Biologie 8 / Vom Gen zum Protein

Am Aufbau der Mononucleotide der DNA ist der Zucker Desoxyribose und eine der vier folgenden Basen beteiligt:
- Adenin (A)
- Guanin (G)
- Cytosin (C)
- Thymin (T)

Die Mononucleotide der RNA unterscheiden sich dadurch, dass sie den Zucker Ribose und anstelle der Base Thymin die Base Uracil (U) enthalten.

Die gesamte Information zum Bau eines Lebewesens und dessen Funktionen werden in der DNA (bei Viren z.T. auch in der RNA) durch eine ungesetzmässige Folge der vier verschiedenen Nucleotide festgelegt (Nucleotidse-quenz).

DNA Doppelhelix
beiden Stränge sind gegenläufig:  Antiparall
Der eine Strang enthält die genetische Information (codogener Strang), der andere Strang wird nicht für die Synthese von Zellbestandteilen verwendet.
• A und T (2 H-Brücken)
• G und C (3 H-Brücken)

Die Zucker – Phosphate sind entgegengesetzt ausgerichtet. Die fünf Kohlenhydrate des Zucker werden numeriert von 1‘- 5‘. Das Phosphat wird ans 5‘ geheftet und ist mit dem 3‘ des folgenden Zuckers (Nukleotids) verbunden. Am 3‘ Ende des Strangs hängt eine OH – Gruppe.

Das Problem ist, dass die DNA Polymerase die Nukleotiden nur am 3‘ Ende anfügen kann. Ein neuer Strang
entsteht also immer von 5‘ -> 3‘. 

Alte DNA-Doppelstrang wird reissverschlussartig geöffnet. Das Enzym DNA-Helicase bricht dazu H-Brücken zwischen beiden Polynucleotid-Strängen 

• An die Basen der beiden geöffneten Einzelstränge lagern sich frei
herumschwimmende Nucleotide gemäss der Komplementärregel
• DNA-Polymerase verbindet die angelagerten Nucleotide durch Esterbindungen
zu einem neuen Strang

Der eine Strang kann somit fortlaufend hinter der Replikationsgabel synthetisiert werden (Leitstrang). Der andere Strang muss Stück für Stück hergestellt werden in dem immer neue Polymerasen bei der Gabel ansetzen und gegen die Laufrichtung der Auftrennung synthetisieren (Folgestrang). Diese Stücke die einzeln hergestellt werden,
nennt man Okazaki – Fragmente. Sie sind 100 – 200 Nukleotiden lang. 

Anschliessend werden sie durch das Enzym Ligase verbunden. 

Drei nacheinander folgende Nucleotide (A,T,G oder C) bilden ein sog. Triplett.

1 Triplett bestimmt, welche Aminosäure in der Zelle für die Proteinsynthese verwendet werden soll.

Kombination von je drei Elementen 4³ = 64 verschiedene Tripletts gebildet werden.

Die Tripplets erst anfangen abzulesen wenn das Startcodon gefunden ist. Mit dem Stoppcodon ist die Aminosäure fertig. 

Ein Gen ist eine Region der DNA, deren schlussendliches Produkt entweder ein Polypeptid oder ein RNA –  Molekül (zBsp. tRNA) ist (die ein – Gen – ein – Polypeptid – Hypothese stimmt also nicht ganz genau). Erst durch die Proteine werden verschiedene Phänotypen ausgedrückt. Gene werden reguliert. Diese Kontrolle der Genexpression macht es möglich, dass sich in mehrzelligen Eukaryoten Zellen mit derselben DNA zu verschiedenen Zelltypen entwickeln können.

Genexpression: 

Die Erbinformationen sind im Kern „gefangen“ :

1. Der Bauplan liegt im Kern, er darf ihn aber nie verlassen
2. Die Produktionseinrichtungen aber sind im Zellplasma untergebracht
3. Die Informationen müssen im Kern kopiert und diese Kopien ins Zellplasma transportiert werden
4. Als Vermittler der genetischen Botschaft dient folglich die sog. Boten-RNA oder messenger-RNA, kurz m-RNA

1 Gen ist die Information für 1 Protein (nicht zu 100% richtig – AK etc)

Eine Kopie des Gens muss erstellt werden in Form von RNA, welche als Boten-RNA bzw. messenger-RNA (mRNA) bezeichnet wird -> Vorgang wird als Transkription bezeichnet.

Die Herstellung der RNA verläuft im Prinzip gleich wie die DNA-Replikation. 

Die meisten Gene und ihre primären RNA-Transkripte enthalten viele nicht codierende Bereiche (Introns), welche
sich aber zwischen codierenden Basenfolgen (Exons) befinden 

Translation: Primärtranskript mit Introns und Exons ensteht. 

Reife mRNA: aus Primärtranskript werden Introns entfernt & Exons zusammengespleisst -> durchgehend
codierte mRNA entsteht -> gelangt durch die Kernporen in das Zellplasma.

• Anzahl der Intron pro Gen variiert stark. Prokaryontische Gene enthalten keine Introns.
• Funktion der Introns: die meisten Introns haben keine deutliche/bekannte Funktion

 Vermutungen: Wahrscheinlich haben Introns einen regulierenden Effekt auf die Zelle. Einige Sequenzen kontrollieren die Genaktivität.
- Einige Gene können aber auch die Informationen für mehrere verschiedene Proteine geben, je nach dem, welche Stücke herausgeschnitten werden.
- Zudem bewirken Introns, dass die Exons weiter auseinander liegen. Damit wird die Chance für ein Crossing – over und somit für eine Rekombination grösser. Dieses Mischen von Exons zweier homologer Chromosomen könnte im Laufe der Evolution zu neuen Proteinen mit neuen Aufgaben geführt haben (führen).

Struktur:

•  L – Form rührt daher, dass einige Nukleotiden Wasserstoffbrücken zu anderen Nukleotiden des selben Stranges bilden.
• Am 3‘ Ende ist die „Andockstelle“ für die Aminosäuren.
• Anticodon: eine Sequenz aus drei Nukleotiden, mit der sich die tRNA an die mRNA bindet -> ist also komplementär zum entsprechenden Basentriplett (Codon).
• Flexibilität bei der Basenpaarung wird als Wobbling bezeichnet -> Die dritte Base des Anticodon muss nicht immer genau zu der des Codons passen. Hypothese erklärt, warum zBsp. UUA und UUG im genetischen Code beide für Leucin stehen. siehe Bild links

Beladen der Transfer-RNA
Das Enzym Aminoacyl – tRNA – Synthetase verbindet die tRNA mit der zugehörigen Aminosäure.
Die Spaltung von ATP liefert die Energie dazu. Da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, gibt es auch 20
verschiedene Aminoacyl – tRNA – Synthetasen. Bild rechts

Genereller Aufbau der Ribosomen:

Prokaryontisch:
– 70S-Ribosom (eukaryotisch): MG: 2‘500 000, 3 rRNAs (5S, 23S, 16S), ca 55 Proteine (34% des Gewichtes)
Eukaryotisch:
– 80S-Ribosom (eukaryotisch): MG: 4‘200 000, 4 rRNAs (5S, 5.8S, 28S, 18S), ca 85 Proteine (40% des Gewichtes)
– 2 Untereinheiten: „kleine“ 40S: mRNA & tRNA treffen aufeinander „grosse“ 60S: Verknüpfung von Aminosäuren

Aufbau eines Eukaryotischem Ribosoms: 

Grosse Untereinheit besitzt 3tRNA Bindungsstellen:
– A-Stelle: Aminoacyl-tRNABindungsstelle (Erkennungsort)
– P-Stelle: Peptidyl-tRNABindungsstelle (Bindugnsort)
– E-Stelle: Exit-Site der entladenen tRNA(Exportort)

Wenn das entstehende Protein in der Zelle bleiben soll, wird sie auch dort beendet („freie Ribosomen“). 

Soll das Protein jedoch in ein bestimmtes Organell (ER, Golgi, Endosomen etc) hinein oder soll es ganz aus der
Zelle ausgeschieden werden (Bsp. Insulin), besitzt es am Anfang ein Signalpeptid (ca. 20 Aminosäuren)

• Während und nach der Synthese beginnt sich das Polypeptid zu falten.
• Falsch gefaltete Proteine werden erkannt, weil hydrophoben Aminosäuren, die normalerweise im Inneren des Proteinsliegen, an der Proteinoberfläche exportiert sind
• Schlecht gfaltene Proteine sind klebrig und schlecht. Sie werden modifiziert, markiert und sofort abgebaut.