Biochemie I

• Gene tragen die Instruktion für die Herstellung spezifischer Proteine --> ein Gen kann ein Protein aber nicht selbst herstellen
• Die Brücke zwischen der genetischen Information und der Proteinsynthese bildet die Ribonucleinsäure = RNA
• Transkription = der Vorgang, bei dem die genetische Information von der DNA auf die RNA (mRNA, tRNA, rRNA, 7S-RNA) überschreiben wird

• Einer der beiden DNA-Stränge (der zu kopierende Strang) dient als Matrize für die Synthese der RNA
  Der andere Strang der DNA (der nicht zu kopierende Strang) spielt bei der Transkription keine Rolle
  (--> werden von der RNA-Polymerase unterschieden)
• Diese erfolgt enzymatisch nach den Prinzipien der komplementären Basenpaarung
• Die komplementären Basen sind:
  DNA  -  RNA
  A   -->   U
  G   -->   C
  C   -->   G
  T   -->   A

• RNA-Polymerasen: nehmen die eigentliche Synthese der RNA vor
• Prokaryoten: existiert nur 1 RNA-Polymerase
• Eukaryoten: 3 RNA-Polymerasen
  --> je eine verantwortlich für die Transkription der rRNA, mRNA und tRNA
• Funktionen der verschiedenen Säugetier-RNA-Polymerasen in der RNA-Biosynthese:
         Bezeichnung  -  Biologische Funktion
RNA-Polymerase I  -  Synthese von rRNA
RNA-Polymerase II  -  Synthese von mRNA
RNA-Polymerase III  -  Synthese von tRNA und 5S rRNA

Der Mechanismus der enzymatischen Reaktion --> analog demjenigen der DNA-Polymerasen

• RNA-Polymerasen polymerisieren die 4 Ribonucleosidtriphosphate zu einem RNA-Strang unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi)
--> bei der Spaltung der Triphosphate freiwerdende Energie dient der Knüpfung von chemischen Bindungen zwischen den Bausteinen
• RNA-Polymerasen brauchen dazu eine Matrize (= Vorlage) --> der zu kopierende Strang der DNA
• DNA-Matrizenstrang wird antiparallel kopiert --> indem RNA- Polymerasen in der 3‘→5‘ Richtung über den Matrizenstrang gleiten und die Nucleotidbausteine in der 5‘→3‘ Richtung aneinanderhängen
• Wahl des nächstfolgenden Nucleotids bei der Polymerisation erfolgt nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung
• Wesentlichster Unterschied gegenüber der DNA-Polymerase Reaktion besteht darin, dass RNA-Polymerasen keinen Starterstrang brauchen, sondern neue Ketten frei beginnen können

- Transkription: die DNA-gesteuerte Synthese von RNA
- Messenger-RNA: Informationsüberträger von der DNA zur Proteinsynthese-Maschinerie
  --> wird vom Matrizenstrang eines Gens transkribiert
- RNA-Polymerasen: Enzyme, die die beiden DNA-Stränge lokal trennen und die RNA-Nucleotide entsprechend den
Basenpaarungs-Regeln aneinander hängen

• wie DNA-Polymerasen bei DNA-Replikation können auch RNA-Polymerasen Nucleotide nur an das 3’-Ende des wachsenden Polymers anheften --> ein RNA-Molekül wächst also von 5’ nach 3’
• Promotor: Sequenz auf der DNA --> markiert Initiation (Beginn) der Transkription eines Gens
• Terminator: DNA Sequenz --> markiert Termination (Ende) derTranskription
• Richtung der Transkription: stromabwärts (Richtung Terminator) oder stromaufwärts (vom Terminator weg) von Transkriptions-Startpunkt (das Nucleotid, an dem die RNA-Synthese beginnt)
  --> Begriffe werden auch benutzt, wenn man die relativen Positionen von Nucleotidsequenzen in der DNA oder RNA beschreiben möchte
• Transkriptionseinheit: die gesamte DNA-Sequenz, die in RNA umgeschrieben wird

- Initiation
- Elongation
- Termination

(Transkription ist die DNA-gesteuerte Synthese von RNA)

• Promotor legt den Transkriptions-Startpunkt (Nucleotid, an dem RNA-Synthese beginnt), also die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase und den Matrizen-Strang der DNA-Helix fest
  --> erstreckt sich über einige Dutzend Nucleotid-Paare stromaufwärts (vom Terminator weg) vom Startpunkt
• Bei Prokaryoten ist es die RNA-Polymerase selbst welche den Promotor erkennt und an ihn bindet
• Bei Eukaryoten unterstützen Proteine - sogn. Transkriptionsfaktoren  - die Bindung der RNA-Polymerase und die Initiation der Transkription
  --> erst heften sich bestimmte Transkriptionsfaktoren an Promotor --> dann bindet die RNA-Polymerase selbst

• TATA-Box: einen Promotor Abschnitt mit Sequenz TATA
  --> ungefähr 25 Nukleotide stromaufwärts vom Transkriptions-Startpunkt
  --> für das Ablesen der DNA und das Erzeugen der RNA muss der in RNA zu umsetzende Teil vor der codierten Sequenz (im Promotor) bestimmte "Markierungen" aufweisen  --> erst dadurch können Proteine an DNA binden
• Transkriptions-Initiationskomplex: der komplette Verband von Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase am Promoter

= Verlängerung des RNA-Strangs

• RNA-Polymerase läuft über die DNA hinweg, entspiralisiert die Doppelhelix Windung für Windung, trennt die beiden Einzelstränge und legt ungefähr 10–20 Basen zur Paarung mit RNA-Nucleotiden frei
• RNA-Polymerase fügt an das 3‘-Ende des wachsenden RNA-Moleküls Nucleotide an (während Wanderung)
• Wähhrend RNA-Synthese fortschreitend, löst sich das RNA-Molekül von der DNA-Matrize ab
• Ein einzelnes Gen kann gleichzeitig von mehreren Molekülen der RNA-Polymerasen transkribiert werden
  --> somit stellt Zelle ein bestimmtes Protein in grossen Mengen her

• Transkription setzt sich fort, bis die RNA-Polymerase eine Terminationsstelle auf der DNA erreicht
• Mehrere unterschiedliche Mechanismen der Transkriptions-Termination
• transkribierter Terminator – eine RNA-Sequenz – funktioniert als Terminationssignal
• Bei Prokaryoten hört die Transkription gewöhnlich direkt am Ende des Terminationssignals auf
  --> wenn Polymerase diesen Punkt erreicht, setzen sich DNA + Rna frei
• Die eukaryotische RNA-Polymerase läuft noch Hunderte von Nucleotiden über das Stopsignal weiter und trifft auf die Sequenz AAUAAA --> 10-35 Nucleotiden dahinter wird Prä-mRNA vom Enzym entfernt
  --> Die Schnittstelle auf der RNA ist zugleich die Stelle an der ein Poly(A)-Schwanz durch RNA-Prozessierung angehängt wird

• Enzyme in eukaryotischen Zellkern modifizieren die Prä-mRNA (RNA-Prozessierung/RNA-Reifung), bevor RNA ins Cytoplasma geschickt wird
• Während dieser Prozessierung/Reifung werden gewöhnlich beide Enden des Primärtranskripts verändert
• In den meisten Fällen werden auch Sequenzen aus dem inneren Teil des Moleküls herausgeschnitten und die zurückbleibenden Einzelteile wieder zusammengefügt (gespleisst)

• Jedes der beiden Enden der Prä-mRNA wird in einer bestimmten Weise verändert, bevor mRNA Kern verlässt
• 5‘-Cap:     (also das zuerst transkribierte)
  --> bekommt eine Kappe aus einem modifizierten Guanin-Nucleotid
  --> Aufgaben:
  1) schützt mRNA vor einem Abbau durch hydrolytische Enzyme
  2) fungiert als ein Signal zur Anheftung an das Ribosom (sobald das Cytoplasma erreicht wurde)
• Poly(A)-Schwanz:    
  --> wird von einem Enzym am 3‘-Ende der RNA angehängt
  --> Länge von 50 bis 250 Adenin-Nucleotiden
  --> Aufgaben:
  1) hemmt den Abbau der RNA
  2) hilft beim Andocken der mRNA an das Ribosom
  3) erleichtert den Export der mRNA aus dem Zellkern

• = Vorgang des Schneidens und Verbinden von RNAMolekülen --> das wichtigste Stadium der RNA-Prozessierung im Zellkern
• mittlere Länge einer Trankriptionseinheit auf einem eukaryotischen DNA-Molekül beträgt ungefähr 8000 Nucleotide
  --> demnach ist die Prä-mRNA genauso lang
  --> aber es werden nur ungefähr 1200 Nucleotide gebraucht, um für ein Protein einer durchschnittlichen Länge von 400 Aminosäuren zu codieren
• die meisten eukaryotischen Gene und ihre Transkripte enthalten also lange nichtcodierende (werden nicht translatiert!) Nucleotidsequenzen (Introns) und dazwischen eingeschobene, codierende Sequenzen (Exons)

(Die Bezeichnungen “Intron“ und “Exon“ werden sowohl für DNA als auch für RNA verwendet.)

- Bei der Herstellung des Primärtrankripts eines Gens transkribiert die RNA-Polymerase sowohl die Exons als auch die Introns der DNA,
- aber das mRNA-Molekül, welches in das Cytoplasma eintritt, ist eine verkürzte Version
- Die Introns sind aus dem Molekül herausgeschnitten worden und die Exons sind so zusammengefügt, dass sie eine durchgehende codierende Sequenz bilden = Spleissen

(Die Bezeichnungen “Intron“ und “Exon“ werden sowohl für DNA als auch für RNA verwendet.)

• das Signal für das RNA-Spleissen sind Nucleotidsequenzen GU am 5-‘ und AG am 3‘-Ende des Introns (GT-AG-Regel --> gilt nur für Gene, die mit mRNA transkribiert werden! (auch nicht immer))
• snRNP: "snurps" besondere Partikel, Komplex im Zellkern
  --> besteht aus snRNA und Protein
• Spleissosom: verschiedene snRNPs + weiteren Proteinen lagern sich zu grösseren Partikeln zusammen
  --> interagiert mit den Spleiss-Stellen; schneidet die RNA; setzt Intron frei; verbindet die beide Exons

• Ribozyme = die RNA-Moleküle die als Enzym fungieren
• einige Arten von Primärtranskripten (z.B. prä-mRNA) werden gespleisst durch Mechanismen, die keine Beteiligung von Spleissosomen erfordern
• manchmal findet Spleissen vollständig ohne Proteine und auch ohne weitere RNA-Moleküle statt
• die Intron-RNA katalysiert ihr eigenes Spleissen
• z.B. Tetrahymena: Synthese einer rRNA-Komponente
• Ribozyme sind auch Katalysatoren

• Introns ermöglichen von einem Gen mehr als ein Art von Polypeptid herzustellen
• alternative RNA Splicing: verschiedene mRNA-Moleküle werden vom demselben Primästranskript hergestellt, abhängig davon, welche RNA-Abschnitte als Exons und welche als Introns behandelt werden
• Regulatorische Proteine: (zelltypspezifisch) kontrollieren diese Entscheidung zwischen Intron und Exon
  --> indem sie an regulatorische Sequenzen innerhalb des primären Transkript binden

• Translation: = Synthese von Polypeptiden, die von der mRNA gesteuert wird
  --> dabei muss die Sprache gewechselt werden.
• Vorgang: die Zelle muss die Basenfolge eines mRNA-Moleküls in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids übersetzten
• Ribosomen: die Orte der Translation, die die geordnete Verknüpfung von Aminosäuren zu Polypeptiden  bewerkstelligen
  --> komplexe Gebilde aus zahlreichen Proteinen und mehreren Nucleinsäuren
• Transkription findet im Zellkern statt, und die mRNA wird ins Cytoplasma geschleust, wo die Translation stattfindet
• Primärtranskript: vorläufiges RNA-Transkript

- Obwohl die grundlegenden Mechanismen der Transkription und Translation bei Pro- und Eukaryoten ähnlich sind, gibt es doch einen entscheidenden Unterschied im Ablauf der Proteinsynthese in der Zelle.

- Weil Bakterien keinen echten Zellkern besitzen, ist ihre DNA nicht von den Ribosomen und den anderen Komponenten des Proteinsynthese-Apparates getrennt.
  --> Deswegen sind Transkription und Translation gekoppelt, wobei sich die Ribosomen bereits an die wachsenden mRNA-Moleküle anlagern, während die Transkription noch in vollem Gange ist.

- Im Gegensatz dazu trennt die Kernmembran einer eukaryotischen Zelle die Transkription von der Translation sowohl räumlich als auch zeitlich

- Die Gene programmieren die Proteinsynthese über eine Botschaft in Form der Messenger-RNA.

- Anders ausgedrückt, die Zellen gehorchen folgender Befehlskette: DNA → RNA → Protein.

- Die Anweisungen für die Proteinsynthese sind in der DNA codiert.
- Problem: Es gibt nur vier verschiedene Nucleotide, um 20 Aminosäuren zu codieren.

• 4n (n = Nummer von Nucleotidbasen); 41 = 4; 42 = 16; 43 = 64 Codeworte
• Tripletts von Nucleotidbasen sind die kleinste Codewörter, durch die alle Aminosäuren codiert werden können
• Triplett-Code: eine Serie von Drei-Nucleotid-Wörtern in der DNA = genetische Anweisung für die Synthese eines Polypeptide (z.B. GCC - Alanin)
• Matrizenstrang: DNA-Strang, der als Vorlage für die Anordnung der Basen im RNA-Transkript dient (bei einigen Genen ist mal der eine, mal dere andere Strang die Matrize, manchmal ist die Matrize aber fix festgelegt)
• mRNA-Molekül ist komplementär zur DNA-Vorlage, aber nicht identisch (in RNA: U ind DNA: T --> paaren sich jeweils mit der Base A)
• Codon: Basentriplett der mRNA (UAC– Codon für Tyrosine - Tyr) --> Jedes Codon der mRNA bedingt den Einbau einer der 20 AS an der richtigen Position im Polypeptid
• Bei der Translation werden die Codons in der Richtung von 5‘ nach 3‘ von der RNA abgelesen und in die Sequenz der Aminosäuren übersetzt, die dann eine Polypeptidkette bilden

- Es codieren nur 61 Triplette Aminosäuren
- AUG: besitzt Doppelfunktion: codiert die AS Methionin (Met,M), dient auch als Startsignal (“Initiationscodon“)
  --> genetische Botschaft beginnt auf der mRNA stets mit AUG, das dem Proteinsynthese-Apparat signalisiert, die Translation an diesem Codon zu beginnen
  --> Da AUG auch Methionin bedeutet, tragen alle neu gebildeten Polypeptide als erste Aminosäure Methionin. Es  existiert jedoch ein Enzym, welches die Startaminosäure gegebenenfalls wieder vom Polypeptid entfernt
- Terminationscodon: (Stoppcodon) Folge von drei Nucleotiden in der mRNA, keine Aminosäurebedeutung,  signalisieren das Ende der Translation (5'-UAA oder 5'-UAG)

• = Ordnungsprinzip --> die Basentripletts müssen in richtigen Reihenfolge und Gruppierung gelesen werden

• der Proteinsynthese-Apparat der Zelle liest die Botschaft im richtigen Leseraster als eine Folge von nichtüberlappenden dreibuchstabigen Codewörtern, obwohl die Basen in der mRNA kontinuierlich aneinanderhängen

• die genetische Information ist in der Folge nichtüberlappender Basentripletts (Codons) verschlüsselt, von denen jedes bei der Proteinsynthese in eine bestimmte Aminosäure übersetzt wird

Translation = RNA-gesteuerte Synthese eines Polypeptids
- Die Zelle übersetzt die genetische Information und baut nach dieser Anweisung ein Protein auf
- Die genetische Botschaft besteht in einer Folge von Codons auf den mRNA-Molekülen

Grundkonzept
• Transfer-RNA (tRNA): der Adapter zwischen Aminosäure und RNA-Codon
• Aufgabe der tRNA: AS (aus dem Vorrat vom Zell-Cytoplasma) zum Ribosomen zu transportieren
• Ribosom bindet passende AS an das wachsende Ende der Polypeptidkette
• jeder Typ von tRNA trägt an einem Ende eine AS und am andere besitzt es ein Triplett = Anticodon
• mit Anticodon bindet tRNA über Wasserstoffbrücken ein komplementäres Codon auf der mRNA (z.B. Anticodon AAA mit Codon UUU)

- Die genetische Botschaft wird Codon für Codon übersetzt, indem tRNAs Aminosäuren in der vorgeschriebenen Folge anliefern und die ribosomalen Enzyme sie zu einer Polypeptidkette verknüpfen.

- Das tRNA-Molekül gleicht einer Spielkarte mit dem “Nucleinsäurewort“ (Anticodon) auf der einen Seite und dem entsprechenden “Proteinwort“ (Aminosäure) auf der anderen Seite.

• tRNA- Molekülen werden im Kern einer eukaryotischen Zelle synthetisiert und gelangen vom Kern ins Cytoplasma (= Ort der Translation)
• jedes tRNA Molekül kann wiederholt verwendet werden
• (1) nimmt die zu seiner Struktur passende AS aus dem Cytosol auf, (2) bringt seine Fracht zum Ribosom und (3) verlässt dieses wieder, um eine weitere Ladung aufzunehmen
• tRNA- Molekül besteht aus einem einzelnen RNA-Strang von ≈ 80 Nucleotiden
  --> sehr kurz, verglichen mit den Hunderten von Nucleotiden eines mRNA-Moleküls

• RNA-Einzelstrang ist in eine Tertiärstruktur gefaltet
• Art der Faltung ist durch die Interaktion von Teilbereichen der Nucleotidkette bestimmt
• In gewissen Regionen paaren sich die Basen über Wasserstoffbrücken
  --> In einer zweidimensionalen Darstellung geben die gepaarten und nichtgepaarten Bereiche dem Molekül die Gestalt eines Kleeblatts.
• zweidimensionales Kleeblatt eines tRNA-Moleküls windet und faltet sich in eine recht kompakte dreidimensionale Struktur von L-förmiger Gestalt
• geschlossene langes Ende des L bildet Anticodon (spezielles Basentriplett, welches am entsprechenden mRNA-Codon bindet)
• Am gegenüberliegenden kurzen Ende (3‘-Ende) des L ist das tRNA-Molelül offen = Bindungsstelle für die AS

• Gäbe es für jedes mRNA-Codons (codieren eine AS) eine eigene tRNA, würden 61 verschiedene tRNA existieren
--> in der Tat gibt es etwa 45 verschiedene tRNAs
• einige der tRNAs besitzen Anticodons die zwei oder mehr Codons erkennen
--> Basenpaarung zwischen der 3. Base eines Codons und der entsprechenden 1. Base des tRNA-Anticodons erfolgt nicht so exakt wie die Paarung von DNA/DNA oder DNA/mRNA
• Wobble-Hypothese = „wackeligen“ Basenpaarung

• die vielseitigsten tRNA Moleküle enthalten Inosin(I), ein modifiziertes Nucleid, in der Wobble-Position ihres Anticodons
• Inosin entsteht durch enzymatische Veränderung eines Adenosins an der fertigen tRNA
• Wenn sich Anticodon und Codon vereinigen, kann die Base Inosin mit jeder der drei Basen U, C oder A Wasserstoffbrücken ausbilden
  --> Daher kann sie tRNA-Moleküle mit dem Anitcodon CCI an die Codons GGU, GGC und GGA binden, die alle für die Aminosäure Glycin stehen
• Wobble-Hypothese erklärt, warum die synonymen Codons für eine bestimmte Aminosäure sich in der drittenBase unterscheiden können, aber normalerweise nicht in ihren anderen Basen.

• Notwendig für die genaue Translation sind korrekte Bindungen...
  1) ...einer tRNA mit ihrer spezifischen Aminosäure
  2) ...von Codon und Anticodon
• eine tRNA, die spezifisch an ein Codon für eine AS bindet, darf nur diese AS zum Ribosom bringen
• Aminoacyl-tRNA-Synthetase: Enzym,  bewerkstelligt Zusammenführen der richtigen AS mit der zugehörigen tRNA
  (= eigentliches Übersetzen der Nucleinsäurein die Proteinsprachen)
• es gibt 20 von diesen Enzymen in der Zelle --> für jede spezifischen Kombination von AS und tRNA eine
• die Synthetase katalysiert die kovalent Bindung der Aminsäure an ihre tRNA (angetrieben durch ATP-Hydrolyse)
  --> dabei entsteht die „aktivierte Aminosäure“/Aminoacyl-tRNA --> wird vom Enzym freigegeben und bringt ihre AS zu der wachsenden Polypeptidkette am Ribosom.

-  vermitteln während Proteinsynthese die spezifische Bindung der tRNA-Anticodons mit den Codons der mRNA
-  so gross, dass man es im Elektronenmikroskop gut sehen kann
-  besteht aus 2 Teilen --> grosse & kleine Untereinheit
  -->  aus Proteinen und RNA-Molekülen (= ribosomale RNA’s (rRNA) )aufgebaut
  --> b. Eukaryoten werden diese Untereinheiten im Necleolus synthetisiert
- Sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten vereinigen sich grosse und kleine Untereinheit zu einem fertigen  funktionalen Ribosom erst dann, wenn sie an die mRNA binden.
- ca. 2/3 der Ribosommasse besteht aus rRNA --> ist deshalb der häufigste RNA-Typ in einer Zelle

- E.-/P.-Ribosomen sind in Struktur und Funktion sehr ähneln, aber die der P. sind etwas kleiner und unterscheiden sich von den eukaryotischen in ihrer Zusammensetzung
--> von grosser medizinischer Relevanz! (z.B. einige Hemmstoffe können die p. Ribosomen in ihrer Funktion hemmen, ohne die Proteinsynthese der e. Zelle zu beeinträchtigen)