Promoter) Promoter liegt vor dem zu transkribierenden Gen Blasenartige offnung der DNA hinter der Promoter - Region, wasserstoff brücken bin- dungen zwischen den Basen werden getrennt, die Doppelstrange der DNA liegen nun getrennt vor 0 0 2. Elongation RNA- Synthese: einer der beiden strange, die DNA-Mairize (codogener Strang) (3'-5') wird abgelesen, dazu lagert die RNA-Polymerase komplementār zum codogenen strang Nukleotide in 5¹- 3¹ - Richtung an kein Primer wird benötigt neu gebildete RNA lost sich von DNA während RNA- Polymerase weiterwan- dert und immer neue Nukleotide an das 3¹-Ende der mRNA an lagert 3. Termination stopp der Synthese, wenn RNA-Polymerase eine bestimmte DNA- Sequenz erreicht (Terminator), löst sie sich vom codogenen Strang O O schließung der beiden DNA- Strange zum Doppelstrang mRNA verlasst zellkern & wandert ins cytoplasma verlängerung der RNA DNA- Rückwind, mRNA WAW RNA-Polymerase DNA- V RNA- Nukleotid Entwindung Matrizenstrang 0.00 $3 RNA-Prozesciering O O Prozessierung & das Spleißen sind wichtige Schritte der Proteinsynthese bei Eukaryoten findet bereits während bzw. nach der Transkription und vor der Translation im zell kern statt dient dazu, die pra- mRNA in die mRNA zu verarbeiten, welche anschließend zur Translation freigegeben werden kann im Zellkern 1. capping am 5¹ -Ende erhält die mRNA eine kappe aus modifiziertem Guanin, welche die mRNA vor dem Abbau schützt 2. Polyadenglierung: Am 3'-Ende erhält die mRNA einen Poly- A - Schwanz, beste hend aus einer Adenin- Nukleotidkette, welche die mRNA vor dem Abbau 3. Editing: Hier werden einzelne oder mehrere Basen verandert, um eine größere Proteinvielfalt zu garantieren. 4. splicing: Introns werden entfernt (Abschnitte auf der RNA die transkribiert wurden aber nicht codierend sind) Exons werden aneinandergefügt ➜ prā-RNA wurde in die reife mRNA umgewandelt → wird aus dem Zellkern zu den Ribosomen im Cytoplasma zur Translation transportiert Der genetische Code Der genetische code ist die in des Basensequenz der DNA verschlüsselt vorliegende Infor- mation zur Bildung der Aminosauresequenz Eigenschaften: 3' DNA: Ala Val Arg Ser Lys A с U G A с u Asn 0 O Asn 0 Asp 0 O ein Triplett-Code, a h. jeweils 3 Basen (codon) enthalten die Information für eine spezifische Aminosäure er ist degeneriert, zwar codiert jedes Codon nur eine Aminosaure, aber viele Aminosäuren werden durch mehrere, verschiedene codone bestimmt er ist kommafrei. codons schließen lückenlos aneinander an er ist nicht überlappend, eine Base ist immer nur Bestandteil eines codons er ist prinzipiell universell, bis auf wenige Ausnahmen nutzen alle Lebewesen denselben Glu U G U с A Thr START 3¹ TT G 5' A A C U с Gly A GG Ser с CA AGU/C А с G U A с TG\' 3' Ile UG с T с G A phe Leu ASP GUC p A Arg A GA с ucu G Leu A G с G Gin с G A His Tyr 4 C A la A G U G STOPP STOPP cys C A Leu с u Trp Pro GA A CCT T ст GG u STOPP 3' Trp 5' A A G A 3¹ Lys Į Ala Arg ASN Asp cys Gin Glu Gly His Lys Met Phe Pro Alanin Arginin Asparagin As paragin- säure cystein Glutamin Glutamin- ILE Leu Leucin Lysin Methionin Phenylalanin ser Thr TYP Tyt val saure Glycin Histdin Isoleucin Prolin serin Threonin Tryptophan Tyrosin valin komplementäre RNA-Nukleotide mit Codesonne Translation Bei der Translation wird die in der mRNA enthaltene Information in Aminosâures equenzen der proteine übersetzt. Aufbau der tRNA O besteht aus nur etwa 80 Nukleotiden innerhalb eines tRNA - Holekuls kommt es teilweise zu Basen paarungen sekundārstruktur kleeblattartig Tertiarstruktur dreidimensionale L-förmig ist für den Transport der Aminosäuren zu den Ribosomen zuständig O 0 O → Aminosaure - Bindungsstelle am 3'-Ende (endat stels mit Basenfolge CCA) →Anticodon, spezif. Basen triplett mit dem die tRNA an ein komplementares Codon der mRNA bindet 。 Auswahl der richtigen Aminosäuren erfolgt durch das Enzym tRNA- Synthetlase (20, 1 für jede As) → Schlüssel- schloss - prinzip Aufbau eines Ribosoms bestehen aus einer kleinen & einer großen untereinheit A-Stelle Aminoacyl- stelle (Eingangsstelle) P-Stelle = Polypeptid- stelle O E-Stelle a Exit Stelle Ablauf der Translation 1. Initiation (start) 0 0 2. Elongation (kettenverlängerung) O Start tRNA besetzt die A - Stelle der Ribosomen, Ribosom wandert weiter, sodass A-Stelle frei wird an A-stelle lagert sich die nächste tRNA an → Aminosaure der Start tRNA wird mit Aminosaure der 2. tRNA zu einem Dipeptid verknüpft Ribosom wandert ein Codon weiter →ERNA verlagert sich zusammen mit Dipeptid aus der P-in die E -Stelle O ERNA in der E-Stelle lõst sich und verlässt das Ribosom 0 an ein neues codon auf der A-Stelle wird tRNA angelagert, Aminosäure mit Polypeptid kette verb. vorgang wird solange wiederholt bis eine Aminosauresequenz entstanden ist 3. Termination (kettenabbruch) O mRNA lagert sich an einer bestimmten sequenz (Ribosomenerkennungssequenz) an die kleine untereinheit an ↳Ribosom wandert in Richtung 3¹- Ende der mRNA bis sie auf das Startcodon (AUG) trifft die komplementare tRNA mit ihrem Anticodon (UAC) geht mit dem Startcodon eine Basenpaarung ein große untereinheit lagert sich an A co don pro Stelle • Translation wird abgebrochen, wenn sich in der A-Stelle ein stopp - Codon befindet Stopp - Codons. UAA, UAG, UGA o tRNA aus Estelle löst sich O 0 Aminosäurakette löst sich aus dem Ribosom Ribosom zerfällt in seine untereinheiten auf Genmatationen Der Fehler liegt auf der Ebene der Gene, d.h., Basen sind betroffen durch Basenaustausch, · entfernung oder-hinzufügung, welche zu den häufigsten Mutationen zählen. Ursachen zufällige Fehler in der DNA-Replikation O Einfluss von Mutagenen: O physikalische Mutagene: z. B. Strahlung uv : zusammenschluss von 2 benachbarten T-Basen zu einem Thymin-Dimer Rönigen : verursacht Strangbrüche der DNA Radioaktivitāt Temperatur chemische Mutagene: ● mRNA ● · Basenanaloga: sind einer Base so ähnlich, dass sie bei Replikation anstelle dieser eingebaut werden interhalierende Substanzen: schiebt sich anstelle des Nukleotids in DNA ein & bewirkt bei Replikation eine Rastermutation Punkmutationen normale sequenz Met stumme Mutation Lys Met ****⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ Lys Missense - Mutation Met Gly Lys Gly ************ STOPP Aminosäuren cys STOPP DNA STOPP DNA Triplett wird durch Basenaustausch ver- andert d damit auch das codon → ABER, übersetzung in die gleiche Aminosäure → keine Auswirkungen auf Aminosaure Basenaustausch an 1./2. Stelle eines Tripletts → bis auf wenige Ausnahmen wird eine falsche Aminosäure eingebaut je nach Proteine kaum bis schwere Folgen 0 Nonsense- Mutation ***⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ H Met Leseraster Mutationen STOPP Deletion Mutation -⠀⠀ Met Met Lys Inversion Mutation Lys Ala TIP Inversion Deletion Arg val 0 O frunzeitiger Abbruch der Translation →gebildete Polypeptid ist meist nutzlos O 0 durch Punktmutation wird Triplett zu stoppcodon codiert 0 Basen oder ganze Gene werden entfernt bzw. aus- gelassen das folgende Leseraster der Tripletts wird verschoben andere Aminosäuren werden codiert O Basen oder ganze Gene werden zusätzlich ein- gefügt folgende Les eraster der Tripletts wird verschoben andere Aminosäuren werden codiert. cenRegulation operator: Bindestelle für den Repressor Operon: DNA- Abschnitt aus Promotor, operator, Strukturgen Regulator: enthält die Informationen zur Bildung des Repressorproteins Repressor: protein, das die Enzymsynthese unterbinden kann Promotor: DNA-Abschnitt, an den die RNA- Polymerase bindet Substratinduktion 1. inaktiv/keine Lactose vorhanden O O wenn keine Lactose vorhanden ist, ist der Repressor aktiv → bindet an den operator und verandert dessen struktur RNA- Polymerase kann strukturgene nicht ablesen, also keine Enzymsynthese wenn kein Substrat vorhanden ist, ist auch keine Enzymproduktion notwendig →Operon ist inaktiv /blockiert 2. aktiv/Lactose vorhanden O O substrat bindet am Repressor, der dadurch inaktiviert wird O Operator wird nicht blockiert →RNA- Polymerase kann Strukturgene ablesen lactoseabbauende Enzyme können syn- thetisiert werden wenn Lactose vorhanden ist, ist das operon aktiv, da Enzyme für den Lactoseabbau benötigt werden Regulatorgen Promotor operator TOM" RNA- laC - Operon Polymerase inaktiver Repressor lac z ↓ FOCT iac Y lacર lac Y Lactose lac A keine Enzymsynthese lac A RNA-Polymerase mRNA + ↓ + Lactose-abbauende - Enzyme Endprodukt-Repression → Trp- Operon (synthese von Tryptophan) 1. aktiv/Tryptophan nicht vorhanden O 0 2. inaktiv/Tryptophan vorhanden O wenn kein Tryptophan vorhanden ist, muss es synthetisiert werden da der Repressor inaktiv ist, ist der operator nicht blockiert →RNA- Polymerase kann Strukturgene ablesen Enzyme werden synthetisiert, die für die Tryptophanbildung zustandig sind O wenn Tryptophan vorhanden ist, muss kein neues gebildet werden • Tryptophan bindet an den inautiven Repressor und aktiviert inn → bindet an den operator und blockiert inn RNA-Polymerase kann strukturgene nicht ablesen → es werden keine Enzyme hergestellt Substratinduktion dient der Regulation des Abbaus von Stoffen wenig Lactose → kein Abbau o viel Lactose → Abbau O Repressor ist zunächst aktiv 0 0 Regulatorgen promotor operator O trp- Operon inaktiver Trypto- Repressor phan Regulatorgen Promotor operator trp E trpD trpB trp A ↓ vorstufe → Synthese trp- Operon Substrat induktion und Produktrepression im Vergleich ↓↓↓↓ 0000 aktiver Repressor trp E trpD trp B trp A keine Enzymsynthese Produktrepression dient der Regulation der Synthese von Stoffen wenig Tryptophan Tryptophan viel Tryptophan → keine Synthese O Repressor ist zunächst inaktiv