11 MZB I - Sartori
Expression der genetischen Information
Expression der genetischen Information
Fichier Détails
| Cartes-fiches | 99 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Médecine |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 08.04.2016 / 05.05.2021 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/11_mzb_i_sartoti
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| Intégrer |
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Primärtranskript-Prozessierung in Eukaryoten:
Übersicht
Primärtranskript, das erste Produkt der Transkription, das bis zur reifen messenger-RNA noch eine Prozessierung durchlaufen muss
Pre-mRNA cap
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.
Das capping findet während der Transkription (‚ko-transkriptionell‘) statt.
Bei mRNAs, die durch die RNA-Polymerase II transkribiert werden, findet sich die klassische 7 methylguanosin cap
poly(A)-Tail
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
-> Erhöhung der Stabilität der mRNA durch Schutz vor Abbau sowie eine Erhöhung der Translatierbarkeit
Pleissprozess:
Beteiligte Moleküle
Am Spleissprozess sind ca. 100 Proteine und 5 snRNAs (small nuclear RNA) beteiligt
Funktion der RNA-polymerasen in Eukaryoten
rRNA (5s r RNA)
mRNA
tRNA
snRNA (U6 snRNA)
RNA Polymerasen in Eukaryoten:
• Pol-I: Synthese der rRNA
• Pol-II: Synthese der mRNA + snRNAs
• Pol-III: Synthese der tRNA + 5S rRNA + U6 snRNA
Spleissosom
Als Spliceosom oder Spleißosom bezeichnet man einen großen, im Zellkern gelegenen, RNA-Protein-Komplex, der den komplizierten RNA-Spleißvorgang katalysiert. Es besteht aus fünf verschiedenen kleinen RNA-Molekülen (snRNAs) und mehr als 50 verschiedenen Proteinen.
Das Spliceosom setzt sich für jede Reaktion (d.h. das Entfernen eines Introns) aus seinen Einzelteilen direkt auf dem Primärtranskript zusammen
-> Durch Anlagerung der U4-U6 Ribonukleoprotein-Komplexe [an U1 und U2] entsteht das ‘Spleissosom’
Ribosomen
Aufbau;
Prokaryoten vs Eukaryoten
Ribosomen sind kleine, aus Proteinen und rRNA bestehende, zelluläre Partikel, die dieProteinbiosynthese der Zellen katalysieren.
Ribosomen sind Nukleoprotein-Komplexe und bestehen zu 60% aus RNA und zu 40% aus Protein
Prokaryoten: (23S rRNA + 5s rRNA + 31 Proteine) + (16S r RNA + 21 Proteine)
Eukaryoten: (28S rRNA + 5.8S r RNA + 5S rRNA + 50 Proteine) + (18S rRNA + 33S r RNA
tRNA
Aufbau
Jede tRNA ist spezifisch für eine Aminosäure, die am 3’-Ende gebunden wird
tRNAs bestehen aus ca. 75 Nukleotiden, die teilweise Basenpaarungen eingehen.
post-transkriptionelle prozessierung von tRNA
Auch tRNAs werden im Kern post-transkriptionell prozessiert
Spezielle Basen, die bei der modifizierung von Basen entstehen (in der tRNA)
s.B.
Zusammenarbet von den 3 typen RNA (Wo?)
Die drei Arten von RNA arbeiten bei der Proteinsynthese zusammen
Übersetzung der Nukleotidsequenz der mRNA:
Hauptschritte
Anzahl verschiedene tRNAs
1. Aktivierung: Die Aminosäure wird durch ihre spezifische Aminoacyl-tRNA Synthetase an die korrespondierenden tRNAs gekoppelt (“Veresterung”)
2. Das Anticodon der tRNA paart mit dem Codon in der mRNA, das für die auf die tRNA geladene AA kodiert. Dadurch kann die AA ins Protein eingebaut werden
es gibt nicht 61 (64-3), sondern nur ca. 40 verschiedene tRNAs !
wobble position
Inosin
Die dritte Position eines Codons kann häufig mit mehr als einer Base im tRNA Anticodon paaren (“wobble position”)
Syntheserichtung bei der Proteinsynthese:
in welche richtung bewegt sich das Ribosom?
in welche Richtung wächst das Protein?
das Ribosom bewegt sich auf der mRNA in der 5’-3’ Richtung. Das Protein (die Polypeptid-Kette) wächst vom Amino (N)- zum Carboxy (C)-terminus.
Beginn der Proteinsynthese an der mRNA:
in Eukaryoten:
ort (auf der mRNA)
Startcodon
Die Proteinsynthese auf eukaryotischen mRNAs beginnt ca. 100 nt entfernt vom 5’ cap, am ersten AUG Startcodon
Beginn der Proteinsynthese an der mRNA:
in Prokaryoten:
Ort
Shine-Dalgarno-Sequenz
Die Proteinsynthese auf prokaryotischen mRNAs beginnt an internen Startkodons, denen eine Shine-Dalgarno-Sequenz vorausgeht
Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist eine Sequenz der mRNA bei Prokaryoten, die als Teil der ribosomalen Bindungsstelle (RBS) von den Ribosomen erkannt wird und damit den Startpunkt der Translation markiert
Die Shine-Dalgarno-Sequenz (6 bp, purinreich) ist komplementär zum 3’ Ende der rRNA in der kleinen Ribosomenuntereinheit.
Initiation der Translation in Eukaryoten
4 Schritte
- Bildung eines Prä-Initiationskomplex
- Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Scanning
- Assoziation zum Ribosom
Initiation der Translation in Eukaryoten:
Bildung des Prä-Initiationskomplex
- Bildung eines Prä-Initiationskomplex
- Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Scanning
- Assoziation zum Ribosom
Bildung eines Prä-Initiationskomplex bestehend aus:
- kleiner Ribosomenuntereinheit (40S gebunden an eIF3)
- Initiationsfaktoren (eIF1A und eIF2-GTP)
- Methionyl-Initiator-tRNA
Initiation der Translation in Eukaryoten:
Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Bildung eines Prä-Initiationskomplex
- Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Scanning
- Assoziation zum Ribosom
Der Prä-Initiationskomplex assoziiert dann mit mRNA, an deren 5'Cap eIF4 gebunden hat, zum Initiationskomplex
Initiation der Translation in Eukaryoten:
Scanning
- Bildung eines Prä-Initiationskomplex
- Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Scanning
- Assoziation zum Ribosom
Scanning: Der Initiationskomplex wandert an der mRNA entlang und sucht das AUG Startkodon innerhalb der Kozak-Sequenz; eIF4 benötigt dazu Energie (ATP-Spaltung)
Nachdem das Startkodon identifiziert worden und die tRNA über ihr Anticodon damit fest verbunden ist, hydrolysiert eIF2-GTP zu GDP und alle IFs dissoziieren ab.
Initiation der Translation in Eukaryoten
Assoziation zum Ribosom
- Bildung eines Prä-Initiationskomplex
- Der Präinitiationskomplex assoziiert zum Initiationskompllex
- Scanning
- Assoziation zum Ribosom
Unter Mithilfe von eIF5 (GTP Hydrolyse) und eIF6 assoziiert am Startkodon die grosse Ribosomenuntereinheit (60S) mit der kleinen Untereinheit (40S) zum 80S Ribosom
Dabei wird die Initiator-tRNA in der P-Stelle positioniert.
Die 3 Positionen von tRNA auf dem Ribosom
APE
Aminoacyl-tRNA site: Erkennung beladener tRNA
Peptidyl site: Peptid-Bindung zwischen aa1-aa2
Exit: Ausgang, dient der Positionierung entladener tRNA.
Elongation der Translation:
Einleitung
Transport der mit AS beladenen tRNA zum Ribosom
1. Die Elongation der Peptidkette wird durch Bindung einer neuen, komplementären tRNA in Position A eingeleitet.
Die mit Aminosäuren beladenen tRNAs sind an den Elongationsfaktor EF1a gebunden, der sie ins Ribosom transportiert
Elongation der Translation:
Was passiert bei korrekter Basenpaarung?
Was passiert, nachdem die Peptidbindung erfolgt ist?
2. Bei korrekter Basenpaarung hydrolysiert EF1a GTP zu GDP, was im Ribosom zu einer Konformationsänderung, und zu fester Bindung der tRNA führt
3. Die 23S resp. 28S rRNA (grosse Ribosom-UE in Pro- resp. Eu-karyoten) katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen den Aminosäuren in Positionen A und P
4. Nach erfolgter Peptidbindung treibt die Hydrolyse von GTP durch EF2 die Translokation des Ribosoms um ein Codon in 3’ Richtung an
=> Die GTPase-Aktivität der EFs stellt die Irreversibilität der einzelnen Schritte sicher
Termination der Proteinsynthese (in Eukaryoten)
Mechanismus
Ein Stopcodon (z.B. UAA) befindet sich in der A Position
eRF1 (Release Factor) erkennt Stopcodons. Struktur von eRF1 ist ähnlich wie tRNA.
Abspaltung der fertigen Polypeptidkette ist gekoppelt an GTP Hydrolyse durch eRF3
Polysomen
Als Polysomen bezeichnet man die Aufreihung aktiver Ribosomen an der übersetzenden mRNA im Zuge der Proteinbiosynthese
Zahlreiche Ribosomen arbeiten simultan an der gleichen mRNA
PABPI
Funktion
PABPI: Poly (A) Binding Protein 1
PABPI vernetzt das 3’Poly-A-Ende der mRNA mit dem 5’Cap, so dass freiwerdende Ribosomenuntereinheiten sofort wieder starten können
Chloramphenicol
Funktion
hemmt die Peptidyltransferaseaktivität der 50S-Ribosomenuntereinheit (bei Prokaryoten)
Cycloheximid
Funktion
hemmt die Peptidyltransferaseaktivität der 60S-Ribosomenuntereinheit (bei Eukaryoten!, deshalb kein Antibiotikum im herkömmlichen Sinn)
Puromycin
verursacht vorzeitigen Kettenabbruch, weil es als Analogon der Aminoacyl-tRNA wirkt (bei Prokaryoten und Eukaryoten)
Tetracyclin
Funktion
Verhindert die Anlagerung von Aminoacyl-tRNA an die Akzeptorstelle (A Position) in der der 30SUntereinheit des Bakterien-Ribosoms.
=
lagert sich an die 30S-Untereinheit an und hemmt die Bindung der Aminoacyl-tRNAs (bei Prokaryoten)
-> die vergleichsweise geringe Toxizität für den Menschen kann durch die selektive Interaktion von Tetracyclin mit bakteriellen Ribosomen, nicht aber mit eukaryotischen Ribosomen, erklärt werden.
(Streptomycin)
Funtkion
und andere Aminoglykoside hemmen die Initiation und verursachen Fehlablesungen der mRNA (bei Prokaryoten)
(Erythromycin)
Funktion
lagert sich an die 50S-Untereinheit an und hemmt die Translokation (bei Prokaryoten)
Diphtherietoxin
Wirkung
(produziert vom Erreger der Diphtherie (gefährliche Atemwegs-Erkrankung: ‘Krupp-Husten’))
katalysiert die ADP-Ribosylierung eines modifizierten Histidinrest (Diphthamid) im Elongationsfaktor EF2
-> 80S Ribosom bewegt sich nicht in 5'-3' Richtung
Genauigkeit des DNA-Metabolismus:
Replikation:
Fehlerkorrigiernede Mechanismen (und jeweilge Fehlerrate
DNA Polymerase-Fehlerrate 10 E-5
Korrekturlesen (3’-5’ Exonuclease) 10 E-2
Fehlpaarungs-Reparatur 10 E-3
TOTAL 10 E-10
-> 1 falsches Nukletid auf 10 Milliarden
Genauigkeit des DNA-Metabolismus:
Transkription
RNA Polymerase-Fehlerrate 10 E-4
-> nicht immer mit Konsequenzen, dank der ‘Degeneriertheit’ des genetischen Codes.
Genauigkeit des DNA-Metabolismus:
Translation
1. Schritt: Spezifität der Erkennung von tRNA durch Aminoacyl-tRNA-Synthetase
2. Schritt: Korrekturfähigkeit der Aminoacyl-tRNA-Synthetase
3. Schritt: GTPase Aktivität der EFs bei der Elongation (Irreversibilität)
Total
10 E-4
-> nicht immer mit Konsequenzen, dank ähnlicher biochemischer Eigenschaften bestimmter Aminosäuren (basisch, polar, ....)
Genetische Vielfalt:
Protein-kodiernede Gene
-> Anzahl Prtoteine
Wie kann die Zahl der Proteine erhöht werden bei konstanter Anzahl Gene ?
Proteinkodiernde Gene:
20'000-25'000 (1.5-3 % des Genoms wird in mRNA umgeschrieben)
Anzahl Proteine:
>100'000
->1. RNA editing 2. Alternatives Spleissen 3. Gen-Umordnungen
RNA Editing
(Sonderfall): = 2 Proteine (Isoformen) aus 1 mRNA Molekül
Definition: chemische Modifizierung einzelner Basen in der mRNA
-> dh. die Sequenz der mRNA stimmt nicht mehr mit der ursprünglichen, genomischen Sequenz der DNA überein.
Beispiel: s.B.
“Einfache” Transkriptionseinheiten vs “Komplexe” Transkriptionseinheiten
“Einfache” Transkriptionseinheiten kodieren für nur 1 Protein
-> betrifft ca. 40 % aller protein-kodierenden Gene
“Komplexe” Transkriptionseinheiten kodieren für mehr als 1 Protein
-> betrifft bis zu 60 % aller Gene in höheren Eukaryoten
= Alternative Prozessierung der prä-mRNA
2 Formen:
Alternatives Spleissen (viele verschiedene Subtypen)
Alternative Spaltung am 3’ Ende
