Zellbiologie
FS 13
FS 13
TATA-Box
DNA-Sequenz in der Promotorregion eines Gens, zur Genregulation der Transkription bei Eukaryoten.[1] Auch in Archaeen findet sich die TATA-Box. In Bakterien gibt es eine vergleichbare Sequenz, die Pribnow-Box genannt wird.
Für das Ablesen der DNA und das Erzeugen der RNA (Transkription) muss der in RNA umzusetzende Teil vor der kodierenden Sequenz (im Promotor) bestimmte „Markierungen“ aufweisen. Erst dadurch können die notwendigen Proteine für diesen Schritt an die DNA binden. Dies geschieht über die sogenannte TATA-Box. Die Bezeichnung TATA stammt von der Abkürzung für die Basen-Sequenz T(hymin)-A(denin)-T(hymin)-A(denin). Eine Box ist ein in der Molekularbiologie üblicher Begriff für einen definierten, bekannten Bereich, einen in der Regel funktionellen Abschnitt im Genom.
Transkription
RNA Synthese in 5'-3'-Richtung (Ableserichtuung 3´-5´)
Ablesen der DNA durch RNA Polymerase und Herstellung von
RNA
• Transkription wird initiiert am Start Codon ATG
• Ein Promotor stromaufwärts der Gensequenz rekrutiert Transkriptionsfaktoren
• In Eukaryonten beinhaltet der Promotor eine TATA Box
• Genexpression kann auf unterschiedliche Arten reguliert werden. Z.B über Regulator Proteine, die
einen positiven oder negativen Effekt auf die Transkription haben können.
• Die DNA ist um Nukleosomen gewickelt, die aus Histonen bestehen. Diese Verpackung muss
gelockert werden, damit Transkription stattfinden kann.
Inititation:
1)Polymerase bindet an die Promotorsequenz an der DNAdoppelhelix; „geschlossener Komplex“
2)Polymerase öffnet die DNA nahe der Startsequenz zu einer Transkriptionsblase „offener Komplex“
3)Polymerase katalysiert eine Phosphodiestherverbindung zweier Anfangs rNTPs
Elongation:
4)Polymerase schreitet in 3´à5´ am Originalstrang fort, öffnet die DNA und fügt rNTPs an sodass die RNA wächst;
Termination:
5)an der Transkriptions-Stopsequenz gibt die Polymerase die RNA frei und trennt sie von der DNA
Transkriptionseinheit
die gesamte Nukleinsäuresequenz, die vom Transkriptionsstartpunkt bis zur Terminationsstelle abgelesen und in RNA umgesetzt wird.
Oft verschieden orientiert, die Richtung der Transkription kann von Gen zu Gen wechseln
Transkriptionsfaktoren
Allgemeine:als Untereinheiten der zur Transkription benötigten Proteinkomplexe übernehmen verschiedene Aufgaben und binden dabei entweder direkt an die DNA, zum Beispiel an allgemeine Motive wie Promoterelemente (etwa die TATA-Box), an die RNA-Polymerase oder an andere Proteine des Präinitiationskomplexes.treten stets als Komplexe mit anderen Proteinen auf.
Spezifische:vermitteln der Polymerase, welches Gen aktiviert werden soll. Sie sind daher nur in den Zellen vorhanden, in denen das Gen, das sie regulieren, aktiviert (oder je nach dem auch reprimiert) werden soll. Die DNA-Bereiche, an die sie binden, haben eine spezifische Sequenz (sog. cis-Elemente wie Enhancer oder Silencer), die von dem Transkriptionsfaktor erkannt und gebunden wird. Spezifische Transkriptionsfaktoren werden meistens durch Proteinkinasen aktiviert. Die Aktivierung ist das Ende einer langen Signalübermittlungskette, die durch einen Rezeptor ausgelöst wird.
Transkriptionsinitiation
Bakterien:
Ein Protein, der so genannte Sigma-Faktor, bindet an die Pribnow-Box des Promotors und erhöht damit drastisch die Bindungswahrscheinlichkeit der Polymerase an dieser Stelle. Nun wird unter Einbau von Nukleotiden die Elongation gestartet, wobei der Sigma-Faktor abgespalten wird.
Eukaryoten:
ein Initiationskomplex („Aktivator“) ist für den Transkriptionsstart notwendig, der an den Kernpromotor bindet.
Tertiärstruktur
3D-Assembly (Domäen=Bereiche, die sich selbstständig falten können);
ist aus mehreren Sekundärstrukturelementen zusammengesetzt und ist, genau wie die Sekundärstruktur, bereits in der Primärstruktur codiert;
In die Stabilisierung von Tertiärstrukturen sind Disulfidbrücken (stärkste Bindung), Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen (schwächste Bindung) involviert
Translation
Auch posttranslationelle Modifikation (=Synthese eines Proteins durch Ribosomen) Protein Synthese
Zelleigenschaften
-speichern Information in “Genen“ aus doppelsträngiger DANN
-genetischer Code zur Ablesung der Information ist in allen Zellen gleich
-Alle Zellen de-chiffrieren die Gene mittels eines RNA-Übertragungssystems (messenger RNA), das die genetische Information in Proteine übersetzt
-Alle Zellen synthetisieren Proteine mithilfe von Ribosomen.
-Proteine bestimmen Funktion und Strukturen in allen Zellen
-Alle Zellen brauchen Energie zur Aufrechterhaltung ihres inneren Milieus und für die Synthese der komplexen Zellbestandteileà ATP
-Alle Zellen sind von einer Plasma-Membran umgeben, bestehend aus
Proteinen und einer Lipid-Doppelschicht
Zellbausteine
Nucleinsäuren (DANN, RNA; UntereinheitàNucleotide)
Proteine (Enzyme, Strukturproteine... ; UntereinheitàAminosäuren)
Membranen (Plasmamembran, ER-Membran, Golgi-Membran..; UntereinheitàLipide (bestehend aus Fettsäuren)
Polysaccharide (UntereinheitàZucker)
Bausteine Zelle Prozentuale ANteile
sb
C-Terminus
Als C-Terminus oder Carboxy-Terminus wird jenes Ende eines Proteins oder Polypeptids bezeichnet, welches eine Aminosäure mit einer freien Carboxygruppe (COOH) besitzt.
Am C-Terminus endet die Proteinbiosynthese am Ribosom, wobei die letzte Aminosäure durch das letzte Aminosäure-codierende Triplett der mRNA vor dem Stopp-Codon bestimmt wird. Damit hat das Protein einen unterscheidbaren Anfang und ein Ende. Durch die Peptidbindung, bei der immer eine Carboxygruppe mit einer α-ständigen Aminogruppe der nächsten Aminosäure verknüpft wird, bleibt am Anfang eines Proteins eine Aminogruppe und am Ende eine Carboxygruppe frei.[
N-Terminus
Als N-Terminus oder Amino-Terminus wird jenes Ende eines Proteins oder Polypeptids bezeichnet, welches bei Eukaryoten und Archaeen eine Aminosäure mit einer freien Aminogruppe (NH2) besitzt. Bei Bakterien beginnen neusynthetisierte Proteine dagegen mit N-Formylmethionin (fMet), bei dem die Aminogruppe formyliert ist.[Das Ribosom startet die Proteinbiosynthese am N-Terminus mit einem Methionin als erster Aminosäure des neu zu bildenden Proteins. Der N-Terminus bleibt zunächst unmodifiziert, während die Carboxygruppe der Aminosäure über eine Peptidbindung mit der NH2-Gruppe der nächsten Aminosäure kovalent verknüpft wird.
RNA-Prozessierung
Als Prozessierung wird in der Biochemie sowohl die posttranskriptionale Modifizierung eukaryotischer RNA (kurz RNA-Prozessierung) als auch die posttranslationale Modifikation von Proteinen (kurz Protein-Prozessierung) bezeichnet. Die RNA wird in Eukaryoten aber nicht in Prokaryoten modifiziert
Spleißen
Introns werden aus der Prä-mRNA entfernt; Aus der Transkription eines Gens gehen viele Transkripte hervor! Die Spleissaktion läuft unter der Bildung einer Lassostruktur ab! Das Spleissosom (katalysiert das Spleißen, wobei die Introns (nichtkodierende Abschnitte) aus der prä-mRNA entfernt werden und die Exons (kodierenden Abschnitte) verknüpft werden. Dabei entsteht die mRNA.)
3’ Prozessierung:
Polyadenylierung
Als Polyadenylierung bezeichnet man das Anhängen von Adenin-Nukleotiden, den sogenannten Poly(A)-Schwanz, an das 3'-Ende eukaryotischer (auch viraler) prä-mRNA durch das Enzym Poly(A)-Polymerase. Die Polyadenylierung ist genau wie das Splicing und Capping, eine posttranskriptionale Modifikation der eukaryotischen prä-mRNA.
Transport der mRNA aus dem zellkern
aktiv;
Bei einer erhöhten Transkriptionsrate, z. B. bei Zellen, die viele Proteine produzieren, ist auch die Zahl der Kernporen erhöht, da die Transkription zwar im Zellkern, die Translation jedoch außerhalb des Zellkerns erfolgt und jedes fertige mRNA-Molekül daher den Zellkern verlassen muss.
Zunächst bindet das Protein nukleärer RNA-Exportfaktor 1 an den RNA-exon junction complex (EJC). Dieses Aggregat bindet nun andererseits an den Export-Rezeptor des NPC. Alles zusammen wird als export competent complex bezeichnet. Die Bewegung dieses Komplexes durch die Pore erfordert Energie, die in Form von GTP bereitgestellt wird. Am anderen Ende dissoziieren die genannten Komplexe wieder in ihre Teilkomplexe.
Eukaryotische prä-mRNA-Prozessierung
Zusammenfassung mRNA Prozessierung und Modifizierung
Zusammenfassung
.
Der genetische Code > Some facts
der genetische Code ist redundant (Das heißt, dass mehrer Codons für eine Aminosäure stehen können.)
Bei einem Code aus jeweils drei Zeichen und vier Buchstaben
(A, C, G und U in der messenger RNA) gibt es 43 = 64 mögliche Wörter; der genetische Code hat keine "Kommas" und ist überlappend
(Codons).
Tatsächlich werden alle 64 Codons benutzt.
Drei Codons (UAA, UAG, UGA) werden als Signale für “Stop“ der
Proteinsynthese gebraucht.
Die übrigen 61 Codons sind jeweils spezifisch für eine Aminosäure.
Da es nur 20 Aminosäuren als Protein-Bausteine gibt, haben die meisten
Aminosäuren mehr als ein Codon (Der Code ist redundant oder degeneriert).!
Wobble
3' Base und mittlere Base des Anticodons:
standard Watson-Crick Basenpaarung
5' Base des Anticodons: erweiterte
Basenpaarungsmöglichkeiten
Resultat: Anticodons von vielen tRNAs können mitmehr als nur einem Codon paaren
I: Inosine; nicht in mRNAs aber in tRNAs!
α-Helix
Wasserstoffbindungen zwischen Peptidbindungen: CO-Gruppe und NH-Gruppe der viertnächsten Aminosäure in der Kette
β-Faltblatt
Wasserstoffbindungen zwischen Peptidbindungen: CO-Gruppe und
NH-Gruppe benachbarter β-Stränge
3´und 5´Enden
Ein Nukleotid besteht aus Zucker, Phosphatrest und Base.
Die Kohlenstoffatome des Zuckers werden nummeriert, von 1 bis 5.
Hängt man bspw. 3 Nukleotide aneinander, so ist am einen Ende das 3. C-Atom des Zuckers ungebunden (3‘-Ende), an der anderen Seite ist das 5. C-Atom des Zuckers ungebunden (5‘-Ende). Daher spricht man von diesen Bezeichnungen.
5`Cap-Struktur
Die Cap-Struktur (zu deutsch Kappe) ist eine chemische Veränderung an mRNA-Molekülen in Eukaryoten, die die Stabilität der RNA drastisch erhöht und wichtig für den Transport der RNA aus dem Kern in das Cytoplasma und die darauf folgende Translation der mRNAs durch die Ribosomen ist.
Dabei handelt es sich meist um ein modifiziertes Guanin-Nukleotid, welches während der Transkription des Gens über eine seltene 5’-5’-Phosphodiesterbindung an das Kopfende der RNA geknüpft wird (engl. Capping). Capping findet wie auch das Splicing und die Polyadenylierung (engl. Tailing) cotranskriptionell statt, das heißt noch während die RNA-Polymerase die RNA synthetisiert. Man spricht daher auch von einer RNA-Fabrik.
Actinfilamente
Fasern mit 7 nm Durchmesser, die aus Aktin bestehen; Stabilisation der äusseren Zelle, Motorproteine des Aktin zuständig für Kurzstreckentransport zum Beispiel von Vesikeln zur Plasmamembran, Bewegung der Muskulatur etc.
Allgemeine Transkriptionsfaktoren
Allgemeine Transkriptionsfaktoren als Untereinheiten der zur Transkription benötigten Proteinkomplexe übernehmen verschiedene Aufgaben und binden dabei entweder direkt an die DNA, zum Beispiel an allgemeine Motive wie Promoterelemente (etwa die TATA-Box), an die RNA-Polymerase oder an andere Proteine des Präinitiationskomplexes.
Diese "basalen" Transkriptionsfaktoren treten stets als Komplexe mit anderen Proteinen auf. Durch das Binden an die DNA stellen sie eine Art "Plattform" für die RNA-Polymerase her, die Polymerase bindet an die Plattform, und die Transkription wird initiiert. Transkriptionsfaktoren sind in ihrer Struktur divers und haben unterschiedliche Aufgaben. Einige besitzen Bindestellen für wichtige Regulatoren (z. B. für Antiterminatoren), andere haben Proteinkinase-Funktionen oder zeigen Helicase-Aktivität (z. B. TAF250-TFIID). Sie sind ubiquitär, d. h. in allen Zellen eines Organismus gleichmäßig vorhanden, und haben an der spezifischen Genregulation meist keinen Anteil.
Aktivator-Protein
ein DNA-bindender Stoff, z. B. die niedermolekulare Arabinose oder Regulator-Proteine, die an die Operator-Bindestelle, in 3'-Richtung vor dem Operator binden und dadurch die Affinität der RNA-Polymerase an den Promotor erhöht, wodurch die Transkription des Gens (oder Operons) aktiviert wird. Der Aktivator wird durch einen Coaktivator (Signalstoff) beziehungsweise Induktor aktiviert.
Der Aktivator erlaubt die Umstrukturierung der DNA!!
ATP
Adenosintriphosphat (ATP) ist ein Nukleotid, bestehend aus dem Triphosphat des Nucleosids Adenosin (und als solches ein energiereicher Baustein der Nukleinsäure RNA).
ATP ist jedoch hauptsächlich der universelle und unmittelbar verfügbare Energieträger in jeder Zelle und gleichzeitig ein wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse. Das ATP-Molekül besteht aus einem Adeninrest, dem Zucker Ribose und drei Phosphaten (α bis γ) in Ester- (α) bzw. Anhydridbindung (β und γ).
Bakterien
biochemische Fabriken, die einfache
Chemikalien in sehr komplexe Moleküle verwandeln
Können
enorm wichtig: Bakterien im Darm
Krankheitserreger: Yersinia pestis, Streptomyces, Vibrio
cholerae, E. coli, Salmonella etc.
Basen
s
Cholesterin
ein in allen tierischen Zellen vorkommender Naturstoff.ein lebenswichtiges Sterol und ein wichtiger Bestandteil der Plasmamembran. Es erhöht die Stabilität der Membran und trägt gemeinsam mit Proteinen dazu bei, Signalstoffe in die Zellmembran einzuschleusen und wieder hinauszubefördern. Der menschliche Körper enthält etwa 140 g Cholesterin. Da es in Wasser nicht löslich ist, befinden sich über 95 % des Cholesterins innerhalb der Zellen.
u.A. Steroide (Stoffklasse der Lipide, vielfältige Aufgaben) die eine hydrophobe Wechselwirkung mit den Lipiden eingehen und die ansonsten flexible Biomembran verfestigen
Cysteine
Können Disulfidbrücken ausbilden (bei der Oxidation 2er SH-Gruppen)
Cytoskellet
aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Zytoplasma eukaryotischer Zellen; verantwortlich für die mechanische Stabilisierung der Zelle und ihre äußere Form, für aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes, sowie für Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle; besteht aus
Mikrotubuli, Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten
Disulfidbrücken
Disulfidbindung ist die kovalente Bindung (eine Atombindung) zwischen den Schwefel-Atomen zweier Cystein-Moleküle, die in der Aminosäureseitenkette eines Proteins vorkommen; können intra- (inerhalb eines Mols) und intermolekular (zwischen versch. Mols) sein
DNA (Strukturen)
sb
DNA (Aufbau)
sb
DNA-Polymerasen
Enzyme, welche die Synthese von DANN aus Desoxyribonukleotiden an einer DANN-Matrize katalysieren. DANN-Polymerasen spielen eine Schlüsselrolle bei der DANN-Replikation
DNA-Helikase
Trennt die beiden DNA Stränge
Endosomen
vermitteln den Transport von der Plasmamenbran ins Zellinnere (entweder zu den Lysosomen oder dem Golgi Apparat)
Endosymbionten
chemotrophe und phototrophe Bakterien von anderen prokaryotischen Zellen (möglicherweise Archaeen) wurden durch Phagozytose aufgenommen und dadurch zu Endosymbionten. Später haben sich die Endosymbionten zu Zellorganellen in ihren Wirtszellen entwickelt. Die Komplexe aus den Wirtszellen und den darin befindlichen Organellen sind Eukaryoten
à Endosymbiontentheorie
Bsp.: Mitochondiren, Chloroplasten, Plastiden
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Lernkarten
Okazaky-Fragment
während der DNA-Replikation entstehenden kurzen Abschnitt des Folgestrangs aus DNA und RNA;
Bei Prokaryoten ist ein solches Fragment 1000 bis 2000, bei Eukaryoten 100 bis 200 Nukleotide lang.
Das für die Synthese der DNA zuständige Protein DNA-Polymerase III (Eukaryoten: DNA-Polymerase δ) braucht als Starthilfe ein kurzes, Primer genanntes und an die zu kopierende DNA gebundenes RNA-Molekül, welches es dann um weitere Nukleotide, die Bausteine der DNA, verlängert. Die Polymerase vermag nur in 5'–3' Richtung einen lückenlosen neuen Strang zu bilden. Den in Wanderungsrichtung der Replikationsgabel (im Bild nach links) kontinuierlich gebildeten Tochterstrang nennt man Leitstrang (leading strand), den aufgrund der Enzymeigenschaften diskontinuierlich an dem anderen, in 5'–3'-Richtung verlaufenden Elternstrang gebildeten nennt man Folgestrang (lagging strand).
àDer Folgestrang wird nahe der Gabel, von dem Primer ausgehend, bis zum Ende des entwundenen DNA-Abschnitts in 5'–3'-Richtung, aber entgegen der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel synthetisiert; da die DNA sich nur mit endlicher Geschwindigkeit aufwickelt, ist der dabei entstehende Strang kurz. Die Gabel bewegt sich fort, und weitere Teile der DNA werden frei, an die eine Primase erneut einen Primer setzt. Von dort aus beginnt die Polymerase ein weiteres DNA-Teil anzuschließen, bis sie auf das 5'-Ende des zuvor gebildeten kurzen Fragments stößt usw. Diese repetitiv gebildeten kurzen Abschnitte aus DNA und RNA heißen Okazaki-Fragmente.
Ein weiteres Enzym, die DNA-Polymerase I (Eukaryoten: DNA-Polymerase α), entfernt die Primer und füllt die Lücken zwischen den Fragmenten mit zusätzlichen Desoxynukleotiden wieder auf. Eine DNA-Ligase verknüpft die einzelnen Fragmente, sodass schließlich ein kompletter DNA-Strang, der Folgestrang, entsteht.
Operon
eine Funktionseinheit der prokaryotischen (manchmal auch eukaryontischen) DNA, es besteht aus:
-Promotor
-ein oder mehrer Operator(en)
-Strukturgene (die für Proteine mit typischerweise verwandten Funktionen codieren)
Die Funktion des Operons wird durch verschiedene Repressoren bzw. Aktivatoren am Operator reguliert. So können z.B bei Anwesenheit eines Nährstoffes alle benötigten Enzyme hergestellt werden, die für die Umsetzung nötig sind. Gleichzeitig kann dieser Prozess auf über einen Repressor (z.B das Endprodukt) wieder deaktiviert werden.
Peroxisom
Von Membran umschlossene Zellorganellen in eukaryotischen Zellen; verbrauchen in vielfältigen Stoffwechselfunktionen Sauerstoff und gelten daher als die ersten Entgiftungsapparate, die mit dem Auftreten einer sauerstoffhaltigen Erdatmosphäre erforderlich wurden.
Phosphorylierung
das reversible (umkehrbare) Anhängen einer Phosphatgruppe an ein organisches Molekül, insbesondere an Proteine. Das Resultat sind Phosphoproteine. Diese Phosphorylierung stellt (neben der allosterischen und der kompetitiven Hemmung) die wichtigste Regulation von biologischen Prozessen in der Zelle dar. Die Enzyme, welche die Phosphorylierung von Proteinen katalysieren, heißen Proteinkinasen. Dabei wird eine Phosphatgruppe kovalent an einen Aminosäurerest gebunden, in der Regel mit ATP als Substrat für das Phosphat. Eine andere Enzymkategorie, die Phosphatasen, können diesen Prozess umkehren, d.h. die Phosphatgruppe wird vom Protein entfernt. Proteinkinasen und -phosphatasen sind dabei in der Regel sehr spezifisch und können ebenfalls in ihrer Aktivität gezielt kontrolliert werden.
àDa eine Phosphatgruppe eine polare Ladung besitzt, hat eine Phosphorylierung oft Konformationsänderungen des Proteins zur Folge, so dass es zwei möglicherweise funktionell verschiedene Formen des Proteins gibt, je nachdem ob es phosphoryliert ist oder nicht. Diese zwei Formen können, je nach Einzelfall, aktivierte oder inaktivierte Formen eines Proteins darstellen. Viele Transkriptionsfaktoren werden auf diesem Weg über Signaltransduktionskaskaden aktiviert; Aktivitäts-Regulation von Proteinen
Polymerasen
in allen Lebewesen vorkommende Enzyme, die die Polymerisation von Nukleotiden, die Grundbausteine der Nukleinsäure, katalysieren. Ihre Funktion ist notwendig für die Vermehrung der Erbinformation (DNA) im Prozess der Replikation, einer Voraussetzung für die Zellteilung. Des Weiteren sind sie notwendig für die ersten Schritte der Proteinbiosynthese, der Herstellung von Proteinen in der Zelle.
Polymerasen stellen die Nukleinsäuren DNA oder RNA her. Sie verknüpfen hierfür in einer bestimmten Reihenfolge Nukleotide zu einer Nukleinsäurekette. Diese Reihenfolge ist in der Regel durch eine andere Nukleinsäure vorgegeben, die als Vorlage (Matrize) genutzt wird. Je nach Art der Vorlage und des Produkts (RNA oder DNA) unterscheidet man die folgenden Polymerasen:
DNA-abhängige DNA-Polymerasen; DNA → DNA (Funktion: Replikation)
RNA-abhängige DNA-Polymerase; RNA → DNA (Funktion: Reverse Transkription)
DNA-abhängige RNA-Polymerase; DNA → RNA (Funktion: Transkription)
RNA-abhängige RNA-Polymerase; RNA → RNA (Funktion: Replikation von manchen RNA-Viren)
unabhängige RNA-Polymerase → RNA
unabhängige DNA-Polymerase → DNA
Polypeptid
Aminosäurekette (50-100 Aminosäuren; Anzahl geringer = Oligopeptid, Azahl höher= Protein)
Primärstruktur
NUR Aminosäureabfolge, nötig zur Ausbildung der Sekundärstruktur! Entsprechend trägt diese bei Nukleinsäuren (DNA und RNA) den Namen Nukleotidsequenz
Prionen
Krankhafte Proteinklasse (verursacht bspw. Kreuzfeld Jakob!
Gesundes Protein entspricht dem kranken à keine Mutation, Unterschied liegt in der Konformation
Prokaryont
Erbmaterial im Cytoplasma =>hat keine Kernhülle; Erbinformation in einem Plasmid gespeichert; Ein ‘Reaktionsraum’; Plasmamembran unterteilt ininnere und äussere PM, getrennt durch periplasmatischen Raum
Proteine
• Bestehen aus Aminosäuren
• Primärstruktur: Aminosäuresequenz
• Sekundärstruktur: α-helix, ß-Faltblatt, unstruktuierte Regionen
– Wasserstoffbrücken
• Tertiärstruktur: räumliche Anordnung
– Disulfidbrücken
– Ionen Wechselwirkungen, van der Waals Kräfte, Wasserstoffbrücken
– Metallbindung
– Phosphorylierung
• Quartärstruktur: Interaktion mit anderen Proteinen (gleichen und ungleichen...)
• Strukturelemente kombinierbar
• Konformation kann sich ändern
• Viele verschiedene Familien, mit unterschiedlichen Funktionen und Aktivitäten
Purine
Adenin, Guanin; zwei Ringe
Pyrimidine
Thymin Cytosin, Uracil; einfacher Ring!
Pyrophosphate
Als Pyrophosphat bezeichnet man das Salz der Pyrophosphorsäure mit der Summenformel (P2O7)4-. Es entsteht durch Kondensation aus zwei Phosphat-Molekülen. Pyrophosphat kommt physiologischerweise als energiereiche Bindung vor, beispielsweise im ATP.
Quartärstruktur
die definierte Anordnung von zwei oder mehr Makromolekülen mit Tertiärstruktur, die durch Wasserstoffbrücken, van-der-Waals-Kräfte und Coulombsche Kräfte zusammengehalten werdenà Zusammenspiel verschiedener Proteine; der passende Ligand wird mittels kovalenter Bindung in der binding-site fixiert.
Klassisches Beispiel für Quartärstrukturen sind Proteine, die sich zu funktionellen Komplexen zusammenlagern und reversibel trennen lassen
Viele Proteine sind auf diese Weise aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt. Ein bekanntes Beispiele für ein solches Oligomer stellt Hämoglobin dar. Bei den meisten Tieren besteht das Hämoglobin aus zwei identischen α-Hämoglobin- und zwei identischen β-Hämoglobinsträngen, die jeweils ein Eisenion umschließen
Zwei oder mehr Untereinheiten (Dimer, Tetramer....)
Replikation
DNA Synthese in 5‘-3‘-Richtung
• Die exakte Kopie des genetischen Materials -> eine Replique
• Muss mit hoher Genauigkeit stattfinden
• Wird von der DNA-Polymerase durchgeführt
• Bis zu 500 Nukleotide/sec kann die Polymerase verbinden
• Fehlerrate: 1 Nukleotid/109 Nukleotide
• Menschliches Genom 3 109 Nukleotide
-> 3 Fehler pro Replikation
Mechanismus und Fehlerrate ähnlich von Bakterien bis zum Menschen
Ribosome
Proteinsynthese der Zelle
RNA
Wie die DNA ist die RNA ein Polynukleotid, bei denen die Nukleobasen an Zuckern über Phosphorsäurediester miteinander verknüpft sind.D
ie Einzelsträngigkeit erhöht die Zahl der Möglichkeiten für dreidimensionale Strukturen der RNA und erlaubt ihr chemische Reaktionen, die der DNA nicht möglich sind. Jedes Nukleotid besteht bei der RNA aus einer Ribose (d. h. einer Pentose: einem Zucker mit fünf C-Atomen), einem Phosphatrest und einer organischen Base.Die Ribose der RNA ist mit derjenigen der DNA identisch, bis auf eine Hydroxygruppe (statt eines Wasserstoff-Atoms, lat. Hydrogenium) an der 2‘-Position im Pentose-Ring (daher auch Desoxyribonucleinsäure, DNA). Dieser Unterschied macht RNA weniger stabil als DNA, da er eine Hydrolyse durch Basen ermöglicht: Die OH-Gruppe an der 2‘-Position des Zuckers wird durch ein negativ geladenes Hydroxidion einer Base ihres Protons beraubt und der dann zurückgebliebene Sauerstoff geht eine Ringbindung mit dem Phosphor ein, wodurch die Bindung zum nächsten Nukleotid gelöst wird. Die RNA wird so in ihre Nukleotide zerlegt.
RNA Typen
sb
RNA und DNA
Bestehen aud Nukleotiden: Desoxyribonukleotide, Ribonukleotide
• Nukleotide bilden Wasserstoffbrücken in bestimmten Paaren AT und GC bei DNA und AU und GC
für RNA
• DNA ist verpackt mithilfe von Histone, die dann Nukleosome ausbilden
• DNA bildet eine charakteristische Doppelhelix
• RNA entsteht durch ablesen der DNA
• RNA kann auch als Doppelstrang vorkommen, zusätzlich gibt es Einzelstrang RNA (weit verbreitet;
mRNA), und Sekundärstrukturen wie Hairpin und bei tRNA
Sekundärstruktur
αHelix, βFaltblatt, unstrukturiert; Für die topologische Anordnung der Atome im Raum sind Wasserstoffbrücken zwischen den Atomen verantwortlich
Silencer
Abschnitte in der Erbinformation, die sich auf der DNA im sogenannten Promotor vor oder nach dem eigentlichen Gen befinden, das das dazugehörende Protein kodiert. Sie gehören zu den cis-Elementen. Sie setzen, im Zusammenspiel mit Transkriptionsfaktoren, die Transkriptionsaktivität eines Gens herab. Ihr Wirkmechanismus entspricht dem der Enhancer, jedoch mit entgegengesetztem Ergebnis.
Somatische Zellen
Körperzelle, aus der im Unterschied zu den Zellen der Keimbahn keine Geschlechtszellen (Gameten) hervorgehen können; entwickeln sich im Laufe des Lebens durch Differenzierung sozusagen in eine Sackgasse, die mit dem Tod dieser Zellen endet. Veränderungen der Erbinformation somatischer Zellen haben daher keine Auswirkung auf die folgende Generation.
Spleissen
Weiterverarbeitung (Prozessierung) der Ribonukleinsäure (RNA) bezeichnet, der im Zellkern von Eukaryoten stattfindet und bei dem aus der prä-mRNA die reife mRNA entsteht.
Die zunächst in der Transkription gebildete prä-mRNA enthält noch Introns und Exons. Durch das Splicing werden die Introns entfernt und die angrenzenden Exons miteinander zur fertigen mRNA verknüpft. Splicing findet – zusammen mit dem Capping des 5'-Endes und der Polyadenylierung (Tailing) des 3'-Endes – während der Transkription statt, man spricht daher von einer cotranskriptionellen RNA-Prozessierung und einer „RNA-Fabrik“.
TATA-Box
DNA-Sequenz in der Promotorregion eines Gens, zur Genregulation der Transkription bei Eukaryoten.[1] Auch in Archaeen findet sich die TATA-Box. In Bakterien gibt es eine vergleichbare Sequenz, die Pribnow-Box genannt wird.
Für das Ablesen der DNA und das Erzeugen der RNA (Transkription) muss der in RNA umzusetzende Teil vor der kodierenden Sequenz (im Promotor) bestimmte „Markierungen“ aufweisen. Erst dadurch können die notwendigen Proteine für diesen Schritt an die DNA binden. Dies geschieht über die sogenannte TATA-Box. Die Bezeichnung TATA stammt von der Abkürzung für die Basen-Sequenz T(hymin)-A(denin)-T(hymin)-A(denin). Eine Box ist ein in der Molekularbiologie üblicher Begriff für einen definierten, bekannten Bereich, einen in der Regel funktionellen Abschnitt im Genom.
Transkription
RNA Synthese in 5'-3'-Richtung (Ableserichtuung 3´-5´)
Ablesen der DNA durch RNA Polymerase und Herstellung von
RNA
• Transkription wird initiiert am Start Codon ATG
• Ein Promotor stromaufwärts der Gensequenz rekrutiert Transkriptionsfaktoren
• In Eukaryonten beinhaltet der Promotor eine TATA Box
• Genexpression kann auf unterschiedliche Arten reguliert werden. Z.B über Regulator Proteine, die
einen positiven oder negativen Effekt auf die Transkription haben können.
• Die DNA ist um Nukleosomen gewickelt, die aus Histonen bestehen. Diese Verpackung muss
gelockert werden, damit Transkription stattfinden kann.
Inititation:
1)Polymerase bindet an die Promotorsequenz an der DNAdoppelhelix; „geschlossener Komplex“
2)Polymerase öffnet die DNA nahe der Startsequenz zu einer Transkriptionsblase „offener Komplex“
3)Polymerase katalysiert eine Phosphodiestherverbindung zweier Anfangs rNTPs
Elongation:
4)Polymerase schreitet in 3´à5´ am Originalstrang fort, öffnet die DNA und fügt rNTPs an sodass die RNA wächst;
Termination:
5)an der Transkriptions-Stopsequenz gibt die Polymerase die RNA frei und trennt sie von der DNA
Transkriptionseinheit
die gesamte Nukleinsäuresequenz, die vom Transkriptionsstartpunkt bis zur Terminationsstelle abgelesen und in RNA umgesetzt wird.
Oft verschieden orientiert, die Richtung der Transkription kann von Gen zu Gen wechseln
Transkriptionsfaktoren
Allgemeine:als Untereinheiten der zur Transkription benötigten Proteinkomplexe übernehmen verschiedene Aufgaben und binden dabei entweder direkt an die DNA, zum Beispiel an allgemeine Motive wie Promoterelemente (etwa die TATA-Box), an die RNA-Polymerase oder an andere Proteine des Präinitiationskomplexes.treten stets als Komplexe mit anderen Proteinen auf.
Spezifische:vermitteln der Polymerase, welches Gen aktiviert werden soll. Sie sind daher nur in den Zellen vorhanden, in denen das Gen, das sie regulieren, aktiviert (oder je nach dem auch reprimiert) werden soll. Die DNA-Bereiche, an die sie binden, haben eine spezifische Sequenz (sog. cis-Elemente wie Enhancer oder Silencer), die von dem Transkriptionsfaktor erkannt und gebunden wird. Spezifische Transkriptionsfaktoren werden meistens durch Proteinkinasen aktiviert. Die Aktivierung ist das Ende einer langen Signalübermittlungskette, die durch einen Rezeptor ausgelöst wird.
Transkriptionsinitiation
Bakterien:
Ein Protein, der so genannte Sigma-Faktor, bindet an die Pribnow-Box des Promotors und erhöht damit drastisch die Bindungswahrscheinlichkeit der Polymerase an dieser Stelle. Nun wird unter Einbau von Nukleotiden die Elongation gestartet, wobei der Sigma-Faktor abgespalten wird.
Eukaryoten:
ein Initiationskomplex („Aktivator“) ist für den Transkriptionsstart notwendig, der an den Kernpromotor bindet.
Tertiärstruktur
3D-Assembly (Domäen=Bereiche, die sich selbstständig falten können);
ist aus mehreren Sekundärstrukturelementen zusammengesetzt und ist, genau wie die Sekundärstruktur, bereits in der Primärstruktur codiert;
In die Stabilisierung von Tertiärstrukturen sind Disulfidbrücken (stärkste Bindung), Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen (schwächste Bindung) involviert
Translation
Auch posttranslationelle Modifikation (=Synthese eines Proteins durch Ribosomen) Protein Synthese
Zelleigenschaften
-speichern Information in “Genen“ aus doppelsträngiger DANN
-genetischer Code zur Ablesung der Information ist in allen Zellen gleich
-Alle Zellen de-chiffrieren die Gene mittels eines RNA-Übertragungssystems (messenger RNA), das die genetische Information in Proteine übersetzt
-Alle Zellen synthetisieren Proteine mithilfe von Ribosomen.
-Proteine bestimmen Funktion und Strukturen in allen Zellen
-Alle Zellen brauchen Energie zur Aufrechterhaltung ihres inneren Milieus und für die Synthese der komplexen Zellbestandteileà ATP
-Alle Zellen sind von einer Plasma-Membran umgeben, bestehend aus
Proteinen und einer Lipid-Doppelschicht
Zellbausteine
Nucleinsäuren (DANN, RNA; UntereinheitàNucleotide)
Proteine (Enzyme, Strukturproteine... ; UntereinheitàAminosäuren)
Membranen (Plasmamembran, ER-Membran, Golgi-Membran..; UntereinheitàLipide (bestehend aus Fettsäuren)
Polysaccharide (UntereinheitàZucker)
Bausteine Zelle Prozentuale ANteile
sb
C-Terminus
Als C-Terminus oder Carboxy-Terminus wird jenes Ende eines Proteins oder Polypeptids bezeichnet, welches eine Aminosäure mit einer freien Carboxygruppe (COOH) besitzt.
Am C-Terminus endet die Proteinbiosynthese am Ribosom, wobei die letzte Aminosäure durch das letzte Aminosäure-codierende Triplett der mRNA vor dem Stopp-Codon bestimmt wird. Damit hat das Protein einen unterscheidbaren Anfang und ein Ende. Durch die Peptidbindung, bei der immer eine Carboxygruppe mit einer α-ständigen Aminogruppe der nächsten Aminosäure verknüpft wird, bleibt am Anfang eines Proteins eine Aminogruppe und am Ende eine Carboxygruppe frei.[
N-Terminus
Als N-Terminus oder Amino-Terminus wird jenes Ende eines Proteins oder Polypeptids bezeichnet, welches bei Eukaryoten und Archaeen eine Aminosäure mit einer freien Aminogruppe (NH2) besitzt. Bei Bakterien beginnen neusynthetisierte Proteine dagegen mit N-Formylmethionin (fMet), bei dem die Aminogruppe formyliert ist.[Das Ribosom startet die Proteinbiosynthese am N-Terminus mit einem Methionin als erster Aminosäure des neu zu bildenden Proteins. Der N-Terminus bleibt zunächst unmodifiziert, während die Carboxygruppe der Aminosäure über eine Peptidbindung mit der NH2-Gruppe der nächsten Aminosäure kovalent verknüpft wird.
RNA-Prozessierung
Als Prozessierung wird in der Biochemie sowohl die posttranskriptionale Modifizierung eukaryotischer RNA (kurz RNA-Prozessierung) als auch die posttranslationale Modifikation von Proteinen (kurz Protein-Prozessierung) bezeichnet. Die RNA wird in Eukaryoten aber nicht in Prokaryoten modifiziert
Spleißen
Introns werden aus der Prä-mRNA entfernt; Aus der Transkription eines Gens gehen viele Transkripte hervor! Die Spleissaktion läuft unter der Bildung einer Lassostruktur ab! Das Spleissosom (katalysiert das Spleißen, wobei die Introns (nichtkodierende Abschnitte) aus der prä-mRNA entfernt werden und die Exons (kodierenden Abschnitte) verknüpft werden. Dabei entsteht die mRNA.)
3’ Prozessierung:
Polyadenylierung
Als Polyadenylierung bezeichnet man das Anhängen von Adenin-Nukleotiden, den sogenannten Poly(A)-Schwanz, an das 3'-Ende eukaryotischer (auch viraler) prä-mRNA durch das Enzym Poly(A)-Polymerase. Die Polyadenylierung ist genau wie das Splicing und Capping, eine posttranskriptionale Modifikation der eukaryotischen prä-mRNA.
Transport der mRNA aus dem zellkern
aktiv;
Bei einer erhöhten Transkriptionsrate, z. B. bei Zellen, die viele Proteine produzieren, ist auch die Zahl der Kernporen erhöht, da die Transkription zwar im Zellkern, die Translation jedoch außerhalb des Zellkerns erfolgt und jedes fertige mRNA-Molekül daher den Zellkern verlassen muss.
Zunächst bindet das Protein nukleärer RNA-Exportfaktor 1 an den RNA-exon junction complex (EJC). Dieses Aggregat bindet nun andererseits an den Export-Rezeptor des NPC. Alles zusammen wird als export competent complex bezeichnet. Die Bewegung dieses Komplexes durch die Pore erfordert Energie, die in Form von GTP bereitgestellt wird. Am anderen Ende dissoziieren die genannten Komplexe wieder in ihre Teilkomplexe.
Eukaryotische prä-mRNA-Prozessierung
