Genetik 2 Flashcards
Das zentrale Dogma der Molekularbiologie
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DNA (Replikation) –> RNA (RNA Transkription u. reverse Transkription)—> PROTEIN (Translation)
RNA: RNA Transkription und Replikation
Transkriptionsinitiation: Faktoren und Ereignisse in Eukaryoten
Transkription erfolgt ausgehend von spezifischen Bindungsstellen der RNA Polymerase, sogenannten Promotoren:
Der eukaryotische Promotor ist in drei Abschnitte eingeteilt:
am nächsten beim Transkriptionsstart des Gens liegt der Kernpromotor, es folgt (gegen die Leserichtung) der proximale Promotor und weiter entfernt schließlich die Enhancer sowie mögliche Locus-Kontrollregionen.
Der Kernpromotor erstreckt sich maximal zwischen Position −37 bis +32, wenn +1 der Transkriptionsstart des Gens festgelegt wird. Im Kernpromotor finden sich häufig eine TATA-Box, und oft ein Downstream Promoter Element. Manchmal gibt es zwei TATA-Boxen oder zur TATA-Box ein BRE-Element.
TATA BOX: Für das Ablesen der DNA und das Erzeugen der RNA (Transkription) muss der in RNA umzusetzende Teil vor der codierenden Sequenz (im Promotor) bestimmte „Markierungen“ aufweisen. Erst dadurch können die notwendigen Proteine für diesen Schritt an die DNA binden. (Positionierung der RNA-Polymerase,
bestimmen Startpunkt)
Enhancer:
Aufgrund des Supercoilings eukaryotischer DNA müssen Enhancer nicht nahe am Transkriptions-Beginn gelegen sein. Entfernungen bis zu 100 kbp sind bekannt. Enhancer enthalten weitere Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren: Erhöhen die Transkriptionsaktivität, können weit entfernt vom Gen liege
Transkriptionsinitiation: Faktoren und Ereignisse in Prokaryoten?
Die wichtigsten allgemeinen Transkriptionsfaktoren bei Bakterien sind die Sigma-Faktoren. Die Struktur eines Promotors ist daher vor allem davon abhängig, von welchem der Sigma-Faktoren er erkannt wird. Die mit Abstand meisten Promotoren bei E. coli werden über den Faktor Sigma-70 erkannt.
Promotorelemente:
das AT-basenpaarreiche UP-Element (für engl. upstream, stromaufwärts) oberhalb der −35-Region: Regulation der Genaktivität,
Gewebespezifität
die −35-Region, mit der Konsensussequenz: 5’-TTGACA-3’,
die −10-Region, auch Pribnow-Box, mit der Konsensussequenz: 5’-TATAAT-3’.
Welche Polymerasen transkribieren was?
RNA-Polymerase I: Promotoren für
rRNA-Gene (Ribosomale RNA)
RNA-Polymerase II – Promotoren:
Protein-kodierende Gene
RNA-Polymerase III: Promotoren für
tRNA-Gene (Transfer RNA)
Wie sehen Promotoren aus bei Eu-und Pro-karyoten aus?
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Transkriptionsinitiation in Prokaryoten (Schritte)
- Bindung der RNA-Polymerase
- Aufschmelzen der DNA
- Abortive Initiation (RNA polymerase binds to a DNA promoter)
- Sigma Faktor bindet an bestimmte Sequenz (gibt viele verschiedene)
- anschließend hält Sigma Faktor an zu Polymerase und hält es an der Transkriptionsstartstelle
- Entlassen der Sigma Untereinheit
- Elongation.
https://www.youtube.com/watch?v=t3qFbhxIhlY
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Initiation in Eukaryoten (in Schritten)
-TF = transcription factor
-TBP = TATA binding protein
-CTD = C-terminal domain
-PIC = Prä-Initiationskomplex
Schlüsselprotein: – TFIIH
• Öffnet unter ATP Verbrauch die dsDNA
• Phosphoryliert CTD (C-terminal domain) von Pol II
Ablauf:
RNA Polymerase 2 transkribiert alle Protein coding genes.
verschiedene Transkriptionsfaktoren TF (D,A,B,F,E,H)
DNA Strang besitzt eine TATA Box. TF D mit TBP Region (TATA binding Protein) erkennt die TATA Box und bindet an sie -> aktiviert weiteren TF B, welcher auch den Komplex bindet. Die weiteren TF binden sich auch. TF H ist für ATPase und Helikase Aktivität zuständig. Durch TF H wird auch die DNA entwindet. Der entstandene Komplex: PIC (RNA Polymerase + 6TF). Für den Start der Transkription lösen sich einige TF wieder.
CTD (C-Terminus) wird als das Ende eines Proteins/Polypeptids bezeichnet, welches eine Aminosäure mit freier Carboxylgruppe (COOH) besitzt. Hier endet die Proteinbiosynthese am Ribosom mithilfe von stoppcodon.
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Enhancer –Aktivierung der
Initiation aus der Ferne
Enhancer funktionieren meist
über Koregulatoren:
Koregulatoren interagieren mit: -Proximalen Aktivatoren – Generellen TFs – der Polymerase – Nukleosomen
Koregulatoren sind Proteine die aktivieren oder unterdrücken die Transkription von spezifischen Genen
Ein Promotor kann erneut genutzt werden, bevor der Transkriptionsvorgang abgeschlossen ist
Ablauf Elongation
Wenn sich die RNA Polymerase entlang
der DNA bewegt entspiralisiert sie die
Windungen der Doppelhelix und exponiert etwa 10-20 Basen auf einmal, die
sich mit RNA Nukleotiden paaren
können.
-Die Phosphorylierung der CTD (Ende des Proteins) der POL II verändert sich während der Transkription.
Phosphorylierung: reversible Anhängen einer Phosphorylgruppe an ein org. Molekül.
Termination in Prokaryoten 1
Termination ohne Terminationsfaktor:
Die Sekundärstruktur und das oligo U am 3‘-Ende des Transkripts bewirken Termination ohne Hilfsfaktoren.
(Hairpin loop!)
oder auch Transkription: Faktorabhängige Termination
- Oligonukleotide sind aus wenigen Nukleotiden
https: //www.youtube.com/watch?v=zGnxkmE4n1w
Termination in Eukaryoten
Spez. Faktoren binden entstehende RNA
Signalsequenzen (PolyA-site)
-RNA wird hier geschnitten
-PolyA-Schwanz wird an das 3‘-Ende der fertigen RNA gehängt
-Eine 5‘-3‘ Exonuklease baut die RNA ab bis die Polymerase erreicht ist, die dann vom template abdissoziiert
-am 5’ ende befindet sich die 7methylguanosine cap
Der Poly(A)-Schwanz wird nicht durch die DNA codiert, sondern von dem Enzym Poly(A)-Polymerase während der Prozessierung der prä-mRNA (hnRNA) im Zellkern
https://www.youtube.com/watch?v=zGnxkmE4n1w
Verbindung von Transkription und
Folgevorgängen (anschließenden RNA-Reifung) in Pro- und Eukaryoten
Der CTD belädt die RNA mit RNA Prozessierunsfaktoren und die DNA mit
Chromatinmodulatoren
CTD of RNA polymerase: Der C-terminus of RPB1 is appended to form the C-terminal domain (CTD). … It is the protein domain that is involved in the initiation of transcription, the capping of the RNA transcript, and attachment to the spliceosome for RNA splicing.
Alle Modifikationen finden an der prä-mRNA, statt, damit diese als „reife mRNA“ aus dem Zellkern exportiert werden kann.
Unter RNA-Prozessierung werden verschiedene Vorgänge zusammengefasst:
Capping: Anhängen der 5’-Cap-Struktur, welche die mRNA vor der Verdauung durch 5’-Exonukleasen und Phosphatasen schützt. Anlagerung einer Kappe aus modifiziertem Guanin. Zusätzliches zeichen das mRNA in Protein übersetzt werden soll.
Polyadenylierung: Anhängen des Poly(A)-Schwanzes an dem neuentstandenen 3’-Ende der prä-
mRNA (bis zu 250 Nukleotiden lang). Dieser Poly(A)-Schwanz erleichtert den Export der mRNA in das Cytoplasma und schützt außerdem das 3’-Ende vor einem enzymatischen Abbau.
Splicing: Spleißen der prä-mRNA in Introns und Exons. Nicht codierende Introns werden herausgeschnitten.
RNA-Editing: Verändern einzelner oder mehrerer Nukleinbasen. So kann z. B. durch das Editing ein neues Stopcodon stromaufwärts des alten entstehen, wodurch die Translation vorher abbricht und u. U. ein völlig anderes Protein entsteht.
allg: 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.
RNA Prozessierung Vorteile und Gefahren durch Viren
Funktion der Cap-Struktur:
-Schutz vor Abbau durch Exonukleasen
-effizienterer Transport aus dem Zellkern
-erhöht die Effizienz der Translation (ca 300-
fach)
Funktion des PolyA-Anhanges: -kann die mRNA vor Abbau schützen -erhöht die Effizienz der Translation (ca 20- fach) Polyadenylierungssignal AAUAAA
Viren inhibieren die Expression eukaryotischer mRNAs über die Zerstörung von Proteinen, die am Cap und am Poly-A-Schwanz binden
z.B. Poliovirus -> keine Cap
Das Poliovirus reduziert die Translation
befallener Zellen dramatisch
Cap-Struktur Aufbau, Zusammensetzung
Die neu produzierte RNA erhält eine Cap-Struktur:
Aufbau der 5‘ cap von eukaryotischen mRNAs: 5‘-5‘ verknüpftes Guanosin; Methylierung von G
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Falls deren 2’-Rest (R) eine Hydroxygruppe (OH-) ist, liegt eine Ribose vor, bei einem Wasserstoffrest (H-) hingegen eine Desoxyribose. Phosphat und die dazugehörige Base.
Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine chemische Abänderung an Grundbausteinen der Erbsubstanz einer Zelle. Diese Abänderung (Modifikation) wird durch die Übertragung von Methylgruppen durch Enzyme (DNA-Methyltransferasen) auf Nukleobasen an bestimmten Stellen der DNA bewirkt.
was ist Spleißen? Spleiß-Reaktion?
Spleißen
- prä-mRNA spleißen
- selbstspleißende Introns
- Alternatives Spleißen
Eukaryotische Gene sind fast immer unterbrochen
- Genom des Menschen:
- Größe Exons: • Ø 145 nt (Nukleotide)
- Anzahl von Introns per Gen: • 0 – 363 (Ø 9) -Größe typischer Introns: • Ø 3300 nt
Exon/Intron Übergänge sind
konserviert:
So sind die meisten Introns, die für im Zellkern lokalisierte mRNAs codieren, nach der GT-AG-Regel zu erkennen: Am 5’-Ende ist bei Wirbeltieren die Spleißstelle durch 5’-AGGTAAGT-3’ und die 3’-Spleißstelle durch 5’-PyPyPyPyPyPyNCAG-3’ gekennzeichnet, wobei Py für die Pyrimidinbasen Cytosin oder Uracil und N für jede beliebige Base steht.
Die Spleiß-Reaktion besteht aus zwei Transesterifikationen: -Theoretisch müsste keine Energie zugeführt werden; tatsächlich werden große ATP-Mengen für diverse Umlagerungen im Spleißosom benötigt
Komponenten des Spleißapparates
- ca. 150 Proteine
- 5 RNA Moleküle (snRNA)
- U-reiche snRNAs
- Intron
snRNPs
small nuclear Ribonucleoprotein
Particles (Snurps)
Das Spleißosom setzt sich am Intron
zusammen. Spleißfaktoren restrukturieren das Intron und erlauben damit erst die Katalyse
Intronsequenzelemente in Eukaryoten?
Selbstspleißende Introns
Selbstspleißende Introns- RNA kann RNA spleißen!
-Selbstspleißende Introns der Gruppe II
sind mit Spleißosom-Komponenten
strukturverwandt:
-Nukleäres Spleißen stammt von selbstspleißenden Introns ab!
-Auch das Spleißosom ist ein
Ribozym!
Spleißen Ablauf/Prozess
Ablauf:
-snRNP U1 bindet sich an 5 ende.
Schnittpunkt an consensus sequences (exon AG/GU intron). wenn nicht korrekt: Mutationen, weil intron nicht oder nur teilweise entfernt.
-Weiteres snRNP (u2AF) bindet an 3 Ende. ebenfalls cut zischen intron/exon. (snRNP BPP hält dieses). U2 bindet alle zusammen und bildet somit Spleißosom.
BBP und U2AF fallen ab und U5,U6 bindet sich. Intron 5` ende: Guanin. dieses wird angezogen von Hydroxygruppe von Adenosin (Transesterifikation) an 3´ Ende. Lariat Loop entsteht und verlässt Spleißosom und exons verbinden sich wieder zueinem Strang. Reife RNA entsteht. spleißing kann gleichzeitig an mRNA passieren.
Warum sind eukaryotische
Gene unterbrochen?
-neue Ebene der Regulation (alternatives Spleißen) -mehrere Proteine von einem Gen -Genevolution: neue Gene durch Austausch von Exons -Introns erhöhen Stabilität einer RNA -Introns verlangsamen Transkription -Funktion in Genregulation (Enhancer) -tragen RNA-Gene: snoRNAs, miRNAs
- Introns ermöglichen alternatives Splicing , wodurch ein einzelnes Gen mehrere Proteine codieren kann, die unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche Funktionen ausführen.
- Ein Signal, das die Zelle empfängt, könnte beispielsweise dazu führen, dass ein normalerweise enthaltenes Exon übersprungen wird oder ein Intron, das normalerweise herausgespleißt wird, zur Übersetzung gelassen wird. Ohne Introns wäre dies nicht möglich oder zumindest sehr viel schwieriger.
In den letzten Jahren haben wir entdeckt, dass RNA-Moleküle (insbesondere kleine RNAs wie siRNAs und miRNAs) viel stärker an der Regulierung der Genexpression beteiligt sind als bisher angenommen. Oft werden die kleinen regulatorischen RNAs von gespleißten Introns abgeleitet.
z.B. Troponin-Varianten durch alternatives
Spleißen
z.B. Gewebespezifisches alternatives Spleißen
führt zu unterschiedlichen Hormonvarianten
Was ist RNA-Edierung? zwischen welchen Vorgängen unterscheidet man?
Edierung ist ein biochemischer Vorgang innerhalb bestimmter Zellen oder Zellorganellen, der im Verlauf der Genexpression stattfinden kann und die Wiedergabe genetischer Information abändert. (vor Translation) Durch RNA-Edierung wird die Diversität des Transkriptoms vergrößert und so auch eine wesentlich höhere Proteinvielfalt ermöglicht.
Grundsätzlich unterscheidet man beim RNA-Edieren zwischen Vorgängen, bei denen einzelne oder mehrere Nukleotide in die RNA eingefügt oder entfernt werden, was Insertions/Deletions-Editing genannt wird, und solchen, bei denen einzelne Nukleinbasen oder Ribosen eines RNA-Strangs chemisch modifiziert werden, beispielsweise ein Desaminieren von Adenosin (A) zu Inosin (I) oder eine Konversion von Uridin (U) zu Pseudouridin (Ψ), was spezieller auch RNA-Modifikation heißt.
z.B.
RNA-Edierung über Addition / Deletion
von Us in Mitochondrien von
Trypanosomen
Ohne Edierung können ORFs in mitochondrialen mRNAs von Trypanosomen
nicht erkannt werden
ORF: offener Leserahmen: Bereich der DNA, der sich zwischen einem Startcodon und einem Stopcodon befindet (codierend Prot.
RNA-Edierung über Desaminierung
von C oder A in Säugern
Als Desaminierung bezeichnet man die chemische Abspaltung einer Aminogruppe als Ammonium-Ion oder Ammoniak.
Die Desaminierung ist der erste Schritt des biochemischen Abbaus von Aminosäuren
Folgen der Desaminierung:
- Änderung eines Codons
- Einfügen von Spleißstellen
- Erweiterte Codonerkennung in tRNAs
Beispiel: Edierung der Serotonin-Neurorezeptor mRNA:
Edierung verändert die Aminosäuresequenz und damit die Aktivität des Rezeptors:
Verlust von Edierung geht einher mit mentalen Störungen (Depression /Suizid)
RNA Transport und der Kernporenkomplex
Nukleo-cytoplasmatischer
Transport:
aus dem Kern raus: mRNA, pre−ribosomes, tRNA, pre−miRNA, snRNA
in den Kern rein:
ribosomal proteins, snRNP, nuclear proteins
microRNA: abgekürzt miRNA oder miR, sind kurze, hoch konservierte, nichtcodierende RNAs, die eine wichtige Rolle in dem komplexen Netzwerk der Genregulation, insbesondere beim Gen-Silencing spielen.
snRNA: small nuclear ribonucleic acid. Es handelt sich um RNA von etwa 100 bis 300 Basenpaaren
snRNP: small nuclear ribonucleoproteins, are RNA-protein complexes that combine with unmodified pre-mRNA and various other proteins to form a spliceosome
Aufbau: Die Kernhüllmembran
- Äußere Kernmembran
- perinukleärer Raum
- Innere Kernmembran
- Kernlamina
NPC Kernporenkomplex : Nucleoporine (Nups)
Nucleoporine (Nups) -Strukturproteine des NPC -Symmetrisch auf cytoplasmatischer und Kernseite verteilt -Kontaktieren die zu transportierenden Lasten
mRNA wird als mRNP
transportiert
Export von mRNAs
- mRNAs müssen vor Export prozessiert sein
- 5‘ capping
- 3‘ poly−Adenylierung
- Spleißen
-unreife mRNAs müssen im Kern bleiben! mRNA export wird deshalb gekoppelt: – Transkription – Prozessierung – (Translation)
mRNA wird als mRNP transportiert: mRNA ist nicht nackt: -5‘ cap and cap-Bindeproteine -3‘ poly−A-Schwanz and poly−A Bindeproteine -Spleißfaktoren -Generelle RNA-Bindeproteine (hnRNPs)
Der mRNP-Export ist alt…
Die meisten Proteine des Exportapparates
haben Orthologe (Hefe/Vertebraten)
:RNP: Messenger RNP (messenger ribonucleoprotein) is mRNA with bound proteins. mRNA does not exist “naked” in vivo but is always bound by various proteins while being synthesized, spliced, exported, and translated in the cytoplasm
Die drei Schritte des Exports von mRNP?
Gen
- mRNP Assemblierung:
- Spleißen
- Prozessierung
- Anheftung Mex67
- Transkription
reife mRNP
2. Translokation:
Vom Nukleoplasma zum Cytoplasma durch Kernpore
Translation
3. mRNP Disassemblierung:
Abspaltung Mex67
(Disassemblierung von Mex67 ist wichtig für die Direktionalität des Exports)
Welche Bestandteile von mRNP-Partikeln sind wichtig für den Export? mRNP Assemblierung, Mex67p?
Mex67p
• Mex67p
-assoziiert mit Nukleoporinen
-Involviert in 75% aller mRNA-Exporte
- Translokation: Mechanismus
- Schwache Interaktion zwischen Nups und Mex67p: Mtr2p
- Diffusion
- Verhinderung einer Rückkehr in der Pore!!!
- Kotranskriptional
NUPS: Nucleoporine (Nups):
Strukturproteine des NPC
Welche Rolle haben RAN Proteine und Karyopherine?
Karyopherine:
Kerntransport von Proteinen, Transportvorgang von nukleären (karyophilen) Proteinen, i.w.S. auch von mit Proteinen assoziierten Nucleinsäuren, der aufgrund der durch die Kernhülle vollzogenen Trennung von Nucleoplasma (Kernplasma) und Cytoplasma notwendig ist ( vgl. Abb. ). Nach der Synthese im Cytoplasma gelangen diese Kernproteine über die Kernporen (Kernporenkomplex) durch die Kernhülle spezifisch in den Zellkern, nicht aber in andere Organellen
RAN Protein:
Ran ist ein monomeres G-Protein, welches das Nukleotid GTP bindet und den Import und Export von Proteinen am Nukleus reguliert.
rRNA-Prozessierung
Nukleasen schneiden prä-rRNAs zurecht -Basenmodifizierungen Beteiligt: -snoRNPs (small nucleolar RNAs) -Proteine
rRNAs werden im Nukleolus transkribiert und (von snoRNPs) prozessiert; Struktur des Nukleolus rRNA Expression erfolgt im Nukleolus
Nukleolus: Struktur
Nukleolus: Subdomänen
FC = Fibrillar Centre
GC = Granular Component
DFC = Dense Fibrillar Component
Wie kommt es zur Struktur des Nukleolus? -Keine physikalische Barrieren (e.g. Membranen), sondern „liquid droplets“ => Veränderte Aufenthaltsdauer für Komponenten der Ribosomenbiogenese! -Der Nukleolus ist eine „kinetische Struktur
snoRNPs; wozu und wie?
snoRNA = small nucleolar RNA; snoRNP = small nucleolar Ribonucleoprotein
-Sequenzspezifisches Schneiden der rRNA:
snoRNPs unterstützen die Sequenzerkennung
-Sequenzspezifische Basenmodifikationen (Umwandlung von U zu Pseudo-U, Methylierung): sno-RNPs unterstützen die
Sequenzerkennungparticle
-Erkennung der zu modifizierenden Basen
durch snoRNAs:
- Komplementarität bestimmt Modifikationsstelle
- passiert kotranskriptional
- einige Proteine beteiligt, die auch die Katalyse machen (kein Ribozym)
tRNA Strukturen
transfer RNA = tRNAs
Kleeblatt-Sekundärstruktur
• 75-95 Nukleotide
• Ungewöhnliche Basen
tRNA: L-förmige Tertiärstruktur
Multiple Erkennungstellen der
korrekten tRNA
Multiple Erkennungstellen der
korrekten tRNA
Erkannt wird:
- Anticodon
- AkzeptorArm
Erkennungsstellen der AA-tRNASynthetasen für verschiedene Aminosäuren
tRNA ProzessierungAminoacyl-tRNA-Synthetasen
tRNAs werden zurechtgeschnitten und gespleißt
tRNAs und rRNAs werden modifziert – dies stabilisiert die Faltung
tRNA-Prozessierung
- Verkürzen
- Modifikation von Basen
- evtl. Spleißen
- Anheften des CCA-Endes
- Anbinden der AS
Genetischer Code
wieviele Aminosäuren?
welche denkbaren Varianten des gen. code?
Proteine bestehen aus 20 verschiedenen Aminosäuren
Wie viele Nucleotide codieren
für eine Aminosäure?
-Wenn 2 Nucleotide eine Aminosäure
spezifizieren, gibt es 4² = 16 Möglichkeiten
-Wenn 3 Nucleotide eine Aminosäure
spezifizieren, gibt es 4³ = 64 Möglichkeiten
Denkbare Varianten des gen. Codes:
- Kommafrei trippletcode (3)
- Kommafreier code aus Tretraden (4)
- Jede vierte Base dient als Komma
- Jedes A dient als Komma
Genetischer Code: Codons lesen, stoppcodons etc?
Im genetischen Code gibt es unterschiedlich große Codonfamilien und nur selten Einzelcodons:
mehrere codieren für z.B. Leu, Arg, Ser etc.
64 Codons codieren für 20 verschiedene Aminosäuren.
3 Codons (UGA, UAA, UAG) für keine Aminosäure. Dies sind STOPP Codons !
Der genetische Code ist für manche
Aminosäuren ein verkappter Zweier-Code??
FOTO Aminosäuren ablesen können!
Minimalwissen: Eigenschaften des
genetischen Codes
Minimalwissen: Eigenschaften des
genetischen Codes
- Triplettcode
- kommafrei, nicht überlappend
- eindeutig
- degeneriert
- universell
degeneriert, weil mit 4 verschiedenen organischen Basen (Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin) und der Triplett-Codierung insgesamt 64 unterschiedliche Aminosäuren codiert werden könnten
Translation und was benötigt man dafür?
Translation ist die Übersetzung der gespeicherten genetischen Information (DNA) in Proteinsequenz.
benötigt wird:
- Zugang zur Information in lesbarer Form (mRNA)
- konstanter Übersetzungsmodus (Genetische Code)
- Adapter zur Umsetzung (tRNA)
- eine Maschine die die Übersetzung durchführt (Ribosom)
Wie wird der Code gelesen?
Das 5´ Ende des Anticodon-Loops paart mit der Base am 3´ CodonEnde der mRNA
FOTO
Die Degeneration des Codes ermöglicht die
Verwendung einer tRNA für mehrere Codons im Rahmen der „Wobble“-Regeln:
-eig. müssten für 61 Tripplets (da 3 Stoppcodons, sonst 64) verschiedene tRNAs sein. Es gibt aber nur 41. Wobble Lösung:
Die Tripletts, die für dieselbe Aminosäure codieren, unterscheiden sich oft nur in ihrer dritten Base. Die Tripletts 5’–UCC–3’ und 5’–UCU–3’ codieren zum Beispiel beide für Serin. An beide Tripletts kann nun die tRNA mit dem Anticodon 3’–AGG–5’ binden, was in einem der beiden Fälle zu der unüblichen Basenpaarung G–U führt. Damit diese Paarungen möglich sind, müssen die Basen aus ihrer Position am Ribosom während der Translation „herauswackeln“. Diese Paarungen werden deshalb als Wobble-Paarungen bezeichnet.
Translation: Wie wird der Code gelesen?
Was ist die Wobble Lösung?
Das 5´ Ende des Anticodon-Loops paart mit der Base am 3´ CodonEnde der mRNA
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Die Degeneration des Codes ermöglicht die
Verwendung einer tRNA für mehrere Codons im Rahmen der „Wobble“-Regeln:
-eig. müssten für 61 Tripplets (da 3 Stoppcodons, sonst 64) verschiedene tRNAs sein. Es gibt aber nur 41. Wobble Lösung:
Die Tripletts, die für dieselbe Aminosäure codieren, unterscheiden sich oft nur in ihrer dritten Base. Die Tripletts 5’–UCC–3’ und 5’–UCU–3’ codieren zum Beispiel beide für Serin. An beide Tripletts kann nun die tRNA mit dem Anticodon 3’–AGG–5’ binden, was in einem der beiden Fälle zu der unüblichen Basenpaarung G–U führt. Damit diese Paarungen möglich sind, müssen die Basen aus ihrer Position am Ribosom während der Translation „herauswackeln“. Diese Paarungen werden deshalb als Wobble-Paarungen bezeichnet.
Das Ribosom: Aufbau und Wirkung
-Das Ribosom besteht aus zwei
Untereinheiten.
-Viele der Funktionsbereiche bestehen aus RNA. Die Proteine sind eher strukturgebende Bestandteile, die die Raumstruktur der RNA stabilisieren
-Das Ribosom ist ein Ribozym:
Ribozyme (von Ribonukleinsäure (RNA) und Enzym) sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, die wie Enzyme chemische Reaktionen katalysieren.
-Transkription und Translation
sind gekoppelt
Ribosomen Aufbau
Ribosomen bestehen immer aus zwei Untereinheiten (UE):
- kleinen UE und großen UE.
- Diese setzen sich wiederum aus ein bis drei Molekülen ribosomaler RNA (rRNA) und mehreren Proteinen zusammen.
- Prokaryotische R. werden nach ihrem Sedimentationskoeffizienten als 70S R. mit 50S- und 30S-UE bezeichnet
- eukaryotische R. als 80S R. mit 60S- und 40S-UE
-Die RNA der 30S-Untereinheit sorgt für
die Positionierung des Ribosoms in der
Nähe des Startcodons bei Prokaryoten
-Die Bildung des Initiationskomplexes
erfolgt an der kleinen ribosomalen Untereinheit
Polysomen: eine prokaryotische mRNA kann von mehreren Ribosomen gleichzeitig
translatiert werden
Was sind Polysomen?
Polysomen: eine prokaryotische mRNA kann von mehreren Ribosomen gleichzeitig
translatiert werden
Elongation Prokaryoten:
Positionierung der tRNAsTRan
Die Peptidyltransferasereaktion:
Die Peptidyltransferase ist ein Ribozym, das im Rahmen der Proteinbiosynthese im Ribosom Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren katalysiert. Sie verkettet die Aminosäuren, die während der Translation von den t-RNAs geliefert werden.
Die Aminogruppe der Aminoacyl -tRNA in der AStelle ersetzt die tRNA der Peptidyl-tRNA in der P-Stelle durch nucleophilen Angriff.
-Dadurch wird die wachsende Polypeptidkette auf die tRNA in der A-Stelle übertragen
Translation am Ribosomen Prokaryoten
Elongationszyklus I:
EF-Tu-GTP bringt die aa-tRNA an die A-site
- Nachdem 70S Initiationskomplex geformt wurde bindet sich fMET an den AUG codon der Peptidylstelle des Ribosoms.
- elongationsfactor TU und GTP. Nächste Aminosäure bindet an Codon an Amino Acyl Seite
-Die Verlängerung der Polypetidkette ist ein energieaufwendiger Prozess.
Dieser Energieaufwand dient auch der Genauigkeit
-Der geschwindigkeitsbegrenzende
Schritt der Translation ist die Bindung
der tRNA am A-Ort (accomodation)
Elongationszyklus II: Translokation
-Peptidbrücke werden durch das Enzym peptidyltransferase zwischen den 2 neuen Aminosäuren ausgebildet. Diese beiden heften an tRNA in der A Stelle und bilden den peptidyl-tRNA Komplex.
- Bei der Translokation bewegt sich das Ribosom ein Codon nach rechts unter EF-G und GTP-Verbrauch. Die Peptidyl-tRNA bewegt sich von A zur P Seite. Die unbeladene tRNA bewegt sich von der P zur E Stelle. (EPA stellen)
- Wenn Translokation vollständig und die Peptidyl-tRNA sich in der P-Stelle befindet wird die unbeladene tRNA von der E-Stelle entlassen.
- Ribosomen Circle wiederholt sich bis Stoppcodon. BILD
Genauigkeit der Translation Prokaryoten
-1-5 Fehler pro 10 000 Aminosäuren
-Ribosom = kein proof reading der Aminosäuren
-Kann das Ribosom fehlbeladene tRNAs
erkennen? ⇒ Nein!
Genauigkeit der Translation
Mechanismus:
-Kein Proofreading nach erfolgter
Verknüpfung, sondern:
Verifizierung/überprüfen der Codon-Antikodon Interaktion mittels 16S rRNA oder EF-Tu
-16S rRNA erkennen G:C oder A:U- Paarungen
Termination der Translation Prokaryoten
Für die Termination der Translation sind
Terminationsfaktoren nötig, die die Stoppcodons erkennen:
-Molekulare Mimikry: Release Faktoren ähneln tRNAs
Antibiotika gegen die Translation:
Beispiel: Puromycin imitiert eine tRNA in der A-Stelle
Translation- Was ist anders in Eukaryoten?
Die Struktur der Ribosomen von Eukaryoten ist komplexer
Prokaryoten:
- Polycistronisch: Als polycistronisch wird eine mRNA von Prokaryonten bezeichnet, wenn diese Informationen zur Synthese mehrerer Proteine bereitstellt, d.h. in sich die Information mehrerer Gene trägt
- Interner Eintritt der Ribosomen
Eukaryoten:
- Monocistronisch: Diese mRNAs enthalten also nur einen offenen Leserahmen
- Scanning der Ribosomen von der Cap
Initiation der Translation bei
Eukaryoten
-Kozak-Sequenz: hilft, das Startcodon zu erkennen
Eukaryotische Initiation I:
- Reihe spezieller eukaryotischer Initiationsfaktoren (eIF) sind beteiligt
- Initiator-tRNA ist hier eine tRNAiMet, die Methionin trägt
- keine Shine-Dalgarno-Sequenz (eine Sequenz der mRNA bei Prokaryoten, welche vom Ribosom erkannt wird und damit den Startpunkt der Translation markiert)
- Startcodon: vom 5’-Ende das erste Basentriplett AUG der mRNA
- Bindung der 40S-Untereinheit erfolgt zumeist an der 5’-Cap-Struktur
- Nach Bildung des Präinitiatinskomplexes aus kleiner Untereinheit und Initiator-tRNA mit eIF-2 und weiteren Faktoren wird die mRNA in 3’-Richtung nach einem AUG abgesucht. Nachdem größere Untereinheit (60S) gebunden -> Start der Translation
Eukaryotisch Initiation II
-Kozak Sequenz ACC AUG G
Initiation der Translation bei Prokaryoten
-Initiator-tRNA bindet an das Startcodon AUG und ist bei Bakterien eine tRNAifMet, die Formylmethionin (fMet) überträgt, statt des Methionins der bei Archaeen (und Eukaryoten) üblichen tRNAiMet.
-drei Initiationsfaktoren (IF 1, IF 2, IF 3) spielen eine Rolle.
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