Biochemie I

Transkription ist der Prozess, bei dem ein DNA Abschnitt enzymatisch in eine RNA Kopie umgeschrieben wird.

Translation ist der Prozess, bei dem die RNA Kopie eines DNA Abschnitts enzymatisch nach den Regeln des genetischen Codes in eine Proteinkette "übersetzt" wird.

- Gesamtheit der Erbsubstanz eines Organismus
- besteht aus DNA oder RNA
- zusammengesetzt aus Genen und nicht-kodierenden Bereichen

• die genetische Information fliesst immer von den Nucleinsäuren zu den Protein, aber nie umgekehrt!
--> Nucleinsäuren enthalten den Bauplan
--> Proteine setzen Bauplan in Form +Funktion um

3 Varianten des zentralen Dogmas:
• Der “Normalfall“
• Der Fall der RNA-Viren
• Der Fall der Retroviren

1. Der “Normalfall“
- DNA-Viren, Prokaryoten + Eukaryoten
- Primärer Träger der Erbinformation ist DNA
- Information fliesst via RNA zu den Proteinen
2. Der Fall der RNA-Viren
- Primärer Träger der Erbinformation ist die virale RNA --> wird direkt in virale Proteine übersetzt
- bei Vermehrung der Viren wird die RNA direkt repliziert ohne Beteiligung der DNA
3. Der Fall der Retroviren
- Vertreter der Retroviren --> HIV; Viren (krebserzeugende)
- Primärer Träger der Erbinformation ist die virale RNA
- reverse Transkription (Umschreibung der RNA) in DNA
- Integration der Genom-Kopie in das Genom der Wirtzelle --> kann viele Zellgenerationen über stumm mit repliziert w.
- durch äussere Einflüsse kann Virus aktiviert werden --> d.h. Genom in RNA transkribiert + in Proteine translatiert
- wenn Viruspartikel zusammengesetzt wurden --> verlassen sie Wirtszelle + töten diese dabei ab

Zusammengefasst findet in Prokaryoten die Transkription + Tranlation simultan und räumlich benachbart statt, während sie in Eukaryoten sowohl räumlich wie auch zeitlich getrennt abläuft.

- Fluss der genetischen Information ist universell für alle Lebewesen auf diesem Planeten.
- Art + Weise jedoch, wie die einzelnen Schritte umgestzt werden, unterscheidet sich zum Teil stark.
-  räumliche Abtrennung der Erbsubstanz (Zellkern) vom Ort der Proteinsynthese (Zytoplasma) in Eukaryoten hat einen Einfluss darauf, wie die genetische Information abgelesen + in Proteine übersetzt wird

- Purine bestehen aus einem heterozyklischen aromatischen Ringgerüst aus 6 Atomen mit einem Imidazolring
- molekularen Grundbausteine der zwei DNA-Basen Adenin + Guanin
- aus Purin können die genannten Basen durch Substitution von Wasserstoffatomen abgeleitet werden
  --> daher werden diese beiden Basen auch als Purine oder Purinbasen bezeichnet

- eine zyklische organische aromatische Verbindung
- vom Pyrimidin leiten sich viele wichtige Verbindungen + Stoffklassen ab
- Grundlage für die organischen Basen Uracil, Thymin und Cytosin --> kommen in RNA/DNA vor

• bestehen aus einer Pyrimidin- oder Purinbase die N-glykosidisch an die Pentose gebunden ist

--> Pentose: entweder Ribose (Ribonucleosid) oder 2-Desoxyribose (Desoxyribonucleosid)

- Phosphorsäureester der Nucleoside
- werden auch als Nucleosidmonophosphate bezeichnet
- bestehen also aus den Komponenten:
  --> Pyrimidin- oder Purinbase
  --> Ribose oder Desoxyribose
  --> Phosphorsäure

Ist am Phosphorsäurerest eines Nucleotids eine zweite + schliesslich eine dritte Phosphorsäuregruppe in Anhydridbindung angehängt, so spricht man von Nucleosiddiphosphaten, beziehungsweise Nuleosidtriphosphaten.

Bausteine der DNA sind die 4 Desoxyribonucleotide:

- Desoxyadenosinmonophosphat (dAMP)     -->   Purin-Nucleotide
- Desoxyguanosinmonophosphat (dGMP)     -->   Purin-Nucleotide
- Desoxycytidinmonophosphat (dCMP)    -->  Pyrimidin-Nucleotide
- Desoxythymidinmonophosphat (dTMP)     -->  Pyrimidin-Nucleotide

• linearer Strang von aneinandergereihten Bausteinen (--> Reihenfolge wird als Primärstruktur bezeichnet)
• das Rückgrat jedes Strangs gebildet durch eine Kette aus abwechselnden Phosphat- und Desoxyriboseneinheiten
• jede Phosphatgruppe ist mit der 3‘-OH-Gruppe der vorangehenden + der 5‘-OH-Gruppe der nachfolgenden  Desoxyribose verknüpft
• Basen hängen am 1‘-C-Atom der Desoxyribose + ragen seitlich vom Strang weg
• Reihenfolge (Sequenz) der 4 Desoxyribonucleotide enthält genetische Information
• DNA einer eukaryotischen Zelle enthält ca.3 Mia Desoxyribonucleotide = 2m

• Sekundärstruktur der Nucleinsäuren = die auf der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Basen beruhende räumliche Anordnung der Stränge
• Doppelhelix = die klassische Sekundärstruktur der DNA  -->   2 DNA-Strange rechtshändig umeinander gewickelt
• Stränge werden zusammengehalten durch H-brücken zwischen komplementären Basen: A = T + G Ξ C
• die beide Strange verlaufen antiparall
• Zucker- Phosphat- Rückgrate liegen aussen <----> Basen ragen nach innen
• Struktur einer schraubenartig verdrillten Leiter

Eukaryotische Chromosomen enthalten eine enorme Menge an DNA gemessen and ihrer Länge
im kondensierten Zustand. Damit diese grosse Menge an DNA in den Zellkern passt, muss die DNA
in hoch-kondensierter Form vorliegen. Dies wird duch eine spezielle Familie von Proteinen
bewerkstelligt, welche man Histone nennt. Man findet bei Eukaryoten 5 Histontypen: H1, H2A,
H2B, H3 und H4. Zusammen mit der DNA bilden Histon Proteine eine Grundstruktur, welche
Nucleosom genannt wird. Ein Nukleosom besteht aus je zwei Molekülen H2A, H2B, H3 und H4 – es
handelt sich also um ein Oktamer – um welches die DNA zweimal gewunden ist. Histon H1 bindet
am DNA Eintritts/Austrittsort an der Nukleosomoberfläche. Die einzelnen Nuklosomen lagern sich
aneinander und bilden Strukturen mit aufsteigender Komplexität. Dies ermöglicht es der Zelle, die
DNA soweit zu kondensieren, dass sie in den Zellkern hineinpasst. Sogar Prokaryoten besitzen
Histon-ähnliche Proteine welche einen Komplex mit der chromosomalen DNA bilden.

linear-doppelsträngig
• alle Eukaryonten

zirkulär-doppelsträngig
• alle Prokaryonten
• Mitochondrien
• viele DNA-Viren
• Plasmide

linear-einzelsträngig
• einige wenige DNA-Viren

zirkulär-einzelsträngig
• einige DNA-Viren, zB. Porcines Zircovirus

linear-einzelsträngig mit endständigen doppel-strängigen Haarnadeln
• zB. Parvovirus

Bausteine der RNA sind die 4 Ribonucleotide:

- Adenosinmonophosphat (AMP)     -->  Purin-Nucleotide
- Guanosinmonophosphat (GMP)     -->  Purin-Nucleotide
- Cytidinmonophosphat (CMP)     -->  Pyrimidin-Nucleotide
- Uridinmonophosphat (UMP)     -->  Pyrimidin-Nucleotide

Die allgemeine Struktur der Bausteine ist dieselbe wie in der DNA, ausser dass der Zucker (Ribose) auch in Stellung 2‘ eine OH-Gruppe trägt.

• die lineare Reihenfolge der 4 Ribonucleotide im RNA-Strang
• die RNA ist analog zur DNA aufgebaut:
  - das Zucker-Phosphat-Rückgrat
  - die Basen ragen seitlich davon ab
• ein 5‘-Ende und 3‘-Ende wird unterschieden (wie bei DNA)
• RNA ist viel kürzer als DNA (80 bis mehrere tausend Nucleotide)

• weist wenige Sekundärstrukturen auf (im Gegensatz zur DNA)
• RNA-Moleküle meist einsträngig
• Ausnahmen:
  - Haarnadel-Schleife
  (komplementäre Basensequenzen auf einem Strang, die durch Paarung auf sich selbst  zurückfalten)
  - helikale Abschnitte der RNA
  (durch Basenpaarung; die komplementären Sequenzen relativ weit voneinander entfernt)
  - selten doppelsträngige RNA
  (RNA von Viroiden)

* vorhanden in Ribonucleoproteinkomplexen (d.h. RNA + Protein)     --> z.B. in Ribosomen
* näheres darüber ist noch nicht in allen Details bekannt.

- Messanger-RNA (mRNA)
- Transfer-RNA (tRNA)
- Ribosomale RNA (rRNA)
- RNA des Signalerkennungspartikels
- Mikro RNA (miRNA)

• Funktion: trägt genetische Information von der DNA zu den Ribosomen --> wird dort translatiert
• Grösse hängt von der Länge des Proteins (für welche sie kodiert) ab
• einzelsträngig, wenig Sekundärstruktur
• die reifen mRNA‘s von Eukaryoten sind in 4 Abschnitte unterteilt (siehe andere Karte)

- 5‘-nicht translatiert Sequenz: ca. 200 Nukleotiden - wird nicht translatiert = keine Proteinkodierung - hat regulatorische Funktion
- translatierte Sequenz: enthält den Bauplan für das zu synthetisierende Protein (= die tranlatierte Sequenz) - Abschnittlänge abhängig vom zu synth.Prot.
- 3‘-nicht translatiert Sequenz: ca. 200 Nukleotiden - erneut ein nicht-translatierter Abschnitt - hat regulatorische Funktion
- poly A-Schwanz: folgt am 3'-Ende - ca. 200 Adeninnucleotiden - wird ebenfalls nicht translatiert - hat regulatorische Funktion

• Funktion: übersetzt am Ribosom den genetischen Code aus Nucleinsäuresprache in die Sprache der Proteine
• Grösse: ca. 80 Nucleotide
• einsträngig; grössere Abschnitte zeigen Sekundärstruktur (Doppelhelix)
• die Form gleich ein L
2 verschiedene "Armee" vom L + Anhang:
• Aminosäureakzeptorarm – Anfang + Ende des tRNA-Strang - das 3‘-Ende ist Träger des Aminosäure
• Anticodonarm – gebildet durch eine Schlaufe --> in der die 3 Basen (das Anticodon) exponiert sind
• Anticodon – geht am Ribosom mit dem komplementären Codon (Basentriplett) der mRNA Basenpaarung ein

• Funktion: Bestandteil des Ribosomes (zusammen mit ribosomalen Proteinen)
• Sekundärstruktur noch nicht im Detail bekannt
• einsträngig
• Riesige rRNA Vorstufe: entsteht durch Transkription im Nucleolus --> wird durch enzymatische
Prozesse in kleinere Bruchstücke zerlegt = die eigentliche rRNA
--> Es entstehen so:
- bei Prokaryoten: 3 Grössen (5S, 16S, 23S rRNA)
- bei Eukaryoten: 4 Grössen (5S, 5,4S, 18S, 28S rRNA)  
             (--> Hohe S-Werte bedeuten hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten)
• Die unterschiedliche Aufbau von Prokaryoten - und Eukaryotenribosomen – fördern Verständnis der Wirkungsweise
vieler Antibiotika

• einzelsträngig
• Grösse von 7S – 300 Nucleotiden
• Funktion: notwendiger Bestandteil des Signalerkennungspartikels (analog den ribosomalen RNA‘s in den
Ribosomen) – verantwortlich für die Translokation von Proteinen durch das endoplasmische Retikulum

• Grösse: sehr klein (ca.21 Nukleotiden)
• Zwei Gruppen:
   a) Mikro RNAs (miRNAs)     --> natürliche Mikro-RNAs
   b) small interfering RNAs (siRNAs)     --> künstliche Mikro-RNAs
• von Bereichen auf der DNA kodiert, die als Gene bezeichnet werden (kodieren nicht für Proteine!)
• Die meisten Mikro RNAs als längere Vorläufer synthetisiert --> werde dann von einem speziellen Enzyme („Dicer“) auf Länge von ≈21 Nukleotiden zurechtgestutzt
• Funktion: wichtige Rolle in der Kontrolle den Genexpression
--> in der moderne Molekularbiologie siRNAs häufig eingesetzt um Gene auszuschalten

• unverzweigte Ketten von Aminosäuren
• 20 natürliche vorkommende Aminosäuren
• die Sequenz der Aminosäuren in einem Protein = Primärstruktur; durch die Sequenz der Nucleotide im entsprechenden Gen kodiert
• Primärstruktur bestimmt wie sich das Protein im 3D Raum faltet
• Nur korrekt gefaltete Proteine können ihre Funktion im Organismus ausführen!

• Verdoppelung der DNA als Vorbereitung auf die Zellteilung
• aus jedem Chromatinfaden (Mutterstrang) entstehen 2 Tochterstränge; effizient und
extrem genau
• findet in der sogenannten S-Phase des Zellzyklus statt --> wobei "S" für DNA Synthese steht
• In jeder Replikationsrunde wird immer das ganze Genom genau einmal kopiert

* DNA einer Säugerzelle besteht aus ungefähr 3x10⁹ Basenpaaren
* Aufgabe der Replikation: Basenfolge effizient zu verdoppeln, sodass sowohl Mutter- wie auch Tochterzelle identisches genetisches Material enthalten
* Replikation ist extrem genau --> auf 10¹⁰-10¹¹ Polymerisationsschritte (ein Polymerisationsschritt entspricht dem Einbau einer Base) wird im Durchschnitt gerade mal ein Fehler gemacht
 --> Würden mehr Fehler während der Replikation passieren, könnte es zu einer Anhäufung von schädlichen Mutationen kommen, was zu Krankheiten oder Zelltod führen kann

1. Beide DNA-Stränge (die Mutterstränge des zu replizierenden Chromatinfadens) werden nach den Prinzipien der komplementären Basenpaarung (Adenin gegenüber Thymin und Guanin gegenüber Cytosin) durch enzymatische Prozesse kopiert.
2. Es entstehen so zwei identische DNA Moleküle, die beide je aus einem Mutterstrang und einem neusynthetisierten Tochterstrang bestehen.

Bis heute sind mehr als dreissig Proteine und Enzyme entdeckt worden, die in der DNA-Replikation eine wichtige Rolle spielen.

* die 2 Stränge sind “komplementär” zueinander (nachdem sie sich getrennt haben)
--> jeder enthält die Information zur Synthese des anderen
* wenn eine Zelle ein DNA-Molekül dupliziert, dann trennen sich die beiden Stränge, und jeder Einzelstrang dient als Matrize (Vorlage) für die Anordnung der Nucleotide auf dem komplementären Strang
* Gleichzeitig werden beide Matrizenstränge entsprechend den Basenpaarungs-Regeln kopiert
--> Enzyme knüpfen ein Nucleotid an das andere, und es entsteht daraus ein neuer DNA-Strang
* wenn am Anfang des Prozesses ein einzelner DNA-Doppelstrang stand, so sind nun zwei vorhanden, jeder ein treues Abbild seines Elternstrangs

= Semikonservativer Prozess

Konservatives Modell: Die ursprüngliche Doppelhelix bleibt erhalten, und eine zweite, vollkommen neue Kopie entsteht.

Dispersives Modell: Jeder Strang der Tochtermoleküle enthält eine Mischung alten und neuen Materials.

* Das Bakterium E. coli besitzt ein einziges Chromosom aus ungefähr 5 Millionen Basenpaaren.
--> Unter günstigen Kulturbedingungen kann eine Zelle in weniger als einer Stunde diese DNA verdoppeln und sich in zwei genetisch identische Tochterzellen teilen.

* Jede unserer eigenen Zellen enthält dagegen 46 riesige DNA-Moleküle, je eines pro Chromosom
--> Insgesamt  beherbergt die DNA einer menschlichen Zelle rund 6 Milliarden Basenpaare, also rund tausendmal so viel wie eine
Bakterienzelle.
--> Trotzdem benötigt die Zelle nur ein paar Stunden, um all diese DNA extrem genau zu kopieren.
--> Der Kopiermechanismus der DNA ist in seiner Geschwindigkeit und Genauigkeit erstaunlich.

* Mehr als ein Dutzend Enzyme und andere Proteine sind an der DNA-Replikation beteiligt.
--> Die meisten grundlegenden Vorgänge der Replikation scheinen bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich zu sein.